人类如何开发太空资源？

yuange • 2024年11月25日 11:32 • 知识百科 • 阅读 226

在宇宙里种菜有多难？按科幻片里的时间轴写部太空农业简史，大概会长这样：

2035年，好莱坞科幻巨制《火星救援》，宇航员马克·沃特尼自制的蔬菜大棚漏气爆炸，土豆在火星上灭绝。

2057年，灾难科幻片《太阳浩劫》，伊卡洛斯2号途径水星时，植物仓失火，飞船氧气余量告急。

2061年，美国国家地理拍摄的科幻纪录片《火星时代》，因基地遭遇火星沙暴，植物学家保罗博士精心照料的小麦死于电力不足。

很久很久之后（年代不可考），老牌环保主义电影《宇宙静悄悄》，地球环境恶化，宇航员洛厄尔将人类最后一片绿洲送进深空。

　　电影《火星救援》中，宇航员马克·沃特尼在火星上种植土豆。图片来源：NASA/Peter Mountain

关于未来农业的想象总是十分美好：漂浮在海洋和天空的城市里，枝叶在透明穹顶下肆意生长，水上世界风格的植物工厂遍布异星荒原。然而，在太空里当农夫是件倒霉差事。除了进取号上的红衫军，植物学家也是宇宙里的高危职业。密闭环境里的种植关乎食物供给、水氧循环、空间分配和成员的心理健康，还会因为各种稀奇古怪的理由而引发意外，比如温室漏气、连日沙暴、运费过高，或者仅仅是，嗯，宇航员排便过多。

自制一份合格、适口、健康无毒的太空口粮，都需要注意什么？鉴于以下知识会帮你的曾曾曾曾孙女在外星活下来，我们强烈建议你从头到尾仔细阅读。

　　人造光源：淡粉色的太阳

在由植物所和福建三安集团共建的中科生物植物工厂内，灯光神似80年代街机厅——蓝、红、绿色的LED发光二极管以某种规律排列，把生菜叶上每一根绒毛照得清清楚楚。长久以来，科幻小说营造了一种错觉：光源比氧气和水更好解决。《火星救援》的作者安迪·威尔在小说原著中写道，火星栖息舱内的照明足以为土豆提供“大量日光”。但其实，白炽灯、荧光灯这些常见光源的光谱很杂，转化率低。换句话说，就是费电。

植物的生物量90%来源于光合作用，但植物并不是吸收所有的光：它们更青睐可见光的蓝色和红色部分，比例超过60%，因此，适当比例的红蓝复合光就能满足基本的生长需求。至于红外、紫外光，就算没有也不造成损失。

传统认为温度和二氧化碳是影响植物产量和品质的关键，但调节光源效率更高。上世纪80年代后期，NASA（美国宇航局）首次采用LED充当光源。他们在第一批测试中用红色LED照射小麦，但长出的麦子细得离谱，而且像漂白了一样。后来实验发现，添加蓝光可以纠正这个问题，绿光虽然没什么用，但能保证蔬菜卖相良好。如今，世界上多数植物工厂——NASA的Veggie计划，日本千叶大学的未来植物工厂和我国中科生物的植物工厂——都采用红、蓝、绿三色LED照明，其复合光线呈淡粉色。

在粉红色灯光下生长的莴苣。图片来源：NASA/Gioia Massa

但是植物所的“光配方”技术更进一步，为不同蔬菜和生长阶段配置了不同光谱。红光在莴苣生长后期可加快成熟，蓝光可显著提高豌豆幼苗的植株鲜重和叶绿素含量，对其他植物完全相反——蓝紫光有利于紫叶或红叶生菜着色，国际空间站上的宇航员吃的就是那种紫得发疯的罗马莴苣，另一边，照射特种药用植物的LED是白光+橙光。培养室一片净白，发光二极管制造着霓虹大爆炸，假如未来的人造太阳都这么迷幻，唔，不听迪斯科真有点不对劲（《火星救援》电影里，马克·沃特尼被困火星两年，唯一的解闷工具只有队长刘易斯留下的迪斯科舞曲）。

　　人造土壤：只送粉末

中科生物植物工厂的门口立着一台颇有《大都会》遗风的金属“洗眼器”。首次参观的人大多会一路纳闷这台古怪仪器的用途，直到进入培养室内部——工作人员抬起栽培面板，展示浅槽里潺潺流动的营养液，解释如何用洗眼器对付不慎溅到脸上的液体。

早在二战期间，美军就开始以砂砾培（砂砾为固定基质，加入营养液提供养分）生产蔬菜，之后无土栽培技术被英国农业部采用，用于解决驻外英军的蔬菜供应问题。科学家预见了无土栽培（又称水培）的未来，国际空间站的宇航员将塞满粒状基质的“枕头”浸满培养液，解决失重或微重力环境下液体流动的问题，中国南极科考站曾经成功水培辣椒，中科生物植物工厂80%的模组都被水培生菜、白菜和冰菜占领，它们生长周期短，最快20天收获，是传统栽培法耗时的一半，干净到可以揪下来生吃。

对于太空栽培，很多人主张就地取材，将火星土壤改良为盆栽土，或者从地球带土——现实中，荷兰瓦赫宁根大学从NASA买了一批模拟的火星和月球土壤，改良后，种出的胡萝卜长势良好。不过，为火星殖民地的常驻人口提供卡路里是一回事，在短期飞船上改善伙食又是另一回事，假如宇航员只是嘴馋想吃口拌菜，培养液的便利不言而喻：水肥一体，不劳您吭哧吭哧浇水施粪。

不过国际空间站的项目科学家霍华德·莱文（Howard Levine）表示，目前近地轨道的运费是每磅约1万美元，把液体带上太空划算吗？中科院专家给出的解决办法是：只送配置好的营养液原料粉末。“植物的的原始养分来自矿物质，基本就那么几类，培养液很好调配，这种植物模组的应用方向是大众化。”福建中科生物股份有限公司的总经理占卓说。

　　水培生菜。图片来源：昵图网

　　空气调节：ALERT ! 二氧化碳告急

假如你闻过国际空间站里的空气，就知道长期的太空生活并不好受——很久没洗澡的宇航员在金属通道里飘来飘去，大家挤成一团，空气混浊，如同你宅了一个星期不开窗通风的卧室。不过，这对植物来说是个好消息。

像照明质量一样，二氧化碳成分是地外栽培又一个容易被忽略的问题。研究表明，适量增加二氧化碳浓度，植物就会加强光合作用，光能利用率显著提高。在叶用莴苣植物厂区，空气过滤装置24小时不间断运转，墙上的一面液晶监控器显示，二氧化碳浓度根据不同植物的需求，被控制在了400~1200ppm之间（二氧化碳浓度过量也不行）。地球大气中的二氧化碳含量一般占总体积的0.033％，2013年世界气象组织的数据显示，其日均浓度已经超过400ppm的阙值。对植物光合作用来说，这才刚刚够用。

地球的空气并不完美，但封闭的太空舱内，永远不愁没有过量的二氧化碳：国际空间站里的空气成分接近地球，氧气含量为20-24%，大部分是氮，甲烷(屁)、二氧化碳和氢气占比极少，但0.4%的二氧化碳含量已接近地球平均水平的10倍。一些体质敏感的宇航员因此遭遇了严重的副作用：头痛、焦虑，时不时就要去通风口吹一吹。NASA一直为此纠结，到底是培养高抗二氧化碳的忍者宇航员，还是制造超重型二氧化碳清除器？反正两个都得花大钱，也许还是种菜更经济划算。

　　为了太空的育种，为了更少的便便

传统意义上的太空育种，是为了在地面种植出更好的作物，让种子去太空溜达一圈，沐浴在高辐射、失重的环境下，诱发基因变异。但很多科学家正在转变思路，认为应该在地面上进行种子改良，应对人类在密闭环境中遇到的特殊问题，比如空间小、缺钾、便便过多。

“为了太空的育种”，其终极目标是创造再生系统，在空间站、殖民地上持续种植作物。因此，经济高效、出土即食的作物最受欢迎，莴苣类植物首当其冲。在转化效率上，土豆和小麦都不是最好的选择，因为它们收获周期很长，而且需要烹饪处理——现阶段，宇航局肯定不许带锅上天。

选种番茄、辣椒、豌豆这些小矮个儿，旨在节省空间。关于这一点，中科院植物所正在培育更矮的木本植物（目前只有桃树），以便提高空间利用率。

宇航员的健康也不容忽视。大航海时代的船员因为缺乏维生素而饱受坏血病折磨，直到库克船长用橘子解决了这个问题。无独有偶，阿波罗15号宇航员曾因食物缺钾而心率失调，吓得NASA赶紧在食谱上增加了多钾果汁。从古到今，远航者的饮食结构都异于常人。鉴于光配方可以调节植物中的微量元素，通过特殊照射，让专供肾病患者食用的蔬菜钾含量更少。针对宇航员的多钾生菜也许是下一个目标。

最后，食物导致的人体残渣也很重要。NASA对人体排泄物一向十分苛刻，为了阻止宇航员放屁，曾把豆类食品划进黑名单。那么，吃啥能减少排便量呢？动物蛋白和淀粉都排在果蔬前面。但由于土豆收获周期长，太空养鸡业遥遥无期，便秘的宇航员又不好找，栽种减少便便的作物迫在眉睫——便便虽好，也要分场合，它虽然救过马克·沃特尼的命，但很难在太空舱内再生成为食物（化学家称，粪便其实可以水解成碳，做成小馅饼，但据说在座的宇航员纷纷拒绝了屎汉堡）。

日本科学家Mitsuyuki Ikeda已经把这一设想化为了现实：他用人类粪便的提取物做出了可以吃的“肉”。图片来源：inhabitat.com

无数太空故事告诉我们：别惹植物学家。这些人为了保护幼苗可以拼命，前面提到的《宇宙静悄悄》就是一个典型——植物学家洛厄尔听说他的温室要被炸掉，徒手干翻2位同伴。至于某位爱爆粗口的火星鲁滨逊，你敢动他的土豆试试？

植物学家这么暴躁不是没有原因。一方面，科幻作家老是把粮食增产、病害防治、营养土壤这类本属于农学家的活儿塞给他们。另一方面，经典的科幻设想中，植物除了承担科研任务，往往还充当粮仓、制氧机和心灵治愈室。在无垠的太空，植物很脆弱，光的颜色、土壤的重量、空气成分和排便频率，任何一点小小的变动，都可能导致一场地外大饥荒。但植物又无比强大，在电影《地心引力》里，宇航员瑞恩进入天宫一号求救，发现船舱内壁种满绿油油的小葱（也可能是韭菜）——绿植带来的心理安慰，可以拯救一个崩溃的宇航员；美国科幻巨匠罗伯特·海因莱茵的长篇小说Variable Star里，老农佐格比只用几块水培农场，养活了整个星球的人。

电影《地心引力》中，内部种满了绿蔬的天宫一号。图片来源：youtube.com

当植物是已知唯一能把太阳能转化为化学能的东西，你无法不去大胆想象植物工厂的应用前景。植物所的科学家们极其谦虚：“我们必须树立这种常识：太空近地轨道栽培目前只是实验阶段”，但是，质量优于数量、封闭系统、高效利用空间、寻找每一块可用的表面……这些太空农场的决定性原则，经典科幻里的明日幻想，正在慢慢实现。太阳能一体化的植物集装箱，可在岛屿、沙漠、舰船内和海底进行持续生产；全世界关于种植的概念设计、科研项目、实体企业，都在疯狂地向天空延伸：在城市、社区、楼宇、工厂之间，实现蔬菜连续循环种植，不受季节气候影响，同等面积产量可达到传统土地的数十倍。

但科幻作家算错了一件事。

在智能监控系统接手大部分管理后，专业人士将在传统农耕中全身而退。一旦食材种类和新鲜度跟上，未来的火星还需要农学家和植物学家吗？不不，送一个好厨子就够了。

编辑：姜Zn

排版：晓岚

题图来源：123RF

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