2024 年 10 月 12 日，中國科學院植物學博士、正高級研究館員史軍在科普中國 · 星空講壇 " 探秘星河 逐夢九天 " 主題場帶來演講《把菜園搬到太空去》，爲我們講述太空探索中的植物科學知識。
以下是史軍的演講節選：
俗話說 " 民以食爲天 "，前往星辰大海的旅行，有一個繞不開的問題——吃。
在太空中，食物從哪裏來？有人說從地球帶上去，但這個價格是非常昂貴的，而且也無法滿足大量的人群的需求。所以，隻能在太空當中生産自己所需的食物。
那麽，在衆多的食物中，爲什麽我們要把菜園搬到太空去？又爲什麽會選擇土豆？這裏面其實有很多非常有趣的植物科學知識。
我們爲什麽要在太空種菜？
首先，人類所依賴的巨大的能量源——太陽，實際上是有壽命的。到現在爲止，太陽的壽命大概是 46 億年，這個時間聽起來很長，但是萬一哪天太陽發生了一些變化，我們可能需要遷居到外星球。再者，我們還面臨 " 天外來客 " 的威脅，比如小行星撞擊地球。這樣的撞擊可能會導緻大規模的生物滅絕，這在地球曆史上并非罕見，最著名的例子就是導緻恐龍滅絕的那次。
當然，這些事情聽起來都離我們很遙遠，可人類今天還面臨着一個更棘手的問題，就是全球氣候變化。由于工業化進程中對化石燃料的大量消耗，全球氣候正在發生劇變，極端天氣事件日益頻繁，地球可能逐漸變成一個不适合人類居住的地方。在這種情況下，我們不得不考慮尋找新的家園，這也是我們将菜園搬到太空的原因之一。
在太空中種土豆，
爲什麽？怎麽種？
在太空中種菜，爲什麽會選擇土豆？不光是因爲土豆好吃，還和土豆自身的特點有關。土豆的可食用部分并非其花朵或果實，我們真正吃的是土豆的塊莖。
選擇吃塊莖帶來了顯著的優勢：隻需将土豆切成幾塊，埋入土中，就能生長出新的土豆。這種方法比等待土豆開花結果後再收獲果實，更爲簡便高效。
土豆田。圖庫版權圖片，轉載使用可能引發版權糾紛
把土豆帶到太空之後，種到哪裏？大家的第一反應可能就是種土裏，然而，這其實是有很多問題的，因爲外星球的土壤與地球土壤是不同的。
以火星爲例，火星的土壤裏含有我們難以想象的複雜成分，尤其是高氯酸鹽，這種成分在地球上主要用于強力消毒，比如一些消毒濕巾中就含有高氯酸鹽。想象一下，這種消毒劑能殺死所有微生物，那麽将土豆直接種植在這種土壤中，土豆的命運恐怕會和那些微生物一樣，無法存活。因此，如果我們想利用火星土壤種植土豆，必須先将其徹底清洗，去除高氯酸鹽，這個過程非常複雜。
更關鍵的是，火星土壤裏沒有肥料，肥料對于植物生長至關重要。中國有句農諺 " 莊稼一枝花，全靠糞當家 "，說明了肥料對作物生長的重要性。因此，首批登陸火星的宇航員需要努力改善土壤條件。不過這并不意味着可以直接将人類排洩物用作肥料，必須經過發酵過程。未經發酵的排洩物植物無法吸收，隻有經過發酵分解爲簡單礦物質營養後，植物才能吸收利用。雖然這個過程聽起來複雜，但幸運的是，我們不必完全依賴土壤來種植植物。
很多人可能都試過水培植物。隻要有足夠的水，即使不需要土壤，也能種植許多蔬菜，包括土豆。這種新型的栽培方法，不是将土豆直接泡在水裏，而是将其架空，通過噴霧直接提供營養，這種方法已經相當成熟。因此，即使脫離土壤，我們仍然可以種植蔬菜。但是，水是不可或缺的，因爲水是植物生長的必需元素。
以電影《火星救援》爲例，影片中主角在火星上種植了大約 100 平方米的土豆田。種植這些土豆需要 60 立方米，即 60 噸的水。聽起來很可怕，是吧？60 噸水可不是小數目。這些水并非全部用于土豆生長，部分水會被土豆釋放到空間中。這是因爲土豆在吸收營養時，其體内的液體需要流動，就像心髒泵血一樣。
雖然植物沒有心髒，但它們通過葉子進行類似的功能。每片葉子都像一個小水泵，當水被釋放到空氣中時，會産生微小的動力，将根系吸收的水抽上來。這種水泵雖小，但耗水量卻很大。因此，種植 100 多平方米的土豆需要 60 立方米的水，這是一個非常龐大的數字。
幸運的是，我們現在有各種節水設備，可以将水循環利用，這在今天已經可以實現。因此，水不再是太空種植蔬菜的一個重大障礙。
想象中的太空農場（AIGC 圖片）。圖庫版權圖片，轉載使用可能引發版權糾紛
在太空中種土豆，還有一個阻礙——光。
因爲火星表面會受到宇宙射線、高能粒子和強紫外線的照射，如果我們直接把土豆種植在火星表面的露天環境中，土豆很快就會被烤熟。所以，我們面臨的問題是，如何爲植物提供适宜的光照。幸運的是，我們有多種解決方案。
我們可以使用太陽能電池和光伏闆将太陽光轉化爲植物可以利用的光。此外，我們還可以大幅提高 LED 燈爲植物提供光的效率。如何做到這一點呢？大多數植物呈現綠色，這是因爲它們隻吸收特定波長的光，主要是紅色和藍紫色光。它們反射的是綠色光，這也是我們看到植物呈現綠色的原因。植物并不需要綠光，而我們今天可以通過 LED 燈隻發出紅色和藍紫色光，完全滿足植物的生長需求。因此，在太空菜園中，爲植物提供适宜的光照是完全可行的。
還有一個大家可能通常想象不到的關卡——缺乏二氧化碳。
有人可能會問，二氧化碳還會缺乏嗎？我們每天都在讨論減少二氧化碳排放，但二氧化碳的影響是雙面的。雖然二氧化碳在今天的很多宣傳裏面有點被妖魔化了，一提二氧化碳這個詞，就覺得它是一個壞東西，但實際上二氧化碳給我們帶來的正向影響要遠遠大于負向的影響。例如，二氧化碳是溫室效應的關鍵成分，如果溫室效應完全消失，那我們地球表面很可能就變得跟月球表面一樣——晝夜溫差可能有幾百攝氏度。這樣的星球還能有生物生存嗎？不可能。
更重要的是，在太空菜園裏，我們還要給植物提供足量的二氧化碳。這是爲什麽呢？我們常說的光合作用，也就是綠色植物吸收二氧化碳和水、産生葡萄糖的過程。這個過程是分兩個步驟來完成的，一是光反應，二是暗反應。所謂的 " 光反應 "，就是接收太陽光的過程，" 暗反應 " 就是把收集到的這些能量變成葡萄糖裏面儲存的能量。
圖片來源于史軍演講 PPT
那問題就來了，如果二氧化碳不足，光合作用的 " 光反應 " 會繼續進行，但 " 暗反應 " 會受阻，前面還在源源不斷地收集太陽光，這些能量就會在細胞裏面堆積起來，還會找一些比較活潑的一些分子跟他們結合，比如與氧氣結合形成有害的自由基，這些自由基能破壞蛋白質、DNA 和細胞結構，導緻葉子直接壞掉。
爲了應對這種情況，植物可能會進行 " 光呼吸 "，分解自身産生的二氧化碳以維持光合作用，但這也隻是一個不得已而爲之的事情。所以說，也許在未來的太空菜園中，二氧化碳反倒成爲一種寶貴資源。
太空種土豆，還有一個 " 隐藏關卡 " ——重力。
對于生活在地球上的人，重力司空見慣，我們很容易忽略了它的存在。但在太空中，一切都處于失重狀态，這與我們在地面上的環境截然不同。我們帶到太空的植物也習慣了有重力的環境。例如，當我們把種子種在土壤中，植物的苗和芽會向上生長，而根則向下生長，這正是重力的作用。
如果沒有重力的話，植物怎麽知道哪邊是天空，哪邊是土壤呢？這個事情怎麽解決呢？有一個好消息是，中國的科學家去年發現了解決這一難題的關鍵。他們發現植物細胞中存在一種特殊的顆粒——澱粉體。這些澱粉體受到重力影響時，它們會沉積到細胞的底部。當這些顆粒與細胞壁和細胞膜接觸時，它們會傳遞信号，告訴細胞哪邊是下方。因此，未來我們可能會利用這一發現，幫助植物在太空中更好地生長。
圖片來源于史軍演講 PPT
關于 " 太空種土豆 " 的先期嘗試，實際上現在已經在進行中。比如，我們的天宮空間站已經種植出了多種蔬菜，尤其是生菜，在之前的直播中我們已經看到天宮的宇航員們享用了新鮮的生菜。不知道它們的味道如何，希望将來大家都有機會品嘗。
太空種菜不容易
在太空船種菜更不容易！
在太空中種植蔬菜充滿挑戰，尤其是在太空船上種植，更是難上加難。
舉個例子，上世紀 90 年代，美國進行了一個名爲生物圈 2 号的實驗，目的是模拟一個微縮的地球。這個建築體積龐大，有 18 萬立方米的空間，内部分爲七個生态區，放置了 4000 個物種，試圖模拟地球上的所有生态系統。實驗持續了 21 個月，但最終不得不結束，因爲實驗人員幾乎餓死或者被憋死，原因是這個小型生态系統無法正常運行。
這個實驗給我們的最大啓示是，地球上的生态系統并非簡單地将物種放在一起就能形成。生态系統是一個有機的整體，不能簡單地通過堆砌物種來構建。就像我們不能簡單地将汽車零件堆在一起，然後期望它們自動組裝成一輛汽車一樣。因此，即使我們将大量物種聚集在一起，它們也不會自發地形成一個健康的生态系統。最好的解決方案仍然是保護我們的地球——這顆美麗的藍色星球。
即使有一天我們有能力走出太陽系，甚至走出銀河系，去探索更遙遠的宇宙，我們也不應忘記，地球永遠是我們的母星，是我們最美好的家園。這是我們每個人都需要銘記在心的。希望大家帶着這份對地球的記憶，去探索星辰大海吧！
策劃制作
作者丨史軍 中國科學院植物學博士、正高級研究館員
責編丨張揚、楊雅萍
活動策劃｜蘇萱 甘肅科技館宣傳聯絡部
審校丨徐來、林林
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