空间植物科学与技术

何雨珂

【摘 要】在上世纪80年代中后期，在“八六三”计划的支持下，我国就开始有计划地进行空间植物科学与技术的研究。其中有地面模拟研究，也有空间搭载试验；有高等植物，也有低等植物；有休眠状态的植物种子，也有生命活跃的植物细胞、组织和苗；有植物科学问题的研究，也有植物生物技术的探索。

【关键词】空间植物；科学与技术

至今，我国空间植物试验的搭载工具主要有探空气球和落舱、返地卫星、载人飞船等。已明显地观察到植物在空间所发生的遗传变异，形态、生理和代谢上的变化。为什么要开展空间植物生物学的研究，现作如下介绍：

一、40所年前的预料

1960年3月22日，时任中国科学院植物生理研究所副所长、中国科学院学部委员（院士）的殷宏章先生在文汇报上发表了一篇主标题为“人造小世界”，副标题为“送植物和高等生物上天的设想”的文章。文章发表的第二年，即1961年，原苏联宇航员加加林成为世界上翱翔太空第一人。殷宏章先生在文章中写道：“人们到宇宙中去，首先要解决粮食问题”，“比食物更重要的是氧气，人们一时一刻都离不开它”。食物和氧气是人类生存所必需的条件，在宇宙空间如何能满足人类的要求？殷宏章先生认为“植物倒能解决这个问题，我们都知道，绿色植物在阳光下，能把二氧化碳和水转化为有机物和氧气。这样正好相互补偿，植物利用人们排出来的二氧化碳、水和排泄物制成食物和氧气，再供给人们用，构成一个自给自足的“小世界”。

但是，殷宏章先生也看到“制造一个循环完整的小世界，很不简单，中间有些环节必须调剂或通过加工来衔接，也许还不能只用两种生物成分，如何保持它们间的比例，必需先研究解决”。40多年以来，空间科学和技术发展的事实无可置疑地表明殷先生在预见科学技术发展上的敏锐性。空间科学和技术的发展大体上可以分为三个阶段：第一阶段是空地往返，标志是航天飞机；第二阶段是占领近地轨道空间，标志是空间站；第三阶段是在空间人类永久性活动，标志是建立受控生态生命支持系统（CELSS）。空间生命科学和生物技术的总目标是：一要开发利用近地轨道空间微重力资源造福人类；二要建立CELSS，提高人在空间的自主能力和拥有长期生存的条件。

二、新世纪的规划

在空间生命科学与技术研究领域中植物生物学研究的位置和主要方面。特别要强调的是必须利用微重力条件去研究和解决的十分重大的科学与技术问题。

第一优先方面，如有：（1）先进生命支持系统（和部分重力生态学），其中重力生态学强调空间飞行环境如何影响生态系统的结构、功能、进化或稳定性，它们会关系到航天飞机和星球的居住；（2）比较生物学，强调长期受到变重力和其它相关空间因素对动物和植物正常的生理、代谢和生活的影响，并在不同的生物体间进行比较；（3）细胞和分子生物学（分子结构与相互作用，细胞科学与组织工程），强调变重力和其它空间有关作用因子如何直接和间接地影响细胞的基础功能和特性，如机械力感受、信号转导、基因调节和表达、蛋白质组、整合蛋白的功能和结构、细胞骨架结构和功能等等。

第二优先方面，如有：发育生物学，强调在正常发育和功能中重力的作用，重力和其它空间环境如何影响生物体的繁殖，对后代影响的机制，特别是涉及重力感受和响应的系统和结构的发育。

第三优先方面，如有：（1）生物技术（商业项目），商业空间中心（commercial space center）和药业界建立了持续的合作研究；（2）结构生物学，强调生物大分子蛋白质晶体生长的微力学，控制晶体质量的因素，发展获得科学上有意义的高分辨率晶体的技术。

第四优先方面，如有：（1）进化生物学，强调地球生物体进入新的空间环境的能力，在地球生物进化中重力的作用；（2）农业商业（AGRIBUSINESS，商业项目），探索在微重力条件下的植物研究，检验缺乏重力时植物的结构。在基础科学领域增加植物学的知识，在应用领域增加如植物药物开发的知识等。

从上述不同等级的优先方面，可以看到许多研究的内容是与植物、植物生理学或植物生物学关的。当这些影响得到认识时，人们才能可靠地发展以植物为本的气体再生系统，为长期的空间探索服务。初步研究证明，在空间站微重力对小麦的生长速率和干物质没有影响。小麦每天的光合作用速率，叶子对二氧化碳浓度和光强的响应与有重力条件下没有区别。也就是说，微重力对发育中的小麦光合作用水平和蒸腾速率都没有影响。根据NASA网公布的资料，在2003年1月发射的STS-107航天飞机上带有80个试验。在“地球上不能做的科学研究”一文中，列举了其中8个特别有意义的生物学和物理学的试验。8个实验中有3个是与植物有关的，2个涉及基础植物生物学，1个与植物生物技术有关。令人痛惜的是，这架航天飞机在空间飞行十多天后返回地球时坠毁。

三、空间植物的商业性研究

空间科学技术的研究从一开始起就有其应用的目的，而且随着空间科学技术的发展，为达到应用目标的具体领域和项目也越来越明显。一种是在空间的直接应用，另一种是促进或带动地面的应用。在NASA的商业性应用研究中提到的就有生物技术和农业商业（agribusiness）。相对于农业（agriculture）来说，农业商业可能意味着不仅仅是一种栽培性的和传统的农业活动，还有更广泛的和现代的商业和经营性的含意，其产品也不仅仅是传统农业中的食物这一产品。空间生物技术的研究包括植物来源的药物，提高抗体的生产率，蛋白质晶体生长，生物材料和药物微胶囊等。美国有一个从空间研究到商业化开发的项目——新型复方药物胶囊释放系统（newencapsulated multiple drug delivery system），此种新型药物释放系统称为多层微胶囊（multilayeredmicrocapsules）。

为了生产此类产品已經建立了微重力胶囊加工系统，包括材料分散器和液体混合器。实验证明，地面生成的微胶囊直径很少有大于20μm的，而空间生产的微胶囊的直径可达20～300μm。微重力条件下生产的微胶囊比地面生产的一般可大4～10倍，装药量多20%～400%，装药量可占整个微胶囊体积的80%。这种微胶囊也仅能在微重力条件下生产。美国计划从2002～2016年间的前5年中开发2个新的药物，并且生物药物生产成本要有所降低；最后5年要有10个产品能进入市场。农业商业涉及改善植物发育问题，如通过研究木质素的形成提高木制品质量和食物的安全性等。

根据NASA网公布的计划和研究资料，从2002年开始的以后15年内，美国计划前5年通过微重力条件下植物木质素的研究以改进纸浆加工。FDA在国际空间站（ISS）曾研究过转基因作物，在航天飞机STS-95（1998）和STS-101（2000）飞行中进行了2次大豆的基因转化实验。在STS-107（2003）飞行中进行DNA的小麦花粉粒转化实验。1998年，在航天飞机STS-95上用微量固相提取技术研究小型玫瑰的精油成分，并获得了成分上有差异的精油。花所产生的香味与原来完全不同，新的玫瑰“精油”已掺入到一种香水中。在STS-107飞行中，他们计划送玫瑰和亚洲水稻两种花进入轨道，希望能产生前所未有的气味。随后的5年，他们计划开发转基因作物新品种，在农业和药物方面希望有3个或更多改良的植物品种用于生产。

四、结论

综上所述，目前，人们正利用模式植物拟南芥在生物培养系统中检验此种技术。由于人们对生物药物/营养品越来越注意，也带动了植物细胞培养技术的研究。现在，美国威斯康星空间自动化和机器人中心发展了一种精细的生物反应器（state ofthe art），可保证多种环境因子的优化组合，这为细胞培养提供了一个理想的条件，可能会有助于提高产率。

【参考文献】

[1]胡广，杨怡雯，王丽娴，李雅，胡绍庆，江俊浩.植物景观对杭州佛寺园林空间结构影响的定量分析[J].浙江理工大学学报（社会科学版），2018，40（05）：545-552.