農作物怎麼在外太空中生長？看看科學家們付出的努力吧！

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宇航員們在外太空如何生存？科學家們展開了在外太空種植農產品的各種試驗。

要成為“星際物種”，我們需要找到在太空環境中可持續種植糧食的方法。

三年後，美國國家航空航天局（NASA）將把宇航員送往月球，這是阿波羅時代以來的第一次。這項名為Artemis III的任務目前計劃於2024年10月發射，作為NASA將“第一個女人和下一個男人”送上月球表面目標的一部分。

除此之外，NASA的阿爾忒彌斯計劃還呼籲建立所有必要的基礎設施，以實現“可持續的月球探測計劃”。這將包括建造月球通道，一個允許定期往返月球表面的軌道棲息地，以及阿爾忒彌斯基地——這將允許宇航員們長期停留在月球表面。

為了實現這些目標，NASA正忙於開發和測試半個世紀以來首次將宇航員帶出近地軌道（LEO）的所有部件，如太空發射系統（SLS）和獵戶座航天器。

除了NASA，歐洲航天局（ESA）、俄羅斯聯邦航天局（Roscosmos）、中國國家航天局（CNSA）和印度空間研究組織（ISRO）等航天機構都有將宇航員送上月球的計劃。一些人甚至計劃在月球的南極地區建立一個永久的月球定居點（比如歐空局的國際月球村）。

除此之外，美國國家航空航天局（NASA）和其他太空機構也在深入研究人類如何在太空中長期生活和工作。這意味著要設計出能夠為宇航員提供可呼吸的、溫暖且不受環境因素影響的棲息地。

考慮到前往月球、火星或其他地方的任務將不能依靠定期的補給任務，這些棲息地也需要盡可能地自給自足。這意味著水和空氣需要持續回收和清潔，一些食物需要在室內種植。

這就產生了許多問題，因為太空對所有生物來說都是一個非常惡劣的環境。除了常見的危險之外，關於太空中的糧食生產，我們還有很多不知道的東西。但是，隨著人類太空探索的新時代即將到來，我們決心要找到答案！

1.生活在太空中的挑戰。

太空是一個極其荒涼的地方。在低地球軌道(LEO)以外的任何地方，都存在著多種危險，這使得探索變得非常具有挑戰性。以月球和火星為例，這兩者都是未來探索任務（甚至是定居）的目的地。

月球是地球最接近的天體鄰居，這使它成為最容易、最快、成本最低的目的地。與此同時，火星被認為是太陽系中第二適宜居住的天體。然而，如果沒有一些嚴肅的技術干預，長期生活和工作都是不可能的！

大氣層：

首先，月球是一個沒有空氣的天體。雖然從表面排出氣體產生的壓力很小，但幾乎可以忽略到接近真空的程度。另一方面，火星有大氣層，但據我們所知也不能維持生命的存活。

首先，火星表面的大氣壓力不到地球海平面（101.325 kPa對0.655 kPa）的1%。這種極稀薄的空氣也主要由二氧化碳（96%）、3%的氮氣、1.6%的氬氣和水蒸氣組成，只有微量的氧氣。因此，火星的大氣層不僅太稀薄，無法呼吸，而且對於人類和動物來說，它是一種有毒的煙霧！

溫度：

在地球上，我們稠密的大氣層，驅動它的動力（又名：氣候）、二氧化碳和其他溫室氣體的水平確保了溫度隨著時間的推移相對穩定。當然，有地區和年度的變化，但總體上，變化的程度並不極端。

根據世界氣象組織（WMO）的數據，地球平均氣溫約為14攝氏度（57華氏度）。然而，它們也會從最小的-128.6°F到最大的134°F（-89.2°C到56.7°C）——即總的範圍是262.6°F。（146°C）

在月球上，表面溫度平均在-9.4°F（-23°C）左右，在陽光直射下從-280°F到243°F（-173°C到117°C）。從極冷到滾燙，總溫度範圍為523°F（290°C）。氣候變化得太劇烈了！

火星的情況或許會好一點。在這顆紅色星球上，氣溫平均在-82°F（-63°C）左右，夏季中午從-226°F到95°F。從極冷到溫暖，總溫度範圍為321°F。（178°C）

輻射：

在地球上，生活在發達國家的人們平均每年受到約620mrem（6.2mSv）的輻射，相當於每天1.7mrem（0.017 mSv）。根據最近的一項研究，在沒有大氣或磁場保護的情況下，月球的遠側受到的輻射是地球上發達國家的人們受到的200到1000倍！

再一次，火星上的情況要好一些，但肯定不是最好的！2008年，美國宇航局進行了一項研究，顯示火星上的宇航員（或殖民者）平均每年暴露在2667mrem(26.67mSv)或每天0.073 mSv的輻射中——這是這個數字的4.3%。

微重力：

雖然針對上述所有挑戰都有預先存在的戰略，但仍然存在嚴重性問題。國際空間站（ISS）上正在進行的研究表明，長期暴露在微重力下會對宇航員的健康產生有害影響——從肌肉和骨骼到心髒健康和心理疾病。

然而，月球引力和火星引力對地球生命健康的長期影響還沒有被很好地理解。在月球和火星上，重力分別是我們在地球上經曆的重力的16.6%（0.166克）和38%（0.376克）。

2.食物，無上榮光的食物。

雖然可以有把握地假設效果是相似的，但對於食物而言，我們仍需要做大量的研究。我們需要了解對於食物而言，上述對於人類可能產生的影響將如何以及何時生效，它們可能會持續多久，它們如何(或是否)可以逆轉，以及從長遠來看，可以做些什麼來緩解它們。

所有這些危害對植物也存在一個潛在的風險，宇航員將依賴植物來提供大部分營養。植物性蛋白質的好處是更可持續，資源密集度更低，許多綠色蔬菜還含有我們離不開的礦物質和營養物質。

但是，如果未來外太空的人也打算在他們的飲食中加入動物蛋白，那就意味著家畜，這意味著它們的健康也必須得到保證。在我們弄清楚如何做到這一點之前，需要進行大量的研究。幸運的是，這項研究正在如火如荼地進行著！

3.過去的實驗。

生物質生產系統（BPS）：

全球BPS環境控制子系統為植物提供了一個生長環境，研究微重力對小麥光合作用和新陳代謝的影響。這項實驗從2001年12月持續到2002年6月，目的是調查再生生命維持系統是否可以被納入未來的月球和火星任務中。

這項曆時73天的實驗總共收獲了8次，結果表明微重力對植物生長並不是一個重要的壓力源。然而，國際空間站上生長的未成熟種子與地面上生長的種子之間的比較表明，微重力可能會影響植物的口味和營養價值。

擬南芥根系特性（CARA）：

在2014年3月至2014年9月期間進行的這項新的擬南芥根系吸引特性（CARA）實驗，在分子和遺傳水平上研究了在微重力條件下影響植物根系生長的機制（以及它們在沒有光的情況下會如何變化）。

這項實驗包括將一組幼苗暴露在陽光下，同時將另一組幼苗置於黑暗中，並檢查每種環境如何影響根的生長模式。結果表明，微重力對植物生長激素以及調節細胞大小和形狀的基因都有一定的影響，而這些基因影響根的生長。

重力感知系統：

在地球上，植物對光和重力做出反應來引導它們的根的方向。全球定位系統實驗於2017年9月至2018年10月進行，調查了植物在微重力環境中如何感知重力和光線。

這涉及將正常和突變的研究植物（泰爾水芹）置於國際空間站的歐洲模塊化培養系統中，該系統包含一個用於模擬重力的離心機。這使得研究人員可以在黑暗中交替地讓植物承受微重力和模擬重力（0.006微克到1微克）。

光合作用實驗和系統測試操作（PESTO）：

在2001年12月至2002年6月期間（與BPS一起）進行的全球光合作用實驗和系統測試與操作試驗（PESTO）調查了微重力對矮稈小麥植株的影響。

與地球上生長的樣品相比，國際空間站上的小麥植株生長得大10%，而葉片生長速度相似。實驗還發現，微重力改變了葉片發育、植物細胞和葉綠體（進行光合作用的細胞結構），但對植物無害。

國際植物通用生物處置裝置實驗室（PGBA）：

國際植物通用生物處理裝置實驗室（PGBA）從2002年6月到2002年12月，研究了微重力對植物細胞壁的一個重要部分（木質素）的影響。它由一個獨立的植物生長室組成，提供溫度、濕度、養分輸送和光線控制。

實驗發現植物物質不能正常發育，並確認需要在植物生長室內加強空氣質量調節。從中吸取的經驗教訓為未來所有植物生長實驗改進了太空飛行植物室設計。

4.當前的實驗。

由於靠近地球與其先進的設施和微重力環境，國際空間站（ISS）能夠容納多項實驗。除了研究太空旅行對人類的影響外，還在進行多項植物實驗。這些實驗包括：

高級植物棲息地：

美國APA於2017年4月開始在國際空間站上運行（並將持續到2021年9月1日）。這是一個全自動閉環系統，旨在進行植物生物科學研究，該系統由美國宇航局和美國軌道技術公司（ORBITECH）共同開發，由美國宇航局肯尼迪航天中心（KSC）管理。

該系統采用了一系列LED燈和一個環境控制的生長室，配備了180多個傳感器。這使得APA可以在最佳光照條件下種植植物，同時將實時信息（植物和土壤的溫度、氧氣含量、二氧化碳含量和水分含量）反饋給KSC的團隊。

阿列夫零號（Aleph Zero）:

2019年，總部位於以色列的阿列夫農場公司（Aleph Farm）（與俄羅斯公司3D Biopprint Solutions合作）培育了太空中的第一塊肉。使用直接從牛細胞打印肉類的工藝，該公司在國際空間站上生產了少量牛肉。

為了在這一成功的基礎上再接再厲，該公司在2020年10月下旬宣布了一項新計劃，將在太空中大規模種植肉類。該項目名為Aleph Zero，該公司正尋求與科技公司和太空機構建立戰略合作夥伴關系。

美國生物實驗室（Biolab）:

美國生物實驗室（Biolab）的實驗是作為歐空局哥倫布號模塊的一部分交付給國際空間站的，該實驗研究了失重在有機體的各個層面上所起的作用，從對單個細胞的影響到包括人類在內的複雜有機體。

自2008年哥倫布號發射以來，Biolab利用配備離心機的培養箱模擬不同水平的重力，研究了微重力對小型植物、無脊椎動物、微生物、動物細胞和組織培養的影響。

太空中的土壤健康：

農業（空間土壤健康）實驗研究了植物栽培和健康中另一個經常被忽視的方面——土壤和養分的聚集，也被稱為控制環境下土壤穩定性的重力效應的測定。

該實驗基於美國康奈爾大學農業與生命科學學院的約翰·摩根·艾倫斯博士（Dr. Morgan Irons）和約翰尼斯·萊曼博士（Dr. Johannes Lehamann）以及柏林自由大學的馬蒂亞斯·裏利格博士（Dr. Matthias Rilling）進行的科學研究。

贊助由諾福克研究所、美國榮鼎科學有限責任公司、美國國家航空航天局、太空科學促進中心提供，資金來自深空生態有限責任公司、榮鼎科學公司、Ebio365和美國茲韋倫伯格-蒂茨基金會。

該實驗由三種類型的土壤樣本（纖維質的、富含有機物的和富含淤泥/粘土的）組成，分布在12個0.135盎司（4毫升）的小瓶中。這些樣本由康奈爾大學（富含淤泥/粘土的樣本）、BIO365（BIOALL，纖維樣本）和裏利格實驗室的柏林土壤（富含沙子的有機樣本）提供。

這些土壤樣本被細分為兩組，每組六份，被稱為“自由浮動”和“限制移動”組。最後，這兩組六份樣本又被細分為兩組，每組三份，分別按各自持水量的60%和30%澆水。

這項實驗的目的是確定微重力對真菌和細菌生長和活動的影響，如果人類想要在地球以外的地方種植食物，這是必不可少的。該實驗的發明者、康奈爾大學土壤和作物科學博士研究生摩根·艾恩斯（Morgan Irons）解釋說：

“活的土壤根際中的微生物有助於產生土壤團聚體，這是一種重要的土壤結構，支持農業植物獲得生長所需的生物地球化學反應。太空土壤健康實驗的分析結果將增強我們對航天如何影響土壤微生物活動和空間農業系統的生物再生能力的了解。這些知識將使我們能夠在未來的太空任務中提高在受控環境農業系統中種植的糧食作物的效率和產量。”

美國素食生產系統：

美國素食生產系統（又名Veggie)自2013年3月以來一直在國際空間站上運行，並支持各種旨在觀察植物如何感知和響應重力的實驗。此外，部分作物通常由機組人員收獲和食用，其餘的則被帶回地球進行進一步分析。

在國際空間站上的所有植物實驗中，蔬菜在生產量上占有很大的地位，這使得以前由於大小限制而無法生長的更大的植物得以生長。其可調節的LED燈庫還允許在需要臨時光源的其他實驗中使用。

到目前為止，國際空間站（Veggie-01到Veggie-04）上已經進行了四次重大實驗。2018年2月，Veggie得到了增強，增加了蔬菜被動軌道養分輸送系統（PODS），這是一個旨在微重力環境下高效輸送水和養分的系統。

池塘單元的設計目的是減輕微重力對水分配的影響，增加氧氣交換，並為根區生長提供足夠的空間。這將允許種植更多的農作物，包括更大的葉菜、水果作物，以及新型生菜和水田蔬菜。

5.其他實驗。

並不是所有在太空中生產食物的實驗都是在國際空間站上進行的。其中一些是在地球上完成的，或者是在某些更具異國情調的地方（比如月球）完成的。

嫦娥四號：

2019年1月，中國嫦娥四號任務成為第一個登陸月球背面的機器人月球探測器。除了一套科學儀器外，著陸器元件還搭載了由28所中國大學聯合設計的月球微生態系統。

它由一個6.6磅（3公斤）的密封模塊組成，裏面裝著土豆、番茄、擬南芥種子和蠶卵。這樣做的目的是測試植物和昆蟲是否能在微重力環境中共同生長。2019年1月15日，有消息稱，棉籽、油菜籽、土豆種子已經發芽，成為第一批在月球上發芽的植物。

9天後，當突然降溫(由月球的夜晚引起)及生物圈未能保持溫暖導致幼苗死亡時，實驗被終止。然而，這項實驗是此類實驗中的第一次，並提供了有價值的數據。

聯合可再生空間有機食品生產衛星（EuCROPIS）：

2018年12月，德國聯邦航空航天中心（DLR）將Euglena和聯合可再生空間有機食品生產（EuCROPIS）衛星送入近地軌道。這項任務使用人類排泄物作為營養源，在模擬重力條件下測試植物生長。

這顆衛星被設計成能夠旋轉以模擬重力，其中包括兩個配備了種植西紅柿的溫室。EuCROPIS進行了兩個實驗，模擬了月球和火星引力（分別是地球重力的16.6%和38%），並研究了它們對植物生長的影響。

月球溫室：

月球溫室（LGH）於2009年投入使用，是一個水培植物生長室和技術示範。LGH是生物再生生命支持系統（BLSS）的一個例子，該系統旨在為地球以外的生活和工作提供一個閉環、可持續的生命支持系統。

除了為宇航員提供持續的食物供應外，它還為機組人員提供空氣重複利用、水回收和廢物回收。LGH是由亞利桑那州立大學受控環境農業中心（UA-CEAC）的研究人員在美國宇航局戈達德地球科學中心（GES）的支持下設計和建造的。

6.未來的實驗。

目前有幾個試驗正在開發過程中，或者已經完成等待發送到國際空間站。還有激勵性的競賽以激發更多的實驗、想法和策略。

BIOWYSE：

由挪威國家空間跨學科研究中心（CIRiS）開發的用於空間探索的生物汙染綜合控制濕式統將確保為宇航員提供可持續和可再生飲用水的不同方法。

這個集成系統的設計目的是儲存淡水，監測其汙染跡象，並用紫外線（而不是化學物質）對其進行淨化。它還能夠監測空間站或航天器內部各種潮濕地區的細菌汙染水平。

這是必要的，因為國際空間站上大約80%的水來自空中的水蒸氣，以及回收的淋浴水和尿液。未來為生活在獅子座或外星世界而設計的棲息地將同樣需要在閉合循環系統中收集水，以供飲用和灌溉。

目前，國際空間站依靠化學品來淨化循環水，但從長遠來看，這不太可能持續下去。一個能夠感知空氣中水蒸氣和潮濕表面汙染的系統也將為機組人員的健康和安全帶來好處。

伊甸園國際空間站（Eden ISS）：

2015年5月，在南極洲建立起了一個實驗溫室設施，以測試一種在太空中種植植物的新方法。它的名字是伊甸園國際空間站（Eden ISS），這是一個由大約15家公司和研究機構（包括德國航空航天中心）於2015年啟動的跨國項目，由歐盟的Horizon 2020研究和創新計劃提供資金。

該系統結合了先進的養分輸送、高性能LED照明、生物檢測和淨化技術，可在有限的空間內種植多種植物。除了驗證這種類型的系統可以在國際空間站上運行外，伊甸園國際空間站還打算在地球上應用，為南極Neumayer站III的越冬工作人員提供新鮮農產品。

全球軌道生物自動艙（OBAM）：

2020年2月，俄羅斯托木斯克理工大學和他們在俄羅斯中部的合作夥伴宣布創建一個軌道溫室的原型系統——被稱為全球軌道生物自動艙。這種裝置將允許植物在太空中生長和培育，而只需最少的人工監督。

OBAM將加速植物生長的智能照明與專門的水培、自動化灌溉和機器人收獲相結合。初期研究人員還在為國際空間站開發放大版的原型，它將是圓柱形的，包含大約320英平方尺（30平方米）的種植面積。

時間尺度：

這項為期三年的計劃由來自六個歐洲國家的八家研究機構組成的財團開發（資金由歐盟的Horizon 2020計劃提供）。該計劃的縮寫是在可伸縮的高級生命探索支持系統中開發模塊化設備的技術和創新（Technology And Innovation For Development Of Modular Equipment In Scalable Advanced Lifesupport Systems For Space Explorations）。

這項技術也是由CIRiS的研究人員開發的，旨在為種植植物而循環利用水和養分。像它的前身一樣，它依靠旋轉的離心機來模擬月球和火星的重力，並測量這對植物吸收養分和水分的能力的影響。

第七，深空糧食挑戰賽。

NASA舉辦激勵性競賽的傳統由來已久，其目的是將特定挑戰的解決方案眾包出去。鑒於糧食生產系統在未來幾年將具有高度優先地位，美國國家航空航天局（與Methuselah基金會合作）和加拿大航天局（CSA）聯合發起了全球深空糧食挑戰賽。

作為美國國家航空航天局第二個百年挑戰計劃的一部分，這項比賽將為長期任務的食品生產技術或系統的開發頒發現金獎勵。獲獎作品將是那些能夠提供安全、營養和開胃的食物，而這些食物需要的資源最少，產生的廢物最少。

這項比賽於2021年1月宣布，將繼續接受申請直到2021年7月30日。美國國家航空航天局將向美國公民提交的競賽第一階段獲獎提案頒發高達50萬美元的獎金。

加拿大航天局將為參賽的加拿大團隊舉辦一場類似的平行競賽活動，並從自己的獎金中頒發獎品。其他國家的參賽隊也可以參賽，他們的建議將獲得國際認可，但沒有資格獲得獎金。

根據呈現的技術，可能會有第二階段，包括可能會緊隨其後的廚房演示。格蕾絲·道格拉斯（Grace Douglas）是美國國家航空航天局約翰遜航天中心（Johnson Space Center）的先進食品技術首席科學家，她這樣解釋了比賽的目的：

“我們需要為我們的宇航員提供滿足熱量和營養要求的食物，但我們想要更進一步。食物系統的多樣性、可接受性和營養含量有可能超越僅僅維持人體的範疇，促進心理和生理健康。”

第八，為了太空，更為了地球。

除了培養在太空和其他天體上種植糧食的創新想法外，這項研究還旨在創造更可持續的食物實踐供國內使用。在不久的將來，全球人口預計將超過100億，這將與幹旱、極端天氣、沿海和內陸洪水以及環境破壞程度的加劇不謀而合。

簡而言之，我們的人口將不斷膨脹，而我們賴以生存和謀生的系統將處於危險之中。為了迎接這一挑戰，人類需要找到一種方法，以一種可持續的方式養活更多的人而不會增加我們對自然環境的影響。

正如摩根·艾恩斯（Morgan Irons）總結的那樣，他是DSE的聯合創始人兼首席科學官，也是美國國家科學基金會（NSF）、美國卡爾·薩根研究所（Carl Sagan Institute）和諾福克研究所的研究員：

“土壤健康與農業健康有著千絲萬縷的聯系，對於生產營養食品、促進地球和太空中的環境和人類健康至關重要。無論我們是在月球、火星還是其他行星上，當地的土壤或風土層都是一種寶貴的原地資源，既可以進行加工，也可以用來發展適應極端環境生活的有彈性和適應性的棲息地，比如准封閉的農業生態系統。”

成為一個“多行星物種”（正如埃隆·馬斯克所說）不僅僅意味著要學會在其他星球上生活。這也意味著找到更好、更可持續的方式在地球上生活，直到無限的未來。雖然有一天我們可能會冒險在宇宙的其他地方紮根，但正如我們所知，地球永遠是生命的搖籃。

如果說太空之旅教會了我們什麼，那就是像地球這樣的行星是多麼稀有和珍貴，我們不應該想當然地認為這是理所當然的。它還告訴我們，我們要殖民太空的唯一方式是了解我們的行星環境，並欣賞它賦予生命、維持生命的系統。

BY:interestingengineering

FY: 羅導

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