试验种植(在太空里吃些啥？看看科学家们的种植试验)

宇航员们在外太空如何生存？科学家们展开了在外太空种植农产品的各种试验。

要成为“星际物种”，我们需要找到在太空环境中可持续种植粮食的方法。

三年后，美国国家航空航天局（NASA）将把宇航员送往月球，这是阿波罗时代以来的第一次。这项名为ArtemisIII的任务目前计划于2024年10月发射，作为NASA将“第一个女人和下一个男人”送上月球表面目标的一部分。

除此之外，NASA的阿尔忒弥斯计划还呼吁建立所有必要的基础设施，以实现“可持续的月球探测计划”。这将包括建造月球通道，一个允许定期往返月球表面的轨道栖息地，以及阿尔忒弥斯基地——这将允许宇航员们长期停留在月球表面。

为了实现这些目标，NASA正忙于开发和测试半个世纪以来首次将宇航员带出近地轨道（LEO）的所有部件，如太空发射系统（SLS）和猎户座航天器。

除了NASA，欧洲航天局（ESA）、俄罗斯联邦航天局（Roscosmos）、中国国家航天局（CNSA）和印度空间研究组织（ISRO）等航天机构都有将宇航员送上月球的计划。一些人甚至计划在月球的南极地区建立一个永久的月球定居点（比如欧空局的国际月球村）。

除此之外，美国国家航空航天局（NASA）和其他太空机构也在深入研究人类如何在太空中长期生活和工作。这意味着要设计出能够为宇航员提供可呼吸的、温暖且不受环境因素影响的栖息地。

考虑到前往月球、火星或其他地方的任务将不能依靠定期的补给任务，这些栖息地也需要尽可能地自给自足。这意味着水和空气需要持续回收和清洁，一些食物需要在室内种植。

这就产生了许多问题，因为太空对所有生物来说都是一个非常恶劣的环境。除了常见的危险之外，关于太空中的粮食生产，我们还有很多不知道的东西。但是，随着人类太空探索的新时代即将到来，我们决心要找到答案！

1.生活在太空中的挑战。

太空是一个极其荒凉的地方。在低地球轨道(LEO)以外的任何地方，都存在着多种危险，这使得探索变得非常具有挑战性。以月球和火星为例，这两者都是未来探索任务（甚至是定居）的目的地。

月球是地球最接近的天体邻居，这使它成为最容易、最快、成本最低的目的地。与此同时，火星被认为是太阳系中第二适宜居住的天体。然而，如果没有一些严肃的技术干预，长期生活和工作都是不可能的！

大气层：

首先，月球是一个没有空气的天体。虽然从表面排出气体产生的压力很小，但几乎可以忽略到接近真空的程度。另一方面，火星有大气层，但据我们所知也不能维持生命的存活。

首先，火星表面的大气压力不到地球海平面（101.325kPa对0.655kPa）的1%。这种极稀薄的空气也主要由二氧化碳（96%）、3%的氮气、1.6%的氩气和水蒸气组成，只有微量的氧气。因此，火星的大气层不仅太稀薄，无法呼吸，而且对于人类和动物来说，它是一种有毒的烟雾！

温度：

在地球上，我们稠密的大气层，驱动它的动力（又名：气候）、二氧化碳和其他温室气体的水平确保了温度随着时间的推移相对稳定。当然，有地区和年度的变化，但总体上，变化的程度并不极端。

根据世界气象组织（WMO）的数据，地球平均气温约为14摄氏度（57华氏度）。然而，它们也会从最小的-128.6°F到最大的134°F（-89.2°C到56.7°C）——即总的范围是262.6°F。（146°C）

在月球上，表面温度平均在-9.4°F（-23°C）左右，在阳光直射下从-280°F到243°F（-173°C到117°C）。从极冷到滚烫，总温度范围为523°F（290°C）。气候变化得太剧烈了！

火星的情况或许会好一点。在这颗红色星球上，气温平均在-82°F（-63°C）左右，夏季中午从-226°F到95°F。从极冷到温暖，总温度范围为321°F。（178°C）

辐射：

在地球上，生活在发达国家的人们平均每年受到约620mrem（6.2mSv）的辐射，相当于每天1.7mrem（0.017mSv）。根据最近的一项研究，在没有大气或磁场保护的情况下，月球的远侧受到的辐射是地球上发达国家的人们受到的200到1000倍！

再一次，火星上的情况要好一些，但肯定不是最好的！2008年，美国宇航局进行了一项研究，显示火星上的宇航员（或殖民者）平均每年暴露在2667mrem(26.67mSv)或每天0.073mSv的辐射中——这是这个数字的4.3%。

微重力：

虽然针对上述所有挑战都有预先存在的战略，但仍然存在严重性问题。国际空间站（ISS）上正在进行的研究表明，长期暴露在微重力下会对宇航员的健康产生有害影响——从肌肉和骨骼到心脏健康和心理疾病。

然而，月球引力和火星引力对地球生命健康的长期影响还没有被很好地理解。在月球和火星上，重力分别是我们在地球上经历的重力的16.6%（0.166克）和38%（0.376克）。

2.食物，无上荣光的食物。

虽然可以有把握地假设效果是相似的，但对于食物而言，我们仍需要做大量的研究。我们需要了解对于食物而言，上述对于人类可能产生的影响将如何以及何时生效，它们可能会持续多久，它们如何(或是否)可以逆转，以及从长远来看，可以做些什么来缓解它们。

所有这些危害对植物也存在一个潜在的风险，宇航员将依赖植物来提供大部分营养。植物性蛋白质的好处是更可持续，资源密集度更低，许多绿色蔬菜还含有我们离不开的矿物质和营养物质。

但是，如果未来外太空的人也打算在他们的饮食中加入动物蛋白，那就意味着家畜，这意味着它们的健康也必须得到保证。在我们弄清楚如何做到这一点之前，需要进行大量的研究。幸运的是，这项研究正在如火如荼地进行着！

3.过去的实验。

生物质生产系统（BPS）：

全球BPS环境控制子系统为植物提供了一个生长环境，研究微重力对小麦光合作用和新陈代谢的影响。这项实验从2001年12月持续到2002年6月，目的是调查再生生命维持系统是否可以被纳入未来的月球和火星任务中。

这项历时73天的实验总共收获了8次，结果表明微重力对植物生长并不是一个重要的压力源。然而，国际空间站上生长的未成熟种子与地面上生长的种子之间的比较表明，微重力可能会影响植物的口味和营养价值。

拟南芥根系特性（CARA）：

在2014年3月至2014年9月期间进行的这项新的拟南芥根系吸引特性（CARA）实验，在分子和遗传水平上研究了在微重力条件下影响植物根系生长的机制（以及它们在没有光的情况下会如何变化）。

这项实验包括将一组幼苗暴露在阳光下，同时将另一组幼苗置于黑暗中，并检查每种环境如何影响根的生长模式。结果表明，微重力对植物生长激素以及调节细胞大小和形状的基因都有一定的影响，而这些基因影响根的生长。

重力感知系统：

在地球上，植物对光和重力做出反应来引导它们的根的方向。全球定位系统实验于2017年9月至2018年10月进行，调查了植物在微重力环境中如何感知重力和光线。

这涉及将正常和突变的研究植物（泰尔水芹）置于国际空间站的欧洲模块化培养系统中，该系统包含一个用于模拟重力的离心机。这使得研究人员可以在黑暗中交替地让植物承受微重力和模拟重力（0.006微克到1微克）。

光合作用实验和系统测试操作（PESTO）：

在2001年12月至2002年6月期间（与BPS一起）进行的全球光合作用实验和系统测试与操作试验（PESTO）调查了微重力对矮秆小麦植株的影响。

与地球上生长的样品相比，国际空间站上的小麦植株生长得大10%，而叶片生长速度相似。实验还发现，微重力改变了叶片发育、植物细胞和叶绿体（进行光合作用的细胞结构），但对植物无害。

国际植物通用生物处置装置实验室（PGBA）：

国际植物通用生物处理装置实验室（PGBA）从2002年6月到2002年12月，研究了微重力对植物细胞壁的一个重要部分（木质素）的影响。它由一个独立的植物生长室组成，提供温度、湿度、养分输送和光线控制。

实验发现植物物质不能正常发育，并确认需要在植物生长室内加强空气质量调节。从中吸取的经验教训为未来所有植物生长实验改进了太空飞行植物室设计。

4.当前的实验。

由于靠近地球与其先进的设施和微重力环境，国际空间站（ISS）能够容纳多项实验。除了研究太空旅行对人类的影响外，还在进行多项植物实验。这些实验包括：

高级植物栖息地：

美国APA于2017年4月开始在国际空间站上运行（并将持续到2021年9月1日）。这是一个全自动闭环系统，旨在进行植物生物科学研究，该系统由美国宇航局和美国轨道技术公司（ORBITECH）共同开发，由美国宇航局肯尼迪航天中心（KSC）管理。

该系统采用了一系列LED灯和一个环境控制的生长室，配备了180多个传感器。这使得APA可以在最佳光照条件下种植植物，同时将实时信息（植物和土壤的温度、氧气含量、二氧化碳含量和水分含量）反馈给KSC的团队。

阿列夫零号（AlephZero）:

2019年，总部位于以色列的阿列夫农场公司（AlephFarm）（与俄罗斯公司3DBiopprint Solutions合作）培育了太空中的第一块肉。使用直接从牛细胞打印肉类的工艺，该公司在国际空间站上生产了少量牛肉。

为了在这一成功的基础上再接再厉，该公司在2020年10月下旬宣布了一项新计划，将在太空中大规模种植肉类。该项目名为AlephZero，该公司正寻求与科技公司和太空机构建立战略合作伙伴关系。

美国生物实验室（Biolab）:

美国生物实验室（Biolab）的实验是作为欧空局哥伦布号模块的一部分交付给国际空间站的，该实验研究了失重在有机体的各个层面上所起的作用，从对单个细胞的影响到包括人类在内的复杂有机体。

自2008年哥伦布号发射以来，Biolab利用配备离心机的培养箱模拟不同水平的重力，研究了微重力对小型植物、无脊椎动物、微生物、动物细胞和组织培养的影响。

太空中的土壤健康：

农业（空间土壤健康）实验研究了植物栽培和健康中另一个经常被忽视的方面——土壤和养分的聚集，也被称为控制环境下土壤稳定性的重力效应的测定。

该实验基于美国康奈尔大学农业与生命科学学院的约翰·摩根·艾伦斯博士（Dr.Morgan Irons）和约翰尼斯·莱曼博士（Dr.Johannes Lehamann）以及柏林自由大学的马蒂亚斯·里利格博士（Dr.Matthias Rilling）进行的科学研究。

赞助由诺福克研究所、美国荣鼎科学有限责任公司、美国国家航空航天局、太空科学促进中心提供，资金来自深空生态有限责任公司、荣鼎科学公司、Ebio365和美国兹韦伦伯格-蒂茨基金会。

该实验由三种类型的土壤样本（纤维质的、富含有机物的和富含淤泥/粘土的）组成，分布在12个0.135盎司（4毫升）的小瓶中。这些样本由康奈尔大学（富含淤泥/粘土的样本）、BIO365（BIOALL，纤维样本）和里利格实验室的柏林土壤（富含沙子的有机样本）提供。

这些土壤样本被细分为两组，每组六份，被称为“自由浮动”和“限制移动”组。最后，这两组六份样本又被细分为两组，每组三份，分别按各自持水量的60%和30%浇水。

这项实验的目的是确定微重力对真菌和细菌生长和活动的影响，如果人类想要在地球以外的地方种植食物，这是必不可少的。该实验的发明者、康奈尔大学土壤和作物科学博士研究生摩根·艾恩斯（MorganIrons）解释说：

“活的土壤根际中的微生物有助于产生土壤团聚体，这是一种重要的土壤结构，支持农业植物获得生长所需的生物地球化学反应。太空土壤健康实验的分析结果将增强我们对航天如何影响土壤微生物活动和空间农业系统的生物再生能力的了解。这些知识将使我们能够在未来的太空任务中提高在受控环境农业系统中种植的粮食作物的效率和产量。”

美国素食生产系统：

美国素食生产系统（又名Veggie)自2013年3月以来一直在国际空间站上运行，并支持各种旨在观察植物如何感知和响应重力的实验。此外，部分作物通常由机组人员收获和食用，其余的则被带回地球进行进一步分析。

在国际空间站上的所有植物实验中，蔬菜在生产量上占有很大的地位，这使得以前由于大小限制而无法生长的更大的植物得以生长。其可调节的LED灯库还允许在需要临时光源的其他实验中使用。

到目前为止，国际空间站（Veggie-01到Veggie-04）上已经进行了四次重大实验。2018年2月，Veggie得到了增强，增加了蔬菜被动轨道养分输送系统（PODS），这是一个旨在微重力环境下高效输送水和养分的系统。

池塘单元的设计目的是减轻微重力对水分配的影响，增加氧气交换，并为根区生长提供足够的空间。这将允许种植更多的农作物，包括更大的叶菜、水果作物，以及新型生菜和水田蔬菜。

5.其他实验。

并不是所有在太空中生产食物的实验都是在国际空间站上进行的。其中一些是在地球上完成的，或者是在某些更具异国情调的地方（比如月球）完成的。

嫦娥四号：

2019年1月，中国嫦娥四号任务成为第一个登陆月球背面的机器人月球探测器。除了一套科学仪器外，着陆器元件还搭载了由28所中国大学联合设计的月球微生态系统。

它由一个6.6磅（3公斤）的密封模块组成，里面装着土豆、番茄、拟南芥种子和蚕卵。这样做的目的是测试植物和昆虫是否能在微重力环境中共同生长。2019年1月15日，有消息称，棉籽、油菜籽、土豆种子已经发芽，成为第一批在月球上发芽的植物。

9天后，当突然降温(由月球的夜晚引起)及生物圈未能保持温暖导致幼苗死亡时，实验被终止。然而，这项实验是此类实验中的第一次，并提供了有价值的数据。

联合可再生空间有机食品生产卫星（EuCROPIS）：

2018年12月，德国联邦航空航天中心（DLR）将Euglena和联合可再生空间有机食品生产（EuCROPIS）卫星送入近地轨道。这项任务使用人类排泄物作为营养源，在模拟重力条件下测试植物生长。

这颗卫星被设计成能够旋转以模拟重力，其中包括两个配备了种植西红柿的温室。EuCROPIS进行了两个实验，模拟了月球和火星引力（分别是地球重力的16.6%和38%），并研究了它们对植物生长的影响。

月球温室：

月球温室（LGH）于2009年投入使用，是一个水培植物生长室和技术示范。LGH是生物再生生命支持系统（BLSS）的一个例子，该系统旨在为地球以外的生活和工作提供一个闭环、可持续的生命支持系统。

除了为宇航员提供持续的食物供应外，它还为机组人员提供空气重复利用、水回收和废物回收。LGH是由亚利桑那州立大学受控环境农业中心（UA-CEAC）的研究人员在美国宇航局戈达德地球科学中心（GES）的支持下设计和建造的。

6.未来的实验。

目前有几个试验正在开发过程中，或者已经完成等待发送到国际空间站。还有激励性的竞赛以激发更多的实验、想法和策略。

BIOWYSE：

由挪威国家空间跨学科研究中心（CIRiS）开发的用于空间探索的生物污染综合控制湿式统将确保为宇航员提供可持续和可再生饮用水的不同方法。

这个集成系统的设计目的是储存淡水，监测其污染迹象，并用紫外线（而不是化学物质）对其进行净化。它还能够监测空间站或航天器内部各种潮湿地区的细菌污染水平。

这是必要的，因为国际空间站上大约80%的水来自空中的水蒸气，以及回收的淋浴水和尿液。未来为生活在狮子座或外星世界而设计的栖息地将同样需要在闭合循环系统中收集水，以供饮用和灌溉。

目前，国际空间站依靠化学品来净化循环水，但从长远来看，这不太可能持续下去。一个能够感知空气中水蒸气和潮湿表面污染的系统也将为机组人员的健康和安全带来好处。

伊甸园国际空间站（EdenISS）：

2015年5月，在南极洲建立起了一个实验温室设施，以测试一种在太空中种植植物的新方法。它的名字是伊甸园国际空间站（EdenISS），这是一个由大约15家公司和研究机构（包括德国航空航天中心）于2015年启动的跨国项目，由欧盟的Horizon2020研究和创新计划提供资金。

该系统结合了先进的养分输送、高性能LED照明、生物检测和净化技术，可在有限的空间内种植多种植物。除了验证这种类型的系统可以在国际空间站上运行外，伊甸园国际空间站还打算在地球上应用，为南极Neumayer站III的越冬工作人员提供新鲜农产品。

全球轨道生物自动舱（OBAM）：

2020年2月，俄罗斯托木斯克理工大学和他们在俄罗斯中部的合作伙伴宣布创建一个轨道温室的原型系统——被称为全球轨道生物自动舱。这种装置将允许植物在太空中生长和培育，而只需最少的人工监督。

OBAM将加速植物生长的智能照明与专门的水培、自动化灌溉和机器人收获相结合。初期研究人员还在为国际空间站开发放大版的原型，它将是圆柱形的，包含大约320英平方尺（30平方米）的种植面积。

时间尺度：

这项为期三年的计划由来自六个欧洲国家的八家研究机构组成的财团开发（资金由欧盟的Horizon2020计划提供）。该计划的缩写是在可伸缩的高级生命探索支持系统中开发模块化设备的技术和创新（TechnologyAnd Innovation For Development Of Modular Equipment In ScalableAdvanced Lifesupport Systems For Space Explorations）。

这项技术也是由CIRiS的研究人员开发的，旨在为种植植物而循环利用水和养分。像它的前身一样，它依靠旋转的离心机来模拟月球和火星的重力，并测量这对植物吸收养分和水分的能力的影响。

第七，深空粮食挑战赛。

NASA举办激励性竞赛的传统由来已久，其目的是将特定挑战的解决方案众包出去。鉴于粮食生产系统在未来几年将具有高度优先地位，美国国家航空航天局（与Methuselah基金会合作）和加拿大航天局（CSA）联合发起了全球深空粮食挑战赛。

作为美国国家航空航天局第二个百年挑战计划的一部分，这项比赛将为长期任务的食品生产技术或系统的开发颁发现金奖励。获奖作品将是那些能够提供安全、营养和开胃的食物，而这些食物需要的资源最少，产生的废物最少。

这项比赛于2021年1月宣布，将继续接受申请直到2021年7月30日。美国国家航空航天局将向美国公民提交的竞赛第一阶段获奖提案颁发高达50万美元的奖金。

加拿大航天局将为参赛的加拿大团队举办一场类似的平行竞赛活动，并从自己的奖金中颁发奖品。其他国家的参赛队也可以参赛，他们的建议将获得国际认可，但没有资格获得奖金。

根据呈现的技术，可能会有第二阶段，包括可能会紧随其后的厨房演示。格蕾丝·道格拉斯（GraceDouglas）是美国国家航空航天局约翰逊航天中心（JohnsonSpace Center）的先进食品技术首席科学家，她这样解释了比赛的目的：

“我们需要为我们的宇航员提供满足热量和营养要求的食物，但我们想要更进一步。食物系统的多样性、可接受性和营养含量有可能超越仅仅维持人体的范畴，促进心理和生理健康。”

第八，为了太空，更为了地球。

除了培养在太空和其他天体上种植粮食的创新想法外，这项研究还旨在创造更可持续的食物实践供国内使用。在不久的将来，全球人口预计将超过100亿，这将与干旱、极端天气、沿海和内陆洪水以及环境破坏程度的加剧不谋而合。

简而言之，我们的人口将不断膨胀，而我们赖以生存和谋生的系统将处于危险之中。为了迎接这一挑战，人类需要找到一种方法，以一种可持续的方式养活更多的人而不会增加我们对自然环境的影响。

正如摩根·艾恩斯（MorganIrons）总结的那样，他是DSE的联合创始人兼首席科学官，也是美国国家科学基金会（NSF）、美国卡尔·萨根研究所（CarlSagan Institute）和诺福克研究所的研究员：

“土壤健康与农业健康有着千丝万缕的联系，对于生产营养食品、促进地球和太空中的环境和人类健康至关重要。无论我们是在月球、火星还是其他行星上，当地的土壤或风土层都是一种宝贵的原地资源，既可以进行加工，也可以用来发展适应极端环境生活的有弹性和适应性的栖息地，比如准封闭的农业生态系统。”

成为一个“多行星物种”（正如埃隆·马斯克所说）不仅仅意味着要学会在其他星球上生活。这也意味着找到更好、更可持续的方式在地球上生活，直到无限的未来。虽然有一天我们可能会冒险在宇宙的其他地方扎根，但正如我们所知，地球永远是生命的摇篮。

如果说太空之旅教会了我们什么，那就是像地球这样的行星是多么稀有和珍贵，我们不应该想当然地认为这是理所当然的。它还告诉我们，我们要殖民太空的唯一方式是了解我们的行星环境，并欣赏它赋予生命、维持生命的系统。

BY:interestingengineering

FY:罗导

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