如何把菜種到太空去？
近幾年，中國(guó)航天探索的進(jìn)程不斷加快，從逐漸成熟的載人航天技術(shù)，到對(duì)月球越來(lái)越多的探索，再到如今開始在太空中搭建屬于自己的空間站。也許在未來(lái)，太空旅行不再是夢(mèng)想。
但是，一個(gè)迫在眉睫的問(wèn)題出現(xiàn)在我們面前：在缺乏資源的太空中，要如何才能確保日常的衣食住行，尤其是充足食物的供給呢？
在地球上，我們有一套完整的從農(nóng)業(yè)到加工業(yè)的食物供應(yīng)系統(tǒng)；但是到了太空，這些就很難實(shí)現(xiàn)了。因此，現(xiàn)在天和號(hào)核心艙的宇航員們，主要依賴來(lái)自地球的食物運(yùn)輸。
“天舟”貨運(yùn)飛船每次都會(huì)運(yùn)送成噸的日常用品到太空中，其中就包含了多種多樣的“太空食物”——魚香肉絲、宮保雞丁、紅燒肉等等，滿足宇航員日常的口味需要。這些研制出來(lái)的速食飯菜美味易食，但這并不是長(zhǎng)久之計(jì)。隨著航天技術(shù)發(fā)展，另外一項(xiàng)研究也十分重要：
如何在太空種菜。
為什么要種菜？
明明有著那么豐富的太空食物菜單，也不是像電影《火星救援》里的主角一樣被迫留在火星上，為什么我們還要在太空種菜呢？
最大的問(wèn)題是運(yùn)輸?shù)某杀尽?/strong>我們可以做個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算題：目前國(guó)際空間站每人每天要消耗1.8公斤的食物和包裝，如果一個(gè)4-5人小分隊(duì)要去火星探索三年（目前火星單程飛行要半年以上），就要將近10噸的食物，會(huì)給飛行帶來(lái)很大的負(fù)擔(dān)。更不用說(shuō)未來(lái)我們可能的火星旅行了，如果依賴這樣反復(fù)大批量地運(yùn)輸食物，顯然不太現(xiàn)實(shí)。
其次是食物的保質(zhì)期有限，同樣假設(shè)的三年的火星探索，就要求食物保質(zhì)期也在三年以上，而隨著時(shí)間流逝，食物的質(zhì)量與口感都會(huì)快速下降——也許第一年味道還不錯(cuò)，但第三年吃起來(lái)就不對(duì)勁了。
另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，人體所必需的維生素和礦物質(zhì)很容易被降解。有研究將太空食品在22℃環(huán)境下保存五年，每年檢測(cè)其中24種營(yíng)養(yǎng)成分的變化：發(fā)現(xiàn)在第一年中，大多數(shù)食物的維生素A、維生素C、葉酸、硫胺素都會(huì)大量降解。如果不盡快解決這個(gè)問(wèn)題，百年前水手們的壞血病，可能就會(huì)在未來(lái)的宇航員身上重現(xiàn)。
除了提供食物補(bǔ)給，太空種菜其實(shí)也是構(gòu)建人造生態(tài)系統(tǒng)的重要一環(huán)：植物種植可以幫助廢水回收、產(chǎn)生氧氣、凈化空氣等等。構(gòu)造可持續(xù)的生存環(huán)境，也是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的太空旅行和太空定居的重要前提之一。
種菜說(shuō)著簡(jiǎn)單，其實(shí)困難重重
如果真的要在太空種菜，還是有不小的困難。
最直接的一點(diǎn)就是太空的失重環(huán)境。植物在生長(zhǎng)過(guò)程中，各種生長(zhǎng)激素、生長(zhǎng)方向都會(huì)受到地球重力的影響，相比之下，火星上重力只有地球的不到三分之一，月球、空間站的重力會(huì)更小，而這也就導(dǎo)致生長(zhǎng)激素的分布、植物生長(zhǎng)的方向都會(huì)有所改變。
有研究對(duì)比了相同培養(yǎng)環(huán)境下，太空軌道和地球上種植擬南芥的生長(zhǎng)狀況，會(huì)發(fā)現(xiàn)太空中的植物生長(zhǎng)速度會(huì)更慢，根部細(xì)胞的大小也更小。同時(shí)，植物根部的生長(zhǎng)還有一種獨(dú)特的波動(dòng)，可見重力的消失會(huì)對(duì)植物造成不小的影響。
同時(shí)，太空中持續(xù)存在的輻射還可能造成植物的DNA突變，這些突變雖然可能會(huì)帶來(lái)育種的機(jī)遇（實(shí)際上很多研究的確是利用太空來(lái)進(jìn)行農(nóng)業(yè)育種的），但是大部分情況下是有害的，這些有害突變進(jìn)而可能會(huì)對(duì)植物的萌芽、生長(zhǎng)或繁殖產(chǎn)生影響。
此外，地球上培育農(nóng)作物需要的陽(yáng)光、水分、土壤、肥料，在太空培育中也一個(gè)不能少。陽(yáng)光可以用人造光源代替，水分可以使用太空艙的水循環(huán)系統(tǒng)，而土壤就成了最關(guān)鍵的問(wèn)題。
雖然成分分析認(rèn)為，火星土壤中含有絕大部分植物所需要的物質(zhì)，但是缺乏植物必需的活性氮，植物難以直接利用含氮物質(zhì)，需要加入固氮細(xì)菌來(lái)輔助植物生長(zhǎng)。有研究使用火星、月球的土壤培育不同的植物，都能讓植物成功生長(zhǎng)起來(lái)，但是貧瘠的土壤讓這些植物進(jìn)一步開花結(jié)果的愿望難以實(shí)現(xiàn)。
種菜的嘗試一直在進(jìn)行
即便如此，各國(guó)的研究者們都在不斷克服這些困難。
早在1971年，前蘇聯(lián)就開始嘗試在太空中種植小麥、蘿卜和洋蔥。幾十年的不斷嘗試，美國(guó)、俄羅斯的科學(xué)家已經(jīng)逐漸實(shí)現(xiàn)小麥、油菜、豌豆等等多種植物的太空栽培。如今，國(guó)際空間站已經(jīng)種植了生菜、百日草、大白菜等等作物，宇航員甚至已經(jīng)實(shí)際嘗到了其中的滋味，并表示“味道不一般”。
而中國(guó)自己的空間站，也在嘗試著蔬菜的種植。2016年發(fā)射的天宮二號(hào)里，就種植了生菜。通過(guò)各項(xiàng)的檢測(cè)，中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化了澆灌方式和肥料之后，天宮二號(hào)里的生菜長(zhǎng)得甚至比地球上的還好一些。2019年，研究者又在天宮二號(hào)上種下了擬南芥和水稻，來(lái)探究太空環(huán)境對(duì)作物生長(zhǎng)的影響。
未來(lái)的太空農(nóng)場(chǎng)
我們解決了植物種植的問(wèn)題之后，更大的問(wèn)題又?jǐn)[在了我們面前：如何才能構(gòu)建一套完整的生態(tài)系統(tǒng)，來(lái)讓我們在未來(lái)的太空旅行中可以實(shí)現(xiàn)自主供給氧氣、水和食物？這也是未來(lái)太空農(nóng)場(chǎng)的構(gòu)想。
事實(shí)上，早在上個(gè)世紀(jì)六七十年代，研究者就開始嘗試這種搭建完全與世隔絕的“人造生物圈”，可惜都以失敗告終：封閉的系統(tǒng)中物質(zhì)只會(huì)逐漸趨于混亂（熵增過(guò)程），所以我們只能退而求其次，構(gòu)建一個(gè)與外界有一定關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)（比如電力、能源等等），也就是目前國(guó)際空間站正在使用的——受控生態(tài)生命支持系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱CELSS）。
這個(gè)系統(tǒng)要求植物可以產(chǎn)生足夠的氧氣，同時(shí)這些植物還要可以滿足人們?cè)谔罩械娜粘Ｊ澄镄枨?，并且能合理利用人們產(chǎn)生的尿液、糞便等廢棄物。
中國(guó)科學(xué)家在成功實(shí)現(xiàn)太空種植之后，已經(jīng)在搭建一套屬于自己的CELSS，在里面培育了25種不同的農(nóng)作物，獨(dú)立運(yùn)行了180天，并且有四名志愿者在這個(gè)“與世隔絕”的世界中體驗(yàn)了36天。通過(guò)監(jiān)測(cè)他們的身體指標(biāo)，可以記錄、研究這種封閉環(huán)境對(duì)人生理以及心理的影響，也為我國(guó)未來(lái)實(shí)現(xiàn)空間站運(yùn)行，乃至火星探索，提供了強(qiáng)有力的保障和鋪墊。
與此同時(shí)，北京航空航天大學(xué)的劉紅團(tuán)隊(duì)還搭建了另一套更厲害的CELSS——月宮一號(hào)。在2017年至2018年，八名志愿者依次進(jìn)入月供一號(hào)生存了370多天，實(shí)現(xiàn)了世界上時(shí)間最長(zhǎng)的密閉生存實(shí)驗(yàn)紀(jì)錄。這也為未來(lái)航天探月基地的搭建，提供了一個(gè)極佳的模板。
這些多樣的生命系統(tǒng)的搭建，再結(jié)合多樣的太空種植實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)向地球一樣的太空種菜，好像已經(jīng)不是那么遙遠(yuǎn)了。食物得到保障，未來(lái)的太空旅行自然也就可以提上日程了。
也許再過(guò)幾年，科幻作品里的太空基地，就要在科學(xué)家們的努力下，成為現(xiàn)實(shí)。
參考資料：
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