太空中的植物棲息地

鮑勃·格拉納特

美國航空航天局一直有致力太空種植方面研究的項目，BRIC就是其中之一。BRIC項目為

“Biological Research In Canisters”的縮寫，意為“密閉空間中的生物學研究”。該項目的研究平臺是一個承載實驗的密閉系統，在1997年11月開始的美國微重力載荷“哥倫比亞”號航天器STS-87項目期間首次使用，隨后又被應用于STS-135項目，2011年7月，該項目完成了最后一次飛行任務。

美國航空航天局位于佛羅里達的肯尼迪航天中心BRIC項目負責人何塞·卡馬喬說：“BRIC 項目所用的平臺屬于快速通道型設備，一次有效載荷6個月至8個月就可準備就緒，大多數項目需要的準備時間比這長得多?！?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2017/05/12/fdts201705fdts20170513-1-l.jpg" style="">

佛羅里達大學分子遺傳學教授安娜·麗莎·保羅和威斯康星大學麥迪遜分校植物學教授西蒙·吉爾羅伊經美國航空航天局選拔參與了太空生物學研究。

保羅的研究專注于缺少對引力做出反應的未分化細胞在太空中的表現。未分化細胞是不成熟或發育不全的細胞，還沒有獲得某些特殊的結構和功能。

吉爾羅伊的研究內容則是外層空間的低氧條件對擬南芥種子的基因發育的影響。一般認為，根區低氧是外層空間飛行中產生的現象，因為失重造成浮力驅動對流，促進生物體周圍的氣體交換。這反過來導致限氧條件的形成，對植物活力和生產能力產生負面影響。

這些研究可以幫助我們理解環境刺激的交互作用如何影響失重環境中的植物發育。另外，植物分析將利用確定的突變定制植物，使其在外層空間茁壯成長，檢驗其潛力的大小。這些研究的最終目的是為長時間的外層空間生活提供食物，比如，要前往某個小行星或火星。

目前用于BRIC項目的反應容器體積為17.6厘米×10厘米×10厘米，可安裝五六個有蓋培養皿固定裝置。

一位宇航員利用肯尼迪航天中心的制動設備研制了一種RNA穩定溶液。這種溶液可以中止幼苗和細胞的發育，使其就像凝結在時間中一樣，停止所有的生物活動，然后被儲存在空間站的冷凍庫里，防止它們在“太空旅行”中遭到不良環境的破壞。

一旦進入國際空間站的實驗室，在溫度達到4℃時，實驗就會啟動。與此同時，位于地球的肯尼迪航天中心也會在空間站加工設施里進行相同的實驗，為項目提供對照研究結果，以比較重力作用對植物生長的影響。

之前，肯尼迪航天中心的大部分工作都集中于接收、加工和發射其他中心研制的運載工具。但是，近幾年，這里的一個工程師團隊研發了一個植物棲息地，以研究植物在微重力的太空環境中生長的問題。

國際空間站地面加工和研究指揮部的植物棲息地項目經理布萊恩·奧納特說：“這是肯尼迪航天中心首次牽頭研發的空間站有效載荷大型項目。這個植物棲息地是一個大型封閉室，可以支持在空間站開展商業性植物研究和基礎植物研究?！?/p>

這是一件有效載荷，會被安裝在一個標準的加快處理實驗空間站的機架上送入太空。這個多用途載荷托架系統為研究和科學實驗提供了場所，支持跨越許多學科的科學研究，為其提供結構界面、動力、數據、冷卻、供水及其他環軌科學載荷所需的物資。

美國航空航天局正在空間站對植物進行研究，以便在未來的長期太空任務中為宇航員提供食物。而且，它們還可以重復利用二氧化碳，將其轉化為可供呼吸的氧氣，這對宇航員來說非常重要。

奧納特解釋說，空間站上的多數實驗都是一些大學或研究機構的項目負責人開發的。他說：“植物棲息地項目是想通過這種努力吸引更多的研究人員來參與此類研究。為此，我們已經與軌道科技公司（ORBITEC，位于威斯康星州麥迪遜市，是一家子系統集成及高科技開發公司）簽約，請他們幫助設計、制造此類植物棲息地?！?/p>

植物棲息地的設計包括控制溫度、濕度、二氧化碳水平和照明的能力。光照是植物生長的一個重要組成部分，這個有效載荷中使用的是發光二極管（LED）。實驗證明，這種LED光可以滿足植物生長的需要。在植物棲息地內部有一個托盤，用它來種植不同種類的植物，為植物生長實驗提供主要的結構支持及植物根區用水，可卸載、可重構。這個托盤由一個結構原件、一個供水裝置和一個標準的接入控制板組成，為種植在上面的植物提供基礎的生長要素支持。這個設備還會為其他特殊實驗提供數據測量方面的支持，供調查人員擴展植物棲息地的基礎功能。

奧納特說：“這些托盤有一整套系統，供宇航員進行實驗，把水和植物生長需要的其他營養注入支持植物生長的媒介，支持項目負責人根據他們想種植的植物種類以及他們打算要做的實驗種類對其進行調整?！敝参飾⒌乜梢岳每臻g的微重力，根據研究需要運行30天、60天或90天。

2015年8月10日，國際空間站的宇航員收獲了一批“極品紅”長葉萵苣，8月12日，他們在全世界航空愛好者的注視下用檸檬酸基食品安全衛生濕巾清潔了萵苣，品嘗了這種可愛的蔬菜。他們只能吃掉其中一半，其余的要在空間站包裝冷凍，送回地球供科學分析。

美國航空航天局用于植物實驗項目的第一批實驗裝置于2014年5月由39號探險任務飛行工程師史蒂夫·斯汪森啟動，同時，也由他負責澆水和護理。第一批蔬菜用了33天成長，在被收獲后于2014年10月送回地球。在佛羅里達州肯尼迪航天中心，這些植物接受了食品安全分析。第二批于2014年7月8日由凱里啟動，也讓其生長33天后收獲。這些種子都是在空間站存放了15個月后才被喚醒并開始生長的。

植物棲息地有一個扁平面板燈組，由紅、黃、藍三色二極管組成，在為植物生長提供光照的同時，方便宇航員對其進行觀察?？夏岬虾教熘行奶剿餮芯亢图夹g項目辦公室高級生命支持項目的負責人雷·惠勒博士說，利用LED燈光種植是美國航空航天局在20世紀90年代后期就提出的設想。

植物棲息地中植物周圍的紫色、粉紅色調是紅燈和藍燈組合所致，按照設計，它們比綠光LED放出更多的光。在光線中加入綠色光是為了讓蔬菜看上去像能食用的食物，而不是奇怪的紫色植物。

惠勒說：“植物生長得有藍色和紅色波長的光。從電力轉換的角度來說，這些光是效果最好的。綠光LED有助于促進人類對植物的視覺感知，但是沒有紅光和藍光的幫助大?！?/p>

惠勒、馬薩和加里·斯圖特博士都來自肯尼迪航天中心，此前在美國航空航天局位于亞利桑那州弗拉格斯塔夫市附近的沙漠試驗場研究類似的種植實驗?；堇照f，綠色棲息地將幫助他們更多地了解受控農業環境的種植問題，比如立體農業（將植物架摞起來，使用水耕法種植，用紅光和藍光LED之類的電燈照明）。這種系統在亞洲有些國家很受歡迎，在美國也開始發展。

惠勒說：“初步實驗證明，綠色棲息地也可以種植西紅柿、藍莓之類的新鮮食品，它們都是良好的抗氧化劑來源。如果能在外層空間種出這樣的新鮮食品，不光可以幫助宇航員調節情緒，一定程度上還能夠在外層空間防范輻射?！?/p>

在第一批收獲的萵苣送回地面之后，馬薩和一名航天醫生以及美國航空航天局安全代表小組開始極力申請讓宇航員長期食用這種產品，因為這些萵苣的微生物食品安全分析結果很好。

除了具有營養上的好處之外，在外層空間種植新鮮產品會不會產生心理上的好作用呢？亞歷山德拉·惠特邁爾參與了解答這個問題的研究，他是位于休斯敦的美國航空航天局約翰遜航天中心的一名科學家。

惠特邁爾是美國航空航天局人類研究項目的行為健康與績效研究科學家。她的團隊注重與降低火星任務心理風險相關的研究，致力宇航員行為條件、績效減弱以及集體交流和心理適應方面的研究。

惠特邁爾說：“未來的外層空間飛行任務可能涉及4名至6名機組人員，在一個有限空間里生活比較長的一段時間，交流受到限制。提供有效訓練，讓機組成員在執行任務期間具備有效的防范措施，這一點很重要?！?/p>

防范措施可能包括讓工作富有意義，在居住環境中種植植物。惠特邁爾說，目前的研究已經表明植物與幸福和最佳效益相關，將植物作為長期探索任務期間的防范措施具有很大潛力。如果在極端的、壓力很大的太空生活中有其他物種的陪伴，對宇航員的心理幫助極大。

馬薩說：“人類離開地球越遠、時間越長，就越需要能夠種植植物，供給食品，促進空氣再循環，改善心理狀態。我認為，植物體系將成為任何長期探索項目的重要組成部分。

“我們希望增加作物的數量和類型，這樣就能夠更多地了解微重力條件下的種植，還可以觀察光的質量對作物收成、營養和風味的影響，無論是在地球上還是在外層空間?！?