无垠宇宙中的绿色生命 太空种植园让植物“上了天”

2018-10-09 15:06:49 来源: 科普中国 作者:

“植物要上天”

在人类进入太空时代的开始,研究人员就试图探究植物能否在零重力环境下生存。这项研究的主要驱动力一方面出于对科学的好奇心,而另一方面也是非常重要的一点,是科学家们认识到,在长时间的太空任务中不能只依赖于带上天的加工食品,种植新鲜水果和蔬菜更加有利于航天员的健康,而且可以降低带上天的食物成本。不止如此,如果植物能够在太空生存,还有更多的可以利用的方面,例如植物可以消耗二氧化碳并产生氧气,同时还能净化有污染物存在的空气。

在太空种植植物,还有着更大的意义。航天员在太空生活离不开氧气、食物和水,目前这些物资几乎全是发射飞船送入太空的,非常昂贵。在太空多栽培植物可以产生更多的氧气,同时也可以培育蔬菜,达到自给自足,甚至可以在空间站驯养动物,作为肉食来源。这些不仅可以降低航天员在太空生活的成本,随着技术发展成熟,可能还会对人类进入太空中长期生活具有重大意义。

太空中的失重、宇宙射线等因素都会对植物的生存、发育、衰老和变异产生独特的影响。科学家们会针对这些因素在太空进行进行科学实验研究,观察太空微重力、充满太阳射线和宇宙射线的宇宙环境对细胞和植物生长的影响,观察不同光周期植物的生长发育和代谢活动,认识重力和光周期在高等植物开花调控中的作用机制等等。

人类对宇宙的探索之旅伊始,航天飞行便不断携带植物或种子上天,用于生物学研究。空间站诞生之后,在空间站培育植物生长、开花的实验也已开展过多次。

那么,人类是从什么时候开始把植物、或者还未长成植物的种子作为宇宙飞行的同伴,带到广阔无垠的太空中的呢?

哪些植物“上了天”?

1946年,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,这也是最早前往宇宙空间的生物,不过这些样本并没有回收;1946年,玉米种子也上了天,而且成功回收,接着是黑麦棉花的种子。1957年,苏联的SPUTNIK系列卫星开始进行卫星上的生物实验,小球藻和各种种子开始搭乘卫星遨游太空。1961年发射的世界上第一艘载人飞船东方一号(VOSTOK)就带上了小球藻与伟大的航天员加加林作伴。

实际上,各种航天器都或多或少肩负携带植物的“使命”,有很多航天器携带活的植物上天,不过植物通常都死掉了。1971年,阿波罗14号宇宙飞船(Apollo 14)甚至带着500粒的种子,绕着月球飞了24圈,又把它们带回来种在了地球上。

植物能够在太空中生长吗?带着这个问题,科学家们开始尝试在宇宙中培育植物生长。

1977年,前苏联发射的“礼炮6号”(Salyut 6)宇宙空间站上开始搭载了植物栽培试验装置,希望建立起小小的“太空温室”。航天员们把郁金香球茎种植在一种能产生人造重力的小离心机里,报告说植物活了下来,并且生长情况良好。据报道,经过类似方法培育的洋葱也长得不错。1980年,“ 37号”飞船的航天员来到该太空站工作时,还曾经试着在“太空温室”里培植兰花。

但是,兰花的培养可谓一波三折!从实验报告来看,尽管航天员们带到“礼炮6号”的郁金香已经是有了花苞,一副很容易就开花的样子,但这些花并没有绽开,仅仅是植株在生长。更让人伤心的是,虽然带来的兰花一些本身已经是开放的了,但几乎立刻是“香消玉殒”。不过植株本身倒是长得健健康康,不仅长着叶子,还有气生根(气生根是植物茎上发生的、生长在地面以上的、暴露在空气中的不定根,能起到吸收气体或支撑植物体向上生长的作用,还能够吸收和保持水分)。这些 “兰花”在“礼炮6号”上生长了6个月,最后仍然没有开花,这实在让航天员们沮丧。

不过,科学家们并没有气馁,开始埋头继续捣鼓离心机。1982年,在“礼炮7号”上的“太空温室”中,兰花在人造土壤里长势良好,并最终开了花,实现了从种子到种子的过程。实验员认为,开花与否应该还是与重力问题息息相关。

让我们来欣赏一下在太空中生长出来的绿色生命吧。

1996年9月:航天员Shannon Lucid在欣赏和平号上发芽的小麦。

2003年3月:空间站上的豌豆芽。

NASA航天员Peggy Wilson检查太空大豆的生长情况。

2012年,国际空间站自由漂浮的西葫芦。

我国发射的“天宫二号”也带了拟南芥和水稻上天,在飞船的空间实验室开展了高等植物培养实验。这是我国首次为期6个月的植物“从种子到种子”全生命周期培养,科学家可以观察到不同植物的种子在太空中从萌发、生长、开花到结籽的全过程。

天宫二号下来的拟南芥开花

“太空沙拉”的诞生

国际空间站上的植物实验室成立于2014年5月,它的功能不仅在于研究植物在外太空的生长状况,同时,也是为了探索如何使航天员能自给自足地在太空吃上新鲜蔬菜。航天员们曾经在宇宙中种了各式各样的植物,现在,在宇宙飞行中“种菜吃菜”也不是新鲜事儿了,太空沙拉也已经是航天员们的日常了噢!

航天员在空间站上进行太空育种试验,特地挑选了生长周期较短的萝卜、圆包菜等植物,带到太空进行培育,观察太空环境会对各种植物在生长和抗病性方面产生什么样的影响。曾有航天员在太空环境下培育出了优质、高产、抗病性强的农作物新品种,到目前为止,实验室已经成功种植过两茬蔬菜,分别是红生菜和芝麻菜。

2015年,国际空间站的航天员在吃着自己种的蔬菜的同时,还发了一段小视频。航天员用橄榄油和醋调制了自家种的生菜,并表示“味道好极啦”。除此之外,空间站的航天员们已经掌握了“多次收割”的收获技术,只从新鲜生菜或是科学样本上收获特定的叶子,剩下的叶子和植物的核心将保持完整并继续生长,大约每隔10天进行新一轮的收割。这项技术的目的是增加在轨作物的产量,同时也有更多的机会给航天员的日常饮食中补充新鲜且营养丰富的食物。这也意味着以后长时间的宇宙飞行中,可以种植一些蔬菜补充新鲜食物。

航天员斯科特·凯利(右)和柯吉尔·林格伦在吃自己种的红生菜。

我国的神舟十一号航天员景海鹏,也已经是在太空中种植过生菜的人了哦,而且是我国首次在太空人工栽培蔬菜,为探索太空迈出了重大一步。那么接下来我们就来看看,景海鹏是如何在太空中做“农夫”的呢?

与地面种植使用土壤不同,神舟十一号所种生菜使用的基质是蛭石。蛭石是一种矿物质,具有很强的吸水性,水分在其中传导非常均匀,即使是在地面有重力的情况下,向上吸附都非常流畅。

神舟十一号种菜用的蛭石

在太空环境中,植物的生长同样要靠光照。神舟十一号中所种的生菜,是通过LED照明系统来实现生长的。使用LED灯栽培植物的方法可追溯至20世纪90年代的NASA,研究人员发现,蓝色光和红色光的波长是植物生长的基本条件,它们是以电力转换成光能量最有效率的颜色。而绿色光的波长则帮助强化人类对于植物的视觉效果。

景海鹏在天宫舱内照料生菜

“最好的治愈——太空植物与航天员心理健康”

在研究了太空中种植植物与航天员的心理健康的关系之后,一篇题为《长期太空任务中植物对人类的相互作用》的论文揭示了令人惊讶的结果——植物在维持空间人员的心理健康方面起着关键的作用。太空植物实验的下一个前沿领域,是研究植物生命对航天员的心理影响。

太空旅行会导致航天员出现睡眠障碍、能量减少、注意力不集中甚至记忆力丧失等难以解决的身心健康问题,而且长期的太空旅行虽然令人兴奋,但是这种危险的长期的密闭环境可能使人们关心更加敌对、行为更加冲动,一旦出现问题将会酿成无法挽回的悲剧。

许多研究表明,园艺,哪怕只是植物的存在,都会对人们带来积极的心理影响,使他们更快乐、更社会化。园艺可以帮助人们与自然相处,让人放松。而且研究还表明,人类有寻找其他自然生命的倾向,而植物恰好可以帮助减少与太空旅行有关的社会学和认知问题。

航天员们对自己种植的植物表现出了强烈的情感依恋,花时间种植物对他们来说不是一件苦差事,而是一种奖励。航天员Pettit在太空日记中写道,为了能靠近种植的西葫芦,其他航天员甚至愿意帮忙给过滤器除菌。国际空间站上的航天员也表示“如果去火星,我们需要一个花园!”

“上天植物”的培育困难重重

到目前为止,尽管科学家在太空已经开展了多次植物生长实验,但要在太空条件下成功地利用植物生产粮食与蔬菜,为航天员长期太空生活提供食物来源,还有很多难点要解决。

首先,太空空间狭小。空间站站舱主要用于科学研究和实验,所以能在太空种植的农作物必须是矮而短小的;由于舱内阳光不充足,这种农作物对光线的要求不能高;同时,这种农作物还要有很强的抗病能力。

其次,太空种植还需要克服许多与植物生长发育有关的环境因子难题,如微重力的影响。地球上所有的生物都是在正常的重力条件下演化而来的,它们的生长发育、生理与代谢活动、行为特征都与1g的重力相适应,很多生物还演化出专门感知重力变化的器官或细胞器。 特别是绿色高等植物,要依赖重力来引导其生长方向。

而在太空中,植物在失重情况下处于漂浮状态,虽然人工可以设置微重力条件,但植物生长仍可能表现为无一定方向性,这可能影响到植物有效的光合作用,导致产量大大减少。

专家认为,如果我们将来要派人类超越火星和月球去探索深空,必须要训练足够多的“太空园丁”。空间站的小小植物们,愿你们茁壮成长,为人类探索星辰铺平道路。



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责任编辑:冯超