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嫦娥四號月球探測器自從發射以來，就備受世界矚目，然而很多人可能不知道的是，這次一起飛往月球背面的還有一位特殊的「乘客」——「月面微型生態圈」。
此次月面生物實驗的目標是在月球表面做到動植物的一個生命周期。上圖中的管子里中放置了馬鈴薯種子、擬南芥種子和蠶卵。兩種植物將在100天的實驗期限內生根發芽，開出月球表面的第一朵花。而蠶也將完成蟲卵孵化、幼蟲生長髮育和破繭成蝶的完整生命周期。
據介紹，這次實驗意義深遠，它將成為人類首次月面生物實驗，對人類未來在地外星球生存具有重大意義。
其實，在進軍太空的過程中，植物要比人類領先一步。1960年，蘇聯的「伴侶4號」返回式衛星發射升空，搭載了小麥、豌豆、玉米、洋蔥和黑種草等植物的種子，開啟了太空植物試驗研究的時代。
從飛船到空間站
人們很早就意識到，在太空飛行條件下開展高等植物的生長和培育研究具有重要意義，除了它們在環控生保系統中扮演的重要角色，植物在茫茫太空征途中對太空員的陪伴，在心理調節方面的作用也不容小覷。隨後的幾十年間，人們一直致力於把植物帶到太空，尋找它們在太空生長、繁衍的秘密。
蘇聯/俄羅斯、美國、歐空局、日本、中國等太空大國或組織利用不同的太空器單獨或合作開展了一系列在軌植物研究，在空間植物栽培技術、基礎空間植物學研究、空間蔬菜生物安全評價及食用、鮮活植物對乘員的心理調節作用等方面取得了重要進展。
國際空間站培育的紅葉生菜
20世紀70至80年代，蘇聯先後在禮炮1號至7號系列空間站上搭載了綠洲1M、綠洲1、綠洲1AM、綠洲1A、花盆、孔雀石、生物重力感應/磁生物感應、發光、植物等一系列不同規格的空間植物栽培裝置，開展了植物栽培技術和植物生長髮育等一系列基礎生物學研究。
1974年，在禮炮4號空間站種出洋蔥並被乘員食用；
1982年，在禮炮7號空間站上做到了蘭花的太空開花；
1982年，在禮炮7號空間站上首次成功完成了擬南芥植物從種子到種子的栽培實驗。
天空實驗室（Skylab）和太空飛機也是人們研究植物的舞台。1970年代，NASA利用其首個空間站——天空實驗室（Skylab）和太空飛機開展了空間植物栽培試驗研究。其中開展了針對種子發芽和在微重力下植株（水稻）生長方向的實驗，經過22天的在軌生長後，幾乎所有水稻都長大了，但生長方向不規則。1980到1990年代，NASA先後研制成植物栽培單元（PGU）、宇宙培養裝置（ASC）、植物栽培裝置（ASF）、植物通用生物處理裝置（PGBA）等空間植物栽培裝置，並先後參加了太空飛機的短期在軌搭載植物栽培試驗研究。
未來空間站植物溫室示意圖
1990年，俄羅斯與保加利亞合作建成自動化Svet空間溫室。該溫室的光源為熒光燈，栽培基質為斜長沸石，水分做到了自動供應，Svet在和平號空間站進行了四季蘿蔔和結球白菜的栽培試驗研究。之後，俄羅斯與NASA和猶他州立大學合作，對Svet進行了升級改造。1995年，俄美合作開展了超矮型小麥在軌栽培試驗研究，成功做到了超矮小麥從種子到種子的全生命周期迭代培養。Svet空間溫室還完成了油菜的全生命周期栽培試驗，對生菜植株莖葉部分進行了口感測試。
1998年，國際空間站開始建造。從21世紀初至今，美國、俄羅斯、歐空局、日本都曾將自己的植物培養系統（部件）帶到國際空間站，對植物開展了更加深入的研究。比如NASA先後在國際空間站上搭載的植物通用生物處理裝置（PGBA），高級宇宙培養裝置（ADVASC）和生物量生產系統（BPS），2000年代初，俄美合作研制的Lada空間溫室、歐空局研制的「歐洲模塊化栽培系統（EMCS）」、日本研制的植物實驗單元（PEU）等。
高級宇宙培養裝置（ADVASC，左）、生物量生產系統（BPS，中）和在軌培養的玫瑰植株（右）
2014年底，太空員葉連娜謝羅沃伊進行了一項特別的實驗——在國際空間站的舷窗附近培育蘋果樹苗。盡管沒用溫室，只用從舷窗透進來的太陽光和濕紗布在太空微重力條件下培育出了蘋果樹芽苗。
20世紀90年代開始，隨著大陸載人太空工程啟動，中科院植物所和遺傳所等科研單位利用早期的神舟載人飛船系列開展了石刁柏和水稻等植物的短期在軌栽培研究。之後，中科院上海植生所和中國空間技術研究院等單位利用神舟飛船系列、天宮實驗室、貨運飛船等太空器進行了擬南芥、水稻等植物的在軌栽培研究。據報導，2016年底，中科院上海植生所在天宮二號空間實驗室種植的擬南芥完成了從種子到種子的全生命周期循環。另外，五院空間分子生物學實驗室進行了番茄搭載試驗，證明其能夠在太空開花，但會發生一定的基因變異。另外，2016年底，中國太空員中心在天宮二號空間實驗室進行了生菜空間栽培關鍵技術驗證試驗。
中國天宮二號上進行的生菜培養
碩果累累的植物培養系統
——Veggie
2014年，美國研制成Veggie空間溫室，於當年4月在SpaceX第三次貨運補給任務中送到國際空間站，開展了一系列舉世矚目和碩果累累的植物栽培試驗。2014年一起送去的還有兩個含有紅葉生菜種子的「枕頭」（即栽培基質）和一個含有百日菊種子的「枕頭」。
「Veggie」利用紅、藍及綠色LED燈培養植物，利用緩釋肥供應養料，利用草炭+珍珠巖+蛭石復合物作為栽培基質，純淨水作為水源，利用毛細聚酯材料導水。2014年5月開啟了首次紅葉生菜生長實驗。在失重條件下，水不能精確滲入土壤里，而且植物的根部也沒有定向蔓延生長的趨勢，為了戰勝這些障礙，太空員將種子和土壤裝進一個特殊的、自給自足的「枕頭」里，還放置了支柱來幫助引導根部向下生長。經過33天的照料後，將樣品送回地面做食物安全檢測，結果證實可以在太空安全食用。
2015年7月8日，開啟了第二批紅葉生菜的種植實驗。這次培養成功的紅葉生菜直接由太空員品嘗。這頓歷史性的「大餐」，準備過程非常簡單：太空員用消毒紙巾擦拭乾淨（進行預防性消毒，地面驗證消毒效果良好），隨後利用小瓶子將輕榨優質橄欖油和義大利香醋撒抹在生菜葉上就完成了準備工作。太空員品嘗了收獲的一半生菜，另一半被冷藏並帶回地球以備深入分析研究。該項目的首席研究員雷惠勒（Ray Wheeler）稱：「有證據表明，新鮮的食物，例如番茄、藍莓、紅葉生菜，都是很好的抗氧化劑。」
太空員在軌食用收獲的生菜
食用太空種植的生菜，對於未來太空探索來說，這是一個重要的里程碑。「太空花園」對於載人太空任務具有至關重要性，而且對於未來在其他星球（如月球、火星）建造居住地非常重要。新鮮的食物也對太空員的心理健康有諸多益處。他們的每一小口，就等於為人類太空旅程跨出了一大步。
2015年11月16日，NASA太空員謝爾林德格倫（Kjell Lindgren）啟動了百日菊種子的生根「枕頭」。在太空種植開花植物比種植生菜等蔬菜作物更具有挑戰性，光照和其他環境參數要求更嚴格。百日菊生長需要60天，是紅葉生菜生長期的兩倍。為了刺激植物開花，在生長周期中，將LED光源的光照周期調整為10小時（亮）/14小時（暗）。
實驗期間，國際空間站上生長的百日菊遭受了脅迫——比如真菌意外生長，不過在太空園丁的精心照料下，最終出人意料地取得了順利進展。這些百日菊在2016年2月迎來了收獲。
太空百日菊
太空員小心翼翼地剪下五顏六色的花朵，按下面三種方式保存，並隨商業補給貨運飛船送回地面供分析：從一些較老的花頭收獲了種子，這些種子在室溫下自然風幹後進行發芽和再生能力測試；一些花朵要儲藏在-80進行微生物評估；一些則要被壓扁。剩餘的植物材料、種子包、微生物取樣拭子以及所采集的水樣將在-80儲藏，以備分析。
2017年2月17日，美國太空員佩吉惠特森（Peggy Whitson）在國際空間站上首次收獲了「結球白菜」（品種為Tokyo Bekana）。
科研人員要對太空白菜的放射性及其同位素進行相關測試，並與地面上種植收獲的白菜數據進行比較，進而得出太空種植蔬菜是否獲得了成功。這是利用Veggie第五次在太空收獲蔬菜，但收獲結球白菜還是首次。
先進植物栽培艙
實驗室「綠洲」
新Lada空間溫室
時至今日，我們已經初步掌握了植物太空栽培技術，植物也完成了從最開始的「太空旅遊」完成了在太空「落地生根」的蛻變。各國都在致力於開發更為精確控制的空間植物栽培系統，比如美國的先進植物栽培艙（Advanced Plant Habitat，APH）和實驗室綠洲植物栽培裝置（LabOasis），俄羅斯的Lada-2空間溫室、vitacycle空間溫室樣機、歐空局的EDEN空間溫室等。未來的太空農場芳容未定，但是可以肯定的是，在太空時代，在未來人類邁出的每一個步伐中，植物與我們的關係將更加緊密，在未來的太空生活中發揮更加重要的角色。
來源：太空夢想
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來源：國家空間科學中心