空間植物科學與技術

何雨珂

【摘 要】在上世紀80年代中后期，在“八六三”計劃的支持下，我國就開始有計劃地進行空間植物科學與技術的研究。其中有地面模擬研究，也有空間搭載試驗；有高等植物，也有低等植物；有休眠狀態的植物種子，也有生命活躍的植物細胞、組織和苗；有植物科學問題的研究，也有植物生物技術的探索。

【關鍵詞】空間植物；科學與技術

至今，我國空間植物試驗的搭載工具主要有探空氣球和落艙、返地衛星、載人飛船等。已明顯地觀察到植物在空間所發生的遺傳變異，形態、生理和代謝上的變化。為什么要開展空間植物生物學的研究，現作如下介紹：

一、40所年前的預料

1960年3月22日，時任中國科學院植物生理研究所副所長、中國科學院學部委員（院士）的殷宏章先生在文匯報上發表了一篇主標題為“人造小世界”，副標題為“送植物和高等生物上天的設想”的文章。文章發表的第二年，即1961年，原蘇聯宇航員加加林成為世界上翱翔太空第一人。殷宏章先生在文章中寫道：“人們到宇宙中去，首先要解決糧食問題”，“比食物更重要的是氧氣，人們一時一刻都離不開它”。食物和氧氣是人類生存所必需的條件，在宇宙空間如何能滿足人類的要求？殷宏章先生認為“植物倒能解決這個問題，我們都知道，綠色植物在陽光下，能把二氧化碳和水轉化為有機物和氧氣。這樣正好相互補償，植物利用人們排出來的二氧化碳、水和排泄物制成食物和氧氣，再供給人們用，構成一個自給自足的“小世界”。

但是，殷宏章先生也看到“制造一個循環完整的小世界，很不簡單，中間有些環節必須調劑或通過加工來銜接，也許還不能只用兩種生物成分，如何保持它們間的比例，必需先研究解決”。40多年以來，空間科學和技術發展的事實無可置疑地表明殷先生在預見科學技術發展上的敏銳性?？臻g科學和技術的發展大體上可以分為三個階段：第一階段是空地往返，標志是航天飛機；第二階段是占領近地軌道空間，標志是空間站；第三階段是在空間人類永久性活動，標志是建立受控生態生命支持系統（CELSS）?？臻g生命科學和生物技術的總目標是：一要開發利用近地軌道空間微重力資源造福人類；二要建立CELSS，提高人在空間的自主能力和擁有長期生存的條件。

二、新世紀的規劃

在空間生命科學與技術研究領域中植物生物學研究的位置和主要方面。特別要強調的是必須利用微重力條件去研究和解決的十分重大的科學與技術問題。

第一優先方面，如有：（1）先進生命支持系統（和部分重力生態學），其中重力生態學強調空間飛行環境如何影響生態系統的結構、功能、進化或穩定性，它們會關系到航天飛機和星球的居住；（2）比較生物學，強調長期受到變重力和其它相關空間因素對動物和植物正常的生理、代謝和生活的影響，并在不同的生物體間進行比較；（3）細胞和分子生物學（分子結構與相互作用，細胞科學與組織工程），強調變重力和其它空間有關作用因子如何直接和間接地影響細胞的基礎功能和特性，如機械力感受、信號轉導、基因調節和表達、蛋白質組、整合蛋白的功能和結構、細胞骨架結構和功能等等。

第二優先方面，如有：發育生物學，強調在正常發育和功能中重力的作用，重力和其它空間環境如何影響生物體的繁殖，對后代影響的機制，特別是涉及重力感受和響應的系統和結構的發育。

第三優先方面，如有：（1）生物技術（商業項目），商業空間中心（commercial space center）和藥業界建立了持續的合作研究；（2）結構生物學，強調生物大分子蛋白質晶體生長的微力學，控制晶體質量的因素，發展獲得科學上有意義的高分辨率晶體的技術。

第四優先方面，如有：（1）進化生物學，強調地球生物體進入新的空間環境的能力，在地球生物進化中重力的作用；（2）農業商業（AGRIBUSINESS，商業項目），探索在微重力條件下的植物研究，檢驗缺乏重力時植物的結構。在基礎科學領域增加植物學的知識，在應用領域增加如植物藥物開發的知識等。

從上述不同等級的優先方面，可以看到許多研究的內容是與植物、植物生理學或植物生物學關的。當這些影響得到認識時，人們才能可靠地發展以植物為本的氣體再生系統，為長期的空間探索服務。初步研究證明，在空間站微重力對小麥的生長速率和干物質沒有影響。小麥每天的光合作用速率，葉子對二氧化碳濃度和光強的響應與有重力條件下沒有區別。也就是說，微重力對發育中的小麥光合作用水平和蒸騰速率都沒有影響。根據NASA網公布的資料，在2003年1月發射的STS-107航天飛機上帶有80個試驗。在“地球上不能做的科學研究”一文中，列舉了其中8個特別有意義的生物學和物理學的試驗。8個實驗中有3個是與植物有關的，2個涉及基礎植物生物學，1個與植物生物技術有關。令人痛惜的是，這架航天飛機在空間飛行十多天后返回地球時墜毀。

三、空間植物的商業性研究

空間科學技術的研究從一開始起就有其應用的目的，而且隨著空間科學技術的發展，為達到應用目標的具體領域和項目也越來越明顯。一種是在空間的直接應用，另一種是促進或帶動地面的應用。在NASA的商業性應用研究中提到的就有生物技術和農業商業（agribusiness）。相對于農業（agriculture）來說，農業商業可能意味著不僅僅是一種栽培性的和傳統的農業活動，還有更廣泛的和現代的商業和經營性的含意，其產品也不僅僅是傳統農業中的食物這一產品。空間生物技術的研究包括植物來源的藥物，提高抗體的生產率，蛋白質晶體生長，生物材料和藥物微膠囊等。美國有一個從空間研究到商業化開發的項目——新型復方藥物膠囊釋放系統（newencapsulated multiple drug delivery system），此種新型藥物釋放系統稱為多層微膠囊（multilayeredmicrocapsules）。

為了生產此類產品已經建立了微重力膠囊加工系統，包括材料分散器和液體混合器。實驗證明，地面生成的微膠囊直徑很少有大于20μm的，而空間生產的微膠囊的直徑可達20～300μm。微重力條件下生產的微膠囊比地面生產的一般可大4～10倍，裝藥量多20%～400%，裝藥量可占整個微膠囊體積的80%。這種微膠囊也僅能在微重力條件下生產。美國計劃從2002～2016年間的前5年中開發2個新的藥物，并且生物藥物生產成本要有所降低；最后5年要有10個產品能進入市場。農業商業涉及改善植物發育問題，如通過研究木質素的形成提高木制品質量和食物的安全性等。

根據NASA網公布的計劃和研究資料，從2002年開始的以后15年內，美國計劃前5年通過微重力條件下植物木質素的研究以改進紙漿加工。FDA在國際空間站（ISS）曾研究過轉基因作物，在航天飛機STS-95（1998）和STS-101（2000）飛行中進行了2次大豆的基因轉化實驗。在STS-107（2003）飛行中進行DNA的小麥花粉粒轉化實驗。1998年，在航天飛機STS-95上用微量固相提取技術研究小型玫瑰的精油成分，并獲得了成分上有差異的精油。花所產生的香味與原來完全不同，新的玫瑰“精油”已摻入到一種香水中。在STS-107飛行中，他們計劃送玫瑰和亞洲水稻兩種花進入軌道，希望能產生前所未有的氣味。隨后的5年，他們計劃開發轉基因作物新品種，在農業和藥物方面希望有3個或更多改良的植物品種用于生產。

四、結論

綜上所述，目前，人們正利用模式植物擬南芥在生物培養系統中檢驗此種技術。由于人們對生物藥物/營養品越來越注意，也帶動了植物細胞培養技術的研究。現在，美國威斯康星空間自動化和機器人中心發展了一種精細的生物反應器（state ofthe art），可保證多種環境因子的優化組合，這為細胞培養提供了一個理想的條件，可能會有助于提高產率。

【參考文獻】

[1]胡廣，楊怡雯，王麗嫻，李雅，胡紹慶，江俊浩.植物景觀對杭州佛寺園林空間結構影響的定量分析[J].浙江理工大學學報（社會科學版），2018，40（05）：545-552.