“天宫二号”猛料第一弹：我们也要去火星种土豆？

发布时间：2016-09-08 09:20　来源：中青在线　作者：中青报·中青在线

　　导读

　　还记得“天宫一号”的太空授课吗？女航天员王亚平化身“魔术师”，一会儿show出高速旋转而不倒下的陀螺，一会儿将一颗晶莹剔透的水珠悬浮在半空中，给中国人留下了一场极具科学性和趣味性的“视觉盛宴”。

　　如今，“天宫一号”的兄弟“天宫二号”，一个被称作一个真正意义上的空间实验室，将在未来不久飞向太空！这一次我们将会在“天二”做什么实验，这些又和未来的登月、探火计划有什么关系？从今天起，来点科学（ID：zqbscience）开启天宫二号时间，陆续为大家奉上有关“天二”的独家猛料。

　　第一弹的猛料是——植物实验。听起来可能觉得无聊，和我们生活没啥关系，那我先说一个关键词：火星种土豆。怎么样，是不是想到了《火星救援》里的情景？科技发展这么快，未来一不小心飞上外星，掌握了太空种植物的技能那可是救命的玩意儿啊！兴趣来了吗，读下去吧，干货很多！

　　为何到了太空还要关心粮食和蔬菜

　　有人说，地球上种点白菜、芋头什么的不挺好的，何必还要大费周折去太空种植物？这当然不是瞎折腾，毕竟，民以食为天，这一点，不仅不会随着时间的推移而发生改变，即便是到了天上，也还是适用的。

　　在地球上，植物的地位人们并不陌生，它是食物链以至生态系统中的关键环节。一方面，植物为动物（包括人类）提供食物，包括碳水化合物、蛋白质、油脂和维生素等；另一方面，植物通过光合作用释放氧气，维持大气中的氧气含量，调节二氧化碳平衡，为我们提供生存所必须的气体环境。

　　到了太空，依然如此。在人类宇航员目前可以到达的太空范围内，太阳光是取之不竭，用之不尽的可再生能源。绿色植物可以利用太阳光的能量进行光合作用，生产食物、吸收二氧化碳、释放氧气，同时，可以利用人类生活产生的废弃物，利用蒸腾作用来净化水。因此， 在可再生的宇航员生命支持系统中，高等绿色植物是物质循环与能量交换的关键。

　　近10多年来，建立月球或火星基地（种土豆哦），成为不少探索太空一个重要目标，放眼国际，各个空间大国都在积极开展以太空实验以及 人类长期空间生活消费所必需的研究为目的，研究在空间培养或栽培植物，了解在没有重力和完全封闭条件下植物生长发育等问题。要知道，在太空条件下成功地利用植物生产粮食与蔬菜等，尚需解决包括重力在内的诸多与植物生长发育有关的环境因子的影响问题。

　　达尔文都没搞清楚的植物秘密

　　这就有必要提一下重力这个关键词了。

　　身在地球的我们，对此并不陌生。地球被大气层包围着，大气的自身重量形成大气压，在海平面处，大气压的标准值为101.3千帕。地球表面重力加速度的平均值为9.81米/秒（记作1g），这几乎是一个亘古不变的常量，而这个力的影响，是地球生物自诞生之日起都必须承受的。

　　要知道，包括我们人类在内的生物，都是在1g的重力条件下演化而来的，不管是我们的生长发育、生理与代谢活动、行为特征，都要与1g的重力相适应，很多生物还演化出专门感知重力变化的器官或细胞器。特别是绿色高等植物，要依赖重力来引导其生长方向，这也就是通常所说的向重力性（也称向地性）反应。

　　植物向重力性的生理过程十分复杂，科学家们对这一过程的研究已有一百多年。早在19世纪，达尔文父子就出版了《植物运动的力》一书，专门讨论植物“运动”的奥秘。不过时至今日，植物向重力性过程的调控机理还不完全清楚。

　　我们只是知道：重力，参与调控了植物几乎全部的生命过程，比如种子萌发后叶片的开闭、侧枝侧根的发育、开花传粉和种子的形成等。而高等植物的根通常具有正向重力性，也就是沿着重力方向向土壤中生长，以获得更多水分与矿质营养；而茎的负向重力性则使其能够向上伸展生长，以获得更多的阳光。

　　在太空中植物会怎么长？

　　相应地，一旦离开地球到了太空，失去重力，进入到失重或微重力环境后，植物原来所赖以生存的重力环境就被打破了，那会发生什么？变异？长出车子那么大的南瓜和玻璃那么透明的丝瓜？

　　而且，当地球生物离开地球，还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波辐射、没有大气，以及重力环境的变化。这些又会带来什么？答案是……这就需要我们到太空做实验研究。

　　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2.53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0.38倍，也为低重力环境。

　　近年来，航天技术的迅猛发展，为研究在空间微重力条件下植物的生长发育提供了前所未有的机会，比如，亚轨道飞行的探空火箭，失重飞机的抛物线飞行，绕地球轨道飞行的卫星、航天飞机、飞船、空间实验室和空间站，以及星际飞行的月球探测和火星探测任务。

　　空间微重力条件下，植物发生的最为明显的变化，就是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无一定方向性，这也可能因此影响到植物有效的利用光能进行光合作用，导致产量大大减少。

　　20世纪90年代，随着苏联和平号空间站的建立，苏联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。

　　“天宫二号”为何选了她？！

　　他们没有干成的，让“天宫二号”来！针对粮食和蔬菜的空间种植问题，“天宫二号”所挑选的，正是拟南芥，还有水稻，利用空间实验室中的微重力环境来研究空间高等植物种植问题及其解决办法。

　　拟南芥

　　为什么要选拟南芥和水稻？因为前者是长日照植物，后者是 短日照植物。所谓长日照植物，指的是每天日照时间长于它的临界日长就开花，短于它的临界日长就不开花的植物，相应地短日照植物是指，日照短于一定临界值时才能开花的植物。

　　现在拿来拟南芥和水稻这一长日照植物，一短日照植物，科学家将通过实时的可见光和荧光图像技术，来观察微重力条件下拟南芥和水稻从种子萌发、幼苗生长和开花发育全过程，为解析微重力条件下高等植物形态建成，以及从种子萌发、营养生长向生殖生长转变过程的调控机理提供新的知识，对植物栽培和品种选育等都有重要意义。

　　高等植物培养箱（左图）和空间高等植物培养实验示意图（右图）

　　当然，科学家之所能开展这项对比试验，就是根据地球上高等植物受光周期诱导的两种典型的反应途径——长日照和短日照诱导开花途径，以及关键的开花基因的作用机理。

　　这里补充一个背景，即地球上绝大多数植物的开花都与季节有关，已有研究证明这主要是因为植物体内存在一套可以感知季节变化和昼夜交替的信号系统，也称为 光周期反应。植物这种有节奏的生长运动是其能够适应环境，得以生存与繁殖不可缺少的机制，但是，目前人们对于其机理还了解甚少。

　　当地球植物飞向太空后，昼夜不再是24小时周期，也不再有四季的变化，如在国际空间站上每24小时中有16次的日出与日落，更重要的是没有了重力，生活于其中的植物没有上下方向。

　　那么，植物的生长发育和代谢活动会有怎样的变化？其内在的遗传机制会怎样适应地球上从未有过的微重力新环境？国内外在空间已进行了多次的植物生长试验，但还并没有完全阐明微重力对植物生长发育的影响，尤其对于微重力条件下开花的调控目前尚未见报道。

　　拟南芥和水稻生长周期示意图

　　拟南芥（上图）和水稻（下图）在高等植物培养箱中生长的实时可见光图像

　　延伸阅读：美国一项植物研究让人类离火星更近了

　　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长期生存所必需的氧气和食物。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生活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，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。

　　人类登上月球已过去40多年，现在重返月球和登陆火星的梦想席卷全球。一些科学家不但绘制了月球基地和火星基地的蓝图，而且已经完成选址。如何建立以绿色高等植物为基础的空间密闭生态循环系统，为未来航天员长期的空间生活提供补给，是一个浩大且漫长的工程。我们期待着中国科学家早日突破空间生命生态保障系统的技术瓶颈，跨越天疆，构建人类地外长期生存的新天地！