走！去太空種地！

艾竺

人類的歷史可以說是一部不斷追求食物的吃貨史，四十五萬年前，我們的祖先就學會了用火加熱食物，并從收集食物一步步地演變為對植物、動物的馴化。歷史上的人類遷徙也都伴隨著對食物的追隨，人們知道氣候適宜、水土豐沃的地方會有良好的食物資源，不約而同地前去開墾拓荒。

農耕時代，人類基本上掌握了大部分作物的種植規律。發展到工業時代，從傳統的依賴土地種植，到現在的全天候可控農業，農業技術水平飛速發展。科技的發展對于農業尤為重要，以色列開創了立體農業和滴灌農業的先河，大幅提高了有限空間下作物的生產效率;袁隆平院士開創了水稻雜交技術，利用野生種的優勢基因來提高水稻的平均畝產，改良傳統植株的不利性狀，并將此思路運用到其他多種植物研究之中……

天外來菜

科學家的目光并不局限于地面，他們開始將種菜這一領域瞄準太空。研究者利用宇宙輻射和太空微重力等因素，誘發植物的基因發生隨機突變，將有利突變材料帶回地面種植，以追求作物的更高量產或更高品質。隨著對地外生存環境的進一步探索，科學家開始思考能否將宇航員培養成“宇宙農民”，在太空乃至地外星體完成人類對種地的夙愿。

電影《月球隕落》中，在以戴森球結構為基礎的月球中出現了太空農業的影子，規模化集裝箱式的農田基地分布于戴森球表面，源源不斷地為月球居民提供糧食。即便是在太空中，植物仍然作為人類的重要補給而存在，除了能夠提供人體必要的元素之外，還充當起空氣循環機和宇航員的心靈慰藉。雖然影片沒有過多闡述該裝置的機制，但是幾十年來，科學家們確實一直努力嘗試在太空中發展農業。

太空農業，究其本質是到地球之外繼續種菜，只不過難度系數升級，而地球之外可以是空間站，也可以是太空基地。由于目前人類的太空探索還停留在地月階段，太空農業的種植規模也只限于在空間站中展開實驗，主要進行“太空植物學”研究。“太空植物學”是植物學的一個二級學科，同時也是太空生物學的一個分支。這一學科概念最早由蘇聯宇航員和太空生物學先驅加夫里爾·阿德里安諾維奇·蒂科夫（Gavriil?Adrianovich?Tikhov）于1945年首次提出，學科的研究對象既包括了在太空環境中生長的地球植物，也包括了未來有可能在其他星球上發現的外星植物。

宇航員的一小口，人類的一大口

自20世紀人類開始探索宇宙起，植物便成了各國飛行器的常客。盡管太空中沒有氧氣、水源和重力條件，甚至沒有穩定的光源，但仍然抵擋不住科學家讓植物上天的執著和探索未知的無窮欲望。早期的太空植物實驗，主要研究宇宙輻射對植物基因的突變影響，培育表達新型性狀的植株。通常情況下，經過輻射變異后的植物種子的果實會顯著變大，能夠有效提高產量。例如，太空西瓜、太空南瓜在經過太空輻射后，在地面種植出的果實大了好幾倍，口感也變得更加鮮甜可口。

1946年7月6日，美國的V-2火箭升空，搭載了人類第一批植物種子進入太空并永遠駐守，同月30日，美國又將一批玉米種子送上太空，并在接受宇宙輻射后成功返回地球。之后，陸續有黑麥、棉花以及樹等不同類型的種子被送入太空并回收。在這些種子中，大部分樹種在返回地球后被種植在隔離區，沒有出現任何性狀的改變，而玉米、棉花等種子則在地表種植后出現變異性狀，果實明顯增大。

完成種子升空的嘗試后，科學家將目光轉移到藻類植物，希望利用以小球藻為代表的藻類植物作為氧氣制造機，因為藻類植物具有繁殖速度快、耐受性良好等優點。宇航員將光源直接嵌入藻類植物的恒化器中，以提供接近完全的光吸收環境，這種條件下的藻類植物可以提供部分供人類使用的氧氣。科學家還嘗試將藻類作為食物來源，但是經過試驗，藻類并不適合作為長期食物來源，因為很多藻類植物的蛋白質和核酸含量過高，而且含有大量不能消化的細胞壁，這些成分組成不利于飲食平衡。

正式宣告太空藻類用作空間站氧氣平衡失敗的，是20世紀70年代的俄羅斯BIOS項目（長期載人航天生命保障地面模擬裝置）。在這一項目中，藻類提供氧氣的質量和濃度都無法達到預期，同時，科學家們發現藻類和藍藻細菌會產生揮發性毒物，該項目因此以失敗告終。

太空競賽時期，美國展開“天空實驗室”（Skylab）空間站計劃，俄羅斯不甘示弱地相繼發射Bion5、Bion7等生物試驗衛星。科學家開始將各式各樣的植物送往太空，著眼于研究太空重力與宇宙輻射對植物的影響，探究太空環境對植物性狀的改變。

太空農業序幕的真正拉開是在禮炮7號空間站中，科學家首次使用微型溫室裝置培育出模式植物擬南芥，并成功開花結果，由此宣告人類可以在太空中培育植物。

1997年，在俄羅斯的和平號空間站上，科學家們利用SVET植物生長系統成功進行了種子到植物的全過程實驗。第一種被培育出來的太空蔬菜是來自國際空間站的紅葉生菜，為了克服微重力環境，作物被種植于作物枕頭中，枕頭中有用來固定種子和根系的基質以及水、營養物等元素。將種子枕頭放在培養箱中，使用LED燈的不同光進行照射，植物便在這種特殊的枕頭中茁壯成長。在太空中，植物會表達一種特殊的蛋白質以適應微重力環境，生長出的根系與在地球上生長的根系無太大區別，畢竟引力不是決定根系生長方向的唯一因素，通過控制水和營養物質也可以決定根系的生長方向。

在成功種植蔬菜后，各國宇航員開始轉戰園藝方向。2012年，來自美國航天局的唐納德·佩蒂（Donald?Pettit）成功地將一株向日葵培育開花;2016年，另一名美國宇航員也宣布由其照料的百日菊在太空中開花，宇宙景觀園林的設想也逐漸實現。

“量身定制”的太空菜

太空中特殊的誘變環境，給育種提供了巨大發展空間。太空育種也稱空間誘變育種，主要是利用返回式衛星搭載誘變材料，即各類種子，在太空中經過宇宙高能輻射、宇宙磁場、高真空、高潔凈的影響后，產生變異，再返回地表進行作物栽培育種的技術。

太空育種的優勢在于有益的變異多、變幅大、穩定快，返回地表后種出的作物高產、優質、早熟、抗病力強等。太空育種的變異率較普通誘變育種高三到四倍，育種周期較雜交育種縮短約一半。經過太空遨游后的植物種子在返回地面種植后，植株明顯增粗增高，果實變態化（即果實碩大），產量大幅提升。

但是太空育種仍然存在一定的局限性，植物材料的變異方向無法人為控制，唯一可控的是太空停留時長。由于太空育種的精確度難以控制，帶有一定的盲目性，種子被高能離子擊中的次數并不是越多越好，在太空中停留時間也不是越長越好。這就需要高能離子能夠準確擊中種子的DNA鏈條，且被擊中后的DNA鏈條要向著人類需要的方向組合。因此，人為可控的太空育種仍然是科學家的研究目標。

利用太空環境研究植物生長發育和遺傳變異的工作始于20世紀60年代。在美國和俄羅斯相繼開展空間育種后，我國從1987年開始利用返回式衛星和神舟飛船搭載植物種子開展育種實驗，至今已成功進行了十余次太空育種試驗，先后共有七十多種植物的一千多個品種的種子投入試驗，培育出了一大批具有優良性狀的新品種。

得益于植物種子體積小、便于攜帶的特點，太空育種在選育新品種上有較大的選擇空間，涵蓋了糧食類作物、經濟作物、中草藥材和樹木種子。經過選育的太空水稻“華航31”具有抗性強、籽粒飽滿、增產顯著的優點;太空青椒枝葉粗壯、果大肉厚、維生素C含量提高20%;太空車厘子、太空圣女果等水果的含糖量顯著提高，太空西瓜更加沙甜可口;太空玉米甚至可以結出六種顏色的果實。

太空育種的發展讓“綠月亮計劃”變得更加現實，未來的月球很有可能成為人類的太空農業基地。

在空間站將小規模植物栽培結合太空育種進行得有所起色后，下一個目標便是在地外星體探索農業試驗開展的可能性。

首先被瞄準的是距離地球最近的月球。雖然月球沒有生態系統，但是人類從未停止對月球的想象，從月球種菜到移民基地，再到第二家園等遐想不勝枚舉。嫦娥四號探月工程不僅首次實現了月背降落，還完成了月面生態系統研究。“月面微型生態圈”是一個由特殊鋁合金材料制成的圓柱形罐體，凈容積約0.8升，總重量三千克。微型生態圈中放置有馬鈴薯種子、擬南芥種子、果蠅、土壤、水、空氣以及照相機和信息傳輸系統等科研設備。

月面生物實驗的目標是在月面完成動植物的一個生長周期，時長為一百天，在此之間完成植物從發芽到開花、果蠅的繁殖以及蠶的生長周期。在生態圈中，土豆作為一種理想的太空食物，其塊莖收獲指數高、加工簡單、耐受性好、營養價值穩定，是各國人民青睞的優質口糧。在月球微型生態圈中，通過光導管，土豆和擬南芥通過光合作用提供動物所需氧氣，而動物產出的二氧化碳又被植物所吸收，由此循環，微型生態圈便可以持續。該實驗的開展為今后大規模生態圈的建設和太空農業的發展提供了理論基礎。

未來把菜種在地外

未來太空農業的發展除了在其他星體外表建立封閉生態圈外，還可以利用宇宙環境來改造植物，將植物作為生物反應器，利用基因編輯技術等手段來完成特殊物質合成，實現植物利用效率最大化。

飲食是限制太空任務時長的重要因素，目前宇航員在太空中的飲食基本靠地面運輸完成，還不能完全實現食物自給需求。而今后的太空農業的目標就是要解決這一問題，致力于在無地面運輸的條件下完成食物和能源供應。

2021年，中國農業科學院都市農業研究所研究員任茂智團隊在學術期刊Nature?Communications?上發表了題為《空間農業植物的生物技術發展》的論文，對太空全株可食馬鈴薯做了研究。現階段的太空農業只滿足于在空間站中完成生菜和芥菜等綠葉蔬菜的供給，如果人類要進行長期的太空任務和太空殖民，便需要建立有效的空間農業系統。為提高作物產率，該團隊采用全株可食用精英植物（WBEEP，Whole-Body?Edible?and?Elite?Plant）策略，對馬鈴薯進行改良。

電影《火星救援》中，由馬特·達蒙飾演的宇航員在火星上依靠自制的肥料和溫室條件種植土豆，最終獲得救援，但是種植的土豆僅有塊莖部位能夠食用，能量利用率無法達到最大化。任茂智研究團隊的策略則主要攻克馬鈴薯中龍葵素（一種生物堿毒素）含量高、產量低和肥料利用率低等缺陷。研究人員通過靶向生物合成技術，改變植物體內的代謝途徑，從而阻斷龍葵素在植株中的積累。為了提高作物的產量，他們使用基因工程策略來提高光合作用，以使得作物在太空有限的光照環境中最大限度地提高產量。

對于長期的太空探索而言，除了滿足基本的太空飲食需求，還需要解決能源問題。目前，除了利用地面運輸加注燃油以及航空器利用太陽能來獲取能源外，尚缺少其他太空能源補給的方案。如果能夠以生物質能為基礎，將植物產生的代謝物作為能源使用，則可以實現長期太空任務，加快太空探索的進程。乙醇是人類利用時間最長的能源物質之一，如果能將植物產生的乙醇作為燃料在太空使用，將有望解決能源供應問題。

日前，來自華中農業大學的彭良才研究團隊，揭示了優質水稻秸稈綠色高效轉化纖維乙醇和納米材料機制。植物細胞壁具有天然抗降解的屏障，因而制約了生物質的全面利用，遺傳改良細胞壁結構，可以從源頭上解決作物秸稈的利用問題。該研究利用水稻突變體Osgfc16，降低了抗降解屏障，大幅提高了秸稈的直接酶解效率，其中，纖維乙醇的產率顯著提高19%。該發現或許可以作為提供太空能源的補充思路，將無法食用的植物部分通過降解循環來實現能源轉化，最大限度地利用植株。

嫦娥五號任務結束后，嫦娥六號預計在月球表面搭載溫室，進一步開展月面栽培試驗。試驗主要研究溫室在月球環境中如何克服高強宇宙射線、極限溫度對植株的影響，確保植株成活及完成生長周期等任務。中國國家航天局也公布了探月計劃的下一階段目標：2030年在月球建立第一個國際科研站;2030年至2035年間建成拓展型的國際月球科研站;2036年至2045年正式建成月球基地，派駐宇航員長期執行任務。

相信隨著宇宙科研站的建立，未來勢必會有如同電影中方艙般的大片農田進入我們的視野。正如楊利偉所說，未來我們會在太空建立“太空農場”，依靠多種能源供給產生可持續動力，依托精準育種培育人類的多樣化目標產物。如此，人類耕種的火苗將在地外遍布開來。

【責任編輯?：竹?子】