在太空種土豆，總共分幾步？植物學(xué)家的答案是……

2024 年 10 月 12 日，中國科學(xué)院植物學(xué)博士、正高級研究館員史軍在科普中國·星空講壇“探秘星河 逐夢九天”主題場帶來演講《把菜園搬到太空去》，為我們講述太空探索中的植物科學(xué)知識。

以下是史軍的演講節(jié)選：

俗話說“民以食為天”，前往星辰大海的旅行，有一個繞不開的問題——吃。

在太空中，食物從哪里來？有人說從地球帶上去，但這個價格是非常昂貴的，而且也無法滿足大量的人群的需求。所以，只能在太空當(dāng)中生產(chǎn)自己所需的食物。

那么，在眾多的食物中，為什么我們要把菜園搬到太空去？又為什么會選擇土豆？這里面其實有很多非常有趣的植物科學(xué)知識。

我們?yōu)槭裁匆谔辗N菜？

首先，人類所依賴的巨大的能量源——太陽，實際上是有壽命的。到現(xiàn)在為止，太陽的壽命大概是 46 億年，這個時間聽起來很長，但是萬一哪天太陽發(fā)生了一些變化，我們可能需要遷居到外星球。再者，我們還面臨“天外來客”的威脅，比如小行星撞擊地球。這樣的撞擊可能會導(dǎo)致大規(guī)模的生物滅絕，這在地球歷史上并非罕見，最著名的例子就是導(dǎo)致恐龍滅絕的那次。

當(dāng)然，這些事情聽起來都離我們很遙遠(yuǎn)，可人類今天還面臨著一個更棘手的問題，就是全球氣候變化。由于工業(yè)化進程中對化石燃料的大量消耗，全球氣候正在發(fā)生劇變，極端天氣事件日益頻繁，地球可能逐漸變成一個不適合人類居住的地方。在這種情況下，我們不得不考慮尋找新的家園，這也是我們將菜園搬到太空的原因之一。

在太空中種土豆，

為什么？怎么種？

在太空中種菜，為什么會選擇土豆？不光是因為土豆好吃，還和土豆自身的特點有關(guān)。土豆的可食用部分并非其花朵或果實，我們真正吃的是土豆的塊莖。

選擇吃塊莖帶來了顯著的優(yōu)勢：只需將土豆切成幾塊，埋入土中，就能生長出新的土豆。這種方法比等待土豆開花結(jié)果后再收獲果實，更為簡便高效。

土豆田。圖庫版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛

把土豆帶到太空之后，種到哪里？大家的第一反應(yīng)可能就是種土里，然而，這其實是有很多問題的，因為外星球的土壤與地球土壤是不同的。以火星為例，火星的土壤里含有我們難以想象的復(fù)雜成分，尤其是高氯酸鹽，這種成分在地球上主要用于強力消毒，比如一些消毒濕巾中就含有高氯酸鹽。想象一下，這種消毒劑能殺死所有微生物，那么將土豆直接種植在這種土壤中，土豆的命運恐怕會和那些微生物一樣，無法存活。因此，如果我們想利用火星土壤種植土豆，必須先將其徹底清洗，去除高氯酸鹽，這個過程非常復(fù)雜。

更關(guān)鍵的是，火星土壤里沒有肥料，肥料對于植物生長至關(guān)重要。中國有句農(nóng)諺“莊稼一枝花，全靠糞當(dāng)家”，說明了肥料對作物生長的重要性。因此，首批登陸火星的宇航員需要努力改善土壤條件。不過這并不意味著可以直接將人類排泄物用作肥料，必須經(jīng)過發(fā)酵過程。未經(jīng)發(fā)酵的排泄物植物無法吸收，只有經(jīng)過發(fā)酵分解為簡單礦物質(zhì)營養(yǎng)后，植物才能吸收利用。雖然這個過程聽起來復(fù)雜，但幸運的是，我們不必完全依賴土壤來種植植物。

很多人可能都試過水培植物。只要有足夠的水，即使不需要土壤，也能種植許多蔬菜，包括土豆。這種新型的栽培方法，不是將土豆直接泡在水里，而是將其架空，通過噴霧直接提供營養(yǎng)，這種方法已經(jīng)相當(dāng)成熟。因此，即使脫離土壤，我們?nèi)匀豢梢苑N植蔬菜。但是，水是不可或缺的，因為水是植物生長的必需元素。

以電影《火星救援》為例，影片中主角在火星上種植了大約 100 平方米的土豆田。種植這些土豆需要 60 立方米，即 60 噸的水。聽起來很可怕，是吧？60 噸水可不是小數(shù)目。這些水并非全部用于土豆生長，部分水會被土豆釋放到空間中。這是因為土豆在吸收營養(yǎng)時，其體內(nèi)的液體需要流動，就像心臟泵血一樣。

雖然植物沒有心臟，但它們通過葉子進行類似的功能。每片葉子都像一個小水泵，當(dāng)水被釋放到空氣中時，會產(chǎn)生微小的動力，將根系吸收的水抽上來。這種水泵雖小，但耗水量卻很大。因此，種植 100 多平方米的土豆需要 60 立方米的水，這是一個非常龐大的數(shù)字。

幸運的是，我們現(xiàn)在有各種節(jié)水設(shè)備，可以將水循環(huán)利用，這在今天已經(jīng)可以實現(xiàn)。因此，水不再是太空種植蔬菜的一個重大障礙。

想象中的太空農(nóng)場（AIGC圖片）。圖庫版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛

在太空中種土豆，還有一個阻礙——光。

因為火星表面會受到宇宙射線、高能粒子和強紫外線的照射，如果我們直接把土豆種植在火星表面的露天環(huán)境中，土豆很快就會被烤熟。所以，我們面臨的問題是，如何為植物提供適宜的光照。幸運的是，我們有多種解決方案。

我們可以使用太陽能電池和光伏板將太陽光轉(zhuǎn)化為植物可以利用的光。此外，我們還可以大幅提高 LED 燈為植物提供光的效率。如何做到這一點呢？大多數(shù)植物呈現(xiàn)綠色，這是因為它們只吸收特定波長的光，主要是紅色和藍(lán)紫色光。它們反射的是綠色光，這也是我們看到植物呈現(xiàn)綠色的原因。植物并不需要綠光，而我們今天可以通過 LED 燈只發(fā)出紅色和藍(lán)紫色光，完全滿足植物的生長需求。因此，在太空菜園中，為植物提供適宜的光照是完全可行的。還有一個大家可能通常想象不到的關(guān)卡——缺乏二氧化碳。

有人可能會問，二氧化碳還會缺乏嗎？我們每天都在討論減少二氧化碳排放，但二氧化碳的影響是雙面的。雖然二氧化碳在今天的很多宣傳里面有點被妖魔化了，一提二氧化碳這個詞，就覺得它是一個壞東西，但實際上二氧化碳給我們帶來的正向影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)向的影響。例如，二氧化碳是溫室效應(yīng)的關(guān)鍵成分，如果溫室效應(yīng)完全消失，那我們地球表面很可能就變得跟月球表面一樣——晝夜溫差可能有幾百攝氏度。這樣的星球還能有生物生存嗎？不可能。

更重要的是，在太空菜園里，我們還要給植物提供足量的二氧化碳。這是為什么呢？我們常說的光合作用，也就是綠色植物吸收二氧化碳和水、產(chǎn)生葡萄糖的過程。這個過程是分兩個步驟來完成的，一是光反應(yīng)，二是暗反應(yīng)。所謂的“光反應(yīng)”，就是接收太陽光的過程，“暗反應(yīng)”就是把收集到的這些能量變成葡萄糖里面儲存的能量。

圖片來源于史軍演講PPT

那問題就來了，如果二氧化碳不足，光合作用的“光反應(yīng)”會繼續(xù)進行，但“暗反應(yīng)”會受阻，前面還在源源不斷地收集太陽光，這些能量就會在細(xì)胞里面堆積起來，還會找一些比較活潑的一些分子跟他們結(jié)合，比如與氧氣結(jié)合形成有害的自由基，這些自由基能破壞蛋白質(zhì)、DNA 和細(xì)胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致葉子直接壞掉。為了應(yīng)對這種情況，植物可能會進行“光呼吸”，分解自身產(chǎn)生的二氧化碳以維持光合作用，但這也只是一個不得已而為之的事情。所以說，也許在未來的太空菜園中，二氧化碳反倒成為一種寶貴資源。

太空種土豆，還有一個“隱藏關(guān)卡”——重力。

對于生活在地球上的人，重力司空見慣，我們很容易忽略了它的存在。但在太空中，一切都處于失重狀態(tài)，這與我們在地面上的環(huán)境截然不同。我們帶到太空的植物也習(xí)慣了有重力的環(huán)境。例如，當(dāng)我們把種子種在土壤中，植物的苗和芽會向上生長，而根則向下生長，這正是重力的作用。

如果沒有重力的話，植物怎么知道哪邊是天空，哪邊是土壤呢？這個事情怎么解決呢？有一個好消息是，中國的科學(xué)家去年發(fā)現(xiàn)了解決這一難題的關(guān)鍵。他們發(fā)現(xiàn)植物細(xì)胞中存在一種特殊的顆?！矸垠w。這些淀粉體受到重力影響時，它們會沉積到細(xì)胞的底部。當(dāng)這些顆粒與細(xì)胞壁和細(xì)胞膜接觸時，它們會傳遞信號，告訴細(xì)胞哪邊是下方。因此，未來我們可能會利用這一發(fā)現(xiàn)，幫助植物在太空中更好地生長。

圖片來源于史軍演講PPT

關(guān)于“太空種土豆”的先期嘗試，實際上現(xiàn)在已經(jīng)在進行中。比如，我們的天宮空間站已經(jīng)種植出了多種蔬菜，尤其是生菜，在之前的直播中我們已經(jīng)看到天宮的宇航員們享用了新鮮的生菜。不知道它們的味道如何，希望將來大家都有機會品嘗。

太空種菜不容易

在太空船種菜更不容易！

在太空中種植蔬菜充滿挑戰(zhàn)，尤其是在太空船上種植，更是難上加難。

舉個例子，上世紀(jì) 90 年代，美國進行了一個名為生物圈 2 號的實驗，目的是模擬一個微縮的地球。這個建筑體積龐大，有 18 萬立方米的空間，內(nèi)部分為七個生態(tài)區(qū)，放置了 4000 個物種，試圖模擬地球上的所有生態(tài)系統(tǒng)。實驗持續(xù)了 21 個月，但最終不得不結(jié)束，因為實驗人員幾乎餓死或者被憋死，原因是這個小型生態(tài)系統(tǒng)無法正常運行。

這個實驗給我們的最大啟示是，地球上的生態(tài)系統(tǒng)并非簡單地將物種放在一起就能形成。生態(tài)系統(tǒng)是一個有機的整體，不能簡單地通過堆砌物種來構(gòu)建。就像我們不能簡單地將汽車零件堆在一起，然后期望它們自動組裝成一輛汽車一樣。因此，即使我們將大量物種聚集在一起，它們也不會自發(fā)地形成一個健康的生態(tài)系統(tǒng)。最好的解決方案仍然是保護我們的地球——這顆美麗的藍(lán)色星球。

即使有一天我們有能力走出太陽系，甚至走出銀河系，去探索更遙遠(yuǎn)的宇宙，我們也不應(yīng)忘記，地球永遠(yuǎn)是我們的母星，是我們最美好的家園。這是我們每個人都需要銘記在心的。希望大家?guī)е@份對地球的記憶，去探索星辰大海吧！

策劃制作

作者丨史軍 中國科學(xué)院植物學(xué)博士、正高級研究館員

責(zé)編丨張揚、楊雅萍

活動策劃｜蘇萱 甘肅科技館宣傳聯(lián)絡(luò)部

審校丨徐來、林林