那些旅bob.com居太空的植物

　　bob.com在希伯来圣经的传说里，人类建造了诺亚方舟，并随行携带了大量动物和植物，企图再造新的世界。自人类进入载人航天时代，诺亚方舟的神话传说以更加宏大的姿态呈现在人们眼前。相同的是bob.com，在载人航天领域，植物同样与人相伴而行。

　　植物是地球生态系统的生产者，也是食物链的起点。这些默默无闻的植物利用其光合作用，支撑起了五彩缤纷的地球生物圈。它们为人类和动物提供生存所必需的食物和氧气，成为了人类和动物的衣食父母。

　　在地球以外广袤的宇宙空间中，人类要建立星球基地，实现长期地外居住，同样离不开植物的帮助。建立以植物为生产者的地外生态系统，是实现长期地外居住的必由之路。

　　从最早的植物-原核藻类在地球上出现至今，植物已历经约四十亿年的繁衍进化，并完美适应了地球的各种环境。进入太空，对于这些地球的老住户而言，无异于背井离乡。那它们能适应全新的太空环境吗？又要面临哪些挑战呢？这就涉及到空间植物栽培的重点问题-天地差异。

　　在地球上，由于习以为常，人们很少考虑重力对植物生长的作用。然而，重力不仅能决定植物正常的形态，还能对植物细胞内部的生理过程起到重要的影响。因此当植物进入外太空，微重力因素会对植物的形态和生理产生重要影响。

　　我们都知道，在地球上，植物的根是向土壤深处扎的，而茎则与之相反，是向上生长的。这在植物学上被称为“向地性”或“向重力性”。这一现象，就是植物对重力的响应。植物可以通过一些特殊的结构和机制，来感知重力的方向，例如在植物根尖细胞中，细胞质内的一些淀粉颗粒可以受重力影响而聚集在细胞质底部，压迫这一位置的内质网bob.com、细胞骨架等组分，使得细胞感受到这个“方向”是重力的方向。此时植物细胞会调整细胞膜上一些运输蛋白的位置，改变生长素（一种控制细胞伸长的激素）的分布，从而导致根的向地性生长。而在茎中，重力同样能够影响生长素运输蛋白的分布，从而造成茎的负向地性生长。

　　而在太空微重力环境中，植物这套感应重力的机制就变得无效了。失去向地性的植物，会由于向地性的缺失，而发生不规则的扭曲、生长速度异常等现象，具体表现为根系生长杂乱，茎杆生长扭曲，叶片排列混乱等。但由于茎叶除了受重力影响，还有向光性，因此在脱离了重力作用后，茎叶生长方向会表现出更强烈的向光生长规律。

　　这些宏观形态上的变化，也反映了植物细胞内部微观结构由于重力因素的失去而发生变化。最为典型是植物细胞内微管、微丝构成的细胞骨架系统，在微重力环境下会发生结构的紊乱，这一紊乱会进一步影响细胞内细胞器的功能、细胞壁合成等诸多生理过程。在报道中，百日菊所开的花花瓣结构不正常，就可能与细胞壁合成的异常有关。在“天宫二号”进行的生菜栽培试验中，我们也观察到植株整体颜色呈现均匀分布，而非正常的从叶柄到叶边缘再到叶片中心有明显的颜色过渡，这也与叶绿体的分布变化有关。

　　微重力因素除了直接作用于植物，还可能通过影响水分和养分在人工土壤中的分布情况而间接作用于植物生长。在天宫二号进行的生菜栽培试验中，通过监测土壤中的含水率和电导率，发现水分和养分在土壤中的分布情况存在明显的天地差异，而植物所表现出的营养状况和长势也有所不同，相比于地面对照试验中的生菜，太空中的生菜产量较低，叶片较薄。

　　另外，在太空中，由于重力的缺失，气体流动性大大降低，这会影响土壤中的氧气含量，造成根系缺氧，出现烂根等现象。同时，气体流动性差导致茎叶周围局部湿度过大，使得植物对环境更为敏感、更容易感染病原等。报道中提到的百日菊在生长初期就遇了湿度过高、感染霉菌等问题。

　　除了微重力因素的直接和间接影响外，天地环境差异还可能包括较高二氧化碳浓度、低气压、高盐度、磁场变化等。

　　早在上世纪四十年代，植物种子首次由航天器带入太空轨道，先于人类开启了神奇的太空旅行史（前苏联宇航员加加林1961年进入太空，成为第一位访问太空的地球人）。此后人类数十年的载人航天史，始终有植物与人类相伴。

　　1946年7月9日，美国发射的v-2火箭把“特别开发的种子菌株”带到了距地面134千米的高空，但没有成功回收。同年7月30日，玉米种子也上了天，并成功回收，接着是黑麦和棉花的种子。1957年，苏联人发射了人类第一颗人造卫星-SPUTNIK卫星，小球藻和各种植物种子开始搭乘卫星遨游太空。1961年，前苏联发射了世界上第一艘载人飞船东方一号(VOSTOK)，与第一位进入太空的地球人加加林结伴进入太空的，是一批幸运的小球藻。1962年8月和1964年10月，苏联有关专家在“东方3号”和“上升号”宇宙飞船上放上了“紫跖草”，发现它们在细胞分裂时染色体的性状会遭到一定的破坏。

　　最初的这些植物搭载试验并未建立专门的植物栽培装置，彼时的植物更像一个匆匆过客，稍作停留便回归地球怀抱。这些试验的主要目的不是在太空培养植物，而是将返回后的植物种子或样品重新在地球栽培，观察这些“留洋归来”的植物有哪些变化。

　　前苏联于1971年发射了“礼炮1号”空间站，并在这次空间站任务中搭载了第一个空间植物栽培装置-“绿洲1号”。在第一次任务中，栽培的30株豌豆只有4株成熟，航天员推测其可能受到了过强的光照；1975年，改进后的“绿洲”1M装置成功培育出了洋葱，这也成为了第一种在太空被航天员食用的蔬菜。随着“礼炮”系列空间站的代代更新，“绿洲”系列也不断升级，直到“礼炮7号”。

　　“绿洲”系列开启了空间植物栽培装置时代，植物不再只是过客，而开始在太空有了简易的家。“绿洲”之后，前苏联/俄罗斯又先后发展了“花盆”、“孔雀石”、“光组件”“植物繁殖单位”“光”空间温室（SVET）、“拉达”空间温室（Lada）。

　　苏联解体后，美俄两个航天大国开始了跨时代的合作，航天飞机-“和平号”空间站计划是合作的重点。1995年航天飞机和“和平号”对接成功后，作为合作计划的一部分，“光”空间温室再次启动，美方为其增加了环境测量系统和气体交换监测系统，改称为“光-气体交换检测系统”。

　　美国还先后在航天飞机上搭载了PGU（植物栽培单元）、PGF（植物栽培装置）、ASC（宇宙栽培装置）、PGBA（植物通用生物加工装置），在国际空间站上搭载了ADVASC（先进宇宙栽培装置）、BPS（生物量生产系统）、ABRS（高级生物学研究系统）、Veggie（蔬菜生产系统）、APH（先进植物栽培系统）等空间植物栽培装置。2015年8月10日，NASA航天员首次在太空食用了其通过Veggie亲手种植的生菜。

　　欧洲、日本等也进行了一些空间植物栽培试验，这些试验主要是在国际空间站进行的，例如欧洲的EMCS（欧洲模块化栽培系统）、日本的PEU（植物实验单元）等。

　　为了在未来深空探测领域占据有利地位，我国也于上世纪80年代开启了空间植物栽培研究。

　　1987年起，我国开始利用返回式卫星进行植物种子搭载，但并未开展在轨的植物栽培研究。直至1996年，也是利用返回式卫星，我国进行了第一次空间植物生长试验，石刁柏在通用生物培养箱内进行了15天幼苗生长。此后，陆续进行了拟南芥、白菜、水稻等在轨生长试验。这些试验，主要目的在于研究空间环境对植物的影响规律及机理，并非着眼于未来空间基地技术验证，且并未建立专门的空间植物栽培装置。

　　2016年10月，中国航天员中心研制了我国第一个真正意义上的空间植物栽培装置，并在“天宫二号”空间实验室进行了在轨试验。参试植物品种是一种名为“大速生”的生菜bob.com，共栽培9株，培养周期为27天，我国航天员景海鹏、陈冬亲手完成了生菜从播种到收获的全过程。通过树脂吸水材料、纤维导水网络和蛭石（一种植物栽培基质）组成的特制“土壤”，克服了空间微重力对植物水分吸收的阻碍作用。生菜在太空生长良好，顺利收获，并随返回舱返回地球，进行了一系列生物学分析。

　　两位航天员在太空中培养生菜的同时，地面试验人员也完成了对照试验，除了不具备太空环境，地面试验与在轨试验完全一致。通过天地对比，发现太空中生菜长得更高，但叶片较薄。同时，在太空中培养的生菜植株整体颜色呈现均匀分布，而地球培养的生菜从叶柄到叶边缘再到叶片中心有明显的颜色过渡，这也与叶绿体在微重力下的分布变化有关。

　　“天宫二号”空间实验室植物栽培装置（左图为开灯状态，右图为关灯状态，通过人工设置的开关灯周期模拟地球昼夜交替）

　　“天宫二号”的生菜（左）与地球上的生菜（右）对比，太空中培养的生菜不像地球那样有明显的颜色过渡

　　2019年1月 “嫦娥四号”生物科普试验载荷内搭载了棉花种子、油菜、土豆、拟南芥、酵母和果蝇六种生物。15日，“嫦娥四号”完成了人类在月面进行的首次生物实验，回传照片显示棉花种子已经长出了嫩芽，虽然最后它还是枯萎死亡了。

　　在即将开始的空间站任务中，我国还将继续进行空间植物栽培的探索，并向着建立长期太空基地的目标持续迈进。

　　从礼炮号空间站开始，人类先后研制了许多各式各样的空间植物栽培装置，由小到大，由简到繁，然而无论简单或复杂，这些装置更像是人类远征深空途中的花瓶。虽然从技术初探与验证的角度来说，这样的花瓶不可或缺，然而各国耗费大量资源在太空中栽培植物，其最终目的是以此为过渡，最终建立能够长期驻留的地外基地，让植物在太空中也能成为航天员的食物和氧气来源，就像它们在地球上曾经做到的那样。

　　那人类未来的太空绿洲会是什么样子呢？虽然现在离建立真正的绿洲还有距离，但我们不妨从地球上一系列模拟试验去窥知一二。

　　“生物圈2号”（Biosphere 2）是美国建于亚利桑那州沙漠中的一座人工生态循环系统，建造者认为地球是生物圈1号，为了与之区分，故而命名为“生物圈2号”。从命名我们也可以看出其宏大的构想，即在地球之外再造一个生态系统。“生物圈2号”有5个野生生物群落（热带雨林、热带草原、海洋、沼泽、沙漠）和两个人工生物群落（集约农业区和居住区），共有约4000个物种，其中动物（包括：软体、节肢、昆虫、鱼类、两栖、爬行、鸟类、哺乳等）、植物（包括浮游、苔藓、蕨类、裸子和被子等）约3000种，微生物（包括细菌、粘菌、线种，它们分别来自澳大利亚、非洲、南美、北美等地。

　　由此我们可以直观的感受到“生物圈2号”的建造和实施者是何等的雄心勃勃，其目标已经超出了建立一个可供人类生存的基地的范畴，而近乎于再造一个地球。不可避免的，这一计划也以失败告终。

　　我们不能简单的评判其目标是否不切实际，“生物圈2号”更像是一种理想主义的乌托邦试验，充满了好莱坞式的浪漫。至于未来人类能否在地外星球再造一个复杂度堪比地球的生态系统，我们不得而知，然而“生物圈2号”的失败，向后来者昭示着这一目标美丽诱人，而又前路漫长。

　　“生物圈2号”失败20多年后，在我国深圳市龙岗区的闹市间，一座全新的太空基地地面模拟平台悄然而起，我们称之为“绿航星际”集成试验平台。在植物种类选择方面，不同于“生物圈2号”的包罗万象，“绿航星际”更有针对性的瞄准植物作为功能部件的定位，以最大限度满足乘员对食物、氧气和水的需求为目标，同时考虑膳食均衡和中国人的饮食习惯bob.com，选择了25种作物（共41个品种），包括3种粮食类作物（小麦、马铃薯和甘薯），2种油料作物（大豆和花生），15种蔬菜（包括生菜、油麦菜、苋菜、芹菜、小白菜、空心菜、苦菊、黄瓜、青椒、樱桃萝卜、胡萝卜、韭菜、小葱、香菜、韭葱），2种水果（樱桃番茄和草莓）和3种功能性植物（绿背天葵、辣木和铁皮石斛）。四名志愿者在其中完成了为期180天的模拟试验，依靠植物的光合作用，系统内氧气、水和食物闭合度分别达到100%、99%和70%。

　　作为后来者，“绿航星际”不像“生物圈2号”那样超前而充满浪漫色彩，而是体现了中国人特有的务实精神。如果说生物圈2号是对未来地外基地宏大愿景的史诗级描绘，那么“绿航星际”就是对这一愿景实现过程的具象化勾勒，其构建规模、运行过程等都更加贴近人类目前目力所及的太空基地构想。然而即便是如绿航星际般更加脚踏实地的地面模拟实践，要想搬到真正的太空，也是任重道远的，还有很多关键问题亟待解决。

　　其一，植物光合作用是系统运行的基础，而光合作用需要大量的能源输入。在“绿航星际”这类地面模拟试验中，依赖于市政供电，能源输入不成问题。然而在太空中想要获得这么多能源就绝非易事了。可考虑的方案包括核能与太阳能等。

　　其二，植物生长具有阶段性和周期性，而系统运行需要保持稳定。解决这一矛盾的关键在于合理的迭代培养，即不断的有植物播种，同时不断的有植物收获。

　　其三，原位资源利用问题bob.com，在地球上资源充裕，但在地外星球，如何充分利用星球本身的资源（例如月壤），是系统长期稳定运行的关键。

　　虽然任重道远，但意义重大。各个国家在这一充满前景与挑战的领域竞争合作，各有各的步调，各有各的构想，却又不约而同的将目光对准空间植物栽培这一方向。

　　2022年，我国建成自己的空间站。未来，我国还将实现载人登月，建立月球基地也将不再遥远。中华民族上下五千年，农耕文化贯穿始终。如今这个古老而又朝气蓬勃的民族正开启星辰大海的征途，植物这个老朋友，也必将伴随着中国人的飞天梦，在太空结出更殷实的硕果。