11月4日，神舟十八號乘組完成使命返回地球，又一批新的太空實(shí)驗(yàn)樣品被帶回。與此同時(shí)，中國空間站上的一項(xiàng)重大科研成果——第三代“太空水稻”迎來收獲。

2022年，神舟十四號乘組任務(wù)期間，中國科學(xué)家首次完成了水稻從種子到種子全生命周期的空間培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，成功收獲了第一代59粒成熟的太空水稻種子。這批珍貴的種子返回地球后在人工氣候室內(nèi)進(jìn)行繁殖，獲得了近一萬粒第二代太空水稻種子?？茖W(xué)家又從中選取了一部分，在上海松江中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心作物育種與栽培基地進(jìn)行了大田試種，經(jīng)過100多天的生長，近日，第三代“太空水稻”獲得豐收。

通過對三代太空水稻種子的研究，科學(xué)家取得了一系列研究成果：太空水稻在微重力條件下的生長發(fā)育與地面水稻存在顯著差異，營養(yǎng)成分也發(fā)生了變化，具有更好的口感和營養(yǎng)價(jià)值。第三代“太空水稻”的收獲證明了在太空環(huán)境中生產(chǎn)糧食的可行性，也為人類未來的太空探索和生存帶來了希望。水稻種子在太空會經(jīng)歷什么？為什么人類飛向太空要“糧草先行”？你會在文中找到答案。

第一道關(guān)卡：直面嚴(yán)酷的環(huán)境

植物生長離不開陽光、空氣和水，但太空中沒有這個(gè)條件。人類基于地面上建立的各種規(guī)律、定律和公式也并不適用于太空，想要開發(fā)和利用太空，必須重新探索和研究，建立全新的物理、化學(xué)及生物學(xué)等各領(lǐng)域的規(guī)律和定律。

與地面相比，太空具有的微重力、超高真空、高熱和深冷、強(qiáng)輻射，使其顯得有些“殘酷”，這些因素又會給人類在太空生活以及展開太空育種探索帶來哪些挑戰(zhàn)呢？

微重力：在微重力環(huán)境下，水的表面張力起主要作用，呈現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)的球體，飄浮在空中；航天員也飄浮在空間站中，不能像在地面一樣走路，需要拉著把手前進(jìn)，睡覺時(shí)需要用睡袋固定。

高真空：卡門線（大氣層和太空的分界線）以上的太空，大部分都是中高真空狀態(tài)，飛行器動能損失很小，可以在無動力的情況下飛行很長時(shí)間；聲音在真空中無法傳播。

高熱和深冷：太空背景溫度為4K，真空環(huán)境下飛行器只能通過輻射向太空散熱。如果不做熱設(shè)計(jì)，在陽照面時(shí)，飛行器溫度會升得很高（100℃以上），在背陽面時(shí)，溫度又會降得很低（-100℃以下）。這樣的環(huán)境對儀器設(shè)備而言非常惡劣，必須進(jìn)行熱優(yōu)化設(shè)計(jì)，飛行器才能正常工作。航天員出艙也需要穿著特制的航天服獲得適宜的溫度。

高輻射：地球有地磁場和電離層的保護(hù)，降低了輻射對地球生物的影響，但在太空中，輻射總劑量和高能粒子等要強(qiáng)很多，這些宇宙輻射會給航天員和飛行器帶來不利影響。

第二道關(guān)卡：在“黑科技”加持下萌芽

糧草想要在太空扎根存活，需要一個(gè)能承受大氣壓的裝置，裝置內(nèi)要模擬太陽光晝夜照明，確保有適宜的溫度、水和二氧化碳的循環(huán)供給。

以“天宮二號”高等植物培養(yǎng)箱為例，它提供了一個(gè)自動化控制的植物密閉生長的環(huán)境空間，能夠滿足種子在太空中完成萌發(fā)、生長和開花結(jié)果的全生命周期實(shí)驗(yàn)。這個(gè)高等植物培養(yǎng)箱的體積為300×300×400mm3，在其內(nèi)部，我們要構(gòu)建“長日照”和“短日照”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)，在這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)均種植擬南芥和水稻，研究微重力環(huán)境對植物光周期節(jié)律的影響。

經(jīng)過研究我們發(fā)現(xiàn)，紅光（波長630-660nm）有利于植物莖部的生長與葉片的伸展，可以調(diào)節(jié)開花、休眠期與種子發(fā)芽；藍(lán)光（波長400-520nm）會影響植物的葉綠素含量以及葉片厚度。為此，照明光源采用白光和紅光LED，來滿足植物生長所需的光質(zhì)。擬南芥的照度設(shè)定為120umol/m2.s，水稻的照度設(shè)定為200umol/m2.s，長日照區(qū)晝夜時(shí)間設(shè)定為16：8，短日照區(qū)晝夜時(shí)間設(shè)定為8：16。有兩臺宏觀相機(jī)來監(jiān)測擬南芥和水稻生長發(fā)育的全過程，另外1臺熒光相機(jī)監(jiān)測開花基因的表達(dá)和輸運(yùn)。

擬南芥和水稻的種子在發(fā)射到太空前，會先裝載到培養(yǎng)單元的培養(yǎng)孔內(nèi)，營養(yǎng)液加載在營養(yǎng)液袋中，通過輸運(yùn)泵與培養(yǎng)單元中的土壤相連。我們將這樣的培養(yǎng)單元安裝到高等植物培養(yǎng)箱中，再裝入“天宮二號”艙內(nèi)。待“天宮二號”發(fā)射入軌后，通過地面指令，啟動高等植物培養(yǎng)箱供電，將營養(yǎng)液注入培養(yǎng)單元土壤中，使種子浸潤萌發(fā)。

在太空中讓種子萌發(fā)是項(xiàng)技術(shù)活。一方面，水在太空中自由狀態(tài)下是一個(gè)個(gè)水球，飄浮在空中，落不到土壤里，我們不能像地面一樣給種子澆水；另一方面，水進(jìn)入土壤后很難將土壤中的空氣排出，若種子周圍的水過多，種子容易被淹死，若水太少，種子不能吸脹萌發(fā)。為此，我們要將水注入土壤中，使其浸沒種子，再通過毛細(xì)力把水引走，讓種子露出來呼吸，這樣種子才能在太空里吸脹萌發(fā)。

水稻和擬南芥要在太空完成全生命周期培養(yǎng)，為此，培養(yǎng)單元內(nèi)設(shè)計(jì)了水回收功能，使植物蒸騰出來的水氣通過冷凝和毛細(xì)管回送至土壤，實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)利用。300毫升左右的水能支持?jǐn)M南芥在軌400多天的培養(yǎng)，使其完成全生命周期的太空飛行實(shí)驗(yàn)。

我們?yōu)槭裁匆M(fèi)盡心思搞這樣一個(gè)大工程？

地球雖然是人類的家園，但我們終將要走出地球，跨向宇宙。無論是太空旅行還是太空移民，我們首先遇到的就是食物和健康問題。短期太空旅行，從地面攜帶食物或許可行，但若進(jìn)行長期太空旅行，特別是深空旅行，就要考慮在太空種植植物、飼養(yǎng)動物，形成生態(tài)循環(huán)，滿足我們對食物的需求。同時(shí)，在太空種植植物可以給航天員提供部分氧氣，對他們的心理健康也有非常好的作用。所謂“兵馬未動，糧草先行”，在太空探索如何種糧草來支持生存，對我們來說是必要且重要的事。

太空是神奇的，有許多新現(xiàn)象、新規(guī)律等待著人類發(fā)現(xiàn)。但地球生物長期在1g重力環(huán)境下生長和繁衍，已經(jīng)被刻上了重力“烙印”，在太空微重力環(huán)境下的生物相應(yīng)機(jī)制還需要不斷探索。地面上看似簡單的糧草種植，在太空環(huán)境中就需要結(jié)合環(huán)境特點(diǎn)另外開展專門研究和設(shè)計(jì)。盡管任重道遠(yuǎn)，但太空農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展必將使人類走得更遠(yuǎn)，可以為載人深空探測和地外拓殖提供有效支撐。

作者單位 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所