太空飘着一株稻：太空种植，这个可以有！
出品：科普中国
制作：武汉植物园
监制：中国科学院计算机网络信息中心
在天的那边，银河的那边，有一群宇航员，他们活泼又聪明，机智又勇敢。
他们在遥远的太空也种出了各种植物～
??图片来源网络
News:2016年11月18日，神舟十一号载人飞船返回舱平安返回，并带回了天宫二号舱内高等植物培养实验的返回单元。此次高等植物培养箱返回单元内的拟南芥种子，经历了48天的空间培育生长，已抽薹开花和结荚，标志着完成了从种子到种子的发育全过程。这也是我国首次成功进行植物“从种子到种子”的全生命周期培养。
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太空种植，又名空间植物栽培技术，其试验研究迄今已历经了40多年，重点研究微重力对植物生长发育的影响。
图片来源：NASA
1975年开始，前苏联就开始了太空农业的探索之路，他们尝试在飞船中栽培小麦、洋葱、燕麦、豌豆、甘蓝、萝卜和生菜等。
20世纪90年代，由俄罗斯和保加利亚联合研制的SVET空间温室在“和平号”空间站进行了长期搭载，开展了“超矮型”小麦从“种子到种子”的三代完整生长周期的培养。
2002年，俄罗斯针对国际空间站研制了一款名为LADA的空间温室，至今已经进行了二十多次试验，成功培养了小麦、生菜和甜豆等植物。
LADA空间温室里生长的植物 图片来源网络
2014年初，NASA启动了植物栽培试验，命名为Veg-01试验，同年4月，蔬菜生产系统“Veggie”和一批生菜种子被送到了空间站。
2015年8月10日，经过了33天的培养，三名航天员收获并品尝到了第二批在太空中种植的蔬菜—红色长叶莴苣（Outredgeous）。红色长叶莴苣，也就是我们平时所吃的某种生菜，生菜是叶用莴苣的俗称，菊科莴苣属植物。
?红光照射下的“Outredgeous”红色长叶莴苣 图片来源：NASA
2015年11月16日，首次在轨道实验室启动了百日菊（Zinnia elegans）的种植试验。在太空中种花比种生菜等蔬菜更具有挑战性，因为花对光照和其它的环境参数控制要求更加的严格。
太空种植百日菊 图片来源：NASA
百日菊，菊科百日菊属植物，又名百日草、对叶菊、步步登高，是一种原产墨西哥的观赏植物。
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在植物的个体发育中，花的分化标志着植物从营养生长转入了生殖生长，而营养生长是生殖生长的基础，生殖器官所需的养分，绝大部分是由营养器官通过同化作用合成的，所以，只有当植物的根、茎、叶生长良好的基础上，到达一定的时期，才能顺利的开花。
百日菊 图片来源：中国植物图像库 李敏
在太空中，百日菊的生长受到了一定的阻碍，但很终还是完成了其开花过程，并于2016年2月14日进行了收获，生长期达到了90天，是国际空间站之前种植的生菜生长期的2倍。
太空中百日菊的开花形态 图片来源：NASA
科学家们在收获Veggie上种植的百日菊 图片来源：NASA
2016年9月15日，我国自主研发的第二个空间实验室——天宫二号空间实验室发射成功，天宫二号选择了水稻和拟南芥作为研究对象开展了植物试验。一种是典型的粮食作物，一种是模式植物。
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。 图片来源网络
水稻是世界上很重要的粮食作物之一，全球有半数以上的人口是以稻米作为主食的，在太空种植水稻是具有重大科研价值的。
而另一种植物拟南芥好像没有水稻这么广为人知，但其实拟南芥在遗传等领域的功劳是不可小觑的，拟南芥是一种典型的自交繁殖植物，易于保持遗传稳定性，方便进行人工杂交，是目前已知植物基因组中很小的植物，利于遗传研究。这也是它能和水稻一起从众多植物中晋级获得太空种植机会的原因吧。
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拟南芥，又名鼠耳芥、阿拉伯芥，与油菜一样为十字花科植物，一年生草本，植物较小，生长周期短，结实多，这些特点都使得拟南芥的突变表型易于观察，为突变体的筛选提供了便利。
拟南芥 图片来源：中国植物图像库 刘军
可能未来有一天，太空蔬果会成为潮流。
那么问题来了，如果让你投票选择*一批太空广泛种植的蔬果，你会选什么？
参考文献：
1. 郭双生，武艳萍.空间植物栽培技术研究新进展.航天医学与医学工程,2016，29（4）：301-306
2. NASA《Meals Ready to Eat: Expedition 44 Crew Members Sample Leafy Greens Grown on Space Station》Aug.8,2015
3. NASA《Zinnia Flowers Starting to Grow on the International Space Station》Dec.24,2015
4. NASA《First Flower Grown in Space Station's Veggie Facility》Jan.20,2016
5. NASA《Flowering Zinnias on Space Station set Stage for Deep-Space Food Crop Research》Feb.13,2016
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《太空旅客》里的男女主角为啥要在飞船里种树？
截止1月19日，爱情科幻电影《太空旅客》在国内的票房已经突破1.8亿，全球票房也在65个*折冠，佳绩频频。
有人说《太空旅客》在宇宙深空中着笔人类很为细腻复杂的爱情开启了同类影片的先河，也有人认为影片对于人类迁徙、人性本质等话题的哲学探讨也算得上有些里程碑的意味。
不过，今天我们要来聊聊的是《太空旅客》里的那棵种在飞船甲板上的树。在影片中，这棵树承载的是爱与希望，在冰冷的太空和满目金属机械的宇宙飞船里，显得格外有光芒。
在现实世界里，宇宙中种树可不像科幻电影里那么简单，然而探索太空农业的脚步却也比我们想象中更快。太空农业，与我们的距离看似遥远，但在这个不断加速前进的世界里，弹指一挥间的改变就可能超乎你的想象。
人类要远行，还得靠农业
在《太空旅客》的背景设定里，外太空殖民产业是当时很热门的行业，大型公司设计出巨型的自带重力系统的飞船，将一批批休眠的乘客移民到经过改造的“新家园”。
男主角吉姆和女主角奥罗拉，一个是工薪阶层，像《泰坦尼克号》里的杰克一样买的是很低等级的“船票”，并且是有去无回的单程票，只为改变人生；一个则是知名作家，买的是可以享受很高级别待遇的“头等座”，梦想着成为人类历史上*一个远洋外星球并且返航的人，写出*的感人故事。
如果要在现实当中找一家同样致力于外太空移民的公司，显然非SpaceX莫属了，其CEO埃隆·马斯克屡屡通过媒体向大众强调人类发展多星球文明的重要性。
马斯克认为，地球人口不断扩张和资源不断消耗的问题，很终只能通过外太空移民来解决，人类文明也只有通过传递到地球之外的星球才能长久延续。他的*一步计划是研究可回收的火箭，为大幅度降低太空旅行的成本打下基础，而长远来说，太空移民还需要拥有在外星球建立居住基地，以及对陌生星球环境改造的技术。
可以想象，一旦人类真的走到那一步，没有太空农业的支撑，这一切都将是空谈。人们不可能永远从地球上往太空里带食物，只有掌握在外太空环境里种植作物的技术，才能解决远距离太空旅行过程中基本的生存问题。
如今大多数人总把更多的目光放在工业、服务业，还有新兴的互联网、人工智能技术，但眼光更长远的人会明白，当有限的地球资源总有一天玩不转工业和智能科技的时候，只有农业才能救命。
难以逾越的农业技术鸿沟？
除了SpaceX专注于长远角度的航天技术开发之外，还有一些人将移民的目标放在了相对更容易到达的火星。其中很广为人知的一个火星移民项目是荷兰一家私人公司于2012年发起的“火星一号”（Mars One）计划，他们在全球招募愿意去火星建设栖息地的志愿者。与《太空旅客》里有“往返票”不同的是，这项计划一开始就告知报名者这次旅行有去无回，但在全球仍有20万人踊跃报名（亦有媒体披露申请者只有2700人，20万人系该公司的夸大宣传）。
（图片引自Mars One官方：玛吉-利尔是一位来自英国伯明翰大学的志愿者，她认为自己有机会成为*一位在火星上生孩子的人。）
2015年时，“火星一号”计划就确定了一份初选名单，来自世界各大洲，分别为美洲39人、欧洲31人、亚洲16人、非洲大洋洲各7人。其中有4位华人入选，包括两位中国人和两位外籍华人，由此也引起央视的关注报道。
尽管“火星一号”计划对媒体称将从2024年开始，陆续将很终选拔出来的24人送往火星，但对该项计划可行性的质疑声一直没有消散，其中很大的质疑主要集中在三个方面：一是谁来承担这项计划将要花费的巨额费用；二是“又去无回”触及的伦理问题；第三点则是登陆火星的24人究竟怎么生存下来。
关于第三点，麻省理工大学的一个研究小组曾专门针对“火星一号”计划公布的数据进行过分析，并写成一份35页的报告，对移民火星所需的氧气、食物、工程技术等各方面做了详尽解读。
（Mars One官方的火星栖息地预想图，有人认为由于可行性太小，这个项目更像是一场商业骗局）
该研究小组认为，“火星一号”仅仅靠从地球上带去的植物进行氧气生产，完全不能满足移民所需的生存条件，预计68天之内就会出现*一例志愿者死亡。他们还在报告中提出，想要长期定居火星，人类还需要拥有一种目前还尚未研发的生命维持系统。
在《太空旅客》结尾处，吉姆和奥罗拉在飞船的大厅里种满了各种植物，让89年之后从休眠当中醒来的太空旅行者们眼前一亮，单这显然不是光靠从地球上移植就能做到的，正如麻省理工大学的研究小组所说，需要一套成熟的“生命维持系统”。这样的技术，目前人类的农业技术水平恐怕还很难做到。
绝不能放弃的那抹绿色
很多人都被《机器人总动员》当中的瓦力和伊娃感动过。在这部电影里，地球由于遭到严重的生态破坏，人类已经全部迁徙到外太空。不过他们并没有在某个星球上定居下来，而是一直生活在一艘巨型飞船上，导致骨骼严重退化，人人都成了畸形的胖圆球。
（瓦力将绿色植物保存在自己体内）
为了让人类重返并且重塑以前的家园，伊娃带着寻找绿色植物的使命来到已经被垃圾包围的地球，遇到专为垃圾清理而设计的小机器人瓦力。很终他们合力找到了一株仅存的小树苗，帮助人类重新看到改造地球环境的希望。
《太空旅客》里吉姆在飞船大厅甲板上种下的那颗大树，也寄托着他心里的一种希望，希望得到奥罗拉的原谅，也希望未来不是简单机械地为了生存而活，而是因为生命的美好而活。
人类历史已经走过了很多的风风雨雨，从很初的刀耕火种，到如今实现了机械化生产。在很多人的意识里，我们早已经走过了农耕文明，甚至已经跨过了工业文明，现在已经进入信息化时代，农业这样落后的东西，未来只需要少数人去打理，甚至交给人工智能就够了。
没错，我们是告别了农“耕”文明，甚至在未来，我们还可能告别地球上祖祖辈辈赖以生存的土地，但我们却永远离不开农业，因为只要有维持生态系统的需求，有食用*食物的需求，就不能没有农业。而如果把地球看做人类文明的起点，我们的农业还非常稚嫩。
在太空中种菜有多难？由美国航天局（NASA）主导的专门为研究太空蔬菜种植而开展的拉达验证蔬菜生产单位实验（Lada Validating Vegetable Production Unit）已经进行了长达几十年，这些实验项目均在空间站里完成。由于太空环境中光照、重力以及太空污染等因素均和地面完全不同，几乎所有地面上的农业技术在太空农业领域都不适用。
除了要克服失重，制造人照光源以及防范太空污染之外，太空农业的难点还包括怎么把机器人技术融合到农业技术中，以代替人工种植，还有怎么在太空环境中保证可持续化的农业生产。
当然，除了为未来太空大迁徙做准备的长远意义之外，太空农业培育的蔬菜对于当前地球上的居民也有一些现实意义。因为很多品种的蔬菜经过太空育种之后，营养价值会比地球上种植的蔬菜翻倍，因此太空蔬菜的大众消费也被很多业内人士看好。
很后，或许还有个疑问，为什么在飞船上食物充裕，娱乐设施也齐全的情况下，吉姆和奥罗拉还要在飞船的大厅里种满各种植物，仅仅是因为他们无聊吗？NASA在介绍太空农业意义时的一句话可以做一个完美的解答：有生命的植物不仅是给在孤寂太空中人带来新鲜空气和营养，更是一种心理安慰，因为人类总是有思乡之情的。
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太空水稻介绍
太空育种即航天育种，也称空间诱变育种，是将作物种子或诱变材料搭乘返回式卫星或高空气球送到太空，利用太空特殊的环境诱变作用，使种子产生变异，再返回地面培育作物新品种的育种新技术。
太空育种：也称空间诱变育种，就是将农作物种子或试管种苗送到太空，利用太空特殊的、地面无法模拟的环境(高真空，宇宙高能离子辐射，宇宙磁场、高洁净)的诱变作用，使种子产生变异，再返回地面选育新种子、新材料，培育新品种的作物育种新技术。太空育种具有有益的变异多、变幅大、稳定快，以及高产、优质、早熟、抗病力强等特点。其变异率较普通诱变育种高3-4倍，育种周期较杂交育种缩短约1倍，由8年左右缩短至4年左右。
太空育种香蕉
世界上只有美国、俄罗斯、中国成功地进行了卫星搭载太空育种。我国是1987年开始将蔬菜等搭载上天。
太空育种是集航天技术、生物技术和农业育种技术于一体的农业育种新途径。是当今世界农业领域中很尖端的科学技术课题之一，通过已进行的太空农业试验，植物、动物等生物体的许多特性奥秘被揭示。世界上只有美国、俄罗斯、中国三个*拥有返回式卫星技术。在这方面，中国走在世界前列。
机器人充当未来太空园林急先锋！
人类的生存要素无比琐碎和庞杂，仅在饮食方面，每天摄取的食物和饮用水累积起来就相当可观。假若要在太空中生存，加上盥洗用水和吸入的氧气，每人每年消耗的物质总量就至少重达11吨，这在地球上不算什么，但要带到宇宙空间就是大麻烦。
截至目前，人类在太空探索活动中应对这种麻烦的方法依然很原始，那就是从地球上将航天员的生活所需一一带上，例如上个世纪登月时在月面上做短期停留就把所有人的食物带齐全了；或者用货运飞船输送这些物资，这其中就包括食物，比如龙飞船定期为国际空间站进行补给。于是人们设想，假若能把园林搬到太空，人们就可以在太空种植农作物，不但可以实现在太空中自给自足，还能改造太空环境，岂不一举两得。很近，我国开展了空间基地生命保障人工闭合生态系统地基综合实验装置“月宫一号”试验，三位志愿者在实验舱种植粮食作物和蔬菜自给自足。但是，太空种植本身耗费大量时间精力，植物到了太空尤其娇贵，本身加大了种植的技术难度，更需要航天员们的“特殊呵护”，使得未来肩负使命的航天员们疲于为一日三餐奔命。
很近大学生开发的机器人园艺技术或许可以让机器人代替航天员充当未来太空园林的急先锋，航天员得以从繁重的“农活”中解放出来，处理更加重要的科研工作。机器人以其独特的技术优势，完全可以大面积、多品种种植，让太空园林更加丰富，也让“太空餐桌”更加丰盛！
图中右侧的希瑟尔·哈娃在美国科罗拉多大学攻读航天工程科学博士学位，她正介绍在X-Hab学术创新挑战赛中和其他同学一起合作完成的园艺计算机系统。
经过半个多世纪的时间，NASA已经使得很多科幻小说成为了现实。航天员探索地球以外的空间，他们需要使得他们的生存空间尽量能够做到自给自足，包括种植水果和蔬菜。研究者们一直致力于通过设计机器人在深空领域工作，来为航天员们种植食物。这听起来像来自星球大战的超凡概念，但是来自美国科罗拉多大学的在读研究生团队正在开展这项创新技术攻关。
“我们希望利用学生们开发的成果使用在未来太空任务中”，位于佛罗里达州的NASA肯尼迪空间中心技术策略经理川西·吉尔说，“这个项目是一个使得大学团队帮助我们开发新概念的机会”。
科罗拉多大学团队在X-Hab学术创新挑战赛的参赛项目是“植物遍地：植物能够自由生长在太空中”。并没有只是称作蔬菜，这个方法叫做“太空中所有可得空间都遍布植物。X-Hab挑战赛是一个大学水平的项目，目的是让学生们充分利用科学、技术、工程和数学知识。这个比赛希望能够将学生的设计项目与高年级的课程联系起来，能够强调动手设计、调查、开发和维修用在地球外的空间和深空探索子系统的功能样机。科罗拉多大学的学生于6月23日在肯尼迪空间中心向包括中心主任鲍勃·坎巴纳在内的一群工程师面前讲述他们的X-Hab项目。他们开发的分布式远程控制植物生产系统是一个可为在远程任务比如火星上提供可食用植物的创意。
希瑟尔·哈娃正在攻读航天工程科学专业博士，她的专业侧重于生物航天学，她的研究认为有机器人来做很多重复性工作，可以节省航天员的时间。“‘遍地植物’的创意设计目的是为了帮助很小化航天员的任务，这使得航天员能够集中精力到更重要的任务上”，她说。
一年前，科罗拉多大学的学生团队开发了一个园艺系统，植物生长在一个大型封闭设备里。“我们利用过去两年能用学到的知识，并将其应用到这个新系统中”哈娃说，“我们决定走出‘中心概念’，新系统给了我们更多灵活和利用无用的空间”。
在他们的新系统中，一个远程操作的园林机器人，在栖息地巡游，像是一个智能模拟器的脚，将会遍布在深空栖息地的居住区域。园林机器人培育植物生长在一个小型传统意义上的水培生长室，并有计算机系统来监视蔬菜的生长，每个植物都嵌入了计算机的传感器。
“我们设想有很多园林机器人在太空栖息地”，丹尼·拉森正在攻读计算机科学的硕士学位。“在每个系统上的测试系统都会输出植物状态数据并提供给计算机显示”。这些机器人和植物是联网的，并且园林机器人能够监控水果和蔬菜的土壤湿度和缺水情况。
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“这些园林机器人还能够测量空气和水的温度，LED灯提供的光照，以及湿度，营养水平和PH值”，哈娃说。在化学中，“PH”是可以量测土地酸度的指标。
每个系统监测和照顾它的植物们，它能够决定何时太空漫游者需要进行植物维护任务。太空漫游者是一个车轮上的机器人，能够推动园林机器人移动，一个用来修剪植物的机械臂，和一个液体传送系统来提供水或者营养液。拉森说这个系统能够用一个类似游戏中的控制器进行远程操作。太空漫游者机器人可以为特定植物提供水或者采摘水果或者蔬菜。如果航天员需要西红柿做沙拉，这个系统会确定哪些植物会结出成熟的西红柿并且分配机器人去采摘回来。
虽然在太空栖息地基本上都是机械环境，哈娃说，然而人类仍然需要自然环境来生存。“我们希望优化这个系统使得人类通过与植物交流得到心理上的安慰”她在科罗拉多大学的一个网络视频采访中提到，“我们也希望这些植物在航天员的环境中，这样他们就能够看到它们，闻到它们和它们在一起。谁会不喜欢采摘一个新鲜的草莓呢？”
对于丹尼尔·朱可夫斯基，他也是在计算机科学专业攻读硕士学位，X-Hab比赛提供一个利用地面上知道怎样做，并且把它提高到一个新的水平。“在参加这个项目前，我一直在开发机器人园艺系统，现在我有这个机会将地面园艺系统利用到太空中”，他说。
哈娃提到这个团队受益于来自NASA前航天员乔·唐纳尔的支持，现在是科罗拉多大学航天工程科学课程的高级指导老师，以及一位计算机科学的助理教授。
吉尔说学生参与NASA项目会是将来的一门课程。“这是一个为下一代航天工程的工程师，科学家和探索者做准备的机会，”他说，“他们告诉我们怎样将他们的系统开展。在系统工程化阶段这提供给他们一些真实的条件”。吉尔提到有国际空间站地面处理和研究项目办公室的博士、NASA地面工程指挥，以及在NASA工程和技术指挥处地面系统办公室的博士，也为科罗拉多大学的团队提供指导。他们也是帮助学生开发系统并且帮助他们组织展示，他们曾评论说“这些科罗拉多大学的学生是一个令人印象深刻的团队”，“这是一个很棒的项目，他们也投入了很多努力”。
NASA和国际空间基金会在2013-2014年X-Hab学术创新比赛的6个参赛大学中选择7个项目。这些大学研究生和本科生学生为了完成一系列里程碑意义的项目来开发可能会用在未来深空探测领域的系统或概念。在此期间，他们和NASA高级探索系统工程深空领域项目团队密切合作。这个比赛鼓励采用多学科方法，工程师和科学家以及工厂合作。参赛者需要探究NASA在深空领域的发展工作以及帮助集合新的创意到现在的研究和开发中来。
科罗拉多大学也是被NASA挑选为2015年X-Hab学术创新比赛五个大学之一。这个团队项目会集中为深空任务设计可部署的食物生产温室。明年的参赛大学包括威斯康星-密尔沃基大学、南阿拉巴马大学、佛蒙特州大学和俄克拉何马州立大学。
哈娃说她希望有机会能够将她的研究应用在深空探索任务中。“这项研究是很令人兴奋的”，她说，“我希望能够到火星去探索，我相信自己将会成为*一个火星的团丁”。
编辑：赵翠 鲁凡英
（医生：钱航，中国科学院*空间科学中心博士，现中国运载火箭技术研究院总体设计部型号设计师，科普中国微平台原创首发）
太空里没有氧气，怎么就能长植物？
那是一个人工模拟的小型封闭环境。
我国嫦娥四号在月球背面登陆，其中装了一个生物科普试验载荷。在这个生物试验装置中放了六种生物，其中包括棉花、果蝇等。从嫦娥四号拍摄返回的图片来看，棉花种子已成功适应月球的土壤环境，它已长出一抹嫩绿色的新芽。这是人类在月球上种植出的*一株植物嫩芽，实现了人类首次月面生物生长培育实验。
这个装置是一个人工模拟的生物生长小环境，是封闭的，只是用的是嫦娥四号在月球背面登陆后收集的月球土壤，其他的条件，如内部气体和气压、光照、温度、水分等都是人工模拟的地球环境。
这个试验只是为了试验使用月球土壤能否使生物生长，而其他条件都是模拟地球环境的。所以，即使太空中没有氧气和其他气体，只要模拟出地球的大气和环境条件，也是可以生长植物的。
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