好萊塢科幻電影《絕地救援》中,獨自滯留火星的太空人依靠種馬鈴薯、吃馬鈴薯生存了500多天,得以等到救援返回地球。

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在火星種馬鈴薯真的能實現嗎?雖然目前人類還未登陸火星,科學家們已經在國際太空站上種植並品嘗過生菜了。而在 中國太空實驗室「天宮二號」上,科學家要種植水稻和擬南芥 ( 又名阿拉伯芥 ) ,讓它們完成從種子到種子的全過程。

科學家們關心,在沒有了晝夜之分、四季之分、上下之分的太空中,地球之花還會按故鄉時間綻放嗎?會結出與地球上不同的種子嗎?

「天宮二號」上要做什麼樣的植物實驗?

天宮二號發射:展開太陽電池翼(新華社)

在「天宮二號」中的實驗是針對糧食和蔬菜的太空種植問題,選擇了典型糧食植物水稻和綠色高等十字花科模式植物擬南芥為研究物件。 科學家們希望 過太空實驗,來研究微重力條件下高等植物從種子到種子的生長發育規律,探索微重力條件下植物的光週期誘導開花規律與調控機理。

「天宮二號」的部分擬南芥樣品會隨回收單元被太空人帶回地球,為科學家瞭解太空微重力條件下高等植物種子發育與營養貯藏物質的形成提供第一手材料。

中科院上海生科院植物生理生態研究所研究員鄭慧瓊介紹,如果種子正常發芽,將長出6棵水稻,約30棵擬南芥,其中有36棵擬南芥將在結出種子後被太空人帶回地球。擬南芥的實驗持續兩個月左右,而水稻的實驗持續34個月至半年。

鄭慧瓊說,植物開花相當於人從幼年到成年,這樣的轉變是怎樣形成的?植物的葉子中能產生「開花素」,「開花素」可以被轉運到莖的頂端引起開花,否則莖的頂端就一直長葉子。「在‘天宮二號’的實驗中,我們把‘開花素’與綠色螢光蛋白融合在一起,我們要研究微重力對於‘開花素’的產生和運輸是否產生影響」。

天上種菜真的很難

鄭慧瓊說:「 太空上的植物實驗非常難做,澆水就是一大難題。在地球上有重力,水澆到花盆裡就會下沉到底部,但是在太空裡給植物澆水,水會飄著,水量也要反復研究。

負責為「天宮二號」的實驗研製植物培養箱的中科院上海技術物理研究所研究員張濤說:「為期6個月的長週期太空密閉培養植物,在中國還是第一次。」

「在國際太空站上開展的同類實驗中,太空人能夠介入太空實驗,有時候生物學家會進入太空來操作實驗。在‘天宮二號’高等植物培養實驗中,為了使生物學家能夠介入太空實驗過程,我們設計的培養箱對生物學家關注的主要實驗參數都可以通過遙控指令來調節,比如光照週期、溫度、濕度、營養液供給等都可以控制。實驗的溫度範圍為1728攝氏度,濕度範圍60%100%。」張濤說。

他說:「受條件限制,能夠返回地球的樣品很有限。如何能在樣品不返回的情況下,又能夠支援科學家開展研究呢?我們增加了很多監測與控制手段,比如 過彩色圖像來瞭解植物的生長狀態,並 過螢光相機來監測開花基因表達的情況;根據圖像資訊判斷實驗狀態、進行實驗條件調控。」

據介紹,攜帶著水稻和擬南芥種子的「天宮二號」入軌數日之後,根據實驗計畫由地面發出指令,實驗裝置就將營養液注入植物培養單元中,開啟實驗進程。

張濤說,在有限的資源條件下,植物培養箱的設計是巨大挑戰。在這個體積僅為40公分×30公分×30公分、重量不到20公斤的小箱子中,除了留出種植30多棵擬南芥和水稻的太空外,還安裝了一套控制與資料獲取傳輸系統、三台相機、兩升培養液、兩個風扇、四組水迴圈單元、乙烯去除單元、四組泵以及複雜的液體管路等。「研製人員最後安裝管路的時候,幾乎都沒有下手的位置了。」張濤說。

為什麼要研究在太空種糧種菜?

人類要飛出地球、探索宇宙、克服長期在地外生活的困難,首先要建立和發展太空生命生態支援系統,為人類航太活動提供長期生存所必需的氧氣和食物。 科學家也在設想建立月球和火星基地,其中種植供太空基地工作人員生活的農作物成為這個設想的中心任務之一。 不過,到目前為止,在月球或火星所需的那種完全封閉式環境中種植植物,還沒有成功範例。

儘管科學家在太空已經開展了多次植物生長實驗,但要在太空條件下成功地利用植物生產糧食與蔬菜等,為太空人長期太空生活提供食物來源,還需要解決許多與植物生長發育有關的環境因數問題,包括微重力的影響。

地球上所有的生物都是在 1G 的重力條件下演化而來的,它們的生長發育、生理與代謝活動、行為特徵都與 1G 的重力相適應,很多生物還演化出專門感知重力變化的器官或細胞器。特別是綠色高等植物,要依賴重力來引導其生長方向。

太空植物學一直是科學家研究的重點領域之一。在太空微重力條件下植物生長表現為無一定方向性,這可能影響到植物有效的光合作用,導致產量大大減少。

最近在國際太空站進行了擬南芥從種子到種子的培養實驗。實驗結果顯示,微重力條件下發育的擬南芥有大約20%的植株沒有抽薹,另外有近一半的果莢中沒有結種子。

2015810日,NASA公佈了一段國際太空站收穫第一批太空生長的紫葉生菜的視頻。在經過表面消毒等簡單處理後,來自美國的和日本的太空人一起品嘗了這些生菜。對此,NASA官網評論道:「這讓人類登陸火星又前進了一步。」

鄭慧瓊說:「如果人類真的要去火星,在火星上種植糧食蔬菜是不可缺少的。地 球上 95% 的能量都是靠植物把太陽的能量固定下來,轉換為化學能,我們人類、動物才能生存。 《絕地救援》的男主角陷入絕境,但當他看到馬鈴薯能夠活著的時候,他就相信自己能夠活下去。能夠把太陽能轉變成化學能的只有植物,所以在太空,只有把植物種好了,才能想去哪 就去哪 。」

她說, 火星上如果條件具備,應該是能種馬鈴薯的,當然不能直接種植,還需要一個密閉系統,需要有二氧化碳和水 。「如果我們現在能到火星上去研究,適應性強的蔬菜糧食都可以種,馬鈴薯是一種很好的選擇,另外番茄、黃瓜、青菜、水稻、小麥都可以種」。

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