太空農場：從科幻到現實

如何利用植物保障人類在地外環境中生存所需要的食物、氧氣和純凈水，是空間生命科學最為關注的問題。隨著中國空間站的建造完成，未來中國空間站內將進行更多的植物生長實驗。那么，為什么要在太空中培育植物呢？

百余年前的科幻幻想，今天已入航天員菜單

植物在外層空間的生長，是科學界非常感興趣的事情。早在1869年，短篇小說《磚月亮》（The BrickMoon）就討論了如何在月球空間站種樹的問題。作者設想，用磚頭制造一顆人造衛星，有13個艙室。帶上天的物資當中，有一些小型的家禽和谷物。上天之后，它們根據進化論推動演化，短短幾個月內就發展出了健全的生態系統。在今天看來，這玩笑開得有點大，不過我們可以斷言，在太空里培育植物，自給自足，絕不是什么新主意。

現代航天事業起步之后，植物經常被帶到低地球軌道的太空中，在一個失重但加壓的受控環境中生長。在載人航天飛行環境中，它們可以作為食物，也可以代謝空氣中的二氧化碳，產生氧氣，并且可以幫助控制艙內的濕度。

在太空中種植物，也可以改善航天員的心情。所以，太空植物必將是載人航天活動，特別是未來載人深空探測的重要內容之一。

在太空中種植植物的第一個挑戰是如何讓植物在沒有重力的情況下生長。這不但涉及到失重如何影響根系，也考驗著人們如何提供合適的照明——如果用陽光直接照射植物，不是把它曬死，就是會帶來無法預測的變異。特別是根系的問題，我們都知道，根系用來為植物提供營養，它和地球生物化學循環、土壤中的微生物相互作用的關系都很復雜。但是空間飛行已經證明，植物根系可以在亞重力和微重力下繼續工作。

經過多年努力，在太空種菜自己吃，已經進入了試驗階段。2017年，在國際空間站上的一個植物生長裝置中，培育出了第五批蕪菁，一部分供航天員食用，其余部分則保存起來用于研究。我們有理由相信，太空菜園和太空農場不會是很遙遠的東西了。

最早的太空植物

第一批進入太空的生物體是1946年7月9日由美國發射的。當時所采用的載具是從德國搜集來的V-2火箭，發射到134km高度。具體的物品是“特別開發的種子”，但是樣品沒有回收。1946年7月30日，美國成功發射并回收了一批玉米種子。后來，黑麥和棉花種子也上天了。這些早期的亞軌道生物實驗，是由哈佛大學和海軍研究實驗室進行的，主要研究宇宙輻射對活組織的影響。

1966年9月22日，蘇聯的宇宙110號衛星搭載了兩只狗和一批保濕種子上天。返回地面后，這些種子中有幾顆發芽了，收獲了比地球上對照樣本更高產的萵苣、卷心菜和一些豆類。1971年，“阿波羅14號”攜帶500顆樹種進行了繞月飛行，包括火炬松、梧桐、楓樹、楓木、紅杉和花旗松。返回地球后，這些樹種紛紛發芽，但是沒有檢測到有什么變化。

1982年，蘇聯禮炮7號空間站的航天員進行了一項實驗，由當時的立陶宛加盟共和國科學家阿方索·默克斯等人，利用Fiton-3實驗性微型溫室裝置種植了一些擬南芥，從而成為第一批在太空開花和產生種子的植物。在同時代，美國的天空實驗室研究了微重力和光對水稻的影響。1997年，SVET-2號空間溫室在和平號空間站上成功地實現了種子植物生長。

前面說到的宇宙110號屬于蘇聯/俄羅斯的BION系列生物衛星，它以天頂號返回式衛星為基礎，主要側重于對人類的輻射影響問題。該計劃到2013年共發射11顆。其中包括宇宙110號、605號、690號、782號等。

1971年，蘇聯和美國簽署了《美國和蘇聯科學和應用協定》。蘇聯和美國在1975年的宇宙782任務上進行了第一次聯合研究，然后又參與了8次飛行試驗。1996年12月的BION11任務是美國最后一次參與。這些任務期間，美國人總共實施了100多項實驗，飛行試驗長度從BION6號（宇宙1514號）的5天，到BION1號和宇宙110號的22天不等。

航天飛機上也進行了一些植物試驗。例如，1983年艾倫·H·布朗在哥倫比亞號航天飛機上觀察了向日葵幼苗運動記錄。他們觀察到，盡管沒有重力，幼苗仍然經歷了旋轉生長，顯示這些行為是該植物的本能。

2018年12月，德國航空航天中心將EuCROPIS衛星送入低地球軌道。這個任務攜帶了兩個溫室，打算在模擬月球和火星的重力下種植西紅柿（每個溫室6個月），利用人類在太空中存在的副產品作為營養來源。

空間站上的植物試驗

從禮炮號空間站到和平號空間站，再到國際空間站，植物試驗一直是重點內容之一。上文中提到的禮炮7號空間站1982年試驗并不成功，擬南芥從種子生長到成熟，再到開花結果，算是取得了有限的成功，但植物生長非常緩慢，總體很差。這些植物在空間生長了69天。在返回地球實驗室后，大約有200顆種子停止發育。此外，與在相同的植物生長裝置中生長的地面對照組相比，植物生長的活力和健康程度要低得多，并且結出的許多種子都是空的。

蘇聯在和平號空間站上部署了自己的Svetoblock-M設備，進行了一些小麥生長試驗，但同樣不算成功，這種超級矮稈小麥生長了167天，但只有13cm高，只有一個分蘗。由于光照條件差，沒有收集到種子（地球上的對照實驗中也沒有）。其中一部分小麥在返回地球實驗室后在稍高的光照下成熟，結出了28顆種子。

直到1990年，蘇聯航天員在和平號空間站上用保加利亞研制的SVET設備對白頂紅蘿卜和大白菜進行了為期54天的長期植物實驗，才真正取得了初步成功。此后，和平號空間站上進行了大量的植物試驗，取得了不少成果。

國際空間站投入使用后，為植物試驗提供了更好的條件。這個時代的試驗設備需要按照標準實驗機柜的尺寸和接口要求來研制。不但美國和俄羅斯，歐洲和加拿大也實施了自己的植物試驗，并取得了可喜的成果。

未來的太空植物

按照科學家們的說法，建立一個以地球生物圈中的化學元素再循環為基礎的生物生命支持系統，是人類文明的一項基本卻非常復雜的科學任務，也是未來長期載人航天任務的先決條件。理論上，包含高等植物和動物的系統，可以確保航天員生命所需資源的90%～95%。

植物將為航天員生產食物和氧氣，同時消除密閉艙環境中的二氧化碳和多余濕度。與自然生態系統類比，生物生命支持系統的功能包括提供主要營養的生物體。第一個層次是系統的能量“門”，也就是把外部能量變成生物營養。這是系統存在的基礎。而這個層次依然是由植物光合作用產生的。

下一個營養級由異養生物占據，包括人和動物。他們攝入植物，產生有機物。營養鏈的最后一環由不同的微生物（真菌、細菌等）構成，它們完成有機物的分解，并將其轉化為植物利用的礦物元素。

植物是生物生命支持系統的基本環節，可以支持未來空間站和前往其他星球的航天器。通過實現可食用植物產品的最大產量，研究人員可以用太空中生長的新鮮食物補充目前從地球上運送的食物。

植物還可以通過光合作用排出氧氣，吸收航天員呼吸產生的二氧化碳，從而再生飛船上的大氣。同時，考慮到在封閉空間長時間飛行中生活和工作的復雜性，照顧遠離地球的花園所帶來的心理影響是良性的，這將有助于宇航任務的成功。

植物雖然如此重要，但它沒有發育成熟的神經系統，因此比人和動物更難適應極端的空間條件。它們會對不利的環境條件做出反應，產生“壓力”，停止生長，甚至死亡。早期的壓力跡象，肉眼是看不見的。等到人們發現的時候，植物可能已經受到太大的破壞而無法挽救。

這就是今天太空植物試驗的主要任務，通過建立自動監測手段，監視植物的光合作用和蒸騰作用，為植物提供“無應激生長環境”，確保它們正常生長，開花結果，成為人類的食物。

文章來源：《太空探索》雜志2022年第11期