如何把菜种到太空去？

本文来自微信公众号：biokiwi（ID：biokiwi），作者：无奶树，题图来自：《火星救援》

近几年，中国航天探索的进程不断加快，从逐渐成熟的载人航天技术，到对月球越来越多的探索，再到如今开始在太空中搭建属于自己的空间站。也许在未来，太空旅行不再是梦想。

空间站设计中，来自地球的货运飞船必不可少

但是，一个迫在眉睫的问题出现在我们面前：在缺乏资源的太空中，要如何才能确保日常的衣食住行，尤其是充足食物的供给呢？

在地球上，我们有一套完整的从农业到加工业的食物供应系统；但是到了太空，这些就很难实现了。因此，现在天和号核心舱的宇航员们，主要依赖来自地球的食物运输。

早在2003年杨利伟进入太空，就已经有丰富的太空食物可供选择

“天舟”货运飞船每次都会运送成吨的日常用品到太空中，其中就包含了多种多样的“太空食物”——鱼香肉丝、宫保鸡丁、红烧肉等等，满足宇航员日常的口味需要。这些研制出来的速食饭菜美味易食，但这并不是长久之计。随着航天技术发展，另外一项研究也十分重要：

如何在太空种菜。

为什么要种菜？

明明有着那么丰富的太空食物菜单，也不是像电影《火星救援》里的主角一样被迫留在火星上，为什么我们还要在太空种菜呢？

电影《火星救援》中，被困在火星上的主角为了活下来开始种土豆 | 图源：火星救援

最大的问题是运输的成本。我们可以做个简单的计算题：目前国际空间站每人每天要消耗1.8公斤的食物和包装，如果一个4-5人小分队要去火星探索三年（目前火星单程飞行要半年以上），就要将近10吨的食物，会给飞行带来很大的负担。更不用说未来我们可能的火星旅行了，如果依赖这样反复大批量地运输食物，显然不太现实。

其次是食物的保质期有限，同样假设的三年的火星探索，就要求食物保质期也在三年以上，而随着时间流逝，食物的质量与口感都会快速下降——也许第一年味道还不错，但第三年吃起来就不对劲了。

NASA研究发现，他们研发的食物，随着时间流逝，能吃的种类会越来越少 | 图源：Cooper M, et al. 2011.

另一个关键问题是，人体所必需的维生素和矿物质很容易被降解。有研究将太空食品在22℃环境下保存五年，每年检测其中24种营养成分的变化：发现在第一年中，大多数食物的维生素A、维生素C、叶酸、硫胺素都会大量降解。如果不尽快解决这个问题，百年前水手们的坏血病，可能就会在未来的宇航员身上重现。

航海时代的坏血病，就是因为出海无法吃到易坏的水果蔬菜导致的 | 图源：Institute of Naval Medicine

除了提供食物补给，太空种菜其实也是构建人造生态系统的重要一环：植物种植可以帮助废水回收、产生氧气、净化空气等等。构造可持续的生存环境，也是实现长达数年的太空旅行和太空定居的重要前提之一。

种菜说着简单，其实困难重重

如果真的要在太空种菜，还是有不小的困难。

最直接的一点就是太空的失重环境。植物在生长过程中，各种生长激素、生长方向都会受到地球重力的影响，相比之下，火星上重力只有地球的不到三分之一，月球、空间站的重力会更小，而这也就导致生长激素的分布、植物生长的方向都会有所改变。

有研究对比了相同培养环境下，太空轨道和地球上种植拟南芥的生长状况，会发现太空中的植物生长速度会更慢，根部细胞的大小也更小。同时，植物根部的生长还有一种独特的波动，可见重力的消失会对植物造成不小的影响。

同样生长条件下，与地球生长的对照（图A）相比，太空生长（图B）的拟南芥根更短，形态也更“扭曲” | 图源：Paul A L, et al. 2012.

同时，太空中持续存在的辐射还可能造成植物的DNA突变，这些突变虽然可能会带来育种的机遇（实际上很多研究的确是利用太空来进行农业育种的），但是大部分情况下是有害的，这些有害突变进而可能会对植物的萌芽、生长或繁殖产生影响。

此外，地球上培育农作物需要的阳光、水分、土壤、肥料，在太空培育中也一个不能少。阳光可以用人造光源代替，水分可以使用太空舱的水循环系统，而土壤就成了最关键的问题。

虽然成分分析认为，火星土壤中含有绝大部分植物所需要的物质，但是缺乏植物必需的活性氮，植物难以直接利用含氮物质，需要加入固氮细菌来辅助植物生长。有研究使用火星、月球的土壤培育不同的植物，都能让植物成功生长起来，但是贫瘠的土壤让这些植物进一步开花结果的愿望难以实现。

研究者使用不同星球的土壤尝试培养植物 | 图源：Wamelink G W W, et al. 2014.

种菜的尝试一直在进行

即便如此，各国的研究者们都在不断克服这些困难。

早在1971年，前苏联就开始尝试在太空中种植小麦、萝卜和洋葱。几十年的不断尝试，美国、俄罗斯的科学家已经逐渐实现小麦、油菜、豌豆等等多种植物的太空栽培。如今，国际空间站已经种植了生菜、百日草、大白菜等等作物，宇航员甚至已经实际尝到了其中的滋味，并表示“味道不一般”。

2017年国际空间站收获的大白菜 | 图源：NASA

而中国自己的空间站，也在尝试着蔬菜的种植。2016年发射的天宫二号里，就种植了生菜。通过各项的检测，中国科学家发现，优化了浇灌方式和肥料之后，天宫二号里的生菜长得甚至比地球上的还好一些。2019年，研究者又在天宫二号上种下了拟南芥和水稻，来探究太空环境对作物生长的影响。

天宫二号种植生菜的培养箱 | 图源：Shen Y, et al. 2018.

未来的太空农场

我们解决了植物种植的问题之后，更大的问题又摆在了我们面前：如何才能构建一套完整的生态系统，来让我们在未来的太空旅行中可以实现自主供给氧气、水和食物？这也是未来太空农场的构想。

事实上，早在上个世纪六七十年代，研究者就开始尝试这种搭建完全与世隔绝的“人造生物圈”，可惜都以失败告终：封闭的系统中物质只会逐渐趋于混乱（熵增过程），所以我们只能退而求其次，构建一个与外界有一定关联的系统（比如电力、能源等等），也就是目前国际空间站正在使用的——受控生态生命支持系统（简称CELSS）。

由中国科学家搭建的CELSS，已经独立运转了180天 | 图源：Yuan M, et al. 2019.

这个系统要求植物可以产生足够的氧气，同时这些植物还要可以满足人们在太空中的日常食物需求，并且能合理利用人们产生的尿液、粪便等废弃物。

中国科学家在成功实现太空种植之后，已经在搭建一套属于自己的CELSS，在里面培育了25种不同的农作物，独立运行了180天，并且有四名志愿者在这个“与世隔绝”的世界中体验了36天。通过监测他们的身体指标，可以记录、研究这种封闭环境对人生理以及心理的影响，也为我国未来实现空间站运行，乃至火星探索，提供了强有力的保障和铺垫。

CELSS中的情况一览 | 图源：Yuan M, et al. 2019.

与此同时，北京航空航天大学的刘红团队还搭建了另一套更厉害的CELSS——月宫一号。在2017年至2018年，八名志愿者依次进入月供一号生存了370多天，实现了世界上时间最长的密闭生存实验纪录。这也为未来航天探月基地的搭建，提供了一个极佳的模板。

志愿者在密闭的月宫一号中，该图也被选为《自然》杂志的年度科学图片之一 | 图源：新华社

这些多样的生命系统的搭建，再结合多样的太空种植实验进行，实现向地球一样的太空种菜，好像已经不是那么遥远了。食物得到保障，未来的太空旅行自然也就可以提上日程了。

也许再过几年，科幻作品里的太空基地，就要在科学家们的努力下，成为现实。

参考资料

Cooper M, Douglas G, Perchonok M. Developing the NASA food system for long‐duration missions[J]. Journal of food science, 2011, 76(2): R40-R48.

Paul A L, Amalfitano C E, Ferl R J. Plant growth strategies are remodeled by spaceflight[J]. BMC plant biology, 2012, 12(1): 1-15.

Esnault M A, Legue F, Chenal C. Ionizing radiation: advances in plant response[J]. Environmental and Experimental Botany, 2010, 68(3): 231-237.

Wamelink G W W, Frissel J Y, Krijnen W H J, et al. Can plants grow on Mars and the moon: a growth experiment on Mars and moon soil simulants[J]. PLoS One, 2014, 9(8): e103138.

Shen Y, Guo S, Zhao P, et al. Research on lettuce growth technology onboard Chinese Tiangong II Spacelab[J]. Acta Astronautica, 2018, 144: 97-102.

Yuan M, Custaud M A, Xu Z, et al. Multi-system adaptation to confinement during the 180-day controlled ecological life support system (CELSS) experiment[J]. Frontiers in physiology, 2019, 10: 575.

本文来自微信公众号：biokiwi（ID：biokiwi），作者：无奶树