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种菜种到太空里,是中国人的种族天赋?

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如果所有未来科幻片都是真的,那么,按照时间轴写一部太空农业简史的话,大概会长这样:

  • 2035年,好莱坞科幻巨制《火星救援》,宇航员马克·沃特尼自制的蔬菜大棚漏气爆炸,土豆在火星上灭绝。

栖息仓爆炸失压后惨死的土豆苗。图片来源:Giles Keyte/20th Century Fox

  • 2057年,灾难科幻片《太阳浩劫》,伊卡洛斯2号途径水星时,植物仓失火,飞船氧气余量告急。

所以这么重要的制氧室为啥不防火!图片来源:《太阳浩劫》

  • 2061年,美国国家地理拍摄的科幻纪录片《火星时代》,因基地遭遇火星沙暴,植物学家保罗博士精心照料的小麦死于电力不足。

今天的影像日志也很绝望。图片来源:《火星时代》S1E4

  • 很久很久之后(年代不可考),老牌环保主义电影《宇宙静悄悄》,地球环境恶化,宇航员洛厄尔将人类最后一片绿洲送进深空。

你俩听好了,带着这块绿洲,逃吧。图片来源:《宇宙静悄悄》


是的,如你所见,就算是非常理想化的文艺作品,也不敢把“在太空种菜”这件事说的那么容易。

电影《火星救援》中,宇航员马克·沃特尼在火星上种植土豆。图片来源:NASA/Peter Mountain


关于未来农业的想象总是十分美好:漂浮在海洋和天空的城市里,枝叶在透明穹顶下肆意生长,水上世界风格的植物工厂遍布异星荒原。然而,在太空里当农夫是件倒霉差事。除了进取号上的红衫军,植物学家也是宇宙里的高危职业。密闭环境里的种植关乎食物供给、水氧循环、空间分配和成员的心理健康,还会因为各种稀奇古怪的理由而引发意外,比如温室漏气、连日沙暴、运费过高,或者仅仅是,嗯,宇航员排便过多。

自制一份合格、适口、健康无毒的太空口粮,都需要注意什么?鉴于以下知识会帮你的曾曾曾曾孙女在外星活下来,我们强烈建议你从头到尾仔细阅读。


1

人造光源:淡粉色的太阳

在由植物所和福建三安集团共建的中科生物植物工厂内,灯光神似80年代街机厅——蓝、红、绿色的LED发光二极管以某种规律排列,把生菜叶上每一根绒毛照得清清楚楚。长久以来,科幻小说营造了一种错觉:光源比氧气和水更好解决。《火星救援》的作者安迪·威尔在小说原著中写道,火星栖息舱内的照明足以为土豆提供“大量日光”。但其实,白炽灯、荧光灯这些常见光源的光谱很杂,转化率低。换句话说,就是费电。

中科生物植物工厂的育苗室。摄影:船长


植物的生物量90%来源于光合作用,但植物并不是吸收所有的光:它们更青睐可见光的蓝色和红色部分,比例超过60%,因此,适当比例的红蓝复合光就能满足基本的生长需求。至于红外、紫外光,就算没有也不造成损失。

传统认为温度和二氧化碳是影响植物产量和品质的关键,但调节光源效率更高。上世纪80年代后期,NASA(美国宇航局)首次采用LED充当光源。他们在第一批测试中用红色LED照射小麦,但长出的麦子细得离谱,而且像漂白了一样。后来实验发现,添加蓝光可以纠正这个问题,绿光虽然没什么用,但能保证蔬菜卖相良好。如今,世界上多数植物工厂——NASA的Veggie计划,日本千叶大学的未来植物工厂和我国中科生物的植物工厂——都采用红、蓝、绿三色LED照明,其复合光线呈淡粉色。

在粉红色灯光下生长的莴苣。图片来源:NASA/Gioia Massa


但是植物所的“光配方”技术更进一步,为不同蔬菜和生长阶段配置了不同光谱。红光在莴苣生长后期可加快成熟,蓝光可显著提高豌豆幼苗的植株鲜重和叶绿素含量,对其他植物完全相反——蓝紫光有利于紫叶或红叶生菜着色,国际空间站上的宇航员吃的就是那种紫得发疯的罗马莴苣,另一边,照射特种药用植物的LED是白光+橙光。培养室一片净白,发光二极管制造着霓虹大爆炸,假如未来的人造太阳都这么迷幻,唔,不听迪斯科真有点不对劲(《火星救援》电影里,马克·沃特尼被困火星两年,唯一的解闷工具只有队长刘易斯留下的迪斯科舞曲)。


2

人造土壤:只送粉末

中科生物植物工厂的门口立着一台颇有《大都会》遗风的金属“洗眼器”。首次参观的人大多会一路纳闷这台古怪仪器的用途,直到进入培养室内部——工作人员抬起栽培面板,展示浅槽里潺潺流动的营养液,解释如何用洗眼器对付不慎溅到脸上的液体。

植物工厂专用洗(淋)眼(浴)器。摄影:船长


早在二战期间,美军就开始以砂砾培(砂砾为固定基质,加入营养液提供养分)生产蔬菜,之后无土栽培技术被英国农业部采用,用于解决驻外英军的蔬菜供应问题。科学家预见了无土栽培(又称水培)的未来,国际空间站的宇航员将塞满粒状基质的“枕头”浸满培养液,解决失重或微重力环境下液体流动的问题,中国南极科考站曾经成功水培辣椒,中科生物植物工厂80%的模组都被水培生菜、白菜和冰菜占领,它们生长周期短,最快20天收获,是传统栽培法耗时的一半,干净到可以揪下来生吃。

对于太空栽培,很多人主张就地取材,将火星土壤改良为盆栽土,或者从地球带土——现实中,荷兰瓦赫宁根大学从NASA买了一批模拟的火星和月球土壤,改良后,种出的胡萝卜长势良好。不过,为火星殖民地的常驻人口提供卡路里是一回事,在短期飞船上改善伙食又是另一回事,假如宇航员只是嘴馋想吃口拌菜,培养液的便利不言而喻:水肥一体,不劳您吭哧吭哧浇水施粪。

不过国际空间站的项目科学家霍华德·莱文(Howard Levine)表示,目前近地轨道的运费是每磅约1万美元,把液体带上太空划算吗?中科院专家给出的解决办法是:只送配置好的营养液原料粉末。“植物的的原始养分来自矿物质,基本就那么几类,培养液很好调配,这种植物模组的应用方向是大众化。”福建中科生物股份有限公司的总经理占卓说。

国际空间站上,浸满培养液的培育包:“枕头”(pillow)图片来源:NASA


3


空气调节:

ALERT ! 二氧化碳告急

假如你闻过国际空间站里的空气,就知道长期的太空生活并不好受——很久没洗澡的宇航员在金属通道里飘来飘去,大家挤成一团,空气混浊,如同你宅了一个星期不开窗通风的卧室。不过,这对植物来说是个好消息。

像照明质量一样,二氧化碳成分是地外栽培又一个容易被忽略的问题。研究表明,适量增加二氧化碳浓度,植物就会加强光合作用,光能利用率显著提高。在叶用莴苣植物厂区,空气过滤装置24小时不间断运转,墙上的一面液晶监控器显示,二氧化碳浓度根据不同植物的需求,被控制在了400~1200ppm之间(二氧化碳浓度过量也不行)。地球大气中的二氧化碳含量一般占总体积的0.033%,2013年世界气象组织的数据显示,其日均浓度已经超过400ppm的阙值。对植物光合作用来说,这才刚刚够用

抗议碳排放过高的人群——地球人啊你们就没事偷着乐吧!来自WordPress.com


地球的空气并不完美,但封闭的太空舱内,永远不愁没有过量的二氧化碳:国际空间站里的空气成分接近地球,氧气含量为20-24%,大部分是氮,甲烷(屁)、二氧化碳和氢气占比极少,但0.4%的二氧化碳含量已接近地球平均水平的10倍。一些体质敏感的宇航员因此遭遇了严重的副作用:头痛、焦虑,时不时就要去通风口吹一吹。NASA一直为此纠结,到底是培养高抗二氧化碳的忍者宇航员,还是制造超重型二氧化碳清除器?反正两个都得花大钱,也许还是种菜更经济划算。


4

为了太空的育种

为了更少的便便


传统意义上的太空育种,是为了在地面种植出更好的作物,让种子去太空溜达一圈,沐浴在高辐射、失重的环境下,诱发基因变异。但很多科学家正在转变思路,认为应该在地面上进行种子改良,应对人类在密闭环境中遇到的特殊问题,比如空间小、缺钾、便便过多

这是阿波罗10号第6天的任务记录……图片来源:imgur


“为了太空的育种”,其终极目标是创造再生系统,在空间站、殖民地上持续种植作物。因此,经济高效、出土即食的作物最受欢迎,莴苣类植物首当其冲。在转化效率上,土豆和小麦都不是最好的选择,因为它们收获周期很长,而且需要烹饪处理——现阶段,宇航局肯定不许带锅上天。

选种番茄、辣椒、豌豆这些小矮个儿,旨在节省空间。关于这一点,中科院植物所正在培育更矮的木本植物(目前只有桃树),以便提高空间利用率。

宇航员的健康也不容忽视。大航海时代的船员因为缺乏维生素而饱受坏血病折磨,直到库克船长用橘子解决了这个问题。无独有偶,阿波罗15号宇航员曾因食物缺钾而心率失调,吓得NASA赶紧在食谱上增加了多钾果汁。从古到今,远航者的饮食结构都异于常人。鉴于光配方可以调节植物中的微量元素,通过特殊照射,让专供肾病患者食用的蔬菜钾含量更少。针对宇航员的多钾生菜也许是下一个目标。

最后,食物导致的人体残渣也很重要。NASA对人体排泄物一向十分苛刻,为了阻止宇航员放屁,曾把豆类食品划进黑名单。那么,吃啥能减少排便量呢?动物蛋白和淀粉都排在果蔬前面。但由于土豆收获周期长,太空养鸡业遥遥无期,便秘的宇航员又不好找,栽种减少便便的作物迫在眉睫——便便虽好,也要分场合,它虽然救过马克·沃特尼的命,但很难在太空舱内再生成为食物(化学家称,粪便其实可以水解成碳,做成小馅饼,但据说在座的宇航员纷纷拒绝了屎汉堡)。

日本科学家Mitsuyuki Ikeda已经把这一设想化为了现实:他用人类粪便的提取物做出了可以吃的“肉”。图片来源:inhabitat.com


无数太空故事告诉我们:别惹植物学家。这些人为了保护幼苗可以拼命,前面提到的《宇宙静悄悄》就是一个典型——植物学家洛厄尔听说他的温室要被炸掉,徒手干翻2位同伴。至于某位爱爆粗口的火星鲁滨逊,你敢动他的土豆试试?

行行好,派个农学家过来吧!图片来源:weibo


植物学家这么暴躁不是没有原因。一方面,科幻作家老是把粮食增产、病害防治、营养土壤这类本属于农学家的活儿塞给他们。另一方面,经典的科幻设想中,植物除了承担科研任务,往往还充当粮仓、制氧机和心灵治愈室。在无垠的太空,植物很脆弱,光的颜色、土壤的重量、空气成分和排便频率,任何一点小小的变动,都可能导致一场地外大饥荒。但植物又无比强大,在电影《地心引力》里,宇航员瑞恩进入天宫一号求救,发现船舱内壁种满绿油油的小葱(也可能是韭菜)——绿植带来的心理安慰,可以拯救一个崩溃的宇航员;美国科幻巨匠罗伯特·海因莱茵的长篇小说Variable Star里,老农佐格比只用几块水培农场,养活了整个星球的人。

电影《地心引力》中,内部种满了绿蔬的天宫一号。图片来源:youtube.com


当植物是已知唯一能把太阳能转化为化学能的东西,你无法不去大胆想象植物工厂的应用前景。植物所的科学家们极其谦虚:“我们必须树立这种常识:太空近地轨道栽培目前只是实验阶段”,但是,质量优于数量、封闭系统、高效利用空间、寻找每一块可用的表面……这些太空农场的决定性原则,经典科幻里的明日幻想,正在慢慢实现。太阳能一体化的植物集装箱,可在岛屿、沙漠、舰船内和海底进行持续生产;全世界关于种植的概念设计、科研项目、实体企业,都在疯狂地向天空延伸:在城市、社区、楼宇、工厂之间,实现蔬菜连续循环种植,不受季节气候影响,同等面积产量可达到传统土地的数十倍。

但科幻作家算错了一件事。

在智能监控系统接手大部分管理后,专业人士将在传统农耕中全身而退。一旦食材种类和新鲜度跟上,未来的火星还需要农学家和植物学家吗?

不不不,送去一个好厨子就够了。

仿佛听到有人在叫我。 图片来源:《中华小当家》


太空育种员招聘

“和我们一起建设火星新农村吧!”

要求:3年以上耕种经验,无幽闭恐惧症,体重轻、肺活量大、排便量少,并熟练掌握飞船修理/计算机编程/急救/心理治疗技能,能够长期忍受高压环境(由此导致的缺氧、冻伤、意外死亡等,本司概不负责)。

工作地点:太阳系三环开发区农场

薪资:面谈

联系人:沃特尼先生,103-8569-2547

*精通川菜者优先录取。



责编:Ent

作者:船长,宅学家,碳酸饮料驱动型打字机,太空美学研究员。

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