互动科普

太空中植物怎么长？

当地球生物离开地球，生活在地球外层空间和太阳系的其他行星上，就会受到来自空间各种因素的严峻挑战，比如各种粒子辐射和电磁辐射、没有大气以及重力环境的变化。

地球之外的重力环境包括微重力、低重力和超重。远离各行星的自由空间为微重力；在月球上，重力约为地球重力的1/6，即0.17g，属于低重力；而在木星上，重力是地球重力的约2.5倍，属于超重。火星是太阳系中与地球最为相似的行星，近年来世界各国都将空间探索的目标对准火星，火星重力是地球重力的约0.4倍，也为低重力环境。

从1957年第一颗人造地球卫星环绕地球时起，近60年来，空间植物学一直是科学家研究的重点领域之一。早期人们主要关注的是空间环境对植物的生理学和细胞学层面的影响。20世纪80年代初，逐渐开始关注对植物个体发育全过程的影响，研究能否在空间完成从种子到种子发育的全过程。90年代末期，随着分子生物学的发展，空间植物学也进入到了机理研究阶段，主要研究植物在适应空间环境过程中基因组与蛋白质组水平上的变化。科学家开始尝试和设想利用转基因技术改造地球植物，以适应严苛的空间环境，希望在未来人类探索宇宙的遥远征程中，利用植物来提供食物、氧气和纯净水这些基本要素。

空间微重力条件下，植物发生的最为明显的变化就失去了向重力性反应。比如，在地球重力条件下，水稻、拟南芥和小麦的地上部分都表现为直立的向上生长，而在空间微重力条件下则表现为没有一定的方向性，这也可能影响到植物有效利用光能进行光合作用，导致产量大大减少。

图：植物在空间微重力条件下失去向重力性反应

在地球重力条件下，水稻（A）、拟南芥（B）和小麦（C）的地上部分表现为负向重力生长反应，也就是直立生长；在空间微重力条件下，水稻（D）、拟南芥（E）和小麦（F）的地上部分向重力性反应消失，表现为随机生长状态。

20世纪90年代，随着苏联和平号空间站的建立，苏联（俄罗斯）和美国科学家在空间站上用超矮化小麦进行生长实验。在900平方厘米的面积上生长97天，获得150个麦穗，遗憾的是穗中没有成熟的种子。在和平号空间站上生长的白菜，通过人工授粉，成功生长了两代，但是第二代种子的发芽率和植株生长都不如第一代。

最近在国际空间站进行了拟南芥从种子到种子的培养实验，科学家认为只要空间培养条件得当，拟南芥在空间微重力条件下可以完成从种子萌发到开花结实的整个过程。但是，他们的实验结果显示，微重力条件下发育的拟南芥有大约20%的植株没有抽薹，另外，有近一半的果荚中没有结种子。

总之，空间环境对于植物生长发育的影响是十分复杂的，目前还不清楚其根本的作用机制。

太空作物助力人类飞出地球

随着空间科学和航天技术的发展，人类对空间的探索已从20世纪的“载人飞船-航天飞机-空间站”，转向21世纪的“载人飞船-月球基地-载人火星探测”。人类活动疆域不断拓展，从近地轨道到深空探测，从建立月球基地到火星生存。在人类向更高、更远探索的征程中，空间环境与地球环境的巨大差异成为制约人类向宇宙纵深发展的重要因素。人类要飞出地球、探索宇宙、克服长期在地外生活的困难，首先要建立、发展空间生命生态支持系统，为人类长期航天活动提供必需的氧气和食物。

其次，科学家也在设想建立月球和火星基地，其中种植供太空基地工作人员食用的农作物成为这个设想的中心任务之一。不过到目前为止，在月球或火星所需的那种完全封闭式环境中种植植物，还没有成功的范例。

2015年8月10日，美国航天局（NASA）公布了一段视频，内容是关于在国际空间站收获到了第一批太空生长的紫叶生菜，吸引了全世界的目光。在经过表面消毒等简单处理后，来自美国的和日本的宇航员一起品尝了这些生菜。对此，NASA官网评论道：“这让人类登陆火星又前进了一步。”NASA并没有夸张，这一批生菜来之不易，它们是众多植物生理学家、工程学家以及航天专家通力合作的成果。

植物生理学家需要精确计算出空间微重力条件下植物生长所需的光、水和气体。空间微重力条件下，水分在空气和土壤中的分布都与地面重力条件下有明显的差异，比如地面条件下植物蒸腾作用产生的水会在凝结为水珠后随着重力落到土壤中，而微重力条件下，水珠则会飘浮在空中或在植物叶片周围聚集，土壤中的水分也是会在根周围聚集。另外，空间微重力条件下，气液分离非常困难，这会导致植物的呼吸作用与光合作用所需的气体交换变得困难。这些因素使得空间植物往往表现出缺氧的症状，导致生长缓慢，甚至死亡。工程学家通过在培养箱中对光、水、气、温度、湿度等进行调控，逐渐克服了空间环境对植物生长的不利因素。不仅如此，现在科学家已经可以通过实时的图像随时监测空间植物的生长状况，及时调整植物培养箱中的环境因素。

（本文发表于《科学世界》2016年第5期）