去太空种花花草草

    新华社北京9月18日电（记者喻菲）好莱坞科幻电影《火星救援》中，独自滞留火星的宇航员依靠种土豆、吃土豆生存了500多天，得以等到救援返回地球。

    在火星种土豆真的能实现吗？虽然目前人类还未登陆火星，科学家们已经在国际空间站上种植并品尝过生菜了。而在中国空间实验室“天宫二号”上，科学家要种植水稻和拟南芥，让它们完成从种子到种子的全过程。

    科学家们关心，在没有了昼夜之分、四季之分、上下之分的太空中，地球之花还会按故乡时间绽放吗？会结出与地球上不同的种子吗？我们能到火星上种土豆吗?

　　我们能到火星上种土豆吗?

    “天宫二号”上要做什么样的植物实验？

    在“天宫二号”中的实验是针对粮食和蔬菜的空间种植问题，选择了典型粮食植物水稻和绿色高等十字花科模式植物拟南芥为研究对象。科学家们希望通过太空实验，来研究微重力条件下高等植物从种子到种子的生长发育规律，探索微重力条件下植物的光周期诱导开花规律与调控机理。

    “天宫二号”的部分拟南芥样品会随回收单元被航天员带回地球，为科学家了解空间微重力条件下高等植物种子发育与营养贮藏物质的形成提供第一手材料。

    中科院上海生科院植物生理生态研究所研究员郑慧琼介绍，如果种子正常发芽，将长出6棵水稻，约30棵拟南芥，其中有3至6棵拟南芥将在结出种子后被航天员带回地球。拟南芥的实验持续两个月左右，而水稻的实验持续3、4个月至半年。

　　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）

　　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

    郑慧琼说，植物开花相当于人从幼年到成年，这样的转变是怎样形成的？植物的叶子中能产生“开花素”，“开花素”可以被转运到茎的顶端引起开花，否则茎的顶端就一直长叶子。“在‘天宫二号’的实验中，我们把‘开花素’与绿色荧光蛋白融合在一起，我们要研究微重力对于‘开花素’的产生和运输是否产生影响”。

    天上种菜真的很难

    郑慧琼说：“太空上的植物实验非常难做，浇水就是一大难题。在地球上有重力，水浇到花盆里就会下沉到底部，但是在太空里给植物浇水，水会飘着，水量也要反复研究。”

    负责为“天宫二号”的实验研制植物培养箱的中科院上海技术物理研究所研究员张涛说：“为期6个月的长周期空间密闭培养植物，在中国还是第一次。”

    “在国际空间站上开展的同类实验中，宇航员能够介入空间实验，有时候生物学家会进入太空来操作实验。在‘天宫二号’高等植物培养实验中，为了使生物学家能够介入空间实验过程，我们设计的培养箱对生物学家关注的主要实验参数都可以通过遥控指令来调节，比如光照周期、温度、湿度、营养液供给等都可以控制。实验的温度范围为17至28摄氏度，湿度范围60%至100%。”张涛说。

    他说：“受条件限制，能够返回地球的样品很有限。如何能在样品不返回的情况下，又能够支持科学家开展研究呢？我们增加了很多监测与控制手段，比如通过彩色图像来了解植物的生长状态，并通过荧光相机来监测开花基因表达的情况；根据图像信息判断实验状态、进行实验条件调控。”

    据介绍，携带着水稻和拟南芥种子的“天宫二号”入轨数日之后，根据实验计划由地面发出指令，实验装置就将营养液注入植物培养单元中，开启实验进程。

    张涛说，在有限的资源条件下，植物培养箱的设计是巨大挑战。在这个体积仅为40厘米×30厘米×30厘米、重量不到20公斤的小箱子中，除了留出种植30多棵拟南芥和水稻的空间外，还安装了一套控制与数据采集传输系统、三台相机、两升培养液、两个风扇、四组水循环单元、乙烯去除单元、四组泵以及复杂的液体管路等。“研制人员最后安装管路的时候，几乎都没有下手的位置了。”张涛说。

    为什么要研究在太空种粮种菜？

    人类要飞出地球、探索宇宙、克服长期在地外生活的困难，首先要建立和发展空间生命生态支持系统，为人类航天活动提供长期生存所必需的氧气和食物。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，还没有成功范例。

    尽管科学家在太空已经开展了多次植物生长实验，但要在太空条件下成功地利用植物生产粮食与蔬菜等，为宇航员长期太空生活提供食物来源，还需要解决许多与植物生长发育有关的环境因子问题，包括微重力的影响。

　　绿色高等植物是密闭生态生保系统中物质循环与能量交换的关键

    地球上所有的生物都是在1g的重力条件下演化而来的，它们的生长发育、生理与代谢活动、行为特征都与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。

    空间植物学一直是科学家研究的重点领域之一。在空间微重力条件下植物生长表现为无一定方向性，这可能影响到植物有效的光合作用，导致产量大大减少。

    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。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。

    2015年8月10日，NASA公布了一段国际空间站收获第一批太空生长的紫叶生菜的视频。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。”

    郑慧琼说：“如果人类真的要去火星，在火星上种植粮食蔬菜是不可缺少的。地球上95%的能量都是靠植物把太阳的能量固定下来，转换为化学能，我们人类、动物才能生存。《火星救援》的男主角陷入绝境，但当他看到土豆能够活着的时候，他就相信自己能够活下去。能够把太阳能转变成化学能的只有植物，所以在太空，只有把植物种好了，才能想去哪里就去哪里。”

    她说，火星上如果条件具备，应该是能种土豆的，当然不能直接种植，还需要一个密闭系统，需要有二氧化碳和水。“如果我们现在能到火星上去研究，适应性强的蔬菜粮食都可以种，土豆是一种很好的选择，另外西红柿、黄瓜、青菜、水稻、小麦都可以种”。(配图除漫画制图外，均由中科院上海生科院植物生理生态研究所和中科院上海技术物理研究所提供。)