太空种植：人类移民外星球的必解难题

文/若水

▲ 电影《火星救援》中马特·达蒙和他的火星土豆

提到太空种植，关心太空的你一定对电影《火星救援》中主演马特·达蒙在火星种植土豆的场景记忆犹新。喜欢科幻的你也一定对《三体3：死神永生》中云天明在一片位于三体人太空飞船的麦田中，与程心在地球分别后的第一次视频会面印象深刻。

这些虽然只是科幻，但是进入21世纪，随着月球长期科研站、火星探测任务等载人深空探测任务的提出，如何在太空建立自给自足的能力，已经成为各航天大国重要的研究课题，太空种植也是需要重点突破的能力之一。

目前，太空种植还处于科学研究和试验阶段，主要在位于近地轨道的空间站进行，对于载人航天本身所提供的功能性支撑极其有限。

▲ 设想中的火星表面植物农场效果图

太空种植对人类航天探索的作用

太空种植将是未来人类实现航天探索的关键技术点之一，通过在太空或外星球种植作物，减少甚至消除从地球再补给的需求，是太空种植的最终目标。

通过太空种植,可以为航天员提供食物和水过滤，也有助于控制舱室湿度；通过光合作用代谢空气中的二氧化碳并产生氧气，实现气体循环；通过照料和观察太空中的植物，给人类长期太空飞行带来心理上的好处，提高他们在轨道居住生活的幸福感；此外，还可以减少长期太空任务对发射质量的需求。

太空种植所面临的挑战

人类构建的航天系统可以为植物提供大气环境，并保护植物免受太阳辐射的影响（太空种植通过人造光源提供光照）。但是微重力、宇宙射线和强烈氧化应激对植物的影响是无法避免的，这也是太空种植中需要重点研究和解决的问题。

▲ Fiton-3有透明的墙壁，内含充满琼脂营养培养基的生长容器，在微重力下播种的单元，保持容器内无菌条件的通风系统，以及日光型荧光灯

微重力

许多人认为太空是零重力环境，从而导致失重。这是一个非常普遍的误解。事实上，引力在太空中无处不在，一个更科学准确的说法是微重力。在微重力环境中，航天员和太空中的物体看起来是失重的。微重力对植物的影响就像它对太空中任何其他生物的影响一样。

由于植物是陆地生物，发现重力的变化如何影响植物生物学对人类来说非常重要。特别是，根系的养分供应、养分的生物地球化学循环，以及土壤基质中的微生物相互作用都特别复杂。

宇宙射线

宇宙射线是一种很难防御的电离辐射。质子(或其他较重的元素)从爆炸的恒星中发射出来后，被加速到光速。这种强辐射轰击生物体，会破坏分子结构。与太阳辐射不同，宇宙射线在物理上很难抵御。

地球产生的磁场可以偏转这些辐射，以保证地球的安全。但是在空间站或没有磁场的星球，这种辐射就很难避免，会给航天员和植物带来了巨大的健康问题。

▲ 电影《火星救援》中的火星土豆幼苗

▲ 苏联为“Kosmos 110”生物太空试验发行的纪念邮票

▲ 1975年种植在费城华盛顿广场的“跨世纪月亮树”

氧化应激

在航天器系统中，氧气和二氧化碳循环系统可以维持人类的生命，并对植物起到同样的作用。植物在太空中经历的氧化应激类型与新陈代谢有关，它是新陈代谢不可避免的结果。分子转化和能量转化的生化过程产生了对细胞结构有害的氧化副产物和活性氧。在太空中，这种氧化应激在植物中被放大，其原因尚在研究中。

太空种植的起源

最早的太空种植实验主要是进行太空育种，这可以追溯到20世纪40年代，由美国哈佛大学和海军研究实验室主导的亚轨道植物种子太空辐射暴露试验。

1946年7月9日，美国发射的V-2火箭将“特别开发的种子菌株”发射到了134千米的太空，但是在第一次试验中种子并未被回收。紧接着在当年7月30日发射并回收了玉米种子，此后又对黑麦和棉花进行了相应的试验。

1966年2月22日，苏联进行了“Kosmos 110”生物太空试验。本次任务搭载了湿润的种子和两条狗，太空舱在轨运行22天后返回地球，其中部分种子成为第一批在太空发芽的种子。试验表明，这些经过太空旅行的生菜、卷心菜和豆子的种子不仅能在太空发芽，而且其在地球种植后的产量比地球上的对照组要高。

1971年1月31日—2月9日，500棵树的种子随阿波罗14号飞船绕月飞行。这些包括火炬松、梧桐树、枫香树、红杉和道格拉斯冷杉在内的被美国称为“月球树”的树种，在地球上种植和生长后，没有检测到任何变化。

这一时期的太空种植主要停留在太空育种阶段。

▲ 太空中培植的百日菊。美国航天员斯科特·凯利在国际空间站上护理垂死的太空百日菊，使其恢复健康。他以地球为背景，在空间站的圆顶上拍下了一束鲜花，并在2016年情人节当天在Instagram上分享了这张照片

太空种植的发展

进入空间站时代，太空种植迎来了它真正的发展。这个时代初期的霸主是致力于空间站技术的苏联，此时的美国正被航天飞机所捆绑。

1982年历史性的礼炮7号空间站种植实验中，使用“Fiton-3实验微型温室”种植拟南芥，第一次实现了种子到种子的太空种植。植物生长最终产生了成熟和爆裂的豆荚。在大约200颗种子中，有一半是未成熟的，42%的种子发芽后长成了正常的植株。这是太空植物学的一个里程碑事件。

1997年，苏联在和平号空间站利用“Sevt”太空温室，使“超矮小麦”完成了首次“从种子到种子”的植物生长试验。

当然美国也并未就此在太空种植方面停滞不前，1983年他们在哥伦比亚号航天飞机上，对向日葵幼苗进行了微重力条件下的向阳试验。尽管没有重力，幼苗仍然经历了旋转生长，表明这些行为是本能的。

2008年，欧空局在航天飞机上利用“欧洲模块化栽培系统”，进行了微重力条件下的植物生长试验。试验表明，即使在非常低的重力水平，植物也能感知重力的方向。此后，欧空局利用该系统进行了地面实验，将768株扁豆幼苗放在离心机中，以刺激各种重力变化的反应。通过分子生物学研究表明，植物在极低的重力水平下，会改变钙信号，从而对根部生长产生影响。

2014年，国际空间站上BRIC19的数据获得了首次完整的拟南芥转录组RNA测序，从而可以监测拟南芥的每一个基因。

2016年，在美国航天员斯科特·凯利的照料下，国际空间站上百日菊盛开。

2019年1月3日，我国嫦娥四号月球着陆器在月球背面的冯·卡门陨石坑着陆，其中一个载荷为3千克重、密封的“月球微型生物圈”，里面包括植物种子和蚕卵，以测试植物和昆虫能否孵化并协同生长。棉花在嫦娥着陆器上发芽并迅速死亡。实验虽然未达成预期结果，但这是在月球表面进行的第一个天体植物学实验。

▲ 国际空间站“高级植物栖息地”培养器中开花又结果的辣椒

2021年国际空间站的航天员进行了智利辣椒的种植试验，这是在轨道实验室中进行的时间最长、最具挑战性的植物实验之一。在10月的第一次采摘后，航天员对这些辣椒进行消毒，并吃掉一部分收获的果实，剩下的被带回地球进行分析。这些辣椒是在国际空间站“高级植物栖息地（APH）”培养器中种植的。

▲ 国际空间站的美国航天员梅根.麦克阿瑟展示了她在空间站的盛宴：太空玉米卷。配菜包括：法吉塔牛肉（fajita beef），再水化的西红柿和洋蓟，关键还有航天员在空间站亲自种植的智利辣椒。

人类在太空种植过的植物包括：拟南芥、大白菜、郁金香、石竹、亚麻、洋葱、豌豆、萝卜、莴苣、小麦、大蒜、黄瓜、欧芹、土豆、莳萝、肉桂罗勒、卷心菜、百日菊、红莴苣、向日葵、理翅角蕨、硬燕麦和辣椒等。

太空种植的未来

由于火星是除地球外太阳系内最适合生命存在的行星，因此太空种植业的应用，未来将主要围绕在火星实现自给自足的太空种植开展。

美国太空探索技术公司创始人埃隆·马斯克致力于通过移民火星，使人类成为多行星物种。马斯克曾表示，要实现人类在火星的可持续发展，需要在火星建设一个10万人的城市，这需要1000艘星舰和100万吨的维他命C，否则火星上的人类将在痛苦中慢慢死去，就像人类开创大航海时期的起步阶段。

火星上的食物将在地下或封闭结构的太阳能水培农场中种植。要实现火星移民完全的自给自足，太空种植还有很长的路要走。但是可以预见，马特·达蒙在火星种植土豆的场景会在不久的将来实现。

相关链接

美国宇航局太空种植设备

蔬菜生产系统（The Vegetable Production System or Veggie）

蔬菜生产系统用于研究在微重力环境下的植物生长，Veggie大约有一个随身行李箱大小，通常可以种植6棵植物。每一株植物都生长在一个“枕头”里，里面装满了粘土基的生长介质和肥料。“枕头”对根部周围的水分、营养和空气的健康平衡非常重要。否则，由于太空中的液体容易形成气泡，根部可能会被水淹，或者被空气包裹。

▲ 航天员佩吉·惠特森收获在蔬菜生产系统种植的一种甘蓝，并将样本带回地球进行测试

高级植物栖息地（Advanced Plant Habitat APH）

高级植物栖息地(APH)，就和上面提到的Veggie一样，是植物研究的生长室。它使用发光二极管灯提供光源，并采用有控释肥控制系统将水、营养物质和氧气输送到多孔粘土基质中，以营养植物根部。种植智利辣椒的“植物习性-04（Plant Habitat-04）”试验就使用了此类设备。

与Veggie不同的是，APH是封闭的、自动化的，它配有摄像头和180多个传感器。该设备与肯尼迪航天中心的地面团队保持着持续的互动，因此它不需要太多空间站人员的日常照顾。

它的水回收和分配、大气含量、湿度和温度都是自动化的。与Veggie相比，它有更多颜色的LED灯，有红色、绿色和蓝色，当然也有白色甚至红外灯，以允许夜间成像。

▲ 国际空间站的高级植物栖息地生长了5周的矮小麦

▲美国宇航局的BRIC的最新版本BRIC-LED

罐中生物研究（BiologicalResearch in Canisters BRIC）

BRIC是一种用于在太空中研究可以在培养皿中生长的生物体的设备，如酵母和微生物。BRIC的最新版本BRIC-LED，增加了发光二极管，以支持植物、苔藓、藻类和蓝藻等生物，因为这些生物需要通过光合作用来制造食物。

目前，BRIC-LED正在进行硬件验证测试。科学家们希望确保其发光二极管不会对植物产生过热影响。