科学

走！去太空种地！

文/艾竺

天外来菜

科学家的目光并不局限于地面，他们开始将种菜这一领域瞄准太空。研究者利用宇宙辐射和太空微重力等因素，诱发植物的基因发生随机突变，将有利突变材料带回地面种植，以追求作物的更高量产或更高品质。随着对地外生存环境的进一步探索，科学家开始思考能否将宇航员培养成“宇宙农民”，在太空乃至地外星体完成人类对种地的夙愿。

电影《月球陨落》中，在以戴森球结构为基础的月球中出现了太空农业的影子，规模化集装箱式的农田基地分布于戴森球表面，源源不断地为月球居民提供粮食。即便是在太空中，植物仍然作为人类的重要补给而存在，除了能够提供人体必要的元素之外，还充当起空气循环机和宇航员的心灵慰藉。虽然影片没有过多阐述该装置的机制，但是几十年来，科学家们确实一直努力尝试在太空中发展农业。

太空农业，究其本质是到地球之外继续种菜，只不过难度系数升级，而地球之外可以是空间站，也可以是太空基地。由于目前人类的太空探索还停留在地月阶段，太空农业的种植规模也只限于在空间站中展开实验，主要进行“太空植物学”研究。“太空植物学”是植物学的一个二级学科，同时也是太空生物学的一个分支。这一学科概念最早由苏联宇航员和太空生物学先驱加夫里尔·阿德里安诺维奇·蒂科夫（Gavriil Adrianovich Tikhov）于1945年首次提出，学科的研究对象既包括了在太空环境中生长的地球植物，也包括了未来有可能在其他星球上发现的外星植物。

宇航员的一小口，人类的一大口

自20世纪人类开始探索宇宙起，植物便成了各国飞行器的常客。尽管太空中没有氧气、水源和重力条件，甚至没有稳定的光源，但仍然抵挡不住科学家让植物上天的执着和探索未知的无穷欲望。早期的太空植物实验，主要研究宇宙辐射对植物基因的突变影响，培育表达新型性状的植株。通常情况下，经过辐射变异后的植物种子的果实会显著变大，能够有效提高产量。例如，太空西瓜、太空南瓜在经过太空辐射后，在地面种植出的果实大了好几倍，口感也变得更加鲜甜可口。

1946年7月6日，美国的V-2火箭升空，搭载了人类第一批植物种子进入太空并永远驻守，同月30日，美国又将一批玉米种子送上太空，并在接受宇宙辐射后成功返回地球。之后，陆续有黑麦、棉花以及树等不同类型的种子被送入太空并回收。在这些种子中，大部分树种在返回地球后被种植在隔离区，没有出现任何性状的改变，而玉米、棉花等种子则在地表种植后出现变异性状，果实明显增大。

完成种子升空的尝试后，科学家将目光转移到藻类植物，希望利用以小球藻为代表的藻类植物作为氧气制造机，因为藻类植物具有繁殖速度快、耐受性良好等优点。宇航员将光源直接嵌入藻类植物的恒化器中，以提供接近完全的光吸收环境，这种条件下的藻类植物可以提供部分供人类使用的氧气。科学家还尝试将藻类作为食物来源，但是经过试验，藻类并不适合作为长期食物来源，因为很多藻类植物的蛋白质和核酸含量过高，而且含有大量不能消化的细胞壁，这些成分组成不利于饮食平衡。

正式宣告太空藻类用作空间站氧气平衡失败的，是20世纪70年代的俄罗斯BIOS项目（长期载人航天生命保障地面模拟装置）。在这一项目中，藻类提供氧气的质量和浓度都无法达到预期，同时，科学家们发现藻类和蓝藻细菌会产生挥发性毒物，该项目因此以失败告终。

太空竞赛时期，美国展开“天空实验室”（Skylab）空间站计划，俄罗斯不甘示弱地相继发射Bion5、Bion7等生物试验卫星。科学家开始将各式各样的植物送往太空，着眼于研究太空重力与宇宙辐射对植物的影响，探究太空环境对植物性状的改变。

太空农业序幕的真正拉开是在礼炮7号空间站中，科学家首次使用微型温室装置培育出模式植物拟南芥，并成功开花结果，由此宣告人类可以在太空中培育植物。

1997年，在俄罗斯的和平号空间站上，科学家们利用SVET植物生长系统成功进行了种子到植物的全过程实验。第一种被培育出来的太空蔬菜是来自国际空间站的红叶生菜，为了克服微重力环境，作物被种植于作物枕头中，枕头中有用来固定种子和根系的基质以及水、营养物等元素。将种子枕头放在培养箱中，使用LED灯的不同光进行照射，植物便在这种特殊的枕头中茁壮成长。在太空中，植物会表达一种特殊的蛋白质以适应微重力环境，生长出的根系与在地球上生长的根系无太大区别，毕竟引力不是决定根系生长方向的唯一因素，通过控制水和营养物质也可以决定根系的生长方向。

在成功种植蔬菜后，各国宇航员开始转战园艺方向。2012年，来自美国航天局的唐纳德·佩蒂（Donald Pettit）成功地将一株向日葵培育开花；2016年，另一名美国宇航员也宣布由其照料的百日菊在太空中开花，宇宙景观园林的设想也逐渐实现。

“量身定制”的太空菜

太空中特殊的诱变环境，给育种提供了巨大发展空间。太空育种也称空间诱变育种，主要是利用返回式卫星搭载诱变材料，即各类种子，在太空中经过宇宙高能辐射、宇宙磁场、高真空、高洁净的影响后，产生变异，再返回地表进行作物栽培育种的技术。

太空育种的优势在于有益的变异多、变幅大、稳定快，返回地表后种出的作物高产、优质、早熟、抗病力强等。太空育种的变异率较普通诱变育种高三到四倍，育种周期较杂交育种缩短约一半。经过太空遨游后的植物种子在返回地面种植后，植株明显增粗增高，果实变态化（即果实硕大），产量大幅提升。

但是太空育种仍然存在一定的局限性，植物材料的变异方向无法人为控制，唯一可控的是太空停留时长。由于太空育种的精确度难以控制，带有一定的盲目性，种子被高能离子击中的次数并不是越多越好，在太空中停留时间也不是越长越好。这就需要高能离子能够准确击中种子的DNA链条，且被击中后的DNA链条要向着人类需要的方向组合。因此，人为可控的太空育种仍然是科学家的研究目标。

利用太空环境研究植物生长发育和遗传变异的工作始于20世纪60年代。在美国和俄罗斯相继开展空间育种后，我国从1987年开始利用返回式卫星和神舟飞船搭载植物种子开展育种实验，至今已成功进行了十余次太空育种试验，先后共有七十多种植物的一千多个品种的种子投入试验，培育出了一大批具有优良性状的新品种。

得益于植物种子体积小、便于携带的特点，太空育种在选育新品种上有较大的选择空间，涵盖了粮食类作物、经济作物、中草药材和树木种子。经过选育的太空水稻“华航31”具有抗性强、籽粒饱满、增产显著的优点；太空青椒枝叶粗壮、果大肉厚、维生素C含量提高20%；太空车厘子、太空圣女果等水果的含糖量显著提高，太空西瓜更加沙甜可口；太空玉米甚至可以结出六种颜色的果实。

太空育种的发展让“绿月亮计划”变得更加现实，未来的月球很有可能成为人类的太空农业基地。

在空间站将小规模植物栽培结合太空育种进行得有所起色后，下一个目标便是在地外星体探索农业试验开展的可能性。

首先被瞄准的是距离地球最近的月球。虽然月球没有生态系统，但是人类从未停止对月球的想象，从月球种菜到移民基地，再到第二家园等遐想不胜枚举。嫦娥四号探月工程不仅首次实现了月背降落，还完成了月面生态系统研究。“月面微型生态圈”是一个由特殊铝合金材料制成的圆柱形罐体，净容积约0.8升，总重量三千克。微型生态圈中放置有马铃薯种子、拟南芥种子、果蝇、土壤、水、空气以及照相机和信息传输系统等科研设备。

月面生物实验的目标是在月面完成动植物的一个生长周期，时长为一百天，在此之间完成植物从发芽到开花、果蝇的繁殖以及蚕的生长周期。在生态圈中，土豆作为一种理想的太空食物，其块茎收获指数高、加工简单、耐受性好、营养价值稳定，是各国人民青睐的优质口粮。在月球微型生态圈中，通过光导管，土豆和拟南芥通过光合作用提供动物所需氧气，而动物产出的二氧化碳又被植物所吸收，由此循环，微型生态圈便可以持续。该实验的开展为今后大规模生态圈的建设和太空农业的发展提供了理论基础。

未来把菜种在地外

未来太空农业的发展除了在其他星体外表建立封闭生态圈外，还可以利用宇宙环境来改造植物，将植物作为生物反应器，利用基因编辑技术等手段来完成特殊物质合成，实现植物利用效率最大化。

饮食是限制太空任务时长的重要因素，目前宇航员在太空中的饮食基本靠地面运输完成，还不能完全实现食物自给需求。而今后的太空农业的目标就是要解决这一问题，致力于在无地面运输的条件下完成食物和能源供应。

2021年，中国农业科学院都市农业研究所研究员任茂智团队在学术期刊Nature Communications 上发表了题为《空间农业植物的生物技术发展》的论文，对太空全株可食马铃薯做了研究。现阶段的太空农业只满足于在空间站中完成生菜和芥菜等绿叶蔬菜的供给，如果人类要进行长期的太空任务和太空殖民，便需要建立有效的空间农业系统。为提高作物产率，该团队采用全株可食用精英植物（WBEEP，Whole-Body Edible and Elite Plant）策略，对马铃薯进行改良。

电影《火星救援》中，由马特·达蒙饰演的宇航员在火星上依靠自制的肥料和温室条件种植土豆，最终获得救援，但是种植的土豆仅有块茎部位能够食用，能量利用率无法达到最大化。任茂智研究团队的策略则主要攻克马铃薯中龙葵素（一种生物碱毒素）含量高、产量低和肥料利用率低等缺陷。研究人员通过靶向生物合成技术，改变植物体内的代谢途径，从而阻断龙葵素在植株中的积累。为了提高作物的产量，他们使用基因工程策略来提高光合作用，以使得作物在太空有限的光照环境中最大限度地提高产量。

对于长期的太空探索而言，除了满足基本的太空饮食需求，还需要解决能源问题。目前，除了利用地面运输加注燃油以及航空器利用太阳能来获取能源外，尚缺少其他太空能源补给的方案。如果能够以生物质能为基础，将植物产生的代谢物作为能源使用，则可以实现长期太空任务，加快太空探索的进程。乙醇是人类利用时间最长的能源物质之一，如果能将植物产生的乙醇作为燃料在太空使用，将有望解决能源供应问题。

日前，来自华中农业大学的彭良才研究团队，揭示了优质水稻秸秆绿色高效转化纤维乙醇和纳米材料机制。植物细胞壁具有天然抗降解的屏障，因而制约了生物质的全面利用，遗传改良细胞壁结构，可以从源头上解决作物秸秆的利用问题。该研究利用水稻突变体Osgfc16，降低了抗降解屏障，大幅提高了秸秆的直接酶解效率，其中，纤维乙醇的产率显著提高19%。该发现或许可以作为提供太空能源的补充思路，将无法食用的植物部分通过降解循环来实现能源转化，最大限度地利用植株。

嫦娥五号任务结束后，嫦娥六号预计在月球表面搭载温室，进一步开展月面栽培试验。试验主要研究温室在月球环境中如何克服高强宇宙射线、极限温度对植株的影响，确保植株成活及完成生长周期等任务。中国国家航天局也公布了探月计划的下一阶段目标：2030年在月球建立第一个国际科研站；2030年至2035年间建成拓展型的国际月球科研站；2036年至2045年正式建成月球基地，派驻宇航员长期执行任务。

相信随着宇宙科研站的建立，未来势必会有如同电影中方舱般的大片农田进入我们的视野。正如杨利伟所说，未来我们会在太空建立“太空农场”，依靠多种能源供给产生可持续动力，依托精准育种培育人类的多样化目标产物。如此，人类耕种的火苗将在地外遍布开来。

【责任编辑：竹子】