太空种粮草：一场不可思议的实验

11月4日，神舟十八号乘组完成使命返回地球，又一批新的太空实验样品被带回。与此同时，中国空间站上的一项重大科研成果——第三代“太空水稻”迎来收获。

2022年，神舟十四号乘组任务期间，中国科学家首次完成了水稻从种子到种子全生命周期的空间培养实验，成功收获了第一代59粒成熟的太空水稻种子。这批珍贵的种子返回地球后在人工气候室内进行繁殖，获得了近一万粒第二代太空水稻种子。科学家又从中选取了一部分，在上海松江中国科学院分子植物科学卓越创新中心作物育种与栽培基地进行了大田试种，经过100多天的生长，近日，第三代“太空水稻”获得丰收。

通过对三代太空水稻种子的研究，科学家取得了一系列研究成果：太空水稻在微重力条件下的生长发育与地面水稻存在显著差异，营养成分也发生了变化，具有更好的口感和营养价值。第三代“太空水稻”的收获证明了在太空环境中生产粮食的可行性，也为人类未来的太空探索和生存带来了希望。水稻种子在太空会经历什么？为什么人类飞向太空要“粮草先行”？你会在文中找到答案。

第一道关卡：直面严酷的环境

植物生长离不开阳光、空气和水，但太空中没有这个条件。人类基于地面上建立的各种规律、定律和公式也并不适用于太空，想要开发和利用太空，必须重新探索和研究，建立全新的物理、化学及生物学等各领域的规律和定律。

与地面相比，太空具有的微重力、超高真空、高热和深冷、强辐射，使其显得有些“残酷”，这些因素又会给人类在太空生活以及展开太空育种探索带来哪些挑战呢？

微重力：在微重力环境下，水的表面张力起主要作用，呈现为标准的球体，飘浮在空中；航天员也飘浮在空间站中，不能像在地面一样走路，需要拉着把手前进，睡觉时需要用睡袋固定。

高真空：卡门线（大气层和太空的分界线）以上的太空，大部分都是中高真空状态，飞行器动能损失很小，可以在无动力的情况下飞行很长时间；声音在真空中无法传播。

高热和深冷：太空背景温度为4K，真空环境下飞行器只能通过辐射向太空散热。如果不做热设计，在阳照面时，飞行器温度会升得很高（100℃以上），在背阳面时，温度又会降得很低（-100℃以下）。这样的环境对仪器设备而言非常恶劣，必须进行热优化设计，飞行器才能正常工作。航天员出舱也需要穿着特制的航天服获得适宜的温度。

高辐射：地球有地磁场和电离层的保护，降低了辐射对地球生物的影响，但在太空中，辐射总剂量和高能粒子等要强很多，这些宇宙辐射会给航天员和飞行器带来不利影响。

第二道关卡：在“黑科技”加持下萌芽

粮草想要在太空扎根存活，需要一个能承受大气压的装置，装置内要模拟太阳光昼夜照明，确保有适宜的温度、水和二氧化碳的循环供给。

以“天宫二号”高等植物培养箱为例，它提供了一个自动化控制的植物密闭生长的环境空间，能够满足种子在太空中完成萌发、生长和开花结果的全生命周期实验。这个高等植物培养箱的体积为300×300×400mm3，在其内部，我们要构建“长日照”和“短日照”两个实验区，在这两个实验区均种植拟南芥和水稻，研究微重力环境对植物光周期节律的影响。

经过研究我们发现，红光（波长630-660nm）有利于植物茎部的生长与叶片的伸展，可以调节开花、休眠期与种子发芽；蓝光（波长400-520nm）会影响植物的叶绿素含量以及叶片厚度。为此，照明光源采用白光和红光LED，来满足植物生长所需的光质。拟南芥的照度设定为120umol/m2.s，水稻的照度设定为200umol/m2.s，长日照区昼夜时间设定为16：8，短日照区昼夜时间设定为8：16。有两台宏观相机来监测拟南芥和水稻生长发育的全过程，另外1台荧光相机监测开花基因的表达和输运。

拟南芥和水稻的种子在发射到太空前，会先装载到培养单元的培养孔内，营养液加载在营养液袋中，通过输运泵与培养单元中的土壤相连。我们将这样的培养单元安装到高等植物培养箱中，再装入“天宫二号”舱内。待“天宫二号”发射入轨后，通过地面指令，启动高等植物培养箱供电，将营养液注入培养单元土壤中，使种子浸润萌发。

在太空中让种子萌发是项技术活。一方面，水在太空中自由状态下是一个个水球，飘浮在空中，落不到土壤里，我们不能像地面一样给种子浇水；另一方面，水进入土壤后很难将土壤中的空气排出，若种子周围的水过多，种子容易被淹死，若水太少，种子不能吸胀萌发。为此，我们要将水注入土壤中，使其浸没种子，再通过毛细力把水引走，让种子露出来呼吸，这样种子才能在太空里吸胀萌发。

水稻和拟南芥要在太空完成全生命周期培养，为此，培养单元内设计了水回收功能，使植物蒸腾出来的水气通过冷凝和毛细管回送至土壤，实现水的循环利用。300毫升左右的水能支持拟南芥在轨400多天的培养，使其完成全生命周期的太空飞行实验。

我们为什么要费尽心思搞这样一个大工程？

地球虽然是人类的家园，但我们终将要走出地球，跨向宇宙。无论是太空旅行还是太空移民，我们首先遇到的就是食物和健康问题。短期太空旅行，从地面携带食物或许可行，但若进行长期太空旅行，特别是深空旅行，就要考虑在太空种植植物、饲养动物，形成生态循环，满足我们对食物的需求。同时，在太空种植植物可以给航天员提供部分氧气，对他们的心理健康也有非常好的作用。所谓“兵马未动，粮草先行”，在太空探索如何种粮草来支持生存，对我们来说是必要且重要的事。

太空是神奇的，有许多新现象、新规律等待着人类发现。但地球生物长期在1g重力环境下生长和繁衍，已经被刻上了重力“烙印”，在太空微重力环境下的生物相应机制还需要不断探索。地面上看似简单的粮草种植，在太空环境中就需要结合环境特点另外开展专门研究和设计。尽管任重道远，但太空农业技术的发展必将使人类走得更远，可以为载人深空探测和地外拓殖提供有效支撑。

作者单位 中国科学院上海技术物理研究所