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科普專欄
您現(xiàn)在的位置：2019-03-15 來源： 解放日?qǐng)?bào) 鄭偉波
在地球上，只要把種子埋在土壤里，為它澆水，有合適的溫度和陽光，它就能萌發(fā)。那么，在太空里種植是什么感受呢？請(qǐng)聽中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員鄭偉波在SELF格致論道講壇上講述在太空培養(yǎng)動(dòng)植物的經(jīng)歷。
我們未來有一天去太空旅行或者太空移民的時(shí)候會(huì)遇到什么問題？會(huì)遇到食物的問題，還有健康的問題。
如果是短期太空旅行的話，食物可以由地面運(yùn)上去；長期的太空旅行，就要考慮在太空種植各種植物，培養(yǎng)各種動(dòng)物，滿足人對(duì)食物的需求。
太空指地球大氣層以外的宇宙空間。太空是真空環(huán)境，沒有空氣，宇宙輻射很強(qiáng)，同時(shí)還處于失重狀態(tài)，和地球有很大的不同。如何在太空培養(yǎng)動(dòng)植物呢？我們有機(jī)會(huì)在“天宮二號(hào)”“實(shí)踐十號(hào)”和“天舟一號(hào)”上開展了一些生命實(shí)驗(yàn)。
我先介紹一下在太空中種植植物。植物生長需要陽光、空氣和水，而太空中沒有空氣，也沒有水，需要從地球運(yùn)上去。我們?cè)?ldquo;天宮二號(hào)”上種植了擬南芥和水稻，目的是研究微重力環(huán)境對(duì)植物生命節(jié)律的影響。
實(shí)驗(yàn)的具體流程是這樣的：火箭發(fā)射前，我們把生物樣品擬南芥和水稻的種子放進(jìn)一個(gè)裝置里，再放到“天宮二號(hào)”上，隨“天宮二號(hào)”發(fā)射入軌。在軌時(shí)，我們通過地面遙控啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并讓實(shí)驗(yàn)按照我們的要求開展。返回前，再把整個(gè)實(shí)驗(yàn)“凍結(jié)”起來，避免地面環(huán)境影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
在“天宮二號(hào)”上，水稻和擬南芥被放在植物培養(yǎng)箱中，體積只有300mm×300mm×400mm大小。
水稻和擬南芥要培養(yǎng)一年，而從地面帶上去的水，每一個(gè)培養(yǎng)單元只有半瓶礦泉水的量，300毫升左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。于是，我們想到模仿地球大氣圈的水循環(huán)：地表水蒸騰，升入空中遇冷形成雨水，再落回地面。但是，在太空中構(gòu)建水循環(huán)缺少一個(gè)環(huán)節(jié)，因?yàn)樘罩惺鞘е丨h(huán)境，水形成后無法落回土壤。于是我們利用毛細(xì)現(xiàn)象，把搜集到的水通過毛細(xì)管再送回土壤。這樣的水循環(huán)過程可以滿足植物一年的全生命周期的培養(yǎng)需求。
在地球上，種子埋在土壤里，為它澆水，有合適的溫度和陽光，它就能萌發(fā)。但在太空中操作就非常復(fù)雜，因?yàn)樘罩兴涂諝夂茈y分離，水難以落進(jìn)土壤，土壤里的空氣也出不來，加多少水更不好控制。種子萌發(fā)有兩個(gè)條件：一是能夠被水浸潤，能夠吸脹；二是能呼吸，種子如果全部浸沒在水中，會(huì)被淹死。如何在太空中滿足這兩個(gè)條件，一直困擾著我們。
后來我們想了一個(gè)辦法，把水注入土壤后，通過毛細(xì)現(xiàn)象把水引走，讓種子露出來呼吸，通過這種方式讓種子萌發(fā)。因?yàn)榈厍虼嬖谥亓?，這種方法很難在地球上驗(yàn)證。但通過我們的摸索，并請(qǐng)力學(xué)專家進(jìn)行計(jì)算，有了一定把握，可以去太空試一下。
2016年9月15日，擬南芥和水稻種子隨“天宮二號(hào)”發(fā)射入軌，8天之后太空實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)。我們那時(shí)心里是忐忑不安的，種子究竟能不能萌發(fā)，心里沒有底。
實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)5天后，擬南芥種子冒出一個(gè)小芽。20天后，水稻的小芽也頂著一顆碩大的水珠冒了出來。那時(shí)我們真的非常開心，一顆懸著的心終于放了下來。
太空環(huán)境對(duì)植物有很多影響。比如，太空植物的花骨朵像滿天星一樣，比地球上的植物多很多。再比如，擬南芥在地球上一般只有四五十天的壽命，而“天宮二號(hào)”上的擬南芥在太空中生長了400多天，壽命長得多?？茖W(xué)家正在對(duì)這些現(xiàn)象作進(jìn)一步的分析。
除了植物栽培，我們還在太空中進(jìn)行了細(xì)胞、胚胎的培養(yǎng)。
胚胎由受精卵多次分裂而成，是生命的起點(diǎn)。胚胎的體外培養(yǎng)比細(xì)胞培養(yǎng)復(fù)雜，因?yàn)樗舾?，?duì)環(huán)境的要求更高。在地球上，胚胎可以完成從分裂到著床、長出后代的過程，但沒有人知道太空中哺乳動(dòng)物的早期發(fā)育過程能否完成。科學(xué)家想知道答案，因?yàn)榻窈鬅o論是人類還是其他動(dòng)物，胚胎發(fā)育是進(jìn)行長期太空旅行所必然要經(jīng)歷的過程。
實(shí)驗(yàn)是怎么做的呢？首先要構(gòu)建一個(gè)適合胚胎發(fā)育的、類似于小鼠母體子宮的環(huán)境。這個(gè)環(huán)境非?？量蹋绹腿毡究茖W(xué)家也做過類似實(shí)驗(yàn)，但沒有成功。而我們最終做成了，這在世界上是第一次，而且我們把胚胎在太空中的整個(gè)發(fā)育過程用顯微圖像記錄下來，對(duì)科學(xué)研究非常有幫助。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明，太空中能夠完成小鼠早期的胚胎發(fā)育。我們將太空中發(fā)育的囊胚植入小鼠母體，結(jié)果真的生出了小老鼠。
我們?cè)?ldquo;實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星上還開展了其他一些實(shí)驗(yàn)研究，放置了家蠶培養(yǎng)箱、植物培養(yǎng)箱、高級(jí)植物培養(yǎng)箱等。
地球雖然是人類的家園，但我們終將要走出地球，跨向宇宙。所以，我們還將會(huì)繼續(xù)開展多種多樣的太空生命探索研究，為人類的太空旅行做好準(zhǔn)備。
