太空“种粮种菜”不简单

2023-05-30本刊综合

发明与创新·小学生 2023年1期

关键词：种菜生菜种粮

本刊综合

不仅是航天员、“太空教师”，神舟十四号飞行乘组成员还化身为“太空菜农”。去年下半年，在他们的细心照料下，问天实验舱中的植物一派生机勃勃。

在“天宫课堂”第三课上，陈冬、刘洋、蔡旭哲向广大青少年展示了“太空菜园”。小麦长势喜人；生菜翠绿，“味道美极了”；两株拟南芥已经开花；水稻植株茁壮生长着。

这不是中国人第一次在太空种植蔬菜和粮食作物，也不是人类第一次在空间站种植植物。从上个世纪中叶开始，人类就将植物或者植物种子作为飞行同伴，带到了广阔无垠的太空中进行培育。

“太空菜”和“太空粮”在太空中生长，甚至开花、结实，从地球到太空又回到地球，绝不是一趟简单的旅行！

“天宫课堂”上的“植物秀”

在问天实验舱内，神舟十四号飞行乘组成员在轨“种菜”，开展生命科学实验。

在“天宫课堂”第三课的展示环节，航天员和植物都没有闲着，各自以特别的方式带大家感受太空中生命的魅力。

拟南芥被剪下

拟南芥生长盒的6个种植孔里分别种着开花期不同的拟南芥。去年10月中旬，5号种植孔和6号种植孔中的拟南芥已经开花，花朵是白色的，非常小。

在“天宫课堂”上，依托科学手套箱与低温存储柜，陈冬戴上中国空间站里首副混合现实（MR）眼镜，直播科学实验操作—— 采集拟南芥样本。

他首先通过混合现实眼镜给开花的拟南芥拍照，再拿起小剪刀轻轻地把植株剪下来，然后把它们放到特定的瓶子中，这样样品就采集完成了。之后，样品被放入-80 ℃的低温存储区，等“出差”结束，由航天员带回地球，交给科学家研究。

水稻“吐水”

“太空水稻”从饱满的种子长成了一棵棵植株，长势也不错。

在“天宫课堂”上，刘洋打开生命生态实验柜，取出水稻植株。透过玻璃盒子，我们可以看到，经过70多天的生长，高秆水稻和矮秆水稻已经抽穗，进入种子成熟期。

咦，水稻叶尖怎么出现了小水滴？原来是水稻在“吐水”。这些晶莹的小水滴会越变越大，直到贴到生长盒的壁上。告诉你们，水稻“吐水”现象在太空这种微重力环境中更容易被观察到。

在水稻种子“上天”之前，厉害的科学家们就预想到了水稻会“吐水”，所以设计了智能水分回收系统，每天工作16个小时，基本可以实现水分的动态平衡。

知识多一点

在问天实验舱内的植株茁壮生长时，地面对照实验也在同步进行。太空中的植物与地面上生长的植物相比，株型不是很整齐，有的长歪了，有的“躺平”了，不能完全朝一个方向生长。另外，在微重力环境下，拟南芥的生长速度明显变慢。

太空“种粮种菜”有必要

空间站的食物比较丰富，为什么航天员还要在太空种菜种粮呢？告诉你们，随着人类在地外星球不断“开疆拓土”，太空“种粮种菜”变得越来越重要。

节约运输成本

假如航天员每人每天要消耗1.8千克食物，一个由四五人组成的小分队去火星探索3年（目前从地球到火星单程飞行大约需要半年以上），那么就要携带将近10吨的食物，会给飞行带来很大的负担。

如果在太空“种粮种菜”，糧食和蔬菜等就不需要带那么多，可以节约飞行成本。

新鲜又美味

假设火星探索需要3年，那么带去火星的食物的保质期至少得在3年以上。而随着时间流逝，食物的质量与口感都会下降——也许第一年味道还不错，但第三年吃起来口感就不那么好了。

即便食物质量和口感都没有变化，但只吃包装好的长期储存的食物，时间久了难免乏味。而对于时间长或者距离远的探测任务而言，携带太多的天然食物，食物也可能会坏掉。

因此，在太空“种粮种菜”显得尤其重要，不但可以保障人对食物的需求，而且种出来的蔬菜等比较新鲜，航天员无需担心食物过期或变质、口感变差等。

构建生态系统

太空“种粮种菜”是构建人造生态系统的重要一环。植物进行光合作用消耗二氧化碳，产生氧气。航天员工作生活会产生很多废水，废水被净化后可以灌溉植物。植物的蒸腾作用将水蒸发到空气中，水蒸气可以冷凝制成优质的空气冷凝水。这种水被净化后较安全，如果用作饮用水，人的心理接受度较高。

另外，太空栽培的研究和成果可以为地球农业生产提供指导。

哪些植物可以入选“太空菜园”

并不是所有的植物都可以进入太空成为“太空菜园”中的成员，植物“入住”“太空菜园”是需要经历严格的筛选的。那么，哪些植物可以入选“太空菜园”呢？

第一，考虑到人类在太空中对热量和维生素、微量元素等营养物质的总体需求，可以种植一些搭配在一起能够满足这些需求的植物；第二，由于微重力环境下烹饪加工食物难度很大，所以应种植一些即食性果蔬；第三，由于地球生命不可能在严酷的太空环境条件下无保护地生存，所以在太空种植的植物必须具备高产优质、低能耗的特点，同时易栽培、易管理。

具体来说，粮食作物方面，航天员可以种植小麦、大豆、水稻。蔬菜要多样化，可以种植生菜、小白菜、小油菜、辣椒、茄子等。黄瓜是爬藤植物，很占空间，但是口感清脆爽口，如果种植需牢牢固定住，防止藤蔓满舱飘。水果的话，种植草莓就不错，所占空间小、挂果多。

问天实验舱种植实验选取的拟南芥和水稻就是两种具有代表性的模式植物。拟南芥代表双子叶、长日、十字花科植物，很多蔬菜如青菜、油菜等都属于十字花科。而水稻代表单子叶、短日、禾本科植物，很多粮食类作物如小麦、玉米等都属于禾本科。

选择这两种植物的种子更是如同选美。要把种子放在显微镜下观察，从上千颗备选种子中选出健康饱满、有活力、有光泽的，保证“上天”的种子100%萌发。

知识多一点

拟南芥是一种原生于欧洲、中亚、南亚至北非一带的小型开花植物，在生物实验界可谓大名鼎鼎，堪称植物界的果蝇，是科学家们喜欢研究的模式植物。很多植物科学的研究都是先以拟南芥为对象进行研究，再向其他物种推广的。

啥是模式植物？

生长周期短、基因组小、便于研究且在被研究的时候容易排除干扰因素的植物被称为模式植物。拟南芥刚好满足以上所有条件，它生长速度极快，在几周内就能完成一个生命周期。而且，它是一种自花授粉的植物，能够保证遗传的稳定性。个体也很小，可以大量繁殖，结构十分简单，便于解剖观察。

太空种植的诸多学问

在地球上，我们只要把种子埋在土壤里，为它浇水，再加上合适的温度和阳光，它就能萌发、开花，甚至结果。而在太空中，环境如重力、辐射等发生了变化，“种粮种菜”得更讲究。

光照

在太空种植区，蔬菜和粮食作物无法接受太阳光的照射，但是科学家可以通过调控光源的强度和光谱，为它们提供充足的光照，满足它们的生长需求。同时，科学家会根据不同的蔬菜和粮食作物对光的不同需求，来创造相应的光照条件。

以生菜为例，科学家会选择用蓝色光、红色光和绿色光来照射生菜。生菜对红色光吸收效率非常高，所以在红色光的照射下生长得很好。蓝色光对生菜形态舒展具有较强作用。绿色光照射到生菜上，视觉效果非常好。

“土壤”

在太空中“种粮种菜”使用的“土壤”和地面上的土壤是不一样的。

就以我国的太空种植为例吧。我们用蛭石制作供太空“蔬菜”“粮食”生长的“土壤”。

啥是蛭石？简单地说，蛭石是一种极为常见的人造植物生长原料。它的吸水性非常好，水分在其中的传导受重力影响很小，所以水可以顺畅地向上“流动”。另外，它密度小、质量轻，便于携带。

水分

植物生长离不开水。而在太空中给植物供水是一大挑战。

科学家会把特制的栽培盒放置在植物培养箱中，栽培盒中装有特殊的栽培基质和肥料，可以在植物根部周围均衡地分配水分、养分和空气。栽培盒底部有特殊的储水箱，航天员会根据含水率检测装置显示的检测数据，定期用注射器将水添加到栽培盒中。

科学家还可以为植物设计可以锁水、补水的保湿“神器”。锁水“神器”是指在栽培盒里贴上一层只透气不透水的透气膜，保证植物与外界有一定的气体交换，而水又不会从透气膜中溢出。补水“神器”指的是冷凝装置，当植物中的水分蒸发变成水汽后，这套装置能够使水汽重新冷凝成液态水并导入栽培盒内，实现太空密闭环境下水的有效循环利用。

问天实验舱中的拟南芥生长盒连着营养液包，航天员可以通过挤营养液包给拟南芥的生长提供必需的水分和养分。

跟在地球上种菜种粮一样，在太空中“种粮种菜”也需要田间管理：间苗、拍照，检查基质含水量和养分。为了保证植物根系能呼吸到新鲜空气，航天员会定期往基质中注射空气。

知识多一点

太空植物也向上长

太空中的植物和在地面上一样，也是向上生长的。

虽然太空是失重环境，但植物有趋光性，所以它们依然会朝上长。同时，植物还具有趋水、趋肥性，根部会朝着富有水分和养分的基质生长。

太空“种粮种菜”史

有了技术保障和生物保障，在太空“种粮种菜”不再是梦想，航天员在太空吃上新鲜的蔬菜等也不再是遥不可及的事。

截至目前，人类在太空中种植了哪些蔬菜和粮食作物呢？

1978年，“礼炮6号”宇宙空间站中种植的洋葱长得不错。

1996年，俄罗斯宇航员在“和平号”空间站成功试种小麦。

2003年，俄罗斯宇航员马连琴科在国际空间站培育出了第一代太空豌豆。俄罗斯宇航员卡列里收获了第一代太空豌豆种子，并将其中的一部分重新育苗，培育出第二代太空豌豆。2004年，俄罗斯宇航员帕达尔卡在国际空间站培育出了第三代太空豌豆。