提到太空種植，關心太空的你一定對電影《火星救援》中主演馬特·達蒙在火星種植洋芋的場景記憶猶新。喜歡科幻的你也一定對《三體3：死神永生》中雲天明在一片位于三體人太空飛船的麥田中，與程心在地球分别後的第一次視訊會面印象深刻。
電影《火星救援》中的火星洋芋
這些雖然隻是科幻，但是進入21世紀，随着月球長期科研站、火星探測任務等載人深空探測任務的提出，如何在太空建立自給自足的能力，已經成為各航天大國重要的研究課題，太空種植也是需要重點突破的能力之一。
目前，太空種植還處于科學研究和試驗階段，主要在位于近地軌道的空間站進行，對于載人航天本身所提供的功能性支撐極其有限。
太空種植對人類航天探索的作用
太空種植将是未來人類實作航天探索的關鍵技術點之一，通過在太空或外星球種植作物，減少甚至消除從地球再補給的需求，是太空種植的最終目标。
通過太空種植,可以為航天員提供食物和水過濾，也有助于控制艙室濕度；通過光合作用代謝空氣中的二氧化碳并産生氧氣，實作氣體循環；通過照料和觀察太空中的植物，給人類長期太空飛行帶來心理上的好處，提高他們在軌道居住生活的幸福感；此外，還可以減少長期太空任務對發射品質的需求。
太空種植所面臨的挑戰
人類建構的航天系統可以為植物提供大氣環境，并保護植物免受太陽輻射的影響（太空種植通過人造光源提供光照）。但是微重力、宇宙射線和強烈氧化應激對植物的影響是無法避免的，這也是太空種植中需要重點幼苗研究和解決的問題。
1微重力
許多人認為太空是零重力環境，進而導緻失重。這是一個非常普遍的誤解。事實上，引力在太空中無處不在，一個更科學準确的說法是微重力。在微重力環境中，航天員和太空中的物體看起來是失重的。微重力對植物的影響就像它對太空中任何其他生物的影響一樣。
由于植物是陸地生物，發現重力的變化如何影響植物生物學對人類來說非常重要。特别是，根系的養分供應、養分的生物地球化學循環，以及土壤基質中的微生物互相作用都特别複雜。
2宇宙射線
宇宙射線是一種很難防禦的電離輻射。質子(或其他較重的元素)從爆炸的恒星中發射出來後，被加速到光速。這種強輻射轟擊生物體，會破壞分子結構。與太陽輻射不同，宇宙射線在實體上很難抵禦。
地球産生的磁場可以偏轉這些輻射，以保證地球的安全。但是在空間站或沒有磁場的星球，這種輻射就很難避免，會給航天員和植物帶來了巨大的健康問題。
3氧化應激
在航天器系統中，氧氣和二氧化碳循環系統可以維持人類的生命，并對植物起到同樣的作用。植物在太空中經曆的氧化應激類型與新陳代謝有關，它是新陳代謝不可避免的結果。分子轉化和能量轉化的生化過程産生了對細胞結構有害的氧化副産物和活性氧。在太空中，這種氧化應激在植物中被放大，其原因尚在研究中。
太空種植的起源
最早的太空種植實驗主要是進行太空育種，這可以追溯到20世紀40年代，由美國哈佛大學和海軍研究實驗室主導的亞軌道植物種子太空輻射暴露試驗。
1946年7月9日，美國發射的V-2火箭将“特别開發的種子菌株”發射到了134千米的太空，但是在第一次試驗中種子并未被回收。緊接着在當年7月30日發射并回收了玉米種子，此後又對黑麥和棉花進行了相應的試驗。
1966年2月22日，蘇聯進行了“Kosmos 110”生物太空試驗。本次任務搭載了濕潤的種子和兩條狗，太空艙在軌運作22天後傳回地球，其中部分種子成為第一批在太空發芽的種子。試驗表明，這些經過太空旅行的生菜、卷心菜和豆子的種子不僅能在太空發芽，而且其在地球種植後的産量比地球上的對照組要高。
蘇聯為“Kosmos 110”生物太空試驗發行的紀念郵票
1971年1月31日—2月9日，500棵樹的種子随阿波羅14号飛船繞月飛行。這些包括火炬松、梧桐樹、楓香樹、紅杉和道格拉斯冷杉在内的被美國稱為“月球樹”的樹種，在地球上種植和生長後，沒有檢測到任何變化。
這一時期的太空種植主要停留在太空育種階段。
太空種植的發展
進入空間站時代，太空種植迎來了它真正的發展。這個時代初期的霸主是緻力于空間站技術的蘇聯，此時的美國正被航天飛機所捆綁。
1982年曆史性的禮炮7号空間站種植實驗中，使用“Fiton-3實驗微型溫室”種植拟南芥，第一次實作了種子到種子的太空種植。植物生長最終産生了成熟和爆裂的豆莢。在大約200顆種子中，有一半是未成熟的，42%的種子發芽後長成了正常的植株。這是太空植物學的一個裡程碑事件。
Fiton-3實驗微型溫室
1997年，蘇聯在和平号空間站利用“Sevt”太空溫室，使“超矮小麥”完成了首次“從種子到種子”的植物生長試驗。
當然美國也并未就此在太空種植方面停滞不前，1983年他們在哥倫比亞号航天飛機上，對向日葵幼苗進行了微重力條件下的向陽試驗。盡管沒有重力，幼苗仍然經曆了旋轉生長，表明這些行為是本能的。
2008年，歐空局在航天飛機上利用“歐洲子產品化栽培系統”，進行了微重力條件下的植物生長試驗。試驗表明，即使在非常低的重力水準，植物也能感覺重力的方向。此後，歐空局利用該系統進行了地面實驗，将768株扁豆幼苗放在離心機中，以刺激各種重力變化的反應。通過分子生物學研究表明，植物在極低的重力水準下，會改變鈣信号，進而對根部生長産生影響。
2014年，國際空間站上BRIC19的資料獲得了首次完整的拟南芥轉錄組RNA測序，進而可以監測拟南芥的每一個基因。
2016年，在美國航天員斯科特·凱利的照料下，國際空間站上百日菊盛開。
太空中培植的百日菊
2019年1月3日，大陸嫦娥四号月球着陸器在月球背面的馮·卡門隕石坑着陸，其中一個載荷為3千克重、密封的“月球微型生物圈”，裡面包括植物種子和蠶卵，以測試植物和昆蟲能否孵化并協同生長。棉花在嫦娥着陸器上發芽并迅速死亡。實驗雖然未達成預期結果，但這是在月球表面進行的第一個天體植物學實驗。
2021年國際空間站的航天員進行了智利辣椒的種植試驗，這是在軌道實驗室中進行的時間最長、最具挑戰性的植物實驗之一。在10月的第一次采摘後，航天員對這些辣椒進行消毒，并吃掉一部分收獲的果實，剩下的被帶回地球進行分析。這些辣椒是在國際空間站“進階植物栖息地（APH）”培養器中種植的。
人類在太空種植過的植物包括：拟南芥、大白菜、郁金香、石竹、亞麻、洋蔥、豌豆、蘿蔔、莴苣、小麥、大蒜、黃瓜、歐芹、洋芋、莳蘿、肉桂羅勒、卷心菜、百日菊、紅莴苣、向日葵、理翅角蕨、硬燕麥和辣椒等。
國際空間站中開花又結果的辣椒
太空種植的未來
由于火星是除地球外太陽系内最适合生命存在的行星，是以太空種植業的應用，未來将主要圍繞在火星實作自給自足的太空種植開展。
美國太空探索技術公司創始人埃隆·馬斯克緻力于通過移民火星，使人類成為多行星物種。馬斯克曾表示，要實作人類在火星的可持續發展，需要在火星建設一個10萬人的城市，這需要1000艘星艦和100萬噸的維他命C，否則火星上的人類将在痛苦中慢慢死去，就像人類開創大航海時期的起步階段。
火星上的食物将在地下或封閉結構的太陽能水培農場中種植。要實作火星移民完全的自給自足，太空種植還有很長的路要走。但是可以預見，馬特·達蒙在火星種植洋芋的場景會在不久的将來實作。
設想中的火星表面植物農場效果圖
來源/《太空探索》2022年第2期
文/若水
編輯/楊斯爽
稽核/穆檀
監制/姜軍
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