董琛

2015年末，美國宇航員斯科特凱利（Scott Kelly）在國際空間站（international space station，ISS）內(nèi)種下了6株百日菊（拉丁名：Zinnia elegans Jacq），2016年1月，第一朵太空花在ISS中悄然盛開。下一步，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）準備在ISS中繼續(xù)植物試驗，候選植物初步選為西紅柿，我目前所在的德國宇航中心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt，DLR）也有幸參與了此項試驗的研究。

花兒開了

此次ISS百日菊的試驗是由NASA肯尼迪航天中心Wheeler教授研究團隊主持的，運用的是Veggie植物培養(yǎng)系統(tǒng)，充當提供能量的“小太陽”是美國Orbitec公司的多功能光源。這些設(shè)備和試驗技術(shù)在地面都進行了多次反復驗證，并通過了模擬微重力的預期檢驗，確保了百日菊在ISS中能順利盛開。不過，此次太空花試驗的過程并不太順利。雖然宇航員們此前都受過植物培養(yǎng)實驗的訓練，但是由于植物營養(yǎng)液的供給是通過宇航員手動完成的，難免出現(xiàn)供給間隔時間、供給量控制不準的情況，這最終導致第一朵太空花推遲了20天左右才開放。

需要指出的是，空間站里種植植物，區(qū)別于人們熟知的太空育種，太空育種也叫航天育種，是將作物種子或誘變材料搭乘返回式衛(wèi)星或高空氣球送到太空，利用太空特殊的環(huán)境誘變作用，使種子產(chǎn)生變異，再返回地面培育作物新品種的育種技術(shù)。這種技術(shù)不需要植物在太空環(huán)境生長，只是利用強輻射、微重力和高真空等太空綜合環(huán)境因素誘發(fā)植物種子的基因變異，整個過程不需要航天員的參與，有時直接把種子放入返回式衛(wèi)星搭載、回收即可，難度較小。此外，由于基因序列的保守性和誘變的不確定性，太空育種得到理想變異種的概率小于百分之五，更多的是負向變異（想讓果實增大，但誘變結(jié)果是更小了）和未變異。因此，太空育種熱近年來已大大的降溫。

為什么要在ISS中進行植物培養(yǎng)試驗呢？最主要的意義是滿足科研需求。包括研究特殊空間環(huán)境（如失重、大氣組成、射線等）對于植物生長的影響等，這些地球上很難模擬的環(huán)境有可能讓科學家們觀察到在傳統(tǒng)環(huán)境下錯過的一些特性，也許會給人類生命起源、物種進化帶來更多的啟示。其次，宇航員種植花卉、蔬菜等植物可幫助他們舒緩壓力、放松心情。這次的百日菊試驗，當看到太空花綻放的時候，美國宇航員斯科特凱利興奮地一連在個人Twitter上發(fā)表了十幾張照片。更重要的是，培育植物的終極目標是保證宇航員能在載人深空探測密閉艙內(nèi)吃到新鮮蔬菜，并利用植物的光合、呼吸和蒸騰作用完成密閉空間氣體和水的交換，為宇航員提供類似于地球生物圈的生態(tài)環(huán)境，這在航天上隸屬于生物再生生命保障系統(tǒng)（Bioregenerative Life Support System，BLSS）的范疇。

各國接力研究

學術(shù)上，我們把生物再生生命保障系統(tǒng)定義為：基于生態(tài)系統(tǒng)原理將生物技術(shù)與工程控制技術(shù)有機結(jié)合，構(gòu)建的由植物、動物、微生物組成的人工生態(tài)系統(tǒng)。水和食物這些人類生活所必需的物質(zhì)可在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)再生，并為乘員提供類似于地球生物圈的生態(tài)環(huán)境。

由于深空探測生命保障系統(tǒng)具有極高的難度、極其復雜性和意義深遠的應用前景，俄羅斯、美國、日本和歐洲等航天大國及組織均投入大量人力、物力、財力開展此項研究工作。

1960年代初期，俄羅斯科學院生物醫(yī)學問題研究所（IBMP）首先開展封閉BLSS設(shè)計和空間應用研究。俄羅斯科學院西伯利亞分院生物物理研究所（IBP）建造了世界上第一座用于研究BLSS的大型地基綜合試驗裝置：BIOS系統(tǒng)。分別于1972年、1976年和1983年進行3人4～6個月的系統(tǒng)試驗。

BIOS-3是迄今為止最成功的BLSS試驗系統(tǒng)。21世紀初的十年內(nèi)，俄羅斯學者通過與歐洲太空局（European Space Agency，ESA）合作，進行植物不可食生物量（枯葉、秸稈等）和人體固液排泄物的生物降解處理，實現(xiàn)了利用廢物制備“類土壤”，循環(huán)用于植物栽培。

前蘇聯(lián)的科學家是此領(lǐng)域的先驅(qū)和拓荒者。

20世紀60年代，BLSS進入NASA的視野。1979年，NASA啟動了“受控生態(tài)生命保障系統(tǒng)項目（Controlled Ecological Life Support System Program）”?？夏岬虾教熘行慕⒘酥纳锪可a(chǎn)艙（BPC）。1995～1997年，約翰遜航天中心開展了“月球/火星生命保障試驗項目（Lunar-Mars Life Support Test Project， LMLSTP）”，進行了4人為期90天的集成生物-物化結(jié)合式密閉試驗。2010年，NASA開始組織建立深空居住艙工程（HDU-DSH），分階段進行了一系列有人參與的物質(zhì)循環(huán)試驗。

除了美國官方外，美國私人的太空熱潮也推動了BLSS的研究發(fā)展。1986年，美國富豪愛德華巴斯（Edward. Bass）出資興建了位于亞利桑那的“生物圈2號”。2004年，部分生物圈設(shè)計與參加者又建立了“植物-土壤”密閉試驗系統(tǒng)——“生物圈實驗室”。

美國人大大推動了此項技術(shù)的發(fā)展。

日本環(huán)境科學研究院下屬的CEEF國際委員會負責建造了密閉生態(tài)實驗系統(tǒng)（Closed Ecology Experiment Facilities， CEEF）。2005年9月進行了3次包括山羊、23種作物和兩名受試人員的為期一周的聯(lián)合實驗，利用山羊消耗系統(tǒng)內(nèi)作物的枯葉、秸稈，同時將羊奶作為受試人員的部分動物蛋白來源，主要研究了植物、動物模塊和人之間的元素遷移交換關(guān)系。

日本研究者的研究成果不僅對空間生命保障系統(tǒng)有益，而且對地球生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的認知提供了重要參考。

歐洲太空局建立了微生態(tài)生命保障系統(tǒng)（Micro-Ecological Life Support System Alternative， MELiSSA）。第一代MELiSSA中試實驗開始于1995年11月，第二代MELiSSA中試實驗設(shè)備建造于2006～2007年。由于歐洲人權(quán)法律體系的要求，在乘員艙室，他們選擇40只老鼠作為簡單而典型的消費者和排泄物的生產(chǎn)者來模擬人類。老鼠的排泄物被用作發(fā)酵基質(zhì)，同時研究了螺旋藻作為食物的可接受性和作為MELiSSA生態(tài)系統(tǒng)中消費者食物的適宜性，16周的實驗表明螺旋藻可以為老鼠提供40%的食物。

歐洲各國近年來又在“地平線-2020”（HORIZON-2020）框架下，從基礎(chǔ)研究、應用技術(shù)和應對人類面臨的共同挑戰(zhàn)三大部分對此項技術(shù)開展了深入的研究。

2030，中國航天員吃蔬菜，賞花開

隨著神舟系列載人飛船的成功發(fā)射、飛船和天宮一號成功對接，我國載人航天已經(jīng)進入到空間站設(shè)計建設(shè)階段，今后10年內(nèi)，將逐步建立起我國自己的載人空間站。2016年的第三季度我國將要發(fā)射“天宮二號”?！吧裰凼惶枴憋w船將載兩名男航天員，與“天宮二號”完成對接，并在太空駐留30天左右。

以北京航空航天大學和中國航天員訓練中心為主要研發(fā)力量的科研團隊在地面進行了多次模擬微重力、強輻射、高真空等復雜環(huán)境的“植物-動物-微生物-人”的密閉試驗，但我國真正在空間環(huán)境進行的有人參與的植物試驗還未曾有過，這與歐美等航天大國還有不小的差距。按照中國目前的計劃，2030年前后將為空間站設(shè)計并建造可再生生命保障系統(tǒng)。也許到那時，我們中國的航天員也會像NASA航天員斯科特凱利一樣，在空間站吃著新鮮的蔬菜，欣賞著美麗的天空花。

TIPS：動物的太空旅行

載人深空探測初期，科研人員曾多次將犬類、猴子通過飛船送入太空，模擬宇航員的生理需求以達到檢驗生命保障系統(tǒng)技術(shù)的目的。如今的太空動物實驗，則更側(cè)重于科學的研究，兼顧為宇航員動物蛋白的補充篩選物種。參加過航天飛行的動物種類繁多，包括靈長類動物（黑猩猩、恒河猴），嚙齒類動物（大鼠、小鼠、田鼠、豚鼠、兔），爬行類動物（蠑螈、蛙、龜）和狗、貓、魚等。

1947年2月，美國人用V-2火箭將果蠅運上太空，果蠅成為第一批登上太空的地球動物。1957年，前蘇聯(lián)小狗萊卡搭乘衛(wèi)星進入軌道，成為首只進入軌道的哺乳動物。1959年，前蘇聯(lián)發(fā)射火箭，狗與兔子一起進入太空。1962年，美國送黑猩猩入太空，安全返回地球，降落后被從大西洋上救起。1963年，法國火箭把首只貓咪送入太空，后來這只貓咪的頭像被印在了郵票上。2003年，“哥倫比亞號”航天飛機發(fā)生事故，機上宇航員全部罹難，但所攜帶的蠶、螞蟻等動物卻還活著。與人類相比，動物太空先驅(qū)們的生命力看起來也更強一些。2006年，科學家將線蟲放上了國際空間站，觀察微重力如何影響它們?nèi)彳浀纳眢w。事實證明，這些軟體動物對微重力適應很好，線蟲卵在太空中順利長大變成成年線蟲，而這些線蟲又在太空繁衍了后代。在整個實驗過程中，這批線蟲繁衍了12代。

責任編輯：張蕾磊