國際空間站上的種植實驗

文/遲惑

國際空間站上的植物種植實驗，在很大程度上是為了給空間站上的航天員生產食品。

向國際空間站運送食物的費用估計為每千克2萬到4萬美元。每個航天員每天要消耗1.8千克食品（加包裝）。如果向繞月球軌道運行的空間站上或火星居住地運送食物，費用將大大增加。第一次火星之旅預計將耗時3年往返，4人航天員組總共需要10噸左右食物。如果能在太空里種植一部分，那么就能大大節省飛行費用。

太空規模化種植從此起步

國際空間站承擔著太空規模化種植起步的任務。多數實驗的重點是探索植物生長和分布與微重力、空間條件之間的關系，同時和地球對照組進行對比。這使科學家能夠探索某些植物的生長模式是天生的，還是環境驅動的。

其他實驗發現，即使在低重力條件下，植物也有向重力性的能力。例如，歐空局的歐洲模塊化培養系統（EMCS）作為一個微型溫室，可以用來研究植物在變重力條件下的反應。2008年的Gravi-1實驗利用EMCS研究小扁豆幼苗生長和淀粉體運動的鈣依賴性途徑。這個實驗的結果發現，即使在非常低的水平，這些植物也能夠感覺到重力的方向。2014年進行了Gravi-2試驗，在EMCS里用離心機培育768株小扁豆幼苗。結果顯示植物在幾個重力水平下生長時，鈣質對根生長的影響會有所不同。

許多實驗觀察整體的植物生長模式，而不是一個特定的生長行為。例如，加拿大航天局的一項此類實驗發現，白云杉幼苗在微重力空間環境中的生長與在地球上生長的幼苗不同。與地面對照組相比，太空苗的地上部和針葉生長增強，并且淀粉體隨機分布。

“拉達”計劃

和平號空間站上的SVET計劃經過發展，成為美俄合作的“拉達”計劃，全名是“拉達驗證型蔬菜生長設施”，拉達設備包括兩個蔬菜培養單元，一個控制單元和一個蓄水池。培養單元/包括照明系統/蔬菜培養室和根系模塊。照明系統中有兩個U形管熒光燈、葉溫紅外溫度計、監視器和可編程數字照相機。在照明系統和植物之間設置了擋光門，可以完全擋住光照來模擬黑夜。還可以擋住95%光照，這樣在模擬黑夜的同時，有足夠的光照來觀察植物生長情況。

自2002年以來，拉達溫室先后進行了超過20個單獨的植物生長實驗。其間還發生了意外，在種植日本萵苣時，因為供電模塊中的傳感器故障，導致植物根系的實際水位高于規定水位。研究人員一度認為，過度澆水會破壞根系中的營養素和氧氣吸收。然而事實證明，超量澆水讓植物發芽和發育的速度提高了一倍。這表明，科學家們之前實驗所用的水位太保守了。第二個令人驚訝的結果是，因為太空中肥料釋放速度更慢、更均勻，降低了植物的鹽分積累。研究人員之前預計，太空中的鹽積累量會更大，但情況恰恰相反。

▲ 從拉達系統里種植出來的生菜

▲ 拉達系統的培養設施特寫

罐子中的生物學研究

上面說的都是比較大型的植物試驗，美國宇航局還開展過一種罐子里的生物研究——碳罐生物研究（BRIC），主要對象是體積比較小、可以在培養皿中生長的微生物（如酵母）。目前最新的版本是BRICLED，用LED來培育植物、苔蘚、藻類和藍藻等。

▲ 拉達系統種植出的蔬菜準備被帶回地面分析

雖然體積很小，但是BRIC的內容還是比較有趣的。比如說，科學家們會向植物噴射一種叫做“鞭毛22”的細菌。這可以誘使植物認為它們受到了威脅，然后啟動自我保護機制。噴射一小時后，再用化學固定劑澆灌，阻止所有生物過程。然后把它們深度冷凍起來，帶回地球做RNA分析。這樣的研究，有助于了解如何讓植物在太空中繁茂生長，并更好地執行長期任務。

BRIC-24任務測試了空間環境如何影響植物中的細胞器接觸和液泡融合，這些系統對植物重力感應和響應可能很重要。具體的試驗對象是擬南芥和水芹。

當然，空間站上規模最大的試驗設施，還是美國宇航局的“蔬菜生產系統計劃”和“先進棲息地”計劃。

蔬菜生產系統計劃

美國宇航局的蔬菜生產系統（Veggie）是一個簡單、易于存放、生長量大、資源少的設施，能夠在國際空間站上生產新鮮蔬菜，供在軌人員食用，并供科學家進行實驗，學習如何在太空種植糧食作物。除了在太空中種植蔬菜外，Veggie還支持了各種實驗，這些實驗用于確定植物對微重力的反應，還能幫助航天員搞好心理建設。

▲ Veggie為植物提供了相對封閉的環境

▲ 美俄航天員正在享用Veggie的成果

Veggie種植數量最多的，是拿來拌沙拉的蔬菜，給航天員提供美味、營養和安全的新鮮食物，并支持其放松和娛樂。Veggie可以為植物生長提供照明、水和營養物質，直接利用艙內環境控制溫度和相對濕度，并通過光合作用來吸收二氧化碳。

Veggie的光照來自一個大型可調LED燈組。植物根系采用水培方式，水池通過毛細作用向含有基質、養分和種子的根枕供水，幫助種子萌發，并在整個生長周期中提供持續供水，直到蔬菜收獲。

Veggie設備是由一家叫做“軌道技術有限公司”的企業為美國宇航局設計和建造的，由美國宇航局空間生命和物理科學部門的空間生物學項目負責提供資金。Veggie首次上天，是搭載太空探索技術公司的SpaceX-3 CRS任務。發射時，Veggie處在折疊狀態，體積大約不到0.03立方米，入軌展開后為53 x 40厘米。該設施重7.2千克，蔬菜的生長面積約為0.3平方米，允許最大生長高度為45厘米。根墊的生長面積為0.16平方米，有2升儲液罐，安裝在國際空間站哥倫布艙的EXPRESS機架中。

該系統的峰值功率為115W，其LED燈組可支持可調波長、亮度和晝夜周期，以滿足植物的生物需求。一個透明的聚四氟乙烯蓋可以看到植物。這些植物將定期拍照，以評估植物生長速度和健康狀況。與地面對照相比，組織樣本將提供可能的生長異常信息。環境數據將由測量溫度、濕度和pCO2的數據記錄器提供。

Veggie由EXPRESS機架空氣冷卻，提供紅色、綠色和藍色光譜。種子和營養物質被插入植物培養床，安裝在Veggie風箱中的根墊蓄水池上。隨著植物的生長，蔬菜需要最少的航天員維護，例如加水、調節風箱、調節通過生長空間的空氣流量等。

Veggie進行的另一項研究還將提供植物和培養床的微生物樣本，以評估微生物污染程度，并在必要時實施糾正措施。對于大多數物種來說，微生物污染水平將在限制范圍內，不會對航天員構成威脅。

萵苣和東京白菜

Veggie-01中使用的測試物種是萵苣，生長在兩種不同尺寸的弧形伊利石（一種煅燒粘土介質）中，通過比較兩種介質之間的根區域，以確定未來植物的水分和根分布。這些植物將定期拍照，以評估植物生長速度和健康狀況。與地面對照相比，組織樣本將提供可能的生長異常信息。環境數據將由測量溫度、濕度和pCO2的數據記錄器提供。

▲ 俄羅斯航天員幫助照看Veggie

Veggie-01以返回的水樣和根墊、在生長過程軌道上獲取的圖像以及帶回地球的植物樣本的形式提供了寶貴的數據。這一數據有助于研究人員評估兩種不同的生長介質在不同大小的顆粒內的水分和根系分布情況，以便為未來的Veggie任務選擇介質。

盡管整個Veggie-01實驗取得了成功，但在植物培養床和輸水系統方面發現了一些缺陷，導致對培養床和澆水程序進行了修改。這些修改納入Veggie-03試驗中，同時引入了具有不同需水量的作物。

Veggie-03標志著Veggie植物生長單元的第二次運行部署，使用東京白菜作為試驗作物，同時使用兩種不同尺寸的粘土介質，再次比較根系分布。2014年啟用以來，Veggie系統已成功在國際空間站上種植可食用植物。

Veggie系統在進入太空之前，測試過的植物包括生菜、甜菜、蘿卜、大白菜和豌豆。除了蔬菜，美國宇航局航天員唐納德·佩蒂特還種植了一朵向日葵。

先進植物棲息地

先進植物棲息地（APH）是Veggie的后續型號，它與Veggie一樣，利用LED燈和多孔粘土基質以及控釋肥料向植物根系輸送水分、養分和氧氣。

但與Veggie不同的是，APH是封閉式的，自動化的，配有攝像頭和180多個傳感器，與肯尼迪中心地面團隊保持持續的互動聯系，不需要機組人員的日常護理。它的水回收和分配、大氣含量、濕度和溫度都是自動化的。它的LED燈顏色比Veggie多，有紅色、綠色和藍色燈，也有白色、遠紅色甚至紅外燈，可以進行夜間成像。

▲ 在Veggie溫室中生長的萵苣

▲ 在正常光線下拍攝的太空萵苣

▲ 航天員正在測量從Veggie里收獲的萵苣

APH是國際空間站上最大的生長室，大約有一個迷你冰箱那么大。它的監測和環境控制系統能自動調節溫度、氧氣和二氧化碳水平，還可以適應不同類型的植物。雖然該系統基本上是自主的，但需要航天員向APH加水，并更換如乙烯洗滌器、二氧化碳洗滌器和瓶子以及過濾器。所有系統都可以通過地面計算機進行監測和控制。

APH的LED系統也做了升級，配備有白色、紅色、藍色、綠色和遠紅色LED，并且具有多種設置。通過擴大光譜，研究人員可以拓寬他們在太空中研究的植物類型，并根據植物的獨特需求調整光線。APH還可以控制濕度和溫度，以測試理想和不適宜生長環境下的植物閾值響應。

APH還為涉及天基農業循環的研究提供了第一次真正的嘗試，不僅可以種植小植物，而且可以實現從種子到種子。這意味著，從地球上帶來的一粒種子可以長出一整棵植物，創造出一代又一代的后代。如果能夠獲得在太空中可行的種子，并從一粒種子中培育出多代，就具備了讓植物繁衍的能力。

▲ 低照度條件下的先進植物棲息地培養箱

APH安裝在日本實驗艙Kibo的標準EXpedite空間站實驗處理（EXPRESS）機架中。第一批種植的是擬南芥種子，是與卷心菜、芥菜有關的小型開花植物。

這個大型封閉艙的設計目的，是支持空間站上的商業和基礎植物研究或其他生物科學研究，進行長達135天的科學調查，至少連續運行一年而無需維護。APH有一個帶傳感器的主動供水系統，可檢測植物何時需要水，并根據需要保持水的流動。

APH組件包括：

?結構安裝組件

?空氣過濾組件（為系統提供過濾空氣）

?植物棲息地設施套件（包括軟管、水袋、注射器）

?科學載體（植物將在其中生長的托盤）

?生長室（植物將在其中生長的封閉空間）

?環境控制系統（生長室溫度、濕度和氣流控制）

?流體接口標準抽屜（包含二氧化碳瓶、儲水罐和氣態氮調節）

?軌道更換單元組件抽屜（配水系統、電力系統和主計算機）

▲ 航天員在國際空間站用畫筆幫助白菜授粉

▲ 國際空間站里的一棵西葫蘆幼苗

▲ 剛剛開始成長的辣椒

▲ 辣椒在國際空間站里開花，下面是種植床

▲ 國際空間站的第65批次美國航天員正在清理辣椒作物

?生長燈組件（照明系統）

木質素的研究

APH于2018年春季首次在空間站上使用被稱作“植物研究界的白老鼠”的擬南芥和矮小麥進行了試運行。研究團隊的主要興趣點在于考察太空植物在基因、蛋白質和代謝物水平上發生了什么，以及為什么。

他們想回答的一個關鍵問題是微重力和植物木質素含量之間的關系。植物中的木質素具有與人類骨骼最相似的功能。它們賦予植物結構和剛性，并使其能夠直立抵抗重力。已經知道太空會導致人類骨骼和肌肉的損失，那么木質素呢？

團隊打算了解，木質素含量較低的植物能否在太空中正常存活和發揮作用。這可能會給太空種植的植物帶來一些好處，包括人類食用時更好地吸收養分，以及使植物廢料更容易堆肥。

辣椒種植

2020年11月30日，國際空間站上的航天員收集了在空間站種植的第一批蘿卜，總共20棵。

2021年，APH首次種植辣椒。一共進行了兩次種植，辣椒生長了3個多月。2021年10月，航天員們收獲了第一批辣椒，然后把它們全都吃掉了。第二次收獲在2021的11月26日，航天員們留下了12個，把其他的都吃了。這12個辣椒打包送回地球進行分析。

在起飛之前，肯尼迪中心的研究人員花了兩年時間評估了來自世界各地的20多個辣椒品種。研究小組選擇了一種哈奇辣椒，這是來自新墨西哥州哈奇和新墨西哥州南部哈奇山谷的幾種不同青辣椒的通用名稱。PH-04使用NuMex“Espa?ola改良”辣椒，這是新墨西哥州立大學開發的一種雜交品種，將“Hatch Sandia”和新墨西哥北部傳統的“Espaáola”辣椒結合在一起。這種辣椒在APH的地面試驗中生長最好，能夠很好地適應受控環境。

美國宇航局肯尼迪航天中心的一個小組對48顆辣椒種子進行了消毒，并將其種植在一種稱為科學載體的設備中，該設備中含有用于根部生長的烤粘土和一種專為辣椒配制的控釋肥料。載體搭載太空探索技術公司的第22次貨物再補給任務發射到空間站，安裝在APH中，由美國航天員謝恩·金布羅負責操作?？夏岬现行牡囊粋€團隊一直在從地球上監測實驗，控制澆水、照明和其他環境條件。軌道上的工作人員與研究人員合作，定期檢查辣椒，并執行園藝任務，如清理APH上的植物殘骸。

目前國際空間站上的植物生長實驗仍在持續進行中，我們期待有更多的收獲，支持人類更好地探索太空。

▲ 空間站里辣椒成熟的場景

▲ 航天員們收獲了一批辣椒，然后把這些難得的新鮮蔬菜吃掉了