自20世紀(jì)初齊奧爾科夫斯基的作品問世以來，人們一直在討論太空農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。這個概念的核心是通過光合生物和光產(chǎn)生氧氣和食物。該領(lǐng)域的研究始于20世紀(jì)五六十年代的美國，之后，俄羅斯、日本、加拿大、中國也相繼展開了這一領(lǐng)域的研究。太空農(nóng)業(yè)與地表受控環(huán)境農(nóng)業(yè)形成了良性互動關(guān)系，前者得益于后者，并對后者的發(fā)展產(chǎn)生了積極貢獻(xiàn)。

太空農(nóng)業(yè)發(fā)展史

1880年，小說家珀西·格雷格寫了一個去往火星的太空旅行者的故事，故事里講到他如何使用隨身攜帶的植物來實(shí)現(xiàn)廢物回收。幾十年后的20世紀(jì)20年代，俄羅斯航空科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基描述了在溫室密閉的環(huán)境下人類與植物可能的共存場景。

齊奧爾科夫斯基設(shè)想的農(nóng)業(yè)模型可以收集陽光并在降低的氣壓下減少內(nèi)部力量和結(jié)構(gòu)質(zhì)量。他還設(shè)計(jì)了一個溫室模型草圖，談到在里面種植香蕉和其他作物。幾十年后，在一本名為《火箭與太空旅行》的書中，作者威利·萊認(rèn)為，如果太空旅行的時(shí)間相當(dāng)長，可以通過種植作物來獲取和儲存氧氣，并且認(rèn)為南瓜是個不錯的候選作物。

對人類與植物在太空中共生的興趣促使人們開始測試藻類作為生命保障的可能性，以20世紀(jì)五六十年代杰克·邁爾斯和其他科學(xué)家為美國空軍和美國航空航天局所做的工作為開始的標(biāo)志。

太空農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)可以通過人類呼吸和植物光合作用的一般代謝方程來對比歸納，植物或其他光合生物體通過光合作用產(chǎn)生生物量與氧氣，同時(shí)消耗空氣中的二氧化碳。通過選擇合適的物種，比如農(nóng)作物，該生物量的一部分可以作為食物。此外，還有一個不太明顯但具有相當(dāng)價(jià)值的貢獻(xiàn)，那就是廢水可以通過循環(huán)回到植物中，所得的蒸騰物濃縮后可轉(zhuǎn)化為潔凈的水。

50多年來，太空農(nóng)業(yè)和生物再生生命保障課題已激發(fā)了全世界無數(shù)才華橫溢的研究人員，下面便是一些研究人員、設(shè)施及成果。

藻類“農(nóng)業(yè)”

20世紀(jì)五六十年代，太空農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的初步研究主要集中在藻類，特別是小球藻屬。小球藻具有耐活、繁殖快的屬性，在培養(yǎng)器（如恒化器）中較易培養(yǎng)，可將光源直接嵌入培養(yǎng)器，或者將培養(yǎng)器圍在光源周圍，從而提供近乎完全的光吸收環(huán)境。這些研究表明，在面積為5平方米至50平方米的空間使用照明功率為10千瓦至100千瓦的光照能產(chǎn)生可供一人使用的氧氣。研究人員還對其他藻類和藍(lán)藻細(xì)菌進(jìn)行了研究，包括藍(lán)細(xì)菌、胞藻、柵藻、聚球藻和螺旋藻。

在美國學(xué)者進(jìn)行以上這些研究的同時(shí)，俄羅斯研究人員正在封閉環(huán)境中使用藻類生物反應(yīng)器和植物生成氧氣。

大多數(shù)早期海藻研究的主要目的是利用其在“水星” 計(jì)劃和“雙子座”計(jì)劃中產(chǎn)生氧氣。遺憾的是， 初期研究中產(chǎn)生的氧氣的質(zhì)量和濃度都無法勝任短期任務(wù)，但這類研究還是引起了人們的廣泛關(guān)注。

然而，將藻類轉(zhuǎn)化為可食用的食物具有很大的挑戰(zhàn)性。因?yàn)楹芏嘣孱惖牡鞍踪|(zhì)和核酸含量過高，不利于飲食平衡，還有許多藻類含有大量人體不能消化的細(xì)胞壁成分。其他研究還發(fā)現(xiàn)，一些藻類和藍(lán)藻細(xì)菌會產(chǎn)生毒性揮發(fā)物，正是這些毒性揮發(fā)物導(dǎo)致了20世紀(jì)70年代俄羅斯早期BIOS 項(xiàng)目（即長期載人航天生命保障地面模擬裝置，是蘇聯(lián)科學(xué)院西伯利亞分院生物物理所于20世紀(jì)70年代早期研制的人工密閉“人-植物”生態(tài)系統(tǒng)）的失敗。

太空農(nóng)業(yè)植物

植物（作物）作為食物已被人類食用了數(shù)千年，而且具有與藻類相同的大氣再生功能。美國航空航天局成立后不久，科研人員在俄亥俄州的賴特·帕特森空軍基地召開了一次“生物物理研討會”，會上列出了一個可為太空任務(wù)補(bǔ)充膳食的作物清單。選擇的標(biāo)準(zhǔn)包括：具有在光照少、空間小的環(huán)境下生長的能力，高產(chǎn)，以及對氯化鈉（來自尿液回收）的滲透應(yīng)力具有耐受性。這個清單包括：萵苣、大白菜、花椰菜、甘藍(lán)、蘿卜、瑞士甜菜、蒲公英、新西蘭菠菜、莧菜和甘薯。盡管有這么多的備選作物，但在20世紀(jì)六七十年代，美國空間計(jì)劃中為生命保障而進(jìn)行的作物測試都處于停滯狀態(tài)。

在過去幾十年間，植物的種植方式有了重大改進(jìn)，包括使用高強(qiáng)度照明系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)更高的光照強(qiáng)度，采用植物間距法來減少光照浪費(fèi)，使用水培方法以避免水分和養(yǎng)分脅迫，以及通過二氧化碳濃縮方法來提高光合作用率和產(chǎn)量，等等。這一系列措施使植物/ 作物的產(chǎn)量穩(wěn)步提高，從而對藻類形成強(qiáng)有力的競爭。

俄羅斯的探索性研究

與此同時(shí)，作為BIOS計(jì)劃的一部分，俄羅斯的生物再生測試也蓬勃發(fā)展起來。計(jì)劃中對生活在封閉環(huán)境中的人員進(jìn)行了測試，他們在封閉環(huán)境中種植作物作為主要食物來源，并利用小麥等作物實(shí)現(xiàn)大氣再生;在有些實(shí)驗(yàn)中，還會將營養(yǎng)和水（來自尿液和洗衣水）回收到植物中?？死怪Z亞爾斯克生物物理研究所的研究人員曾一度接近100人，在長達(dá)15年的時(shí)間里，一共進(jìn)行了3次以人為研究對象的封閉生命保障測試。在一些測試中也使用了藻類（小球藻）培養(yǎng)器，日產(chǎn)氧氣量高達(dá)1800升。

但是，當(dāng)藻類生長室與植物生長室連通后，小麥的生長發(fā)育變緩了，麥穗枯瘦，馬鈴薯和番茄停止生長，黃瓜也不再開花且葉片變黃，甜菜葉里檢測到濃度很高的花青素。這表明，藻類產(chǎn)生了一些不明毒性的揮發(fā)物。因此，在20世紀(jì)70年代末80年代初，BIOS計(jì)劃將研究方向轉(zhuǎn)向光合作用生產(chǎn)。據(jù)我所知，這是第一個超過田間產(chǎn)量的受控環(huán)境農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。

早期研究中使用的作物主要有甜菜、胡蘿卜、蒔蘿、蘿卜、大白菜、黃瓜、洋蔥和酸模（俗名野菠菜）等，后期研究中使用的作物有香附、豌豆、胡蘿卜、蘿卜、甜菜、洋蔥、蒔蘿、番茄、黃瓜和馬鈴薯，而小麥的種植貫穿整個研究階段。

20世紀(jì)70年代，在為期兩個月的測試期內(nèi)，兩個BIOS-3植物生長室（總面積為41平方米）共生產(chǎn)植物干質(zhì)量約117千克，其中有37.4千克是可以食用的。測試中，BIOS-3生長室中二氧化碳的濃度從6‰至24‰不等，平均濃度超過1%。該數(shù)字表明，在密閉系統(tǒng)中達(dá)到人與植物的最佳水平還是可能的。有趣的是，超高濃度的二氧化碳對作物的影響一直是太空農(nóng)業(yè)的一個重要領(lǐng)域。在研究后期，還測試過將人類尿液直接回收到小麥作物中的可能性，結(jié)果顯示，營養(yǎng)液中的鈉積累對被測試小麥的長勢幾乎沒有什么影響，證明了已具備將廢水中的營養(yǎng)和水直接回收到植物中的能力。

空間站的植物栽培史

國際空間站是一個在近地軌道上運(yùn)行的科研設(shè)施，是人類歷史上第9個載人的空間站。它其實(shí)就是一個建設(shè)在空間環(huán)境中的科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，這個平臺上開展的研究并不僅限于天文、物理等專業(yè)，也包括醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域。

對在國際空間站種植植物而言，最主要的意義還是滿足科研需求。空間站特殊的空間環(huán)境，如失重、大氣組成、射線等，可以給科學(xué)家提供一個觀察植物生長的特殊條件，或許可能讓科學(xué)家觀察到一些在傳統(tǒng)環(huán)境下沒有的特性，也許會給人類研究生命起源、物種進(jìn)化帶來更多的啟示。同時(shí)，宇航員種植蔬菜等作物可幫助他們舒緩壓力、放松心情。很多從太空歸來的宇航員都回憶說，在漫長緊張的太空考察中，他們會一連花幾個小時(shí)來觀賞這些賞心悅目的綠植以放松心情。

說起空間站植物栽培的歷史，必須首先介紹一下空間站的歷史?？臻g站建設(shè)的鼻祖是蘇聯(lián)?！岸Y炮” 系列空間站由蘇聯(lián)建造，其中“禮炮1”號是人類的第一個空間站，這個系列的空間站在1971年至1985年間服役，一共發(fā)射了1號至7號。“和平”號是蘇聯(lián)設(shè)計(jì)建造的第8個空間站，它于1986年發(fā)射升空，并在接下來的10年間陸續(xù)追加了眾多功能模塊，一直被運(yùn)用到2000年。蘇聯(lián)與美國在這里進(jìn)行過宇航事業(yè)合作，28名不同國家的宇航員也曾到“和平”號工作。它在廢棄后于2001年失控，墜入大氣層燒毀。

1998年11月，現(xiàn)行國際空間站的第一個部件“曙光” 號功能貨艙發(fā)射升空，隨后陸續(xù)發(fā)射模塊對其逐漸進(jìn)行擴(kuò)充。它由多個國家分工建造、聯(lián)合運(yùn)用，是目前人類擁有過的規(guī)模最大的空間站。

由于率先建造空間站的緣故，蘇聯(lián)的科學(xué)家也成為空間植物科學(xué)的先驅(qū)。真正大規(guī)模進(jìn)行空間植物實(shí)驗(yàn)是在“和平”號空間站上，位于莫斯科的俄羅斯科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)問題研究所和俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院生物物理研究所是當(dāng)仁不讓的主力軍，他們設(shè)計(jì)建造了適宜失重條件的栽培裝置，在空間站進(jìn)行了諸如生菜、小麥等植物的栽培實(shí)驗(yàn)，得到了很多原創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)。20世紀(jì)90年代，他們在空間站進(jìn)行了157天小麥循環(huán)栽培實(shí)驗(yàn)，這些小麥株高只有13厘米，每株只有1個穗，不分蘗，但返回地面后，它們又重現(xiàn)了原始性狀。這些看似神奇的發(fā)現(xiàn)，立刻引發(fā)了各國植物學(xué)家、生態(tài)學(xué)家的興趣。美國政府隨后加大科研投入， 美國航空航天局會同美國幾十所著名高校掀起了空間植物科學(xué)的研究熱潮，肯尼迪航天中心和佛羅里達(dá)大學(xué)等科研院所的科學(xué)家對小麥、豌豆、生菜、擬南芥、洋蔥、玉米等植物進(jìn)行了多次飛行搭載實(shí)驗(yàn)，研究了諸如光強(qiáng)、光周期、失重、溫度、干旱、輻射等環(huán)境條件對植物從宏觀生態(tài)反應(yīng)到微觀基因、蛋白表達(dá)譜的影響的一系列研究，獲得了從硬件栽培設(shè)備到軟件栽培參數(shù)等諸多專利與成果。

“真酷！好吃！太新鮮了！” 2015年8月在空間站上品嘗生菜的美國宇航員斯科特·凱利和日本宇航員油井龜美在視頻中略帶夸張地感嘆道。

“這是個人的一小口，卻是人類的一片大葉子。”當(dāng)時(shí)，美國航空航天局在官網(wǎng)上略帶調(diào)侃地評論說，“這讓我們距離飛向火星又近了一步。”

2015年10月， 美國航空航天局宣布正式啟動名為“Veggie”的在國際空間站種植花卉的計(jì)劃，此次篩選的植物是百日菊。2016年1月，這些百日菊在空間站順利綻放。

在太空種植作物，長遠(yuǎn)考慮是使其成為未來載人深空探索任務(wù)中生命保障系統(tǒng)的一部分。久處太空的宇航員需要富有營養(yǎng)的新鮮蔬菜，以補(bǔ)充維生素和其他微量元素。培育蔬菜的“太空溫室”除了保證宇航員能吃到新鮮蔬菜外，對改善空間站以及飛船內(nèi)的空氣及水交換也能起到重要作用。此外，空間站栽培植物還有標(biāo)記時(shí)間的作用，研究發(fā)現(xiàn)，在沒有日夜交替和季節(jié)變化的太空中生活，航天員容易失去生理節(jié)律， 睡眠受到影響?！疤諟厥摇笨梢詭椭詈絾T調(diào)節(jié)自身節(jié)律，讓宇航員在花開花謝間看到時(shí)間的流逝。在太空中，植物是唯一隨時(shí)間變化而變化的存在，它的作用不單單是時(shí)鐘——看著植物的變化比看時(shí)鐘帶來的時(shí)間體驗(yàn)更強(qiáng)烈。

美國航空航天局稱，放眼火星或小行星探測任務(wù)，太空農(nóng)業(yè)將變得更為重要。未來，太空農(nóng)業(yè)技術(shù)仍需取得重要突破，而且這類創(chuàng)新技術(shù)將惠及地球農(nóng)業(yè)。研究植物在太空中的生長情況，或許有一天能夠徹底解決地球上的糧食缺乏問失重條件下，植株根系生長受到干擾題。

當(dāng)克拉斯諾亞爾斯克生物物理研究所致力大規(guī)模的地面太空農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，其他俄羅斯研究人員，尤其是莫斯科的俄羅斯科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)問題研究所，開始測試如何在太空設(shè)施中（如“和平”號空間站或國際空間站）實(shí)際開展農(nóng)業(yè)。于是，Svet植物生長室在“和平”號空間站應(yīng)運(yùn)而生，開始對小麥以及其他植物進(jìn)行貫穿整個生長周期的研究。此后，人們以Svet植物生長室為藍(lán)本建造了較小的Lada植物生長室，后者被送到國際空間站。Lada植物生長室針對小麥、豌豆、大麥展開大量研究，并對空間作物的食品安全問題進(jìn)行研究。

Lada的各項(xiàng)硬件設(shè)施還被用來研究空間顆粒介質(zhì)中水和氣體的相互作用。生物醫(yī)學(xué)問題研究所的尤利·別爾科維奇教授及其同事還研發(fā)了一種植物生長輸送機(jī)，可以在微重力環(huán)境下連續(xù)生產(chǎn)。

美國航空航天局的研究

1980年，美國航空航天局開啟封閉（或可控）生態(tài)生命保障系統(tǒng)，或稱為CELSS計(jì)劃，從而重啟生物再生研究。此時(shí)的作物清單開始考慮人類更廣泛的營養(yǎng)需求（如碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪），并開始考慮收獲指數(shù)、食品加工和園藝要求。清單中常見的作物有：小麥、大豆、馬鈴薯、大米、甘薯、萵苣和花生。

美國航空航天局的CELSS計(jì)劃在20世紀(jì)80年代迅速擴(kuò)大，大部分研究都在大學(xué)開展，艾姆斯研究中心承擔(dān)了部分研究。實(shí)驗(yàn)通常在具有電照明的生長室中進(jìn)行，使用水培法或固體生長培養(yǎng)基方法培植。

美國航空航天局的研究人員還研究了二氧化碳增多對植物生長和生理的影響。此外，作為CELSS計(jì)劃和隨后的先進(jìn)生命保障計(jì)劃的一部分，研究人員就作物對溫度、濕度、礦物營養(yǎng)、光合有效輻射、光周期，甚至光譜質(zhì)量的應(yīng)激反應(yīng)進(jìn)行了廣泛的測試。美國航空航天局為威斯康星大學(xué)空間自動化與機(jī)器人中心提供資金，啟動了用于宇宙飛船的宇宙培養(yǎng)植物生長室的LED測試。1990年，LED用于植物種植成為一項(xiàng)專利。之后，LED照明在受控環(huán)境農(nóng)業(yè)中被廣泛應(yīng)用，這是空間研究反哺地球農(nóng)業(yè)的一個很好的例證。此外，美國航空航天局還資助了針對空間飛行器（微重力環(huán)境下）的灌溉測試，例如在太空中使用多孔膜或管道來澆灌植物。

美國航空航天局在肯尼迪航天中心建造了生物質(zhì)生產(chǎn)室（BPC），該生產(chǎn)室的運(yùn)行時(shí)間為1988年至2000年，被稱為“試驗(yàn)板” 計(jì)劃。BPC是一個面積為20平方米的封閉種植區(qū)域，與在太空中可能遇到的情況類似。那時(shí)的人們并不知道，這可能是第一個垂直農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。測試內(nèi)容包括4種小麥（每種種植時(shí)間約86天）、3種馬鈴薯（每種種植時(shí)間為105天）、3種大豆（每種種植時(shí)間為90天）、4種萵苣（每種種植時(shí)間為28天）、2種番茄（每種種植時(shí)間為85天），以及對大米與蘿卜的探索實(shí)驗(yàn)。在同一養(yǎng)分溶液中對馬鈴薯的連續(xù)測試顯示，第一次播種后形成了塊莖誘導(dǎo)，這證實(shí)了生長室研究中觀測到的結(jié)果，即營養(yǎng)液中積累了不明塊莖誘導(dǎo)或激素類因子。

同時(shí)，BPC測試還允許利用光和二氧化碳來評估作物性能的瞬態(tài)變化、光合二氧化碳補(bǔ)償點(diǎn)的測量等。美國航空航天局的BPC研究是首次跟蹤不同作物的全冠層乙烯生產(chǎn)率的研究，結(jié)果表明正常生長和發(fā)育過程中都會產(chǎn)生乙烯，特別是在營養(yǎng)生長期、葉片快速膨脹期和更年性果實(shí)成熟期間。使用水培營養(yǎng)膜技術(shù)大規(guī)模培植馬鈴薯的研究顯示，營養(yǎng)膜技術(shù)也適用于其他地下作物，如甘薯和花生。

盡管BPC測試的作物產(chǎn)量很高，但通常小于使用較小生長室進(jìn)行研究測得的最佳產(chǎn)量。這是一個相當(dāng)重要的觀測結(jié)果，可能與以下幾個因素相關(guān)：首先，較小生長室通常具有更明顯的側(cè)面照明邊緣效應(yīng)，從而提高產(chǎn)量;其次，面積越大，時(shí)間和物流需求越大，對個體植物的關(guān)注度通常會降低;第三，封閉空間內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)化合物的累積可能會對BPC 測試中的作物產(chǎn)量產(chǎn)生一些負(fù)面影響。

與俄羅斯人一樣，美國航空航天局為封閉系統(tǒng)中的人類開發(fā)出了綜合的生物再生生命保障測試功能。這些研究在美國航空航天局約翰遜航天中心進(jìn)行，一系列測試的結(jié)果顯示，強(qiáng)光照條件下只需要11平方米的小麥就可以滿足一個人的需氧量。

該系列測試的下一步是建造一個更大的設(shè)施，使其最終能夠?yàn)橐灾参餅橹饕澄飦碓吹氖軠y人員提供生命保障需求。這一更大的設(shè)備就是懸液芯片系統(tǒng)（BIO-Plex），包括兩個大型農(nóng)業(yè)模型。同時(shí)，美國航空航天局還資助了旨在開發(fā)行星表面環(huán)境下有可能與人類棲息地相通的溫室結(jié)構(gòu)的各種嘗試，該構(gòu)想可以使用電照明，或者由系統(tǒng)直接捕獲太陽光，或者由收集器采集陽光，再由光纖傳輸?shù)绞鼙Ｗo(hù)的棲息地。此外，還在美國南極站等孤立環(huán)境中進(jìn)行了植物生長的相關(guān)測試，很好地模擬了太空中的孤立環(huán)境。

但是，BIO-Plex系統(tǒng)并沒有完成使命，美國航空航天局的大規(guī)模生物再生生命保障系統(tǒng)也于2000年左右終止了。

“生物圈2”號

當(dāng)然，在封閉生態(tài)系統(tǒng)的研究中，最令人印象深刻的努力之一就是20世紀(jì)80年代末至90年代初在美國亞利桑那州圖森市附近設(shè)計(jì)和建造的由私人贊助的“生物圈2”號設(shè)施。這一封閉設(shè)施面積約1.2公頃，包括人類生活區(qū)和多種生態(tài)系統(tǒng)，動植物種類繁多，環(huán)境管理和控制能力復(fù)雜?！吧锶?”號的規(guī)模和復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了大多數(shù)空間機(jī)構(gòu)對早期任務(wù)所設(shè)的預(yù)想，他們的目標(biāo)，即了解封閉生態(tài)系統(tǒng)和為人類生命提供保障的生物再生方法，對太空農(nóng)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)提供了深刻洞見?！吧锶?”號團(tuán)隊(duì)仍然在較小的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模模塊里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并在密閉系統(tǒng)中對諸如墨西哥豆、豇豆、甘薯和小麥等作物進(jìn)行研究。同時(shí)，他們的這一行為也已被世界上各團(tuán)體討論和仿效。

在對包括太空農(nóng)業(yè)在內(nèi)的再生生命保障系統(tǒng)積極研究期間，由羅格斯大學(xué)的哈里·詹妮斯博士主編的《生命保障與生物圈科學(xué)》雜志（1994—2002）發(fā)表了大量與生命保障和太空農(nóng)業(yè)有關(guān)的文章。該雜志后來更名為《棲息地研究》。盡管該雜志現(xiàn)已停止出版，但是它對20世紀(jì)90年代初至21世紀(jì)初期的生物再生和可控環(huán)境農(nóng)業(yè)的研究提供了寶貴資源。

太空中的植物棲息地

美國航空航天局一直有致力太空種植方面研究的項(xiàng)目，BRIC就是其中之一。BRIC意為“密閉空間中的生物學(xué)研究”。該項(xiàng)目的研究平臺是一個承載實(shí)驗(yàn)的密閉系統(tǒng)，在1997年11月開始的美國微重力載荷“哥倫比亞”號航天器STS-87項(xiàng)目期間首次使用，隨后又被應(yīng)用于STS-135項(xiàng)目，2011年7月，該項(xiàng)目完成了最后一次飛行任務(wù)。

美國航空航天局位于佛羅里達(dá)的肯尼迪航天中心BRIC項(xiàng)目負(fù)責(zé)人何塞·卡馬喬說：“BRIC 項(xiàng)目所用的平臺屬于快速通道型設(shè)備，一次有效載荷6個月至8個月就可準(zhǔn)備就緒，大多數(shù)項(xiàng)目需要的準(zhǔn)備時(shí)間比這長得多?！?/p>

佛羅里達(dá)大學(xué)分子遺傳學(xué)教授安娜·麗莎·保羅和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校植物學(xué)教授西蒙·吉爾羅伊經(jīng)美國航空航天局選拔參與了太空生物學(xué)研究。

保羅的研究專注于缺少對引力做出反應(yīng)的未分化細(xì)胞在太空中的表現(xiàn)。未分化細(xì)胞是不成熟或發(fā)育不全的細(xì)胞，還沒有獲得某些特殊的結(jié)構(gòu)和功能。

吉爾羅伊的研究內(nèi)容則是外層空間的低氧條件對擬南芥種子的基因發(fā)育的影響。一般認(rèn)為，根區(qū)低氧是外層空間飛行中產(chǎn)生的現(xiàn)象，因?yàn)槭е卦斐筛×︱?qū)動對流，促進(jìn)生物體周圍的氣體交換。這反過來導(dǎo)致限氧條件的形成，對植物活力和生產(chǎn)能力產(chǎn)生負(fù)面影響。

這些研究可以幫助我們理解環(huán)境刺激的交互作用如何影響失重環(huán)境中的植物發(fā)育。另外，植物分析將利用確定的突變定制植物，使其在外層空間茁壯成長，檢驗(yàn)其潛力的大小。這些研究的最終目的是為長時(shí)間的外層空間生活提供食物，比如，要前往某個小行星或火星。

目前用于BRIC項(xiàng)目的反應(yīng)容器體積為17.6厘米×10厘米×10厘米，可安裝五六個有蓋培養(yǎng)皿固定裝置。

一位宇航員利用肯尼迪航天中心的制動設(shè)備研制了一種RNA穩(wěn)定溶液。這種溶液可以中止幼苗和細(xì)胞的發(fā)育，使其就像凝結(jié)在時(shí)間中一樣，停止所有的生物活動，然后被儲存在空間站的冷凍庫里，防止它們在“太空旅行”中遭到不良環(huán)境的破壞。

一旦進(jìn)入國際空間站的實(shí)驗(yàn)室，在溫度達(dá)到4℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)就會啟動。與此同時(shí)，位于地球的肯尼迪航天中心也會在空間站加工設(shè)施里進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)，為項(xiàng)目提供對照研究結(jié)果，以比較重力作用對植物生長的影響。

之前，肯尼迪航天中心的大部分工作都集中于接收、加工和發(fā)射其他中心研制的運(yùn)載工具。但是，近幾年，這里的一個工程師團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一個植物棲息地，以研究植物在微重力的太空環(huán)境中生長的問題。

國際空間站地面加工和研究指揮部的植物棲息地項(xiàng)目經(jīng)理布萊恩·奧納特說：“這是肯尼迪航天中心首次牽頭研發(fā)的空間站有效載荷大型項(xiàng)目。這個植物棲息地是一個大型封閉室，可以支持在空間站開展商業(yè)性植物研究和基礎(chǔ)植物研究?！?/p>

這是一件有效載荷，會被安裝在一個標(biāo)準(zhǔn)的加快處理實(shí)驗(yàn)空間站的機(jī)架上送入太空。這個多用途載荷托架系統(tǒng)為研究和科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了場所，支持跨越許多學(xué)科的科學(xué)研究，為其提供結(jié)構(gòu)界面、動力、數(shù)據(jù)、冷卻、供水及其他環(huán)軌科學(xué)載荷所需的物資。

美國航空航天局正在空間站對植物進(jìn)行研究，以便在未來的長期太空任務(wù)中為宇航員提供食物。而且，它們還可以重復(fù)利用二氧化碳，將其轉(zhuǎn)化為可供呼吸的氧氣，這對宇航員來說非常重要。

奧納特解釋說，空間站上的多數(shù)實(shí)驗(yàn)都是一些大學(xué)或研究機(jī)構(gòu)的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人開發(fā)的。他說：“植物棲息地項(xiàng)目是想通過這種努力吸引更多的研究人員來參與此類研究。為此，我們已經(jīng)與軌道科技公司（ORBITEC，位于威斯康星州麥迪遜市，是一家子系統(tǒng)集成及高科技開發(fā)公司）簽約，請他們幫助設(shè)計(jì)、制造此類植物棲息地。”

植物棲息地的設(shè)計(jì)包括控制溫度、濕度、二氧化碳水平和照明的能力。光照是植物生長的一個重要組成部分，這個有效載荷中使用的是發(fā)光二極管（LED）。實(shí)驗(yàn)證明，這種LED光可以滿足植物生長的需要。在植物棲息地內(nèi)部有一個托盤，用它來種植不同種類的植物，為植物生長實(shí)驗(yàn)提供主要的結(jié)構(gòu)支持及植物根區(qū)用水，可卸載、可重構(gòu)。這個托盤由一個結(jié)構(gòu)原件、一個供水裝置和一個標(biāo)準(zhǔn)的接入控制板組成，為種植在上面的植物提供基礎(chǔ)的生長要素支持。這個設(shè)備還會為其他特殊實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)測量方面的支持，供調(diào)查人員擴(kuò)展植物棲息地的基礎(chǔ)功能。

奧納特說：“這些托盤有一整套系統(tǒng)，供宇航員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，把水和植物生長需要的其他營養(yǎng)注入支持植物生長的媒介，支持項(xiàng)目負(fù)責(zé)人根據(jù)他們想種植的植物種類以及他們打算要做的實(shí)驗(yàn)種類對其進(jìn)行調(diào)整?！敝参飾⒌乜梢岳每臻g的微重力，根據(jù)研究需要運(yùn)行30天、60天或90天。

2015年8月10日，國際空間站的宇航員收獲了一批“極品紅”長葉萵苣，8月12日，他們在全世界航空愛好者的注視下用檸檬酸基食品安全衛(wèi)生濕巾清潔了萵苣，品嘗了這種可愛的蔬菜。他們只能吃掉其中一半，其余的要在空間站包裝冷凍，送回地球供科學(xué)分析。

美國航空航天局用于植物實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的第一批實(shí)驗(yàn)裝置于2014年5月由39號探險(xiǎn)任務(wù)飛行工程師史蒂夫·斯汪森啟動，同時(shí)，也由他負(fù)責(zé)澆水和護(hù)理。第一批蔬菜用了33天成長，在被收獲后于2014年10月送回地球。在佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心，這些植物接受了食品安全分析。第二批于2014年7月8日由凱里啟動，也讓其生長33天后收獲。這些種子都是在空間站存放了15個月后才被喚醒并開始生長的。

植物棲息地有一個扁平面板燈組，由紅、黃、藍(lán)三色二極管組成，在為植物生長提供光照的同時(shí)，方便宇航員對其進(jìn)行觀察?？夏岬虾教熘行奶剿餮芯亢图夹g(shù)項(xiàng)目辦公室高級生命支持項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人雷·惠勒博士說，利用LED燈光種植是美國航空航天局在20世紀(jì)90年代后期就提出的設(shè)想。

植物棲息地中植物周圍的紫色、粉紅色調(diào)是紅燈和藍(lán)燈組合所致，按照設(shè)計(jì)，它們比綠光LED放出更多的光。在光線中加入綠色光是為了讓蔬菜看上去像能食用的食物，而不是奇怪的紫色植物。

惠勒說：“植物生長得有藍(lán)色和紅色波長的光。從電力轉(zhuǎn)換的角度來說，這些光是效果最好的。綠光LED有助于促進(jìn)人類對植物的視覺感知，但是沒有紅光和藍(lán)光的幫助大?！?/p>

惠勒、馬薩和加里·斯圖特博士都來自肯尼迪航天中心，此前在美國航空航天局位于亞利桑那州弗拉格斯塔夫市附近的沙漠試驗(yàn)場研究類似的種植實(shí)驗(yàn)?；堇照f，綠色棲息地將幫助他們更多地了解受控農(nóng)業(yè)環(huán)境的種植問題，比如立體農(nóng)業(yè)（將植物架摞起來，使用水耕法種植，用紅光和藍(lán)光LED之類的電燈照明）。這種系統(tǒng)在亞洲有些國家很受歡迎，在美國也開始發(fā)展。

惠勒說：“初步實(shí)驗(yàn)證明，綠色棲息地也可以種植西紅柿、藍(lán)莓之類的新鮮食品，它們都是良好的抗氧化劑來源。如果能在外層空間種出這樣的新鮮食品，不光可以幫助宇航員調(diào)節(jié)情緒，一定程度上還能夠在外層空間防范輻射。”

在第一批收獲的萵苣送回地面之后，馬薩和一名航天醫(yī)生以及美國航空航天局安全代表小組開始極力申請讓宇航員長期食用這種產(chǎn)品，因?yàn)檫@些萵苣的微生物食品安全分析結(jié)果很好。

除了具有營養(yǎng)上的好處之外，在外層空間種植新鮮產(chǎn)品會不會產(chǎn)生心理上的好作用呢？亞歷山德拉·惠特邁爾參與了解答這個問題的研究，他是位于休斯敦的美國航空航天局約翰遜航天中心的一名科學(xué)家。

惠特邁爾是美國航空航天局人類研究項(xiàng)目的行為健康與績效研究科學(xué)家。她的團(tuán)隊(duì)注重與降低火星任務(wù)心理風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的研究，致力宇航員行為條件、績效減弱以及集體交流和心理適應(yīng)方面的研究。

惠特邁爾說：“未來的外層空間飛行任務(wù)可能涉及4名至6名機(jī)組人員，在一個有限空間里生活比較長的一段時(shí)間，交流受到限制。提供有效訓(xùn)練，讓機(jī)組成員在執(zhí)行任務(wù)期間具備有效的防范措施，這一點(diǎn)很重要。”

防范措施可能包括讓工作富有意義，在居住環(huán)境中種植植物。惠特邁爾說，目前的研究已經(jīng)表明植物與幸福和最佳效益相關(guān)，將植物作為長期探索任務(wù)期間的防范措施具有很大潛力。如果在極端的、壓力很大的太空生活中有其他物種的陪伴，對宇航員的心理幫助極大。

馬薩說：“人類離開地球越遠(yuǎn)、時(shí)間越長，就越需要能夠種植植物，供給食品，促進(jìn)空氣再循環(huán)，改善心理狀態(tài)。我認(rèn)為，植物體系將成為任何長期探索項(xiàng)目的重要組成部分。

“我們希望增加作物的數(shù)量和類型，這樣就能夠更多地了解微重力條件下的種植，還可以觀察光的質(zhì)量對作物收成、營養(yǎng)和風(fēng)味的影響，無論是在地球上還是在外層空間?！?/p>

宇宙蔬菜怎么長

重要的光合作用

在封閉的太空艙中進(jìn)行蔬菜的培育，必須在非自然條件下為植物生長提供完備的條件。作為自養(yǎng)型生物，植物不需要獲取有機(jī)質(zhì)，而是攝取無機(jī)物進(jìn)行生長。對植物來講，最基本的過程就是光合作用，這也是植物生長的關(guān)鍵所在。

光合作用基本在植物的葉子中進(jìn)行，更嚴(yán)格的說法，應(yīng)該是在植物的綠色部位進(jìn)行。在這些部位的細(xì)胞里，存在可進(jìn)行光合作用的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)——葉綠體。在電子顯微鏡下，我們可以看到葉綠體具有兩層膜結(jié)構(gòu)，外膜和細(xì)胞膜同源，內(nèi)膜與外膜在起源上有較大差別。根據(jù)內(nèi)共生理論，內(nèi)膜及其內(nèi)的結(jié)構(gòu)起源自可進(jìn)行光合作用的原核生物，比如藍(lán)藻類?；蛘哒f，植物細(xì)胞實(shí)際上起源自至少三類細(xì)胞的共生/寄生現(xiàn)象——作為主體的細(xì)胞本身、進(jìn)行光合作用的原核細(xì)胞、進(jìn)行有氧呼吸的細(xì)菌（今天的線粒體）?，F(xiàn)在，經(jīng)過億萬年的共生，葉綠體已經(jīng)完全整合成了植物細(xì)胞的一部分，再也無法分開。在葉綠體的內(nèi)部，存在著層疊狀態(tài)的囊狀薄膜結(jié)構(gòu)，通常被稱為類囊體。與光合作用有關(guān)的一些酶，以及至關(guān)重要的光合色素就分布在類囊體上。

光合作用可以大致分成兩個階段。第一階段以吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化光能為主要任務(wù)，反應(yīng)核心是光合色素場所在類囊體上，常被稱為光反應(yīng)。當(dāng)光照射在類囊體上時(shí)，光合色素被激發(fā)，開始進(jìn)行電荷的傳遞，在這個過程中，光能被轉(zhuǎn)變成了電能。這個過程多少有點(diǎn)像太陽能電池板的發(fā)電過程。之后，這些電能被用來做兩件事情，一件事情是將水分解掉，產(chǎn)生蘊(yùn)含著能量的、具有強(qiáng)還原性的還原型輔酶Ⅱ（NADPH），然后釋放出氧氣（毫不客氣地說，我們賴以生存的氧，實(shí)際上只是光合作用毫無用處的副產(chǎn)品）;另一件事情則是把這些電能儲存在一種被稱為ATP的高能磷酸化合物中。到光反應(yīng)完成的時(shí)候，能量最終被儲存在NADPH和ATP等非?；钴S的化學(xué)物質(zhì)中，轉(zhuǎn)變成了活躍的化學(xué)能。

接下來，才是真正生產(chǎn)有機(jī)物的過程。

光合作用的第二個階段被稱為暗反應(yīng)/ 碳反應(yīng)，這個過程發(fā)生在類囊體周圍，葉綠體內(nèi)的液體環(huán)境里。首先，從環(huán)境中吸收的二氧化碳與1，5- 二磷酸核酮糖（RuBP）反應(yīng)，生成兩個3-磷酸甘油酸（PGA）。在這個過程中，二氧化碳被固定在了新形成的化合物中，然后被其傳遞，與光反應(yīng)中的NADPH和ATP 反應(yīng)，還原生成有機(jī)物，同時(shí)將活躍的化學(xué)能儲存轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的化學(xué)能。有了這些有機(jī)物做基礎(chǔ)，植物的生長發(fā)育才變成了可能，我們培育蔬菜才能成功。

光能和二氧化碳是光合作用必需的條件，同時(shí)，還需要保證適宜的溫度和水分供應(yīng)。

在密閉條件下維持植物的生長

與在地球自然環(huán)境中的開放式種植不同，外太空或者外星基地中種植的植物必須在密閉的條件下生長，我們必須用人工條件逐一去匹配、模擬自然條件。

首先，是恒溫、恒濕。溫度能夠影響植物體內(nèi)酶的活性，后者是對生命化學(xué)反應(yīng)起到催化作用的有機(jī)物，通常是蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)等生物大分子依靠其空間結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用，但是這些空間結(jié)構(gòu)要比無機(jī)物分子不穩(wěn)定得多，也復(fù)雜得多，它們很容易受到環(huán)境因素的影響，如酸堿度、溫度都會很大幅度地影響酶的活性。一旦酶的活性受到影響，植物體內(nèi)的生命化學(xué)反應(yīng)速率就會變化，輕則影響生長速率，重則造成物質(zhì)合成的失衡，進(jìn)一步造成植物體內(nèi)分子生態(tài)的紊亂，引發(fā)疾病甚至死亡。植物自身具有調(diào)節(jié)體內(nèi)酸堿度的能力，卻幾乎完全沒有溫度調(diào)節(jié)能力——換言之，植物體的溫度幾乎和室溫同步波動。

維持植物生存的另一個重要因素就是水分。關(guān)于水分的調(diào)節(jié)應(yīng)該包括室內(nèi)的濕度和植物培養(yǎng)液的濃度——我們必須用培養(yǎng)液來代替土壤，為植物提供水和無機(jī)鹽。然而，這是一個相當(dāng)容易出問題的地方，因?yàn)橹参飼r(shí)刻在進(jìn)行蒸騰作用。對植物來講，蒸騰作用必不可少，根系吸收水分之后，經(jīng)由莖內(nèi)部的導(dǎo)管結(jié)構(gòu)向上運(yùn)輸?shù)饺~片蒸發(fā)。其關(guān)鍵作用，就是在水向上運(yùn)輸?shù)耐瑫r(shí)，將根系吸收的、溶解在水中的無機(jī)鹽運(yùn)輸?shù)饺~片。由于植物不存在循環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)被運(yùn)輸上來的水分必須散失掉。這就使植物在事實(shí)上成為一臺抽水機(jī)，不斷將培養(yǎng)液中的水分抽走，而其結(jié)果，則是培養(yǎng)液被濃縮。一旦培養(yǎng)液被濃縮，植物就將面臨吸水困難的問題——只有植物體內(nèi)的溶液濃度大于培養(yǎng)液濃度時(shí)，根系才能吸水，反之，就會被吸水，造成植物萎蔫死亡。因此，必須維持水分的供應(yīng)。同時(shí)，植物的根系在吸收無機(jī)鹽的過程中具有選擇性，其結(jié)果就是培養(yǎng)液的酸堿度會發(fā)生變化，這對植物是有影響的。因此，培養(yǎng)液中無機(jī)鹽的配比是需要根據(jù)植物的種類進(jìn)行調(diào)整的，并且要不斷監(jiān)測培養(yǎng)液的變化。

植物能夠茁壯成長的關(guān)鍵是具有可進(jìn)行光合作用的條件。首先是光照，為了節(jié)約能量消耗，要對光的波長做出篩選。通常，葉綠素主要吸收640納米至660納米的紅光部分和430納米至450納米的藍(lán)紫光部分，而類胡蘿卜素種類較多，所需光照有所差別，通常主要吸收500納米波長附近的光，也就是藍(lán)紫光區(qū)的光。當(dāng)代的LED技術(shù)是解決這一問題的主要途徑，其能量損耗小，波長可定，是最佳選擇。

二氧化碳和氧氣的供應(yīng)則應(yīng)該與生命保障系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，做到循環(huán)使用，植物光合作用產(chǎn)生的氧氣應(yīng)該被收集，同時(shí)人、動植物呼吸產(chǎn)生的二氧化碳應(yīng)該被反饋回種植空間，必要時(shí)，可通過化學(xué)制備來調(diào)整其濃度。

工廠化生產(chǎn)的解決之路

在地面，已經(jīng)開始初步嘗試工廠化生產(chǎn)蔬菜。具有諷刺意味的是，基于上述原理，最早開始進(jìn)行實(shí)踐的實(shí)際上是地下渠道——一幫見不得光的家伙偷偷摸摸地在黑屋里種植毒品。

現(xiàn)在，植物工廠將其技術(shù)升級，使用排架式種植。架子的每一層均可種植蔬菜，在這一層里，底部填充培養(yǎng)液，培養(yǎng)液上設(shè)置帶孔的泡沫裝置，植物就種植在泡沫孔中，漂浮在培養(yǎng)液上;頂板上是LED燈帶，發(fā)出特定波長的光。如果將一個架子的各層平展開，相當(dāng)于非常大的一塊土地的生產(chǎn)力。

工廠化生產(chǎn)的結(jié)果是，蔬菜的種植和季節(jié)再也沒有關(guān)系，也沒有了種植地域的限制。因?yàn)槿魏渭竟?jié)、任何地方的氣候環(huán)境和土壤環(huán)境都是可以人工模擬出來的。

目前，地面上已經(jīng)有蔬菜工廠在建設(shè)、運(yùn)營。只要你需要，就可以下單，然后由工廠進(jìn)行生產(chǎn)，在約定的時(shí)間為你拿出產(chǎn)品。一旦訂單下達(dá)，工廠就會開始培育幼苗。這些幼苗既可以用種子，也可以使用一種叫“植物組織培養(yǎng)”的方法，利用活組織里的細(xì)胞迅速克隆出大批幼苗。等幼苗在苗房中長到一定大小，就可以移栽到準(zhǔn)備好的架子上進(jìn)行培養(yǎng)了。由于光照不間斷，植物的生長速度會比農(nóng)田里快上很多。

那么，利用這種方法種出來的植物比田里的怎么樣？八成會更好。

首先，盡管是高科技培育手段，但植物完全是自然生長，品質(zhì)不會變差。其次，由于培養(yǎng)液的配置是非常嚴(yán)格的，成分已知，避免了土壤種植中日益嚴(yán)重的重金屬污染。再次，由于工廠中沒有害蟲，自然不需要噴灑農(nóng)藥，你也就無須擔(dān)心蔬菜上的農(nóng)藥殘留。這才是真正的無公害蔬菜。而且，它的成本可能并不高。與早期的白熾燈不同，LED燈并不很耗電，它只釋放出植物生長需要的光，不會造成過高的電費(fèi)。而且工廠還很節(jié)水，它比農(nóng)田種植節(jié)水95%，比傳統(tǒng)無土栽培技術(shù)節(jié)水40%，還省去了農(nóng)藥錢。更可貴的是，層架種植節(jié)約了大量的土地。

由于不受氣候土壤條件的控制，它完全可以建立在各種荒地、廢地上，也能為生活在荒漠、海島上的人們提供新鮮蔬菜。

以此為基礎(chǔ)，在太空的密封艙內(nèi)構(gòu)建微型的蔬菜工廠，是最終解決太空蔬菜供應(yīng)的方案。說不定將來我們在月球或者火星上建立了基地，也得靠它來生產(chǎn)蔬菜呢。

中國的太空育種實(shí)驗(yàn)

太空育種研究最早始于上個世紀(jì)60年代，我國于1987年開始投入這個領(lǐng)域，目前世界上只有中國、美國和俄羅斯三個國家成功地進(jìn)行了太空育種研究，其中我國擁有的技術(shù)是最頂尖的。其實(shí)，在世界航天科技發(fā)展早期階段，中國就已經(jīng)在空間生物實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域進(jìn)行了自主探索，并獲得了一批研究數(shù)據(jù)。

1987年，中國利用返回式衛(wèi)星第一次搭載農(nóng)作物種子升入太空，開始進(jìn)行太空育種實(shí)驗(yàn)。利用該技術(shù)，中國將辣椒、茄子、南瓜、水稻、小麥、玉米、綠豆等多類農(nóng)作物種子發(fā)射到宇宙空間，通過宇宙射線的照射，獲得增加其高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)等優(yōu)良性狀的變異。1988年，太空育種被正式列入我國“863計(jì)劃”，我國開始進(jìn)行大規(guī)模的太空育種。

2006年，“實(shí)踐八號”從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。它裝載了糧、棉、油、蔬菜、林果、花卉等9大類、2000余份、約215千克的農(nóng)作物種子和菌種，創(chuàng)造了中國開展航天育種研究以來搭載規(guī)模的紀(jì)錄。