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    無垠宇宙中的綠色生命 太空種植園讓植物“上了天”

    2018-10-09 15:06:49 來源: 科普中國 作者:

    “植物要上天”

    在人類進入太空時代的開始,研究人員就試圖探究植物能否在零重力環境下生存。這項研究的主要驅動力一方面出于對科學的好奇心,而另一方面也是非常重要的一點,是科學家們認識到,在長時間的太空任務中不能只依賴于帶上天的加工食品,種植新鮮水果和蔬菜更加有利于航天員的健康,而且可以降低帶上天的食物成本。不止如此,如果植物能夠在太空生存,還有更多的可以利用的方面,例如植物可以消耗二氧化碳并產生氧氣,同時還能凈化有污染物存在的空氣。

    在太空種植植物,還有著更大的意義。航天員在太空生活離不開氧氣、食物和水,目前這些物資幾乎全是發射飛船送入太空的,非常昂貴。在太空多栽培植物可以產生更多的氧氣,同時也可以培育蔬菜,達到自給自足,甚至可以在空間站馴養動物,作為肉食來源。這些不僅可以降低航天員在太空生活的成本,隨著技術發展成熟,可能還會對人類進入太空中長期生活具有重大意義。

    太空中的失重、宇宙射線等因素都會對植物的生存、發育、衰老和變異產生獨特的影響。科學家們會針對這些因素在太空進行進行科學實驗研究,觀察太空微重力、充滿太陽射線和宇宙射線的宇宙環境對細胞和植物生長的影響,觀察不同光周期植物的生長發育和代謝活動,認識重力和光周期在高等植物開花調控中的作用機制等等。

    人類對宇宙的探索之旅伊始,航天飛行便不斷攜帶植物或種子上天,用于生物學研究。空間站誕生之后,在空間站培育植物生長、開花的實驗也已開展過多次。

    那么,人類是從什么時候開始把植物、或者還未長成植物的種子作為宇宙飛行的同伴,帶到廣闊無垠的太空中的呢?

    哪些植物“上了天”?

    1946年,美國發射的V-2火箭,把“特別開發的種子菌株”帶到了距地面134千米的高空,這也是最早前往宇宙空間的生物,不過這些樣本并沒有回收;1946年,玉米種子也上了天,而且成功回收,接著是黑麥棉花的種子。1957年,蘇聯的SPUTNIK系列衛星開始進行衛星上的生物實驗,小球藻和各種種子開始搭乘衛星遨游太空。1961年發射的世界上第一艘載人飛船東方一號(VOSTOK)就帶上了小球藻與偉大的航天員加加林作伴。

    實際上,各種航天器都或多或少肩負攜帶植物的“使命”,有很多航天器攜帶活的植物上天,不過植物通常都死掉了。1971年,阿波羅14號宇宙飛船(Apollo 14)甚至帶著500粒的種子,繞著月球飛了24圈,又把它們帶回來種在了地球上。

    植物能夠在太空中生長嗎?帶著這個問題,科學家們開始嘗試在宇宙中培育植物生長。

    1977年,前蘇聯發射的“禮炮6號”(Salyut 6)宇宙空間站上開始搭載了植物栽培試驗裝置,希望建立起小小的“太空溫室”。航天員們把郁金香球莖種植在一種能產生人造重力的小離心機里,報告說植物活了下來,并且生長情況良好。據報道,經過類似方法培育的洋蔥也長得不錯。1980年,“聯盟 37號”飛船的航天員來到該太空站工作時,還曾經試著在“太空溫室”里培植蘭花。

    但是,蘭花的培養可謂一波三折!從實驗報告來看,盡管航天員們帶到“禮炮6號”的郁金香已經是有了花苞,一副很容易就開花的樣子,但這些花并沒有綻開,僅僅是植株在生長。更讓人傷心的是,雖然帶來的蘭花一些本身已經是開放的了,但幾乎立刻是“香消玉殞”。不過植株本身倒是長得健健康康,不僅長著葉子,還有氣生根(氣生根是植物莖上發生的、生長在地面以上的、暴露在空氣中的不定根,能起到吸收氣體或支撐植物體向上生長的作用,還能夠吸收和保持水分)。這些 “蘭花”在“禮炮6號”上生長了6個月,最后仍然沒有開花,這實在讓航天員們沮喪。

    不過,科學家們并沒有氣餒,開始埋頭繼續搗鼓離心機。1982年,在“禮炮7號”上的“太空溫室”中,蘭花在人造土壤里長勢良好,并最終開了花,實現了從種子到種子的過程。實驗員認為,開花與否應該還是與重力問題息息相關。

    讓我們來欣賞一下在太空中生長出來的綠色生命吧。

    1996年9月:航天員Shannon Lucid在欣賞和平號上發芽的小麥。

    2003年3月:空間站上的豌豆芽。

    NASA航天員Peggy Wilson檢查太空大豆的生長情況。

    2012年,國際空間站自由漂浮的西葫蘆。

    我國發射的“天宮二號”也帶了擬南芥和水稻上天,在飛船的空間實驗室開展了高等植物培養實驗。這是我國首次為期6個月的植物“從種子到種子”全生命周期培養,科學家可以觀察到不同植物的種子在太空中從萌發、生長、開花到結籽的全過程。

    天宮二號下來的擬南芥開花

    “太空沙拉”的誕生

    國際空間站上的植物實驗室成立于2014年5月,它的功能不僅在于研究植物在外太空的生長狀況,同時,也是為了探索如何使航天員能自給自足地在太空吃上新鮮蔬菜。航天員們曾經在宇宙中種了各式各樣的植物,現在,在宇宙飛行中“種菜吃菜”也不是新鮮事兒了,太空沙拉也已經是航天員們的日常了噢!

    航天員在空間站上進行太空育種試驗,特地挑選了生長周期較短的蘿卜、圓包菜等植物,帶到太空進行培育,觀察太空環境會對各種植物在生長和抗病性方面產生什么樣的影響。曾有航天員在太空環境下培育出了優質、高產、抗病性強的農作物新品種,到目前為止,實驗室已經成功種植過兩茬蔬菜,分別是紅生菜和芝麻菜。

    2015年,國際空間站的航天員在吃著自己種的蔬菜的同時,還發了一段小視頻。航天員用橄欖油和醋調制了自家種的生菜,并表示“味道好極啦”。除此之外,空間站的航天員們已經掌握了“多次收割”的收獲技術,只從新鮮生菜或是科學樣本上收獲特定的葉子,剩下的葉子和植物的核心將保持完整并繼續生長,大約每隔10天進行新一輪的收割。這項技術的目的是增加在軌作物的產量,同時也有更多的機會給航天員的日常飲食中補充新鮮且營養豐富的食物。這也意味著以后長時間的宇宙飛行中,可以種植一些蔬菜補充新鮮食物。

    航天員斯科特·凱利(右)和柯吉爾·林格倫在吃自己種的紅生菜。

    我國的神舟十一號航天員景海鵬,也已經是在太空中種植過生菜的人了哦,而且是我國首次在太空人工栽培蔬菜,為探索太空邁出了重大一步。那么接下來我們就來看看,景海鵬是如何在太空中做“農夫”的呢?

    與地面種植使用土壤不同,神舟十一號所種生菜使用的基質是蛭石。蛭石是一種礦物質,具有很強的吸水性,水分在其中傳導非常均勻,即使是在地面有重力的情況下,向上吸附都非常流暢。

    神舟十一號種菜用的蛭石

    在太空環境中,植物的生長同樣要靠光照。神舟十一號中所種的生菜,是通過LED照明系統來實現生長的。使用LED燈栽培植物的方法可追溯至20世紀90年代的NASA,研究人員發現,藍色光和紅色光的波長是植物生長的基本條件,它們是以電力轉換成光能量最有效率的顏色。而綠色光的波長則幫助強化人類對于植物的視覺效果。

    景海鵬在天宮艙內照料生菜

    “最好的治愈——太空植物與航天員心理健康”

    在研究了太空中種植植物與航天員的心理健康的關系之后,一篇題為《長期太空任務中植物對人類的相互作用》的論文揭示了令人驚訝的結果——植物在維持空間人員的心理健康方面起著關鍵的作用。太空植物實驗的下一個前沿領域,是研究植物生命對航天員的心理影響。

    太空旅行會導致航天員出現睡眠障礙、能量減少、注意力不集中甚至記憶力喪失等難以解決的身心健康問題,而且長期的太空旅行雖然令人興奮,但是這種危險的長期的密閉環境可能使人們關心更加敵對、行為更加沖動,一旦出現問題將會釀成無法挽回的悲劇。

    許多研究表明,園藝,哪怕只是植物的存在,都會對人們帶來積極的心理影響,使他們更快樂、更社會化。園藝可以幫助人們與自然相處,讓人放松。而且研究還表明,人類有尋找其他自然生命的傾向,而植物恰好可以幫助減少與太空旅行有關的社會學和認知問題。

    航天員們對自己種植的植物表現出了強烈的情感依戀,花時間種植物對他們來說不是一件苦差事,而是一種獎勵。航天員Pettit在太空日記中寫道,為了能靠近種植的西葫蘆,其他航天員甚至愿意幫忙給過濾器除菌。國際空間站上的航天員也表示“如果去火星,我們需要一個花園!”

    “上天植物”的培育困難重重

    到目前為止,盡管科學家在太空已經開展了多次植物生長實驗,但要在太空條件下成功地利用植物生產糧食與蔬菜,為航天員長期太空生活提供食物來源,還有很多難點要解決。

    首先,太空空間狹小。空間站站艙主要用于科學研究和實驗,所以能在太空種植的農作物必須是矮而短小的;由于艙內陽光不充足,這種農作物對光線的要求不能高;同時,這種農作物還要有很強的抗病能力。

    其次,太空種植還需要克服許多與植物生長發育有關的環境因子難題,如微重力的影響。地球上所有的生物都是在正常的重力條件下演化而來的,它們的生長發育、生理與代謝活動、行為特征都與1g的重力相適應,很多生物還演化出專門感知重力變化的器官或細胞器。 特別是綠色高等植物,要依賴重力來引導其生長方向。

    而在太空中,植物在失重情況下處于漂浮狀態,雖然人工可以設置微重力條件,但植物生長仍可能表現為無一定方向性,這可能影響到植物有效的光合作用,導致產量大大減少。

    專家認為,如果我們將來要派人類超越火星和月球去探索深空,必須要訓練足夠多的“太空園丁”。空間站的小小植物們,愿你們茁壯成長,為人類探索星辰鋪平道路。



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    責任編輯:馮超
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