第一朵在太空盛開的花

董琛

2015年末，美國宇航員斯科特凱利（Scott Kelly）在國際空間站（international space station，ISS）內種下了6株百日菊（拉丁名：Zinnia elegans Jacq），2016年1月，第一朵太空花在ISS中悄然盛開。下一步，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）準備在ISS中繼續植物試驗，候選植物初步選為西紅柿，我目前所在的德國宇航中心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt，DLR）也有幸參與了此項試驗的研究。

花兒開了

此次ISS百日菊的試驗是由NASA肯尼迪航天中心Wheeler教授研究團隊主持的，運用的是Veggie植物培養系統，充當提供能量的“小太陽”是美國Orbitec公司的多功能光源。這些設備和試驗技術在地面都進行了多次反復驗證，并通過了模擬微重力的預期檢驗，確保了百日菊在ISS中能順利盛開。不過，此次太空花試驗的過程并不太順利。雖然宇航員們此前都受過植物培養實驗的訓練，但是由于植物營養液的供給是通過宇航員手動完成的，難免出現供給間隔時間、供給量控制不準的情況，這最終導致第一朵太空花推遲了20天左右才開放。

需要指出的是，空間站里種植植物，區別于人們熟知的太空育種，太空育種也叫航天育種，是將作物種子或誘變材料搭乘返回式衛星或高空氣球送到太空，利用太空特殊的環境誘變作用，使種子產生變異，再返回地面培育作物新品種的育種技術。這種技術不需要植物在太空環境生長，只是利用強輻射、微重力和高真空等太空綜合環境因素誘發植物種子的基因變異，整個過程不需要航天員的參與，有時直接把種子放入返回式衛星搭載、回收即可，難度較小。此外，由于基因序列的保守性和誘變的不確定性，太空育種得到理想變異種的概率小于百分之五，更多的是負向變異（想讓果實增大，但誘變結果是更小了）和未變異。因此，太空育種熱近年來已大大的降溫。

為什么要在ISS中進行植物培養試驗呢？最主要的意義是滿足科研需求。包括研究特殊空間環境（如失重、大氣組成、射線等）對于植物生長的影響等，這些地球上很難模擬的環境有可能讓科學家們觀察到在傳統環境下錯過的一些特性，也許會給人類生命起源、物種進化帶來更多的啟示。其次，宇航員種植花卉、蔬菜等植物可幫助他們舒緩壓力、放松心情。這次的百日菊試驗，當看到太空花綻放的時候，美國宇航員斯科特凱利興奮地一連在個人Twitter上發表了十幾張照片。更重要的是，培育植物的終極目標是保證宇航員能在載人深空探測密閉艙內吃到新鮮蔬菜，并利用植物的光合、呼吸和蒸騰作用完成密閉空間氣體和水的交換，為宇航員提供類似于地球生物圈的生態環境，這在航天上隸屬于生物再生生命保障系統（Bioregenerative Life Support System，BLSS）的范疇。

各國接力研究

學術上，我們把生物再生生命保障系統定義為：基于生態系統原理將生物技術與工程控制技術有機結合，構建的由植物、動物、微生物組成的人工生態系統。水和食物這些人類生活所必需的物質可在系統內循環再生，并為乘員提供類似于地球生物圈的生態環境。

由于深空探測生命保障系統具有極高的難度、極其復雜性和意義深遠的應用前景，俄羅斯、美國、日本和歐洲等航天大國及組織均投入大量人力、物力、財力開展此項研究工作。

1960年代初期，俄羅斯科學院生物醫學問題研究所（IBMP）首先開展封閉BLSS設計和空間應用研究。俄羅斯科學院西伯利亞分院生物物理研究所（IBP）建造了世界上第一座用于研究BLSS的大型地基綜合試驗裝置：BIOS系統。分別于1972年、1976年和1983年進行3人4～6個月的系統試驗。

BIOS-3是迄今為止最成功的BLSS試驗系統。21世紀初的十年內，俄羅斯學者通過與歐洲太空局（European Space Agency，ESA）合作，進行植物不可食生物量（枯葉、秸稈等）和人體固液排泄物的生物降解處理，實現了利用廢物制備“類土壤”，循環用于植物栽培。

前蘇聯的科學家是此領域的先驅和拓荒者。

20世紀60年代，BLSS進入NASA的視野。1979年，NASA啟動了“受控生態生命保障系統項目（Controlled Ecological Life Support System Program）”。肯尼迪航天中心建立了著名的生物量生產艙（BPC）。1995～1997年，約翰遜航天中心開展了“月球/火星生命保障試驗項目（Lunar-Mars Life Support Test Project， LMLSTP）”，進行了4人為期90天的集成生物-物化結合式密閉試驗。2010年，NASA開始組織建立深空居住艙工程（HDU-DSH），分階段進行了一系列有人參與的物質循環試驗。

除了美國官方外，美國私人的太空熱潮也推動了BLSS的研究發展。1986年，美國富豪愛德華巴斯（Edward. Bass）出資興建了位于亞利桑那的“生物圈2號”。2004年，部分生物圈設計與參加者又建立了“植物-土壤”密閉試驗系統——“生物圈實驗室”。

美國人大大推動了此項技術的發展。

日本環境科學研究院下屬的CEEF國際委員會負責建造了密閉生態實驗系統（Closed Ecology Experiment Facilities， CEEF）。2005年9月進行了3次包括山羊、23種作物和兩名受試人員的為期一周的聯合實驗，利用山羊消耗系統內作物的枯葉、秸稈，同時將羊奶作為受試人員的部分動物蛋白來源，主要研究了植物、動物模塊和人之間的元素遷移交換關系。

日本研究者的研究成果不僅對空間生命保障系統有益，而且對地球生態系統碳循環的認知提供了重要參考。

歐洲太空局建立了微生態生命保障系統（Micro-Ecological Life Support System Alternative， MELiSSA）。第一代MELiSSA中試實驗開始于1995年11月，第二代MELiSSA中試實驗設備建造于2006～2007年。由于歐洲人權法律體系的要求，在乘員艙室，他們選擇40只老鼠作為簡單而典型的消費者和排泄物的生產者來模擬人類。老鼠的排泄物被用作發酵基質，同時研究了螺旋藻作為食物的可接受性和作為MELiSSA生態系統中消費者食物的適宜性，16周的實驗表明螺旋藻可以為老鼠提供40%的食物。

歐洲各國近年來又在“地平線-2020”（HORIZON-2020）框架下，從基礎研究、應用技術和應對人類面臨的共同挑戰三大部分對此項技術開展了深入的研究。

2030，中國航天員吃蔬菜，賞花開

隨著神舟系列載人飛船的成功發射、飛船和天宮一號成功對接，我國載人航天已經進入到空間站設計建設階段，今后10年內，將逐步建立起我國自己的載人空間站。2016年的第三季度我國將要發射“天宮二號”。“神舟十一號”飛船將載兩名男航天員，與“天宮二號”完成對接，并在太空駐留30天左右。

以北京航空航天大學和中國航天員訓練中心為主要研發力量的科研團隊在地面進行了多次模擬微重力、強輻射、高真空等復雜環境的“植物-動物-微生物-人”的密閉試驗，但我國真正在空間環境進行的有人參與的植物試驗還未曾有過，這與歐美等航天大國還有不小的差距。按照中國目前的計劃，2030年前后將為空間站設計并建造可再生生命保障系統。也許到那時，我們中國的航天員也會像NASA航天員斯科特凱利一樣，在空間站吃著新鮮的蔬菜，欣賞著美麗的天空花。

TIPS：動物的太空旅行

載人深空探測初期，科研人員曾多次將犬類、猴子通過飛船送入太空，模擬宇航員的生理需求以達到檢驗生命保障系統技術的目的。如今的太空動物實驗，則更側重于科學的研究，兼顧為宇航員動物蛋白的補充篩選物種。參加過航天飛行的動物種類繁多，包括靈長類動物（黑猩猩、恒河猴），嚙齒類動物（大鼠、小鼠、田鼠、豚鼠、兔），爬行類動物（蠑螈、蛙、龜）和狗、貓、魚等。

1947年2月，美國人用V-2火箭將果蠅運上太空，果蠅成為第一批登上太空的地球動物。1957年，前蘇聯小狗萊卡搭乘衛星進入軌道，成為首只進入軌道的哺乳動物。1959年，前蘇聯發射火箭，狗與兔子一起進入太空。1962年，美國送黑猩猩入太空，安全返回地球，降落后被從大西洋上救起。1963年，法國火箭把首只貓咪送入太空，后來這只貓咪的頭像被印在了郵票上。2003年，“哥倫比亞號”航天飛機發生事故，機上宇航員全部罹難，但所攜帶的蠶、螞蟻等動物卻還活著。與人類相比，動物太空先驅們的生命力看起來也更強一些。2006年，科學家將線蟲放上了國際空間站，觀察微重力如何影響它們柔軟的身體。事實證明，這些軟體動物對微重力適應很好，線蟲卵在太空中順利長大變成成年線蟲，而這些線蟲又在太空繁衍了后代。在整個實驗過程中，這批線蟲繁衍了12代。

責任編輯：張蕾磊