本刊綜合

不僅是航天員、“太空教師”，神舟十四號(hào)飛行乘組成員還化身為“太空菜農(nóng)”。去年下半年，在他們的細(xì)心照料下，問天實(shí)驗(yàn)艙中的植物一派生機(jī)勃勃。

在“天宮課堂”第三課上，陳冬、劉洋、蔡旭哲向廣大青少年展示了“太空菜園”。小麥長(zhǎng)勢(shì)喜人；生菜翠綠，“味道美極了”；兩株擬南芥已經(jīng)開花；水稻植株茁壯生長(zhǎng)著。

這不是中國(guó)人第一次在太空種植蔬菜和糧食作物，也不是人類第一次在空間站種植植物。從上個(gè)世紀(jì)中葉開始，人類就將植物或者植物種子作為飛行同伴，帶到了廣闊無垠的太空中進(jìn)行培育。

“太空菜”和“太空糧”在太空中生長(zhǎng)，甚至開花、結(jié)實(shí)，從地球到太空又回到地球，絕不是一趟簡(jiǎn)單的旅行！

“天宮課堂”上的“植物秀”

在問天實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，神舟十四號(hào)飛行乘組成員在軌“種菜”，開展生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

在“天宮課堂”第三課的展示環(huán)節(jié)，航天員和植物都沒有閑著，各自以特別的方式帶大家感受太空中生命的魅力。

擬南芥被剪下

擬南芥生長(zhǎng)盒的6 個(gè)種植孔里分別種著開花期不同的擬南芥。去年10 月中旬，5 號(hào)種植孔和6 號(hào)種植孔中的擬南芥已經(jīng)開花，花朵是白色的，非常小。

在“天宮課堂”上，依托科學(xué)手套箱與低溫存儲(chǔ)柜，陳冬戴上中國(guó)空間站里首副混合現(xiàn)實(shí)（MR）眼鏡，直播科學(xué)實(shí)驗(yàn)操作——采集擬南芥樣本。

他首先通過混合現(xiàn)實(shí)眼鏡給開花的擬南芥拍照，再拿起小剪刀輕輕地把植株剪下來，然后把它們放到特定的瓶子中，這樣樣品就采集完成了。之后，樣品被放入-80 ℃的低溫存儲(chǔ)區(qū)，等“出差”結(jié)束，由航天員帶回地球，交給科學(xué)家研究。

水稻“吐水”

“太空水稻”從飽滿的種子長(zhǎng)成了一棵棵植株，長(zhǎng)勢(shì)也不錯(cuò)。

在“天宮課堂”上，劉洋打開生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜，取出水稻植株。透過玻璃盒子，我們可以看到，經(jīng)過70 多天的生長(zhǎng)，高稈水稻和矮稈水稻已經(jīng)抽穗，進(jìn)入種子成熟期。咦，水稻葉尖怎么出現(xiàn)了小水滴？原來是水稻在“吐水”。這些晶瑩的小水滴會(huì)越變?cè)酱?，直到貼到生長(zhǎng)盒的壁上。告訴你們，水稻“吐水”現(xiàn)象在太空這種微重力環(huán)境中更容易被觀察到。

圖1 劉洋展示水稻“吐水”現(xiàn)象（圖/央視新聞）

在水稻種子“上天”之前，厲害的科學(xué)家們就預(yù)想到了水稻會(huì)“吐水”，所以設(shè)計(jì)了智能水分回收系統(tǒng)，每天工作16 個(gè)小時(shí)，基本可以實(shí)現(xiàn)水分的動(dòng)態(tài)平衡。

知識(shí)多一點(diǎn)

在問天實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的植株茁壯生長(zhǎng)時(shí)，地面對(duì)照實(shí)驗(yàn)也在同步進(jìn)行。太空中的植物與地面上生長(zhǎng)的植物相比，株型不是很整齊，有的長(zhǎng)歪了，有的“躺平”了，不能完全朝一個(gè)方向生長(zhǎng)。另外，在微重力環(huán)境下，擬南芥的生長(zhǎng)速度明顯變慢。

太空“種糧種菜”有必要

空間站的食物比較豐富，為什么航天員還要在太空種菜種糧呢？告訴你們，隨著人類在地外星球不斷“開疆拓土”，太空“種糧種菜”變得越來越重要。

節(jié)約運(yùn)輸成本

假如航天員每人每天要消耗1.8 千克食物，一個(gè)由四五人組成的小分隊(duì)去火星探索3年（目前從地球到火星單程飛行大約需要半年以上），那么就要攜帶將近10 噸的食物，會(huì)給飛行帶來很大的負(fù)擔(dān)。

如果在太空“種糧種菜”，糧食和蔬菜等就不需要帶那么多，可以節(jié)約飛行成本。

新鮮又美味

假設(shè)火星探索需要3年，那么帶去火星的食物的保質(zhì)期至少得在3年以上。而隨著時(shí)間流逝，食物的質(zhì)量與口感都會(huì)下降——也許第一年味道還不錯(cuò)，但第三年吃起來口感就不那么好了。

即便食物質(zhì)量和口感都沒有變化，但只吃包裝好的長(zhǎng)期儲(chǔ)存的食物，時(shí)間久了難免乏味。而對(duì)于時(shí)間長(zhǎng)或者距離遠(yuǎn)的探測(cè)任務(wù)而言，攜帶太多的天然食物，食物也可能會(huì)壞掉。

因此，在太空“種糧種菜”顯得尤其重要，不但可以保障人對(duì)食物的需求，而且種出來的蔬菜等比較新鮮，航天員無需擔(dān)心食物過期或變質(zhì)、口感變差等。

構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)

太空“種糧種菜”是構(gòu)建人造生態(tài)系統(tǒng)的重要一環(huán)。植物進(jìn)行光合作用消耗二氧化碳，產(chǎn)生氧氣。航天員工作生活會(huì)產(chǎn)生很多廢水，廢水被凈化后可以灌溉植物。植物的蒸騰作用將水蒸發(fā)到空氣中，水蒸氣可以冷凝制成優(yōu)質(zhì)的空氣冷凝水。這種水被凈化后較安全，如果用作飲用水，人的心理接受度較高。

另外，太空栽培的研究和成果可以為地球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

哪些植物可以入選“太空菜園”

并不是所有的植物都可以進(jìn)入太空成為“太空菜園”中的成員，植物“入住”“太空菜園”是需要經(jīng)歷嚴(yán)格的篩選的。那么，哪些植物可以入選“太空菜園”呢？

第一，考慮到人類在太空中對(duì)熱量和維生素、微量元素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的總體需求，可以種植一些搭配在一起能夠滿足這些需求的植物；第二，由于微重力環(huán)境下烹飪加工食物難度很大，所以應(yīng)種植一些即食性果蔬；第三，由于地球生命不可能在嚴(yán)酷的太空環(huán)境條件下無保護(hù)地生存，所以在太空種植的植物必須具備高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、低能耗的特點(diǎn)，同時(shí)易栽培、易管理。

具體來說，糧食作物方面，航天員可以種植小麥、大豆、水稻。蔬菜要多樣化，可以種植生菜、小白菜、小油菜、辣椒、茄子等。黃瓜是爬藤植物，很占空間，但是口感清脆爽口，如果種植需牢牢固定住，防止藤蔓滿艙飄。水果的話，種植草莓就不錯(cuò)，所占空間小、掛果多。

問天實(shí)驗(yàn)艙種植實(shí)驗(yàn)選取的擬南芥和水稻就是兩種具有代表性的模式植物。擬南芥代表雙子葉、長(zhǎng)日、十字花科植物，很多蔬菜如青菜、油菜等都屬于十字花科。而水稻代表單子葉、短日、禾本科植物，很多糧食類作物如小麥、玉米等都屬于禾本科。

選擇這兩種植物的種子更是如同選美。要把種子放在顯微鏡下觀察，從上千顆備選種子中選出健康飽滿、有活力、有光澤的，保證“上天”的種子100%萌發(fā)。

知識(shí)多一點(diǎn)

擬南芥是一種原生于歐洲、中亞、南亞至北非一帶的小型開花植物，在生物實(shí)驗(yàn)界可謂大名鼎鼎，堪稱植物界的果蠅，是科學(xué)家們喜歡研究的模式植物。很多植物科學(xué)的研究都是先以擬南芥為對(duì)象進(jìn)行研究，再向其他物種推廣的。

啥是模式植物？

生長(zhǎng)周期短、基因組小、便于研究且在被研究的時(shí)候容易排除干擾因素的植物被稱為模式植物。擬南芥剛好滿足以上所有條件，它生長(zhǎng)速度極快，在幾周內(nèi)就能完成一個(gè)生命周期。而且，它是一種自花授粉的植物，能夠保證遺傳的穩(wěn)定性。個(gè)體也很小，可以大量繁殖，結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，便于解剖觀察。

太空種植的諸多學(xué)問

在地球上，我們只要把種子埋在土壤里，為它澆水，再加上合適的溫度和陽光，它就能萌發(fā)、開花，甚至結(jié)果。而在太空中，環(huán)境如重力、輻射等發(fā)生了變化，“種糧種菜”得更講究。

光照

在太空種植區(qū)，蔬菜和糧食作物無法接受太陽光的照射，但是科學(xué)家可以通過調(diào)控光源的強(qiáng)度和光譜，為它們提供充足的光照，滿足它們的生長(zhǎng)需求。同時(shí)，科學(xué)家會(huì)根據(jù)不同的蔬菜和糧食作物對(duì)光的不同需求，來創(chuàng)造相應(yīng)的光照條件。

以生菜為例，科學(xué)家會(huì)選擇用藍(lán)色光、紅色光和綠色光來照射生菜。生菜對(duì)紅色光吸收效率非常高，所以在紅色光的照射下生長(zhǎng)得很好。藍(lán)色光對(duì)生菜形態(tài)舒展具有較強(qiáng)作用。綠色光照射到生菜上，視覺效果非常好。

“土壤”

在太空中“種糧種菜”使用的“土壤”和地面上的土壤是不一樣的。

就以我國(guó)的太空種植為例吧。我們用蛭石制作供太空“蔬菜”“糧食”生長(zhǎng)的“土壤”。

啥是蛭石？簡(jiǎn)單地說，蛭石是一種極為常見的人造植物生長(zhǎng)原料。它的吸水性非常好，水分在其中的傳導(dǎo)受重力影響很小，所以水可以順暢地向上“流動(dòng)”。另外，它密度小、質(zhì)量輕，便于攜帶。

水分

植物生長(zhǎng)離不開水。而在太空中給植物供水是一大挑戰(zhàn)。

科學(xué)家會(huì)把特制的栽培盒放置在植物培養(yǎng)箱中，栽培盒中裝有特殊的栽培基質(zhì)和肥料，可以在植物根部周圍均衡地分配水分、養(yǎng)分和空氣。栽培盒底部有特殊的儲(chǔ)水箱，航天員會(huì)根據(jù)含水率檢測(cè)裝置顯示的檢測(cè)數(shù)據(jù)，定期用注射器將水添加到栽培盒中。

科學(xué)家還可以為植物設(shè)計(jì)可以鎖水、補(bǔ)水的保濕“神器”。鎖水“神器”是指在栽培盒里貼上一層只透氣不透水的透氣膜，保證植物與外界有一定的氣體交換，而水又不會(huì)從透氣膜中溢出。補(bǔ)水“神器”指的是冷凝裝置，當(dāng)植物中的水分蒸發(fā)變成水汽后，這套裝置能夠使水汽重新冷凝成液態(tài)水并導(dǎo)入栽培盒內(nèi)，實(shí)現(xiàn)太空密閉環(huán)境下水的有效循環(huán)利用。

問天實(shí)驗(yàn)艙中的擬南芥生長(zhǎng)盒連著營(yíng)養(yǎng)液包，航天員可以通過擠營(yíng)養(yǎng)液包給擬南芥的生長(zhǎng)提供必需的水分和養(yǎng)分。

跟在地球上種菜種糧一樣，在太空中“種糧種菜”也需要田間管理：間苗、拍照，檢查基質(zhì)含水量和養(yǎng)分。為了保證植物根系能呼吸到新鮮空氣，航天員會(huì)定期往基質(zhì)中注射空氣。

知識(shí)多一點(diǎn)

太空植物也向上長(zhǎng)

太空中的植物和在地面上一樣，也是向上生長(zhǎng)的。

雖然太空是失重環(huán)境，但植物有趨光性，所以它們依然會(huì)朝上長(zhǎng)。同時(shí)，植物還具有趨水、趨肥性，根部會(huì)朝著富有水分和養(yǎng)分的基質(zhì)生長(zhǎng)。

太空“種糧種菜”史

有了技術(shù)保障和生物保障，在太空“種糧種菜”不再是夢(mèng)想，航天員在太空吃上新鮮的蔬菜等也不再是遙不可及的事。

截至目前，人類在太空中種植了哪些蔬菜和糧食作物呢？

1978年，“禮炮6 號(hào)”宇宙空間站中種植的洋蔥長(zhǎng)得不錯(cuò)。

圖2 1996年9月，宇航員欣賞“和平號(hào)”空間站中發(fā)芽的小麥（圖/美國(guó)航空航天局）

1996年，俄羅斯宇航員在“和平號(hào)”空間站成功試種小麥。

2003年，俄羅斯宇航員馬連琴科在國(guó)際空間站培育出了第一代太空豌豆。俄羅斯宇航員卡列里收獲了第一代太空豌豆種子，并將其中的一部分重新育苗，培育出第二代太空豌豆。2004年，俄羅斯宇航員帕達(dá)爾卡在國(guó)際空間站培育出了第三代太空豌豆。

圖3 2003年3 月，國(guó)際空間站中的豌豆芽（圖/美國(guó)航空航天局）

2007年，國(guó)際空間站里的大蒜正常生長(zhǎng)。

2011年，神舟八號(hào)飛行任務(wù)組織開展“番茄試管苗空間開花結(jié)實(shí)”實(shí)驗(yàn)，共搭載8 株番茄蓓蕾，在太空中實(shí)現(xiàn)了開花結(jié)果。

2012年，國(guó)際空間站中，西葫蘆開花。

2015年8 月，宇航員在國(guó)際空間站中種植的生菜喜獲豐收！他們開心地大嚼自己種植的太空生菜，這舌尖上的味道非同尋常，是人類邁向深空的重要一步。

2016年，“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室開展了高等植物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，航天員在太空主要種植水稻、擬南芥等植物，以檢測(cè)空間微重力對(duì)生命活動(dòng)的影響。

同年11 月，生菜在“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室被成功種植。由于這是我國(guó)首次在太空中栽培蔬菜，因此沒有讓航天員食用，而是冷凍帶回地球進(jìn)行生物安全性檢測(cè)?！疤鞂m二號(hào)”艙內(nèi)高等植物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的返回單元中還有擬南芥種子。經(jīng)歷48 天的空間培育生長(zhǎng)，擬南芥種子萌發(fā)、抽薹開花和結(jié)莢，完成了從種子到種子的發(fā)育全過程。

2019年1 月，嫦娥四號(hào)生物科普實(shí)驗(yàn)載荷內(nèi)搭載了棉花種子和油菜、土豆等植物。

2020年11 月，美國(guó)宇航員在國(guó)際空間站采收了20 棵蘿卜。

2021年，宇航員在國(guó)際空間站品嘗到了太空辣椒的味道。有意思的是，在微重力環(huán)境下，這種尾部會(huì)翹起的辣椒品種的果實(shí)較為筆直。

從2022年7 月29 日被注入營(yíng)養(yǎng)液?jiǎn)?dòng)空間培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，到同年11 月25 日結(jié)束實(shí)驗(yàn)共120 天，水稻和擬南芥種子從萌發(fā)到幼苗生長(zhǎng)，再到開花結(jié)籽，完成了全生命周期。

民以食為天，農(nóng)以種為先。相信未來，我們開辟的“太空菜園”會(huì)越來越大，更多的蔬菜、糧食作物等種子“奔向”星辰大海，在太空中萌發(fā)、茁壯成長(zhǎng)，讓太空“種糧種菜”成為潮流，更多人有機(jī)會(huì)食用來自太空的果蔬。讓我們一起拭目以待吧！