太空农场：从科幻到现实

如何利用植物保障人类在地外环境中生存所需要的食物、氧气和纯净水，是空间生命科学最为关注的问题。随着中国空间站的建造完成，未来中国空间站内将进行更多的植物生长实验。那么，为什么要在太空中培育植物呢？

百余年前的科幻幻想，今天已入航天员菜单

植物在外层空间的生长，是科学界非常感兴趣的事情。早在1869年，短篇小说《砖月亮》（The BrickMoon）就讨论了如何在月球空间站种树的问题。作者设想，用砖头制造一颗人造卫星，有13个舱室。带上天的物资当中，有一些小型的家禽和谷物。上天之后，它们根据进化论推动演化，短短几个月内就发展出了健全的生态系统。在今天看来，这玩笑开得有点大，不过我们可以断言，在太空里培育植物，自给自足，绝不是什么新主意。

现代航天事业起步之后，植物经常被带到低地球轨道的太空中，在一个失重但加压的受控环境中生长。在载人航天飞行环境中，它们可以作为食物，也可以代谢空气中的二氧化碳，產生氧气，并且可以帮助控制舱内的湿度。

在太空中种植物，也可以改善航天员的心情。所以，太空植物必将是载人航天活动，特别是未来载人深空探测的重要内容之一。

在太空中种植植物的第一个挑战是如何让植物在没有重力的情况下生长。这不但涉及到失重如何影响根系，也考验着人们如何提供合适的照明——如果用阳光直接照射植物，不是把它晒死，就是会带来无法预测的变异。特别是根系的问题，我们都知道，根系用来为植物提供营养，它和地球生物化学循环、土壤中的微生物相互作用的关系都很复杂。但是空间飞行已经证明，植物根系可以在亚重力和微重力下继续工作。

经过多年努力，在太空种菜自己吃，已经进入了试验阶段。2017年，在国际空间站上的一个植物生长装置中，培育出了第五批芜菁，一部分供航天员食用，其余部分则保存起来用于研究。我们有理由相信，太空菜园和太空农场不会是很遥远的东西了。

最早的太空植物

第一批进入太空的生物体是1946年7月9日由美国发射的。当时所采用的载具是从德国搜集来的V-2火箭，发射到134km高度。具体的物品是“特别开发的种子”，但是样品没有回收。1946年7月30日，美国成功发射并回收了一批玉米种子。后来，黑麦和棉花种子也上天了。这些早期的亚轨道生物实验，是由哈佛大学和海军研究实验室进行的，主要研究宇宙辐射对活组织的影响。

1966年9月22日，苏联的宇宙110号卫星搭载了两只狗和一批保湿种子上天。返回地面后，这些种子中有几颗发芽了，收获了比地球上对照样本更高产的莴苣、卷心菜和一些豆类。1971年，“阿波罗14号”携带500颗树种进行了绕月飞行，包括火炬松、梧桐、枫树、枫木、红杉和花旗松。返回地球后，这些树种纷纷发芽，但是没有检测到有什么变化。

1982年，苏联礼炮7号空间站的航天员进行了一项实验，由当时的立陶宛加盟共和国科学家阿方索·默克斯等人，利用Fiton-3实验性微型温室装置种植了一些拟南芥，从而成为第一批在太空开花和产生种子的植物。在同时代，美国的天空实验室研究了微重力和光对水稻的影响。1997年，SVET-2号空间温室在和平号空间站上成功地实现了种子植物生长。

前面说到的宇宙110号属于苏联/俄罗斯的BION系列生物卫星，它以天顶号返回式卫星为基础，主要侧重于对人类的辐射影响问题。该计划到2013年共发射11颗。其中包括宇宙110号、605号、690号、782号等。

1971年，苏联和美国签署了《美国和苏联科学和应用协定》。苏联和美国在1975年的宇宙782任务上进行了第一次联合研究，然后又参与了8次飞行试验。1996年12月的BION11任务是美国最后一次参与。这些任务期间，美国人总共实施了100多项实验，飞行试验长度从BION6号（宇宙1514号）的5天，到BION1号和宇宙110号的22天不等。

航天飞机上也进行了一些植物试验。例如，1983年艾伦·H·布朗在哥伦比亚号航天飞机上观察了向日葵幼苗运动记录。他们观察到，尽管没有重力，幼苗仍然经历了旋转生长，显示这些行为是该植物的本能。

2018年12月，德国航空航天中心将EuCROPIS卫星送入低地球轨道。这个任务携带了两个温室，打算在模拟月球和火星的重力下种植西红柿（每个温室6个月），利用人类在太空中存在的副产品作为营养来源。

空间站上的植物试验

从礼炮号空间站到和平号空间站，再到国际空间站，植物试验一直是重点内容之一。上文中提到的礼炮7号空间站1982年试验并不成功，拟南芥从种子生长到成熟，再到开花结果，算是取得了有限的成功，但植物生长非常缓慢，总体很差。这些植物在空间生长了69天。在返回地球实验室后，大约有200颗种子停止发育。此外，与在相同的植物生长装置中生长的地面对照组相比，植物生长的活力和健康程度要低得多，并且结出的许多种子都是空的。

苏联在和平号空间站上部署了自己的Svetoblock-M设备，进行了一些小麦生长试验，但同样不算成功，这种超级矮秆小麦生长了167天，但只有13cm高，只有一个分蘖。由于光照条件差，没有收集到种子（地球上的对照实验中也没有）。其中一部分小麦在返回地球实验室后在稍高的光照下成熟，结出了28颗种子。

直到1990年，苏联航天员在和平号空间站上用保加利亚研制的SVET设备对白顶红萝卜和大白菜进行了为期54天的长期植物实验，才真正取得了初步成功。此后，和平号空间站上进行了大量的植物试验，取得了不少成果。

国际空间站投入使用后，为植物试验提供了更好的条件。这个时代的试验设备需要按照标准实验机柜的尺寸和接口要求来研制。不但美国和俄罗斯，欧洲和加拿大也实施了自己的植物试验，并取得了可喜的成果。

未来的太空植物

按照科学家们的说法，建立一个以地球生物圈中的化学元素再循环为基础的生物生命支持系统，是人类文明的一项基本却非常复杂的科学任务，也是未来长期载人航天任务的先决条件。理论上，包含高等植物和动物的系统，可以确保航天员生命所需资源的90%～95%。

植物将为航天员生产食物和氧气，同时消除密闭舱环境中的二氧化碳和多余湿度。与自然生态系统类比，生物生命支持系统的功能包括提供主要营养的生物体。第一个层次是系统的能量“门”，也就是把外部能量变成生物营养。这是系统存在的基础。而这个层次依然是由植物光合作用产生的。

下一个营养级由异养生物占据，包括人和动物。他们摄入植物，产生有机物。营养链的最后一环由不同的微生物（真菌、细菌等）构成，它们完成有机物的分解，并将其转化为植物利用的矿物元素。

植物是生物生命支持系统的基本环节，可以支持未来空间站和前往其他星球的航天器。通过实现可食用植物产品的最大产量，研究人员可以用太空中生长的新鲜食物补充目前从地球上运送的食物。

植物还可以通过光合作用排出氧气，吸收航天员呼吸产生的二氧化碳，从而再生飞船上的大气。同时，考虑到在封闭空间长时间飞行中生活和工作的复杂性，照顾远离地球的花园所带来的心理影响是良性的，这将有助于宇航任务的成功。

植物虽然如此重要，但它没有发育成熟的神经系统，因此比人和动物更难适应极端的空间条件。它们会对不利的环境条件做出反应，产生“压力”，停止生长，甚至死亡。早期的压力迹象，肉眼是看不见的。等到人们发现的时候，植物可能已经受到太大的破坏而无法挽救。

这就是今天太空植物试验的主要任务，通过建立自动监测手段，监视植物的光合作用和蒸腾作用，为植物提供“无应激生长环境”，确保它们正常生长，开花结果，成为人类的食物。

文章来源：《太空探索》杂志2022年第11期