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盘点|人类航天史上,哪些植物搭着飞船“上过天”?

千瑞绣 adminqwe 2022-06-07 15:54:12 664 0

  6月5日,神舟十四号载人飞船顺利发射升空,航天员进驻天和核心舱。

  此前,天舟四号货运飞船发射并对接了天和空间站,运送了一批物资,为神舟十四号载人飞船作准备,可谓兵马未动、粮草先行。为了航天员在太空中的衣食住行,天舟四号货运飞船运送的物品达6吨,品类繁多,共计200余件,包括设备、食物、衣物、生活用品和实验项目物品,其中还有一批农作物种子,有小麦、玉米和高粱等。

  其实,人类携带植物和植物种子“上天”的历史由来已久。我国的神舟飞船几乎每次都要携带大量的种子,如今年4月返回的神舟十三号就携带了12000颗种子。这里,我们邀请中国科学院国家空间科学中心助理研究员王铮为我们盘点一下人类航天史上那些“上过天”的植物。

盘点|人类航天史上,哪些植物搭着飞船“上过天”?

  经过“太空育种”的石斛种质资源随神舟十二号载人飞船一起归来。

  (1)植物“上天”做生物实验

  咱们人类是呼入氧气、吐出二氧化碳,但绿色植物的光合作用,是呼入二氧化碳、吐出氧气。那么,宇宙飞船是不是可以带着植物,来实现氧气和水的循环呢?确实有一些小说和影视作品呈现过这种想法,比如电影《太阳浩劫》中,飞船内的植物园种植蔬菜水果为组员提供营养补给,同时也用于氧气检测和供给。

  不过,航天飞行的载重十分珍贵,加之植物生长所必须的水也是紧俏资源,所以不会采用这种方式制造氧气。像天和空间站这样长期驻留宇宙的空间站,制氧方式是地面上很少用到的“电解水”方法。电解水消耗能源较多,产生的氢气又有危险,但是,空间站上的供电不是问题,巨大的太阳能电池板可以供应免费的电力,而伴随产生的氢气也可排放到太空中。作为原料的水,可以从地球上通过补给船运送到空间站,还可以通过冷凝器回收机舱空气中的水蒸气,甚至使用宇航员的尿液过滤和回收。至于人类呼出、植物吸入的二氧化碳,以及甲烷、丙酮、甲醇和一氧化碳等“废气”,会经过空气系统处理,比如用沸石分子筛去除空气中的二氧化碳。

  航天史上,宇宙飞船和空间站确实携带甚至种植了一些植物,但与改善空气无关,主要是从事科学研究,如观察太空微重力、充满太阳射线和宇宙射线的宇宙环境对细胞和植物生长的影响,观察不同光周期植物的生长发育和代谢活动,认识重力和光周期在高等植物开花调控中的作用机制等。2016年我国发射的“天宫二号”空间实验室开展了高等植物培养实验,航天员在太空主要种植水稻、拟南芥等植物,以检测空间微重力对生命活动的影响。

  另一方面,还有一些植物种子被带上天,是希望利用太空各种复杂的环境,提高植物基因变异的可能性,随后再从中培育出新的植物品种。据悉,这已经是一项市场价值可达2千亿元的产业。

  (2)植物在太空中生长开花

盘点|人类航天史上,哪些植物搭着飞船“上过天”?

  据报道,国际空间站上第一批“太空萝卜”于2020年11月30日成功收获。

  1946年7月9日,美国发射的V-2火箭,把“特别开发的种子菌株”带到了距地面134公里的高空(高度属于近地空间高层大气),这也是最早前往宇宙空间的生物,不过这些样本并没有回收。

  1946年7月30日,玉米种子也上了天,而且成功回收。接着是黑麦和棉花的种子上天。

  1957年,苏联的SPUTNIK系列卫星开始进行卫星上的生物实验,小球藻和各种种子开始搭乘卫星遨游太空。

  1961年发射的世界上第一艘载人飞船“东方一号”就带上了小球藻与航天员加加林作伴。

  各种航天器都或多或少涉足一些植物,有很多航天器携带活的植物上天,不过植物通常都死掉了,带上去的种子则主要是带回地球种植。1971年,“阿波罗14号”宇宙飞船甚至带着500粒树的种子,绕着月球飞了24圈。这些树种原本是打算带上月球做实验的,但在飞行时突发意外,部分容器爆裂,使装在里面的种子不再适合做实验,于是“阿波罗14号”决定把种子带回来种植在地球上。据悉,大约有83颗不同品种的树种,如红木、梧桐、道格拉斯冷杉、龙柏等,被种在各自适宜的全球各地。这些树长大后并没有发现和地球“土生土长”的树有什么不同。

  很快,科学家开始尝试在宇宙中直接培育植物生长。1977年,苏联发射的“礼炮6号”宇宙空间站上就搭载了植物栽培试验装置,建立小小的太空温室。宇航员们把郁金香球茎种植在一种能产生人造重力的小离心机里,报告说植物活了下来,并且生长情况良好。1978年,他们种的洋葱也长得不错。

  1980年,“联盟37号”飞船的宇航员来到该太空站工作时,还试着在太空温室里培植兰花。从实验报告来看,和郁金香相似,兰花那些已经开放的花朵纷纷凋落,不过植物自己却长得健健康康,不仅长着叶子,还有气生根(植物茎上发生的,生长在地面以上、暴露在空气中的不定根)。据说这些兰花植物在太空中生长了6个月,一直没有开花。

  科学家们努力改进着离心机。1982年,在“礼炮7号”上的太空温室中,兰花在人造土壤中长势良好,并最终开了花,实现了种子到种子的过程,实验员认为开花与否应该还是重力的问题。据说,在世界上第一位实现太空行走的前苏联女航天员萨维茨卡娅抵达“礼炮7号”宇宙空间站时,在站上工作的两位宇航员向她献上了拟南芥的花。

  有了这些经验,国际空间站上的植物实验非常成功,有许许多多的植物曾经“上天来访”,如芜菁、豌豆、大蒜、西葫芦、向日葵、百日草等。

  2021年,美国航空航天局在国际空间站的“高级植物栖息地”中种植了第一批太空青椒。航天员还在社交媒体晒出了用太空青椒制作的墨西哥玉米卷饼。不过,“高级植物栖息地”还不足以在月球或火星上种植物。

  中国神舟一号升空的时候,就带上了生物活性菌株和一些种子,神舟二号也带了小球藻。

  2011年,神舟八号飞行任务组织开展“番茄试管苗空间开花结实”实验,共搭载8株番茄蓓蕾,在太空中实现了植物开花结果。

  2016年,神舟十一号带上天的不是常见的种子,而是5支装着芒果胚性愈伤组织的试管,它们在太空中遨游了33天,回到地球被送往湛江,经过培育,生长出全新的组织。

  2016年发射的“天宫二号”空间实验室搭载开展了高等植物培养实验,有人把试验设备叫做“微型LED植物工厂”。2016年至2019年,这里种植了6棵水稻、30棵拟南芥,观察到了这两种植物种子在太空中从萌发、生长、开花到结籽的全过程。

  (3)中国太空育种诞生700多个新品种

盘点|人类航天史上,哪些植物搭着飞船“上过天”?

  2021年7月19日,甘肃天水国家农业高新技术示范园区航天育种基地的果蔬展示厅里,200多斤重的“航天大南瓜”正在生长。

  1987年,我国第9颗“返回式科学试验卫星”首次将一批水稻和青椒等农作物种子送上太空。科学家发现,极个别上过天的种子发生了一些遗传变异,例如萝卜种子更有抗药性,一个蒜头能重3两多,这让他们惊叹不已,由此揭开了中国航天育种的序幕。

  太空中的环境与地球表面大不相同,主要表现为微重力、复杂磁场、高辐射,在这样的环境中,植物的种子所产生的后代,发生基因突变的几率大大提高。而对于那些生长周期不是太长的植物来说,在代际间发生遗传信息变化的可能性会大为提升,植物的后代有可能出现生长更快、产量更高、抗病性更强、口感更好的基因突变。

  回到地球后进行的地面培育、筛选和验证,至少要经过三四代的筛选,然后到多个省份的试验点去试种;试种成功后,再拿到品种审定委员会去审定。这样筛选的品种,在某些方面比地面原先的品种更加出色。这一过程往往要经过4—6年的周期。

  从1987年种子“上天”开始,我国进行了几十次返回式卫星、神舟飞船、天宫空间实验室等航天器的搭载,将数以万计的植物种子送入太空。神舟一号至神舟十四号的飞行任务基本都搭载了航天育种生物类试验载荷。

  2020年发射的“嫦娥五号”搭载的水稻种子“航聚香丝苗”,甚至是太空种子的“二代”。它的“父亲”华航31号和“母亲”航恢1508都去过太空,共同孕育成的它更是去了月球,在月球轨道遨游了23天,是目前人类历史上飞得最远的稻种。

  2022年5月,中国载人航天工程办公室公布了神舟十二号和神舟十三号载人飞船航天育种实验项目清单,其中包括了88家单位,上千份植物种子、微生物菌种等航天育种材料。其中,有牧草种子如苜蓿,有药用种子如杜仲,有水果种子如甜瓜,有蔬菜种子如黄瓜,有林木种子如红豆杉,有花卉种子如地被菊,有食用菌菌种如羊肚菌,有农作物种子如小麦。中国载人航天的这种搭载是公益性质,不收取搭载费用。

  太空育种具有其他手段无法获得的三个独特优势:提供原创、安全、有自主知识产权的育种材料和种质基因源,获得罕见的具有突破性的优异新种质,较快培育出优质高产抗病的新品种。

  经过不懈努力,太空育种已经在我国粮食安全和生态环境建设等诸多领域作出了重要贡献,诞生超过700个新品种,通过国审和省审的航天育种新品种超过200个。我国培育的小麦、水稻、玉米、大豆、棉花和番茄、辣椒等园艺作物新品种,累计种植推广面积超过240万公顷,增产粮食约13亿公斤,据推算创造直接经济规模超过2000亿元。

  (4)月球种菜试验已经开启

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  如前所述,国际空间站的“高级植物栖息地”设施在太空中种植植物已经相当成熟。2015年,国际空间站航天员们发了一段视频,用橄榄油和醋调制了自家种的红生菜,并表示“味道好极了”。未来,长时间的宇宙飞行中,可以种植一些蔬菜补充新鲜食物。

  中国“天宫二号”的“微型LED植物工厂”,种植的水稻和拟南芥完成了种子在太空中从萌发、生长、开花到结籽的全过程,这说明中国航天员在太空中种粮食、种菜是完全可行的。

  这种过程的自动化程度很高。以“天宫二号”的实验为例,地面向空间站发出上注指令,控制箱接收到卫星发射的指令后,会把营养液注入土壤,种子获得营养液后,实验正式启动。同时,培养箱里的光照系统和温度控制系统开始作用,为植物生长提供环境,箱内的观察相机也会对生长过程进行持续观测。科研人员可以通过地面遥控,对在太空中的培养箱进行温控和浇水。

  2014年,我国试验舱“月宫一号”进行了105天的月球基地生命保障系统的模拟,在地面上模拟了月球基地的运转,其中的氧气和水都循环再生,未来可作为外星之上的“蔬菜大棚”。

  2019年,中国的“嫦娥四号”月球探测器,携带了由大量的植物种植和昆虫卵构筑的“月面微型生态圈”,首次开展了在月球种植的试验,其中的棉花种子还长出了嫩芽,成为人类历史上第一批在月球生长的植物。

  近年来,美国科学家尝试过模拟火星和月球的土壤,在模拟土壤中种植西红柿、豌豆等,效果不错。最近,有科学家使用12克月球样本(来自阿波罗11、12和17号飞船)种植拟南芥,以各种模拟土壤为对照组,如一种名叫JSC-1A的月壤模拟物。从报告来看,三种不同的月壤内都有种子发芽,但与模拟土壤中种的植物相比,真实月壤中长出来的幼苗并不茁壮,体型弱小,生长缓慢,并且大小不一。看来,直接到外星用当地的资源种粮、种菜,还需要做很多研究与尝试。

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