太空種植

在人類探索太空的過(guò)程中，把地球上的植物帶到太空不僅有美化空間站環(huán)境的原因，更有實(shí)際的意義。在空間站上，植物讓空氣更甜美，地球家園氣息也更多些。植物對(duì)空間站上的宇航員（航天員）保持健康來(lái)說(shuō)很重要，在他們承擔(dān)長(zhǎng)期太空任務(wù)期間來(lái)說(shuō)更是如此。

缺乏維生素會(huì)引起一系列健康問(wèn)題，比如，缺乏維生素C 可能會(huì)讓人患上壞血癥。只食用復(fù)合維生素片，并不足以維持宇航員的健康，他們還需要新鮮的、天然的豐富營(yíng)養(yǎng)。

目前在空間站上，宇航員會(huì)得到定期的食物補(bǔ)給，其中包括凍干食品和預(yù)制食物等多種食物，運(yùn)輸飛船會(huì)及時(shí)把這些食物送到空間站。但宇航員有可能前往更遠(yuǎn)的太空，在空間站上一待就好幾個(gè)月，在此期間食物補(bǔ)給船不能前來(lái)，而空間站上預(yù)制食物中所含的維生素也會(huì)分解。

科學(xué)家正在想方設(shè)法為宇航員提供時(shí)效長(zhǎng)、易吸收的營(yíng)養(yǎng)物，因此，能在空間站上種植新鮮蔬果尤其重要。但一大挑戰(zhàn)是，在空間站上沒(méi)有陽(yáng)光、缺乏地球引力的封閉環(huán)境里，怎樣才能種植蔬果呢？

維吉艙

維吉艙是蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱。它實(shí)際上是空間站上的一個(gè)太空花園。通過(guò)維吉艙，科學(xué)家能探索微重力環(huán)境中的植物生長(zhǎng)過(guò)程，同時(shí)為宇航員帶來(lái)一些新鮮食物，從而提升他們?cè)谔罩械臍w屬感和健康程度。

維吉艙只比一個(gè)旅行拉桿箱稍大些，里面一般有6 種植物，其中每種都生長(zhǎng)在包含黏土和化肥的基質(zhì)上，這樣的基質(zhì)能讓植物根部附近的水、養(yǎng)分和空氣循環(huán)達(dá)到平衡。如果不能達(dá)到平衡，植物根部就會(huì)因浸水而腐爛或被空氣破壞，這是因?yàn)橐后w在太空中容易形成氣泡。

在缺乏引力的條件下，植物利用其他環(huán)境因素（例如光線）來(lái)定向引導(dǎo)生長(zhǎng)。位于維吉頂部的發(fā)光二極管組發(fā)出適合植物生長(zhǎng)的光線。因?yàn)橹参飼?huì)反射大量綠光，吸收更多的紅光和藍(lán)光，所以維吉艙通常閃耀石榴紅光，這樣能更好地滿足植物所需。

維吉艙已經(jīng)成功生長(zhǎng)出多種蔬菜，其中包括生菜、大白菜、紅甘藍(lán)和百日菊等。一些蔬菜被采摘和供宇航員食用，另一些被送回地球做檢測(cè)。迄今，在空間站上采摘的蔬菜都是安全的。

科學(xué)家計(jì)劃未來(lái)在太空種植更多種植物，例如草莓、一些豆類及其他富含抗氧化物的植物，讓宇航員能更好地抵御太空輻射。

領(lǐng)先植物艙

與維吉艙一樣，領(lǐng)先植物艙（以下簡(jiǎn)稱領(lǐng)先艙）也是空間站上用于植物種植和植物研究的生長(zhǎng)艙。它也采用發(fā)光二極管組產(chǎn)生光線，并且采用一種能向植物根部可控地釋放化肥、水、養(yǎng)分和氧的多孔的黏土基質(zhì)。

但與維吉艙不同的是，領(lǐng)先艙是完全閉合的，其中有相機(jī)組和超過(guò)180 個(gè)感應(yīng)器與地面控制中心“互動(dòng)”。領(lǐng)先艙無(wú)須宇航員維護(hù)，它的養(yǎng)分供給、濕度和溫度控制都是自動(dòng)的。領(lǐng)先艙的發(fā)光二極管數(shù)量比維吉艙還多，它們不僅提供紅、綠、藍(lán)光，還提供白光、遠(yuǎn)紅外光和近紅外光，以便于夜間成像。

當(dāng)領(lǐng)先艙里的植物成熟后，宇航員會(huì)提取植物樣本，通過(guò)凍干技術(shù)和化學(xué)固定來(lái)保存它們，并把它們送回地球檢測(cè)，讓科學(xué)家更好地了解太空會(huì)怎樣影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。

2018 年春，領(lǐng)先艙首次種植了擬南芥和矮小麥。科學(xué)家計(jì)劃下一步對(duì)這些植物進(jìn)行基因、蛋白質(zhì)和代謝水平檢測(cè)，探索太空環(huán)境會(huì)怎樣影響植物。他們想了解的一個(gè)重要問(wèn)題是：微重力會(huì)怎樣影響植物的木質(zhì)素含量？木質(zhì)素對(duì)于植物來(lái)說(shuō)就像是骨骼對(duì)于人體的關(guān)系。木質(zhì)素賦予植物結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，讓植物能對(duì)抗引力而站立。科學(xué)家已經(jīng)知道，人體在太空環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)鈣質(zhì)流失和肌肉退化，原因是在太空的失重環(huán)境中體能要求降低了。那么，植物的“骨骼”——木質(zhì)素會(huì)受到太空的什么影響？

科學(xué)家還想了解：如果植物經(jīng)過(guò)基因改造后木質(zhì)素含量減少，那么植物能否在太空中保持正常功能？如果能，就能讓在太空種植的植物多一些優(yōu)勢(shì)，其中包括：這些植物更容易被人體吸收，以及人體在攝入它們之后排泄的廢物更容易成為肥料。科學(xué)家相信，這些基本信息有助于指引今后的深空探索和太空移民。

生物學(xué)研究罐

生物學(xué)研究罐（以下簡(jiǎn)稱生物罐）被用于研究太空環(huán)境對(duì)小得能夠在培養(yǎng)皿中生長(zhǎng)的酵母等微生物的影響。生物罐配備的發(fā)光二極管組可支持一般植物、苔蘚、藻類及藍(lán)藻細(xì)菌等的生長(zhǎng)，因?yàn)檫@些生物需要光線來(lái)制造食物。

目前，生物罐的發(fā)光二極管組仍在接受硬件檢驗(yàn)。科學(xué)家希望能確保這些二極管不會(huì)燙傷植物。

科學(xué)家對(duì)擬南芥在太空中可能出現(xiàn)的基因表達(dá)改變尤其感興趣。這方面的模擬研究已在地面大量進(jìn)行，例如冷激擬南芥、按壓它們、不給它們澆水、給它們大量注水、對(duì)著它們大聲喊叫。這方面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與太空情況會(huì)有哪些異同？科學(xué)家對(duì)此很感興趣。

在這些地面研究中出現(xiàn)的一些情況不出所料，例如與引力有關(guān)的基因在失重環(huán)境中會(huì)變異。但有兩種情況引起科學(xué)家特別關(guān)注，它們都與植物的免疫系統(tǒng)有關(guān)。

一是植物在太空中的氧化壓力可能會(huì)增加。細(xì)胞中的正常化合物會(huì)制造一種破壞性很強(qiáng)的活性氧。如果這種化合物失控，就會(huì)損壞修復(fù)DNA 的機(jī)制，或者損害線粒體。對(duì)健康的植物來(lái)說(shuō)，細(xì)胞有多種途徑來(lái)避免這種化合物失控。而在太空中，植物很可能制造更多的這種化合物。

二是在太空中與植物免疫系統(tǒng)有關(guān)的一些基因可能會(huì)開(kāi)啟，另一些則可能會(huì)關(guān)閉。科學(xué)家擔(dān)心，這可能會(huì)降低植物對(duì)抗感染的能力。

還有一些間接證據(jù)表明，植物在太空中可能難以抵御病原體。在維吉艙中曾出現(xiàn)這樣的情況：百日菊得到的水量過(guò)多，空氣流動(dòng)卻不足，結(jié)果，百日菊上有真菌開(kāi)始生長(zhǎng)，導(dǎo)致一些百日菊死亡。宇航員仔細(xì)清除了這些真菌，那些瀕死的百日菊起死回生，還開(kāi)出了花朵。盡管如此，科學(xué)家卻不得不擔(dān)憂太空環(huán)境會(huì)削弱植物的健康。

科學(xué)家希望未來(lái)通過(guò)生物罐進(jìn)行基因表達(dá)研究，誘使植物“相信”自己正受到威脅。科學(xué)家計(jì)劃采取的實(shí)驗(yàn)手段是調(diào)節(jié)植物的蛋白質(zhì)受體，因?yàn)檫@些受體時(shí)刻在“提防”細(xì)菌侵襲。

細(xì)菌使用鞭毛來(lái)幫助自己游弋，這些鞭毛都有22 種特殊氨基酸。植物時(shí)刻“提防”的正是這些氨基酸，一旦識(shí)別到它們，植物就會(huì)開(kāi)啟自己的防御系統(tǒng)。在地面進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家把由這22 種氨基酸組成的一種無(wú)毒溶液噴射到植物身上，結(jié)果植物“嚇壞了”。

在后續(xù)的生物罐實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)小型植物在生物罐中生長(zhǎng)了10 天后，科學(xué)家會(huì)對(duì)它們噴射這種溶液。1 小時(shí)后，預(yù)計(jì)這些植物將會(huì)進(jìn)入全面“戒備”，此時(shí)科學(xué)家會(huì)對(duì)它們噴灑化學(xué)固定劑，以打斷所有的生物學(xué)過(guò)程，由此保留植物的反應(yīng)狀態(tài)。接著，這些植物會(huì)被深度冷凍，然后送回地球檢測(cè)RNA。

（編輯：王川）