天宮二號 我們能去火星種土豆嗎？

中國真正意義上的空間實驗室「天宮二號」即將發射，它是中國空間站的前身，為建造更為複雜的空間站做準備工作。在這個太空實驗室里，中國科學家將開展10多項科學實驗和觀測，大多數是當今世界最前沿的探索領域。

「我報道」近日陸續推出科普文章，為你介紹都有哪些「不明覺厲」的實驗登上了「天宮二號」。

好萊塢科幻電影《火星救援》中，獨自滯留火星的宇航員依靠種土豆、吃土豆生存了500多天，得以等到救援返回地球。

在火星種土豆真的能實現嗎？

雖然目前人類還未登陸火星，科學家們已經在國際空間站上種植並品嘗過生菜了。而在中國空間實驗室「天宮二號」上，科學家要種植水稻和擬南芥，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的時間綻放嗎？會結出與地球上不同的種子嗎？

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、發展空間生命生態支持系統，為人類長期航天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，還沒有成功的範例。

儘管科學家在太空已經開展了多次植物生長實驗，但是，要在太空條件下成功地利用植物生產糧食與蔬菜等，為宇航員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子問題，包括微重力的影響。

綠色高等植物是密閉生態生保系統中物質循環與能量交換的關鍵。

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。高等植物的根通常沿著重力方向向土壤中生長，以獲得更多水分與礦質營養；而莖的負向重力性則使其能夠向上伸展生長，以獲得更多的陽光。

從1957年第一顆人造地球衛星環繞地球時起，空間植物學一直是科學家研究的重點領域之一。太空微重力條件下，植物發生的最明顯的變化就失去了向重力性反應。比如，在地球重力條件下，水稻、擬南芥和小麥的地上部分都表現為直立的向上生長，而在空間微重力條件下則表現為無一定方向性，這也可能因此影響到植物有效地利用光能進行光合作用，導致產量大大減少。

20世紀90年代，隨著前蘇聯和平號空間站的建立，前蘇聯和美國科學家在空間站上用超矮化小麥進行生長實驗。在900平方厘米的面積上生長97天，獲得150個麥穗，遺憾的是穗中沒有成熟的種子。在和平號空間站上生長的白菜，通過人工授粉，成功生長了兩代，但是第二代種子的發芽率和植株生長都不如第一代。

代表中科院牽頭負責載人航天工程空間應用系統的中科院空間應用工程與技術中心（總體部）組織眾多承研單位，充分利用神舟系列飛船、交會對接空間實驗室平台開展了空間植物學研究。2011年中國的「神舟八號」飛船上開展了中德空間生命科學專項的17項科學實驗，其中包括9項空間植物學研究，涉及的植物品種包括水稻、擬南芥和藻類。

最近在國際空間站進行了擬南芥從種子到種子的培養實驗，科學家認為只要空間培養條件得當，擬南芥在空間微重力條件下可以完成從種子萌發到開花結實的整個過程。但是，他們的實驗結果顯示，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。

2015年8月10日，NASA公布了一段視頻，內容是關於在國際空間站收穫到了第一批太空生長的紫葉生菜，吸引了全世界的目光。在經過表面消毒等簡單處理後，來自美國的和日本的宇航員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」。

「天宮二號」上要做什麼樣的植物實驗？

在「天宮二號」中的實驗是針對糧食和蔬菜的空間種植問題，選擇了典型的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對象。科學家們希望通過太空實驗，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周期誘導開花規律與調控機理。

中科院上海生科院植物生理生態研究所研究員鄭慧瓊說，植物生長發育過程中最關鍵的變化是從幼苗生長到開花的轉變，其受到環境和內部信號傳導的調控，在微重力和節律變化複合環境下開展空間實驗對搞清機理是新的探索。

科學家還構建了綠色熒游標記開花基因的轉基因植株，將通過實時的可見光和熒光圖像技術觀察微重力條件下擬南芥和水稻從種子萌發、幼苗生長和開花發育全過程。

「天宮二號」的部分擬南芥樣品會隨回收單元被航天員帶回地球，為科學家了解空間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。

鄭慧瓊介紹，實驗系統包含5個單元，其中3個擬南芥單元，2個水稻單元，擬南芥分為三個不同品種。如果種子正常發芽，將長出6棵水稻，約30棵擬南芥，其中有3至6棵擬南芥將在結出種子後，被航天員帶回地球。擬南芥的實驗持續兩個月左右，而水稻的實驗持續3、4個月至半年。

高等植物培養箱（左圖）和空間高等植物培養實驗示意圖（右圖）。

擬南芥（上圖）和水稻（下圖）在高等植物培養箱中生長的實時可見光圖像。

鄭慧瓊說，植物從小長大，一開始長葉子，到一定階段就開花了。植物開花就相當於人從幼年到成年，這樣的轉變是怎樣造成的？為什麼植物到一定程度就開花？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』與綠色熒光蛋白融合在一起，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，澆水就是一個大難題。在地球上有重力，水澆到花盆裡就會下沉到底部，但是在太空里給植物澆水，水會飄著，水量也要反覆研究。」

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個月的長周期空間密閉培養植物，在中國還是第一次。」

「在國際空間站上開展的同類實驗中，宇航員能夠介入空間實驗，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空間實驗過程，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，比如光照周期、溫度、濕度、營養液供給等都可以控制。實驗的溫度範圍為17至28攝氏度，濕度範圍60%至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，又能夠支持科學家開展研究呢？我們增加了很多監測與控制手段，比如通過彩色圖像來了解植物的生長狀態，並通過熒光相機來監測開花基因表達的情況；根據圖像信息判斷實驗狀態、進行實驗條件調控。」

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

張濤說，植物培養箱具有去除乙烯的功能。很多植物在生長過程中會釋放出乙烯，這種氣體的積累對植物生長是不利的。平時在地球上生長的植物，空氣流動會稀釋乙烯，但是在太空全氣密的箱子中種植的植物，乙烯會越來越多，必須人工去除。

他說，國際空間站上開展的類似實驗有比較充裕的資源，比如空間、功耗、重量等。而「天宮二號」上的高等植物培養箱的資源非常有限，尤其是重量，在有限的資源條件下實現植物培養箱的設計是巨大的挑戰。

在這個體積僅為40×30×30厘米、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空間外，還安裝了一套控制與數據採集傳輸系統、三台相機、兩升培養液、兩個風扇、四組水循環單元、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。

去火星不僅可以種土豆

人類登上月球已過去40多年，現在重返月球和登陸火星的夢想席捲全球。一些科學家不但繪製了月球基地和火星基地的藍圖，而且已經完成選址。

鄭慧瓊說：「我認為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。《火星救援》的男主角陷入絕境，但當他看到土豆能夠活著的時候，他就相信自己能夠活下去。有了土豆，他就能把太陽能轉化為支持他生存的能量。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，才能想去哪裡就去哪裡。」

她說，火星上如果條件具備，應該是能種土豆的，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，土豆是一種很好的選擇，另外西紅柿、黃瓜、青菜、水稻、小麥都可以種。」

去太空種花花草草

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