太空植物栽培装置，我们将来的“快乐农场”「太空科普」
我们的太空2020-03-12 09:04
今天是植树节，让我们畅想一下，在太空建立一个我们自己的农场，是多么美妙的一件事......
ISS空间站植物培养试验新进展
由NASA主持的高级太空植物培养装置（ADVASC）试验，探索利用微重力创建作物能够承受的恶劣空间环境，抵抗病虫害，并能用更少的生长空间来生长。ADVASC在几次国际空间站任务中种植了两代拟南芥(拟南芥，一种生长迅速的开花植物，属于芥菜科，曾在许多太空任务中生长过)，事实证明，在太空中，从种子经过植物换代到培育出植物的能力，是极具有挑战性的，装置的硬件开发和自动化操作设计至关重要。
ADVASC硬件设计在充当独特的植物生长室的同时，还为国家安全、抗癌药物和学生教育工具做出了贡献。ADVASC的新型乙烯净化装置旨在从室内空气中去除乙烯，以提高产品的使用寿命。
乙烯是一种植物自然产生的，无色无味的气体，促进了果实的成熟和花朵的衰老，从而促进植物腐烂。在封闭的生长环境中，例如航天器或地球温室中，乙烯会迅速聚集直接使得植物快速成熟。因此，去除乙烯不仅对于在太空中的植物栽培起作用，而且对于在地球上的类似需求同样重要。例如，地球上的水果杂货商和花店老板对延长果蔬和鲜花保质期都很感兴趣。乙烯还原装置，也称为乙烯“洗涤塔”，通过涂有二氧化钛薄层的管子吸入含有乙烯的空气，管子的内部暴露于紫外线下，这会产生简单的化学反应，该反应将乙烯转化为恒量的水和二氧化碳，而这两者恰恰是对植物有益的。
▲高空间站植物培养箱里的芥菜苗-NASA太空植物栽培大事记
20世纪70至80年代，苏联先后在礼炮1号至7号系列空间站上搭载了绿洲1M、绿洲1、花盆、孔雀石等一系列不同规格的空间植物栽培装置，开展了植物栽培技术和植物生长发育等一系列基础生物学研究。1974年，在礼炮4号空间站种出洋葱并被乘员食用；1982年，在礼炮7号空间站上实现了兰花的太空开花；1982年，在礼炮7号空间站上首次成功完成了拟南芥植物从种子到种子的栽培实验。
天空实验室（Skylab）和航天飞机也是人们研究植物的舞台。20世纪70年代，NASA利用其首个空间站——天空实验室（Skylab）和航天飞机开展了空间植物栽培试验研究。其中开展了针对种子发芽和在微重力下植株（水稻）生长方向的实验，经过22天的在轨生长后，几乎所有水稻都长大了，但生长方向不规则。20世纪80至90年代，NASA先后研制成植物栽培单元（PGU）、宇宙培养装置（ASC）、植物栽培装置（ASF）、植物通用生物处理装置（PGBA）等空间植物栽培装置，并先后参加了航天飞机的短期在轨搭载植物栽培试验研究。
1990年，俄罗斯与保加利亚合作建成自动化Svet空间温室。该温室的光源为荧光灯，栽培基质为斜长沸石，水份实现了自动供应，Svet在和平号空间站进行了四季萝卜和结球白菜的栽培试验研究。之后，俄罗斯与NASA和犹他州立大学合作，对Svet进行了升级改造。1995年，俄美合作开展了超矮型小麦在轨栽培试验研究，成功实现了超矮小麦从种子到种子的全生命周期迭代培养。Svet空间温室还完成了油菜的全生命周期栽培试验，对生菜植株茎叶部分进行了口感测试。
1998年，国际空间站开始建造。从21世纪初至今，美国、俄罗斯、欧空局、日本都曾将自己的植物培养系统（部件）带到国际空间站，对植物开展了更加深入的研究。比如NASA先后在国际空间站上搭载的植物通用生物处理装置（PGBA），高级太空植物培养装置（ADVASC）和生物量生产系统（BPS），俄美合作研制的Lada空间温室、欧空局研制的“欧洲模块化栽培系统（EMCS）”、日本研制的植物实验单元（PEU）等。
▲高级宇宙培养装置（ADVASC，左）、生物量生产系统（BPS，中）、在轨培养的玫瑰植株（右）
2014年底，航天员叶连娜·谢罗沃伊进行了一项特别的实验——在国际空间站的舷窗附近培育苹果树苗。这个实验没用到温室，只用从舷窗透进来的太阳光和湿纱布在太空微重力条件下就培育出了苹果树芽苗。
20世纪90年代开始，随着我国载人航天工程启动，中科院植物所和遗传所等科研单位利用早期的神舟载人飞船系列开展了石刁柏和水稻等植物的短期在轨栽培研究。之后，中科院上海植生所和中国空间技术研究院等单位利用神舟飞船系列、天宫实验室、货运飞船等航天器进行了拟南芥、水稻等植物的在轨栽培研究。据报道，2016年底，中科院上海植生所在天宫二号空间实验室种植的拟南芥完成了从种子到种子的全生命周期循环。另外，五院空间分子生物学实验室进行了番茄搭载试验，证明其能够在太空开花，但会发生一定的基因变异。另外，2016年底，中国航天员中心在天宫二号空间实验室进行了生菜空间栽培关键技术验证试验。
▲中国天宫二号进行的生菜栽培硕果累累的植物培养系统Veggie
2014年，美国研制成Veggie空间温室，于当年4月在SpaceX第三次货运补给任务中送到国际空间站，开展了一系列举世瞩目和硕果累累的植物栽培试验。2014年，一起送去的还有两个含有红叶生菜种子的 “枕头”（即栽培基质）和一个含有百日菊种子的“枕头”。
“Veggie”利用红、蓝及绿色 LED 灯培养植物，利用缓释肥供应养料，利用草炭+珍珠岩+蛭石复合物作为栽培基质，纯净水作为水源，利用毛细聚酯材料导水。2014年5月开启了首次红叶生菜生长实验。在失重条件下，水不能精确渗入土壤里，而且植物的根部也没有定向蔓延生长的趋势，为了战胜这些障碍，航天员将种子和土壤装进一个特殊的、自给自足的“枕头”里，还放置了支柱来帮助引导根部向下生长。经过 33 天的照料后，将样品送回地面做食物安全检测，结果证实可以在太空安全食用。
2015年7月8日，开启了第二批红叶生菜的种植实验。这次培养成功的红叶生菜直接由航天员品尝。这顿历史性的“大餐”，准备过程非常简单：航天员用消毒纸巾擦拭干净（进行预防性消毒，地面验证消毒效果良好），随后利用小瓶子将轻榨优质橄榄油和意大利香醋撒抹在生菜叶上就完成了准备工作。航天员品尝了收获的一半生菜，另一半被冷藏并带回地球以备深入分析研究。该项目的首席研究员雷·惠勒（Ray Wheeler）称：“有证据表明，新鲜的食物，例如番茄、蓝莓、红叶生菜，都是很好的抗氧化剂。”
▲国际空间站航天员试吃生菜食用太空种植的生菜，对于未来太空探索来说，是一个重要的里程碑。“太空花园”对于载人航天任务具有至关重要性，而且对于未来在其他星球（如月球、火星）建造居住地非常重要。新鲜的食物也对航天员的心理健康有诸多益处。他们的每一小口，就等于为人类太空旅程跨出了一大步。
2015年11月16日，NASA航天员谢尔·林德格伦（Kjell Lindgren）启动了百日菊种子的生根“枕头”。在太空种植开花植物比种植生菜等蔬菜作物更具有挑战性，光照和其他环境参数要求更严格。百日菊生长需要60天，是红叶生菜生长期的两倍。为了刺激植物开花，在生长周期中，将LED光源的光照周期调整为10小时（亮）/14小时（暗）。
实验期间，国际空间站上生长的百日菊遭受了威胁——比如真菌意外生长，不过在太空园丁的精心照料下，最终出人意料地取得了顺利进展。这些百日菊在2016年2月迎来了收获。
▲太空百日菊2017年2月17日，美国航天员佩吉·惠特森（Peggy Whitson）在国际空间站上首次收获了“结球白菜”（Tokyo Bekana）。科研人员要对太空白菜的放射性及其同位素进行相关测试，并与地面上种植收获的白菜数据进行比较，进而得出太空种植蔬菜是否获得了成功。这是利用Veggie第5次在太空收获蔬菜，但收获结球白菜还是首次。
2019年1月15日，我国嫦娥四号月球探测器上的月面微型生态圈里的棉花籽发芽了。虽然这个外观像个保温饭盒的载荷只有三公斤重，容积不到一升，除了铝合金壳体，这个载荷罐还带有一套半导体温控设备，一套摄像系统，一些培养基（土壤），水、空气、马铃薯种子、拟南芥种子，棉花籽，微生物（酵母等）和昆虫卵（原计划是养蚕，后来改成养果蝇）。值得称道的是，这个罐子的顶部还留有阳光导管，可以把嫦娥四号外表面接收到的日光照射，通过光纤传导进载荷内部，让罐子里的花花草草也能享受到月球表面的天然阳光。
时至今日，我们已经初步掌握了太空植物栽培技术，植物也完成了在太空从无到有的蜕变。各国都在致力于开发更为精确的空间植物栽培系统，比如美国的先进植物栽培舱（Advanced Plant Habitat，APH）和实验室绿洲植物栽培装置（LabOasis），俄罗斯的Lada-2空间温室、vitacycle空间温室样机、欧空局的EDEN空间温室。
▲美国的先进植物栽培舱太空植物栽培的技术仍在不断探索，但可以确定的是，在全新的太空时代，在未来人类深空探索的每一个步伐中，植物与我们同在。
农场是必须的，而且是快乐的！
来源 | 我们的太空（ID：ourspace0424）
文字 | 部分NASA
翻译 | space doctor
编辑 | 何书雨、王艳梅
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