在太空种土豆 总共分几步?植物学家的答案是…(组图)

2024 年 10 月 12 日，中国科学院植物学博士、正高级研究馆员史军在科普中国·星空讲坛“探秘星河 逐梦九天”主题场带来演讲《把菜园搬到太空去》，为我们讲述太空探索中的植物科学知识。 以下是史军的演讲节选： 俗话说“民以食为天”，前往星辰大海的旅行，有一个绕不开的问题——吃。 在太空中，食物从哪里来？有人说从地球带上去，但这个价格是非常昂贵的，而且也无法满足大量的人群的需求。所以，只能在太空当中生产自己所需的食物。 那么，在众多的食物中，为什么我们要把菜园搬到太空去？又为什么会选择土豆？这里面其实有很多非常有趣的植物科学知识。 我们为什么要在太空种菜？ 首先，人类所依赖的巨大的能量源——太阳，实际上是有寿命的。到现在为止，太阳的寿命大概是 46 亿年，这个时间听起来很长，但是万一哪天太阳发生了一些变化，我们可能需要迁居到外星球。再者，我们还面临“天外来客”的威胁，比如小行星撞击地球。这样的撞击可能会导致大规模的生物灭绝，这在地球历史上并非罕见，最著名的例子就是导致恐龙灭绝的那次。 当然，这些事情听起来都离我们很遥远，可人类今天还面临着一个更棘手的问题，就是全球气候变化。由于工业化进程中对化石燃料的大量消耗，全球气候正在发生剧变，极端天气事件日益频繁，地球可能逐渐变成一个不适合人类居住的地方。在这种情况下，我们不得不考虑寻找新的家园，这也是我们将菜园搬到太空的原因之一。 在太空中种土豆， 为什么？怎么种？ 在太空中种菜，为什么会选择土豆？不光是因为土豆好吃，还和土豆自身的特点有关。土豆的可食用部分并非其花朵或果实，我们真正吃的是土豆的块茎。 选择吃块茎带来了显著的优势：只需将土豆切成几块，埋入土中，就能生长出新的土豆。这种方法比等待土豆开花结果后再收获果实，更为简便高效。


土豆田。图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷 把土豆带到太空之后，种到哪里？大家的第一反应可能就是种土里，然而，这其实是有很多问题的，因为外星球的土壤与地球土壤是不同的。 以火星为例，火星的土壤里含有我们难以想象的复杂成分，尤其是高氯酸盐，这种成分在地球上主要用于强力消毒，比如一些消毒湿巾中就含有高氯酸盐。想象一下，这种消毒剂能杀死所有微生物，那么将土豆直接种植在这种土壤中，土豆的命运恐怕会和那些微生物一样，无法存活。因此，如果我们想利用火星土壤种植土豆，必须先将其彻底清洗，去除高氯酸盐，这个过程非常复杂。 更关键的是，火星土壤里没有肥料，肥料对于植物生长至关重要。中国有句农谚“庄稼一枝花，全靠粪当家”，说明了肥料对作物生长的重要性。因此，首批登陆火星的宇航员需要努力改善土壤条件。不过这并不意味着可以直接将人类排泄物用作肥料，必须经过发酵过程。未经发酵的排泄物植物无法吸收，只有经过发酵分解为简单矿物质营养后，植物才能吸收利用。虽然这个过程听起来复杂，但幸运的是，我们不必完全依赖土壤来种植植物。 很多人可能都试过水培植物。只要有足够的水，即使不需要土壤，也能种植许多蔬菜，包括土豆。这种新型的栽培方法，不是将土豆直接泡在水里，而是将其架空，通过喷雾直接提供营养，这种方法已经相当成熟。因此，即使脱离土壤，我们仍然可以种植蔬菜。但是，水是不可或缺的，因为水是植物生长的必需元素。 以电影《火星救援》为例，影片中主角在火星上种植了大约 100 平方米的土豆田。种植这些土豆需要 60 立方米，即 60 吨的水。听起来很可怕，是吧？60 吨水可不是小数目。这些水并非全部用于土豆生长，部分水会被土豆释放到空间中。这是因为土豆在吸收营养时，其体内的液体需要流动，就像心脏泵血一样。 虽然植物没有心脏，但它们通过叶子进行类似的功能。每片叶子都像一个小水泵，当水被释放到空气中时，会产生微小的动力，将根系吸收的水抽上来。这种水泵虽小，但耗水量却很大。因此，种植 100 多平方米的土豆需要 60 立方米的水，这是一个非常庞大的数字。 幸运的是，我们现在有各种节水设备，可以将水循环利用，这在今天已经可以实现。因此，水不再是太空种植蔬菜的一个重大障碍。


想象中的太空农场（AIGC图片）。图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷 在太空中种土豆，还有一个阻碍——光。 因为火星表面会受到宇宙射线、高能粒子和强紫外线的照射，如果我们直接把土豆种植在火星表面的露天环境中，土豆很快就会被烤熟。所以，我们面临的问题是，如何为植物提供适宜的光照。幸运的是，我们有多种解决方案。 我们可以使用太阳能电池和光伏板将太阳光转化为植物可以利用的光。此外，我们还可以大幅提高 LED 灯为植物提供光的效率。如何做到这一点呢？大多数植物呈现绿色，这是因为它们只吸收特定波长的光，主要是红色和蓝紫色光。它们反射的是绿色光，这也是我们看到植物呈现绿色的原因。植物并不需要绿光，而我们今天可以通过 LED 灯只发出红色和蓝紫色光，完全满足植物的生长需求。因此，在太空菜园中，为植物提供适宜的光照是完全可行的。 还有一个大家可能通常想象不到的关卡——缺乏二氧化碳。 有人可能会问，二氧化碳还会缺乏吗？我们每天都在讨论减少二氧化碳排放，但二氧化碳的影响是双面的。虽然二氧化碳在今天的很多宣传里面有点被妖魔化了，一提二氧化碳这个词，就觉得它是一个坏东西，但实际上二氧化碳给我们带来的正向影响要远远大于负向的影响。例如，二氧化碳是温室效应的关键成分，如果温室效应完全消失，那我们地球表面很可能就变得跟月球表面一样——昼夜温差可能有几百摄氏度。这样的星球还能有生物生存吗？不可能。 更重要的是，在太空菜园里，我们还要给植物提供足量的二氧化碳。这是为什么呢？我们常说的光合作用，也就是绿色植物吸收二氧化碳和水、产生葡萄糖的过程。这个过程是分两个步骤来完成的，一是光反应，二是暗反应。所谓的“光反应”，就是接收太阳光的过程，“暗反应”就是把收集到的这些能量变成葡萄糖里面储存的能量。


图片来源于史军演讲PPT 那问题就来了，如果二氧化碳不足，光合作用的“光反应”会继续进行，但“暗反应”会受阻，前面还在源源不断地收集太阳光，这些能量就会在细胞里面堆积起来，还会找一些比较活泼的一些分子跟他们结合，比如与氧气结合形成有害的自由基，这些自由基能破坏蛋白质、DNA 和细胞结构，导致叶子直接坏掉。 为了应对这种情况，植物可能会进行“光呼吸”，分解自身产生的二氧化碳以维持光合作用，但这也只是一个不得已而为之的事情。所以说，也许在未来的太空菜园中，二氧化碳反倒成为一种宝贵资源。 太空种土豆，还有一个“隐藏关卡”——重力。 对于生活在地球上的人，重力司空见惯，我们很容易忽略了它的存在。但在太空中，一切都处于失重状态，这与我们在地面上的环境截然不同。我们带到太空的植物也习惯了有重力的环境。例如，当我们把种子种在土壤中，植物的苗和芽会向上生长，而根则向下生长，这正是重力的作用。 如果没有重力的话，植物怎么知道哪边是天空，哪边是土壤呢？这个事情怎么解决呢？有一个好消息是，中国的科学家去年发现了解决这一难题的关键。他们发现植物细胞中存在一种特殊的颗粒——淀粉体。这些淀粉体受到重力影响时，它们会沉积到细胞的底部。当这些颗粒与细胞壁和细胞膜接触时，它们会传递信号，告诉细胞哪边是下方。因此，未来我们可能会利用这一发现，帮助植物在太空中更好地生长。


图片来源于史军演讲PPT 关于“太空种土豆”的先期尝试，实际上现在已经在进行中。比如，我们的天宫空间站已经种植出了多种蔬菜，尤其是生菜，在之前的直播中我们已经看到天宫的宇航员们享用了新鲜的生菜。不知道它们的味道如何，希望将来大家都有机会品尝。 太空种菜不容易 在太空船种菜更不容易！ 在太空中种植蔬菜充满挑战，尤其是在太空船上种植，更是难上加难。 举个例子，上世纪 90 年代，美国进行了一个名为生物圈 2 号的实验，目的是模拟一个微缩的地球。这个建筑体积庞大，有 18 万立方米的空间，内部分为七个生态区，放置了 4000 个物种，试图模拟地球上的所有生态系统。实验持续了 21 个月，但最终不得不结束，因为实验人员几乎饿死或者被憋死，原因是这个小型生态系统无法正常运行。 这个实验给我们的最大启示是，地球上的生态系统并非简单地将物种放在一起就能形成。生态系统是一个有机的整体，不能简单地通过堆砌物种来构建。就像我们不能简单地将汽车零件堆在一起，然后期望它们自动组装成一辆汽车一样。因此，即使我们将大量物种聚集在一起，它们也不会自发地形成一个健康的生态系统。最好的解决方案仍然是保护我们的地球——这颗美丽的蓝色星球。 即使有一天我们有能力走出太阳系，甚至走出银河系，去探索更遥远的宇宙，我们也不应忘记，地球永远是我们的母星，是我们最美好的家园。这是我们每个人都需要铭记在心的。希望大家带着这份对地球的记忆，去探索星辰大海吧！