“想在太空种红薯”，太空种植挑战多多，这些植物曾“上天”

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神舟十八号、十九号乘组在空间站会师，航天员李广苏表示“特地新种了一批生菜，等着大家伙儿一起品尝”，神舟十九号航天员宋令东表示“想在太空种红薯”，在太空种菜有哪些挑战？已经在太空中种植的植物有哪些？

从种子遨游，到太空生长

相比于“太空种菜”，“航天育种”可能是大家更熟悉的概念。“航天育种”即把植物种子带上太空，希望利用太空各种复杂的因素如宇宙粒子的射线以及失重、超真空、超洁净等等，提高植物基因变异的可能性，随后再将种子带回到地面上种植，从中培育筛选出更优良的或者是新的植物品种。

人类早在1946年就用V-2火箭将一些特别开发的种子菌株带上天，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。

太空种植，又名空间植物栽培技术，其试验研究迄今已历经60多年，关注的是植物能不能在太空中完成全周期的生长，重点研究微重力对植物生长发育的影响。早在1975年，苏联就开始了太空农业的探索之路，他们在“礼炮号”空间站尝试栽培小麦、洋葱、燕麦、豌豆、甘蓝、萝卜和生菜等植物。

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，成功培养了小麦、生菜和甜豆等植物。

LADA空间温室。来源：航天医学与医学工程

2014年初，美国国家航天局NASA启动了植物栽培试验，将蔬菜生产系统“Veggie”和一批生菜种子送到了国际空间站。2015年8月，宇航员培育出了完全在太空中生长的生菜并进行了食用，这宣告了人类可以在微重力环境下培养出蔬菜，对人类进军宇宙具有突破性的意义。

蔬菜生产系统“Veggie”。来源：国家航天局

2020年11月，美国航天员在国际空间站上采收了20棵萝卜。之所以选择种萝卜，是因为科学家对它们的属性已相当了解，且不需要特别照顾，只要27天就能发育成熟。

国际空间站中的“太空萝卜”。来源：NASA

2021年10月，国际空间站上的美国航天员品尝到了他们种植的第一批辣椒。NASA表示，选择种植辣椒的原因在于其丰富的维生素C含量和自花授粉的方式。

除了种菜，宇航员们也种过花。2016年，国际空间站培育出第一朵在太空盛开的百日菊，作为人类在地球之外培育出的第一朵观赏花，它对植物的太空开花研究作出了不小的贡献。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。

太空中盛开的百日菊。来源：NASA

在太空“种菜”有何挑战

近地轨道太空环境的特点是微重力。“电梯下坠的那一刻，就接近微重力的状态。” “月宫一号”总设计师、北京航空航天大学教授刘红说，“太空微重力环境对植物栽培工艺的影响非常大。植物生长的必要条件有光、温、水、气、肥，而在太空中给植物供水就是一项巨大的挑战。”

水分供给技术是空间微重力环境下栽培植物非常关键的技术。空间微重力环境下水、气无法自动分离，植物必须依赖外力才能与周围环境进行正常物质交换。另外，空间站受微重力影响，水珠会附着在传感器上，导致传感器失灵，明明基质已经缺水，传感器却可能还显示水分充足。刘红介绍说，空间站浇水是先把水全部抽出来，然后进行气水分离，最后再把水打进基质，定时进行这一整套循环操作。“这就导致虽然植物培养箱种植面积不大，配套的水泵、阀门、管道等附属物却是一套庞大的装置。”

至于“土壤”方面，科学家们也进行过不少研究。从研究的结果来看，利用人工基质进行培养是太空植物培养的主要方式，水分的运动主要依靠基质颗粒的毛细作用力来进行。栽培基质的选择从早期的离子交换树脂、固态化琼脂，到后来的岩棉、蛭石、蒙脱石、P土、人工烧结的陶粒等，并围绕这些基质材料，研发了多种太空植物培养水分养分供应系统，应用到不同类型的太空植物栽培装置中，进行太空植物培养。

我国选取了蛭石作为栽培基质。蛭石是一种矿物质，它的吸水性非常好，水分在其中的传导很均匀，受重力的影响很小，可按需向其中注入水分、养分和空气，来保障植物的茁壮生长。并且蛭石密度小、质量轻，可以轻松带上太空。

在天宫二号“种菜”采用的基质蛭石。来源：中国载人航天

植物培养过程中产生的各种废弃物（如根系、枯枝残叶、废弃基质等）的处理也成为了科研人员需要解决的问题。目前太空植物栽培采用的栽培基质大多为细小颗粒状，尽管采用了特殊的防护措施，植物栽培过程中有颗粒状基质脱落并漂浮还是不可避免，给航天员制造了不少麻烦。因此，科研人员在开展废弃物处理与植物培养再利用的相关研究基础上，设计了一种可生物降解、能重复利用的植物栽培基质，这种基质以块状结构形式存在不会脱落碎屑，而且具备良好的通气、保肥和导水性能。

植物生长还需要充足的光照，舱内没有太阳光线照射，带上太空的植物栽培装置会利用人工光源为植物提供充足的光照。

我国首次实现水稻全周期太空种植

2016年，我国航天员首次在太空“种菜”。中国航天员科研训练中心研发了空间植物培养装置，在“天宫二号”成功进行了生菜在轨培养试验。这次也是我国首次在太空人工栽培蔬菜，但当时并没有让航天员在轨食用，而是将植物采样带回进行生物安全性检测。

除了部分植物样品随着神舟十一号于2016年11月返回地面，当时还有大部分植物样品留在天宫二号，科研人员成功地通过地面遥控，对留在太空中的培养箱进行温控和浇水，启动了拟南芥和水稻生长，通过相机对植物生长发育全过程实时监测，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。这是我国首次在太空中完成“从种子到种子”全过程的空间植物培养实验。

天宫二号空间实验室搭载的微型培养箱中种有水稻和拟南芥。来源：国家航天局

2022年12月4日，神舟十四号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。随舱下行的中国空间站第三批空间科学实验样品也在着陆场交付空间应用系统，其中就包括经历了120天空间培育生长、完成发育全过程的水稻和拟南芥种子。此次空间科学实验，我国在国际上首次在轨完成了水稻从种子到种子的全生命周期培养，并获得了水稻种子。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心郑慧琼研究员处理从太空归来的水稻样品。新华社供图

随着技术的发展，空间种植的装置也在不断升级。此次神舟十九号乘组和神舟十八号乘组在空间站会师，航天员李广苏表示“特地新种了一批生菜，等着大家伙儿一起品尝”，据了解，从神十六乘组开始，太空种植蔬果使用的“太空菜园”装置是新设计的第二代空间植物栽培装置。“太空菜园”最大的特点是实现了轮番、多批次的种植，为未来大规模的太空种植奠定了基础。航天工作者们目前正在进行新一代植物栽培技术研究，从而减少浪费，增加水分和养料的循环比例。

科研人员也设计了一种模块化的简易太空植物栽培装置，采用开放式结构，摆脱了此前使用的“大装置”形式，航天员可以与植物随时亲密接触。植物生长所需要二氧化碳、温湿度和氧气等气体环境，和舱内航天员基本一致，植物种植操作简单，便于照料。航天员还可按个人喜好将该装置任意摆放在舱内有光照的地方，为自己的工作生活环境增添一抹绿意，还能呼吸植物释放的新鲜氧气，起到心理调剂作用。

航天员蔡旭哲同地面人员分享生菜生长情况。来源：国家航天局

植物也有“航天综合征”

中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员郑慧琼介绍，和人进入太空后一样，植物也会有一些“航天综合征”，失去了重力带来的空间感，植物的根和茎不能整齐地向着一个方向生长，而会呈现出比较凌乱的状态，其他“症状”还有运动慢、开花晚、长得慢、活得长等。

天宫二号中进行的拟南芥和水稻培养中，通过与地面上同步种植的水稻与拟南芥进行对比研究，科研人员还发现了一些有趣现象：虽然根的定向生长运动明显受阻，但在太空微重力的条件下，水稻的吐水活性却显著增强。利用这一特性，未来可应用于空间制备净化水或空间制药。

研究还发现，植物在太空中虽然开花晚，长得慢，但衰老速度慢，寿命显著延长。太空中拟南芥在“长日”条件下，植株比地面对照多活65天，“短日”转“长日”，植株则比地面多活456天。在太空中，水稻的第一和第二叶片衰老也慢于地面。

神舟十六号航天员桂海潮曾分享，他在种植的过程中发现天上种的菜往往比地面上种的发育速度更慢。在太空中，“神十六”乘组和地面的工作人员同步种植了生菜、樱桃番茄。当时他每天早起浇水、开光照、盼开花从月初等到月末，一直等到自己从空间站撤离的时候，也没看到自己种的菜开出花来。

出品：南都官微运营部

统筹：李湘莹

整合/编辑：许乐

美编：蔡沐晗

资料来源：国家航天局、中国载人航天工程网、中国数字科技馆、《航天医学与医学工程》《植物生理学报》《空间科学学报》、科技日报等