太空“菜農(nóng)”的豐收日志

朱林崎

你還記得科幻電影《火星救援》中，主人公在火星種植土豆的場景嗎？相信不少人看過電影之后都開始憧憬去太空當(dāng)菜農(nóng)，但想要在太空種菜，實現(xiàn)“春種一粒粟，秋收萬顆子”可沒那么簡單！讓我們回到現(xiàn)實，看看植物在太空是如何生長的吧。

早在20世紀(jì)70年代，研究人員就開始嘗試在空間站種植植物，培育的花花草草多達(dá)40種?？墒秤玫闹参锓N類包括白菜、油菜、生菜、黃瓜、西紅柿、馬鈴薯、蘿卜、洋蔥等，還栽培過郁金香、長壽花、百日菊和向日葵等花卉。

在空間站里，植物一生都住在專屬“貴賓房”——空間植物培養(yǎng)箱內(nèi)。培養(yǎng)箱一般采用密封結(jié)構(gòu)，以維持植物生長所需的環(huán)境。雖然培養(yǎng)箱只有微波爐那么大，但里面滿是“黑科技”：具備溫度、濕度、光照、空氣循環(huán)、營養(yǎng)供給調(diào)節(jié)等功能，保障植物在微重力條件下也能生長發(fā)育。

?重力環(huán)境和光照對植物生長方向的影響實驗

?天宮二號空間實驗室高等植物培養(yǎng)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)（繪圖 / 魏欣）

2016年9月15日，中國天宮二號空間實驗室搭載了一個高等植物培養(yǎng)箱，種植了水稻和擬南芥，擬南芥順利生長并開花結(jié)果。這是中國首次在太空中完成“從種子到種子”全過程（等種子上天以后，在太空中經(jīng)過生長發(fā)育，最后又結(jié)出種子的過程）的空間植物培養(yǎng)實驗。

在空間站，植物面臨最大的挑戰(zhàn)就是微重力環(huán)境。地球上的植物具有“頂天立地”的特性：植物的幼芽總是背地而長，向上追尋陽光和空氣;植物的根總是向地而生，向下扎入土壤中吸收水分和養(yǎng)料。而在微重力環(huán)境下，沒有了上下之分，植物的根和莖也失去了方向感，不知道朝哪個方向生長。如果沒有光照等因素的刺激，植物的根和莖會呈隨機(jī)自由生長狀態(tài)，變成一團(tuán)亂麻。但是在有光照的條件下，植物的莖會向著光源的方向生長，根則會朝著水分和營養(yǎng)充足的方向生長。

那么，什么燈適合作為光源呢？LED燈是適宜靠近植物的冷光源，再加上光能轉(zhuǎn)換率高、體積小、壽命長、波長固定、光質(zhì)可調(diào)等優(yōu)點，順理成章成為理想光源。研究發(fā)現(xiàn)，植物光合作用中對可見光的吸收主要集中在 400～510納米的藍(lán)紫區(qū)和610～720納米的紅橙區(qū)，因此，使用紅色和藍(lán)色的LED燈就可以栽培植物。其中紅色光是最主要的光源，有助于植物莖部的生長與葉片的伸展，還可以調(diào)節(jié)開花、休眠期等。

? 第一朵在太空中開放的花朵——百日菊（圖片來源/美國航空航天局）

? 在相關(guān)實驗中，科研人員用LED燈為百日菊提供照明（圖片來源/美國航空航天局）

在實際應(yīng)用中，也會配置部分綠光和遠(yuǎn)紅外光作為輔助光源。國際空間站曾經(jīng)成功培育過一朵百日菊，正是用紅色、藍(lán)色和綠色LED燈提供的照明——讓百日菊每天做10個小時的“燈光浴”，再“睡”上14個小時。2016年1月17日，這朵百日菊悄然綻放，成為了第一朵在太空中開放的花朵。

除了光，植物生長還離不開水分。你知道太空中給植物澆水有多麻煩嗎？首先，你無法使用噴壺，因為水珠會不停地飄來飄去。在地球上，植物蒸騰作用產(chǎn)生的水，會在凝結(jié)為水珠后隨著重力落到土壤中。而在太空，水珠無法下落或上升，會飄浮在空中或在植物葉片周圍聚集。土壤中的水分也會在植物的根部周圍聚集，嚴(yán)重時會導(dǎo)致根部窒息。此外，微重力條件下，氣液分離也很難，這使得植物呼吸作用、光合作用所需的氣體交換變得艱難。這些因素會使植物出現(xiàn)缺氧癥狀，導(dǎo)致其生長緩慢，甚至死亡。

?植物生長在栽培盒中（圖片來源/美國航空航天局）

?航天員用注射器向栽培盒中加水（圖片來源/美國航空航天局）

為解決這些問題，科學(xué)家將特制的栽培盒放置于植物培養(yǎng)箱中。栽培盒里裝有特殊的栽培基質(zhì)和肥料，可以幫助植物在根部周圍均衡地分配水分、養(yǎng)分和空氣。栽培基質(zhì)一般是固體，包括蛭石（一種礦物質(zhì)）、沸石（一種礦石）、煅燒粘土等。這些基質(zhì)具有很強(qiáng)的吸附性，水分在其中傳導(dǎo)非常均勻，根系生長在栽培基質(zhì)里就可以很好地吸收水分了。

植物種子用天然膠在栽培盒的墊層上，引導(dǎo)植物根部在沒有重力的情況下，向著尋找栽培盒底部肥料的方向生長，即“向下”生長在栽培盒中。在栽培盒的底部設(shè)計有特殊的儲水箱，植物澆水是通過注射的方式完成的，航天員會定期通過注射器將水添加到栽培盒中。

科學(xué)家還為植物們設(shè)計了可以鎖水、補(bǔ)水的兩件保濕“神器”。鎖水“神器”是指在栽培盒里貼上一層只透氣不透水的透氣膜，保證植物與外界有一定的氣體交換，而水又不會從透氣膜中溢出。補(bǔ)水“神器”指的是冷凝裝置，當(dāng)植物中的水分蒸發(fā)變成水汽后，這套裝置能夠使水汽重新冷凝成液態(tài)水并導(dǎo)入栽培盒內(nèi)，實現(xiàn)太空密閉環(huán)境下水的有效循環(huán)利用。

在太空吃上新鮮蔬菜已不再是遙不可及的事。2015年8月10日，國際空間站上種植的生菜喜獲豐收，航天員們開心地大嚼自己種植的太空生菜，這一口舌尖上的味道非同尋常，是人類邁向深空的重要一步。2016年11月，中國在天宮二號空間實驗室也成功種植了生菜。由于是首次在太空栽培蔬菜，因此，未讓航天員食用，而是冷凍帶回地球進(jìn)行生物安全性檢測。

?航天員正在“照料”太空生菜（圖片來源/美國航空航天局）

?太空辣椒生長在植物栽培裝置中（上圖、下圖）（圖片來源/美國航空航天局）

?國際空間站收獲的辣椒果實（圖片來源/美國航空航天局）

?國際空間站收獲的辣椒果實（圖片來源/美國航空航天局）

除了生菜，科學(xué)家還對生長周期長達(dá)120天的辣椒發(fā)起了挑戰(zhàn)。2021年11月，國際空間站的航天員們終于品嘗到了太空辣椒的味道。有意思的是，這種尾部會翹起的辣椒品種在微重力環(huán)境下，果實是較為筆直的。

太空植物將成為未來太空探索的一個重要元素。隨著中國天宮空間站的建成運(yùn)行，大量空間植物栽培實驗將有序展開，說不定未來你也有機(jī)會品嘗到來自太空的果蔬佳肴呢。讓我們一起拭目以待吧！