太空種植：人類移民外星球的必解難題

文/若水

▲ 電影《火星救援》中馬特·達蒙和他的火星土豆

提到太空種植，關心太空的你一定對電影《火星救援》中主演馬特·達蒙在火星種植土豆的場景記憶猶新。喜歡科幻的你也一定對《三體3：死神永生》中云天明在一片位于三體人太空飛船的麥田中，與程心在地球分別后的第一次視頻會面印象深刻。

這些雖然只是科幻，但是進入21世紀，隨著月球長期科研站、火星探測任務等載人深空探測任務的提出，如何在太空建立自給自足的能力，已經成為各航天大國重要的研究課題，太空種植也是需要重點突破的能力之一。

目前，太空種植還處于科學研究和試驗階段，主要在位于近地軌道的空間站進行，對于載人航天本身所提供的功能性支撐極其有限。

▲ 設想中的火星表面植物農場效果圖

太空種植對人類航天探索的作用

太空種植將是未來人類實現航天探索的關鍵技術點之一，通過在太空或外星球種植作物，減少甚至消除從地球再補給的需求，是太空種植的最終目標。

通過太空種植,可以為航天員提供食物和水過濾，也有助于控制艙室濕度；通過光合作用代謝空氣中的二氧化碳并產生氧氣，實現氣體循環；通過照料和觀察太空中的植物，給人類長期太空飛行帶來心理上的好處，提高他們在軌道居住生活的幸福感；此外，還可以減少長期太空任務對發射質量的需求。

太空種植所面臨的挑戰

人類構建的航天系統可以為植物提供大氣環境，并保護植物免受太陽輻射的影響（太空種植通過人造光源提供光照）。但是微重力、宇宙射線和強烈氧化應激對植物的影響是無法避免的，這也是太空種植中需要重點研究和解決的問題。

▲ Fiton-3有透明的墻壁，內含充滿瓊脂營養培養基的生長容器，在微重力下播種的單元，保持容器內無菌條件的通風系統，以及日光型熒光燈

微重力

許多人認為太空是零重力環境，從而導致失重。這是一個非常普遍的誤解。事實上，引力在太空中無處不在，一個更科學準確的說法是微重力。在微重力環境中，航天員和太空中的物體看起來是失重的。微重力對植物的影響就像它對太空中任何其他生物的影響一樣。

由于植物是陸地生物，發現重力的變化如何影響植物生物學對人類來說非常重要。特別是，根系的養分供應、養分的生物地球化學循環，以及土壤基質中的微生物相互作用都特別復雜。

宇宙射線

宇宙射線是一種很難防御的電離輻射。質子(或其他較重的元素)從爆炸的恒星中發射出來后，被加速到光速。這種強輻射轟擊生物體，會破壞分子結構。與太陽輻射不同，宇宙射線在物理上很難抵御。

地球產生的磁場可以偏轉這些輻射，以保證地球的安全。但是在空間站或沒有磁場的星球，這種輻射就很難避免，會給航天員和植物帶來了巨大的健康問題。

▲ 電影《火星救援》中的火星土豆幼苗

▲ 蘇聯為“Kosmos 110”生物太空試驗發行的紀念郵票

▲ 1975年種植在費城華盛頓廣場的“跨世紀月亮樹”

氧化應激

在航天器系統中，氧氣和二氧化碳循環系統可以維持人類的生命，并對植物起到同樣的作用。植物在太空中經歷的氧化應激類型與新陳代謝有關，它是新陳代謝不可避免的結果。分子轉化和能量轉化的生化過程產生了對細胞結構有害的氧化副產物和活性氧。在太空中，這種氧化應激在植物中被放大，其原因尚在研究中。

太空種植的起源

最早的太空種植實驗主要是進行太空育種，這可以追溯到20世紀40年代，由美國哈佛大學和海軍研究實驗室主導的亞軌道植物種子太空輻射暴露試驗。

1946年7月9日，美國發射的V-2火箭將“特別開發的種子菌株”發射到了134千米的太空，但是在第一次試驗中種子并未被回收。緊接著在當年7月30日發射并回收了玉米種子，此后又對黑麥和棉花進行了相應的試驗。

1966年2月22日，蘇聯進行了“Kosmos 110”生物太空試驗。本次任務搭載了濕潤的種子和兩條狗，太空艙在軌運行22天后返回地球，其中部分種子成為第一批在太空發芽的種子。試驗表明，這些經過太空旅行的生菜、卷心菜和豆子的種子不僅能在太空發芽，而且其在地球種植后的產量比地球上的對照組要高。

1971年1月31日—2月9日，500棵樹的種子隨阿波羅14號飛船繞月飛行。這些包括火炬松、梧桐樹、楓香樹、紅杉和道格拉斯冷杉在內的被美國稱為“月球樹”的樹種，在地球上種植和生長后，沒有檢測到任何變化。

這一時期的太空種植主要停留在太空育種階段。

▲ 太空中培植的百日菊。美國航天員斯科特·凱利在國際空間站上護理垂死的太空百日菊，使其恢復健康。他以地球為背景，在空間站的圓頂上拍下了一束鮮花，并在2016年情人節當天在Instagram上分享了這張照片

太空種植的發展

進入空間站時代，太空種植迎來了它真正的發展。這個時代初期的霸主是致力于空間站技術的蘇聯，此時的美國正被航天飛機所捆綁。

1982年歷史性的禮炮7號空間站種植實驗中，使用“Fiton-3實驗微型溫室”種植擬南芥，第一次實現了種子到種子的太空種植。植物生長最終產生了成熟和爆裂的豆莢。在大約200顆種子中，有一半是未成熟的，42%的種子發芽后長成了正常的植株。這是太空植物學的一個里程碑事件。

1997年，蘇聯在和平號空間站利用“Sevt”太空溫室，使“超矮小麥”完成了首次“從種子到種子”的植物生長試驗。

當然美國也并未就此在太空種植方面停滯不前，1983年他們在哥倫比亞號航天飛機上，對向日葵幼苗進行了微重力條件下的向陽試驗。盡管沒有重力，幼苗仍然經歷了旋轉生長，表明這些行為是本能的。

2008年，歐空局在航天飛機上利用“歐洲模塊化栽培系統”，進行了微重力條件下的植物生長試驗。試驗表明，即使在非常低的重力水平，植物也能感知重力的方向。此后，歐空局利用該系統進行了地面實驗，將768株扁豆幼苗放在離心機中，以刺激各種重力變化的反應。通過分子生物學研究表明，植物在極低的重力水平下，會改變鈣信號，從而對根部生長產生影響。

2014年，國際空間站上BRIC19的數據獲得了首次完整的擬南芥轉錄組RNA測序，從而可以監測擬南芥的每一個基因。

2016年，在美國航天員斯科特·凱利的照料下，國際空間站上百日菊盛開。

2019年1月3日，我國嫦娥四號月球著陸器在月球背面的馮·卡門隕石坑著陸，其中一個載荷為3千克重、密封的“月球微型生物圈”，里面包括植物種子和蠶卵，以測試植物和昆蟲能否孵化并協同生長。棉花在嫦娥著陸器上發芽并迅速死亡。實驗雖然未達成預期結果，但這是在月球表面進行的第一個天體植物學實驗。

▲ 國際空間站“高級植物棲息地”培養器中開花又結果的辣椒

2021年國際空間站的航天員進行了智利辣椒的種植試驗，這是在軌道實驗室中進行的時間最長、最具挑戰性的植物實驗之一。在10月的第一次采摘后，航天員對這些辣椒進行消毒，并吃掉一部分收獲的果實，剩下的被帶回地球進行分析。這些辣椒是在國際空間站“高級植物棲息地（APH）”培養器中種植的。

▲ 國際空間站的美國航天員梅根.麥克阿瑟展示了她在空間站的盛宴：太空玉米卷。配菜包括：法吉塔牛肉（fajita beef），再水化的西紅柿和洋薊，關鍵還有航天員在空間站親自種植的智利辣椒。

人類在太空種植過的植物包括：擬南芥、大白菜、郁金香、石竹、亞麻、洋蔥、豌豆、蘿卜、萵苣、小麥、大蒜、黃瓜、歐芹、土豆、蒔蘿、肉桂羅勒、卷心菜、百日菊、紅萵苣、向日葵、理翅角蕨、硬燕麥和辣椒等。

太空種植的未來

由于火星是除地球外太陽系內最適合生命存在的行星，因此太空種植業的應用，未來將主要圍繞在火星實現自給自足的太空種植開展。

美國太空探索技術公司創始人埃隆·馬斯克致力于通過移民火星，使人類成為多行星物種。馬斯克曾表示，要實現人類在火星的可持續發展，需要在火星建設一個10萬人的城市，這需要1000艘星艦和100萬噸的維他命C，否則火星上的人類將在痛苦中慢慢死去，就像人類開創大航海時期的起步階段。

火星上的食物將在地下或封閉結構的太陽能水培農場中種植。要實現火星移民完全的自給自足，太空種植還有很長的路要走。但是可以預見，馬特·達蒙在火星種植土豆的場景會在不久的將來實現。

相關鏈接

美國宇航局太空種植設備

蔬菜生產系統（The Vegetable Production System or Veggie）

蔬菜生產系統用于研究在微重力環境下的植物生長，Veggie大約有一個隨身行李箱大小，通常可以種植6棵植物。每一株植物都生長在一個“枕頭”里，里面裝滿了粘土基的生長介質和肥料。“枕頭”對根部周圍的水分、營養和空氣的健康平衡非常重要。否則，由于太空中的液體容易形成氣泡，根部可能會被水淹，或者被空氣包裹。

▲ 航天員佩吉·惠特森收獲在蔬菜生產系統種植的一種甘藍，并將樣本帶回地球進行測試

高級植物棲息地（Advanced Plant Habitat APH）

高級植物棲息地(APH)，就和上面提到的Veggie一樣，是植物研究的生長室。它使用發光二極管燈提供光源，并采用有控釋肥控制系統將水、營養物質和氧氣輸送到多孔粘土基質中，以營養植物根部。種植智利辣椒的“植物習性-04（Plant Habitat-04）”試驗就使用了此類設備。

與Veggie不同的是，APH是封閉的、自動化的，它配有攝像頭和180多個傳感器。該設備與肯尼迪航天中心的地面團隊保持著持續的互動，因此它不需要太多空間站人員的日常照顧。

它的水回收和分配、大氣含量、濕度和溫度都是自動化的。與Veggie相比，它有更多顏色的LED燈，有紅色、綠色和藍色，當然也有白色甚至紅外燈，以允許夜間成像。

▲ 國際空間站的高級植物棲息地生長了5周的矮小麥

▲美國宇航局的BRIC的最新版本BRIC-LED

罐中生物研究（BiologicalResearch in Canisters BRIC）

BRIC是一種用于在太空中研究可以在培養皿中生長的生物體的設備，如酵母和微生物。BRIC的最新版本BRIC-LED，增加了發光二極管，以支持植物、苔蘚、藻類和藍藻等生物，因為這些生物需要通過光合作用來制造食物。

目前，BRIC-LED正在進行硬件驗證測試?？茖W家們希望確保其發光二極管不會對植物產生過熱影響。