项目风险控制措施:在太空能种出黄瓜吗？

插图：杜卉

国际空间站新长期考察组成员（右起）：日本宇航员古川聪、俄罗斯宇航员谢尔盖·沃尔科夫和美国宇航员迈克·福苏姆。

2011年6月6日，在哈萨克斯坦拜科努尔发射场，准备搭乘“联盟”号载人飞船前往国际空间站的日本宇航员古川聪在新闻发布会上宣布，对黄瓜“情有独钟”的他，打算在国际空间站种黄瓜。但是，新闻同时宣称，“按照规定，宇航员不准吃这些黄瓜”。
在太空种黄瓜需要些什么特殊的技术？种出的黄瓜跟地球上菜园里出产的黄瓜品质一样吗？
 
60年来的梦想
人类掌握了空间技术，但要想在太空做长时间停留，完全依靠从地球携带而来的补给是不现实的。一旦进行深空探测，以现在飞船的速度，要抵达火星还需要近一年的时间。如果运输途中稍有差池，宇航员就只能饿肚子了。
从1957年第一颗人造卫星发射成功开始，科学家们就尝试在卫星、空间站这些太空“旅行仓”中种植植物了。不过，并非将植物塞进太空仓就能变成太空植物，环境的改变让生长开花都变成了极具挑战的任务。要知道，在数亿年的进化过程中，植物已经适应了地球环境，让它们在太空扎根生长就像把人突然扔到大海里生活一样。因此，最初的实验仅仅是让植物幼苗搭乘航天器到太空兜兜风，检查太空环境对它们的影响。直到1982年，前苏联的科学家才在礼炮7号空间站上完成了拟南芥“从播种到收获种子”的种植过程。并且，这些个体产生的种子大多是正常的，可以再次生根发芽，开花结果。
就像长期在太空居住的宇航员会碰到骨质疏松、肌肉萎缩等诸多麻烦一样，植物身上也会出现各种各样的“生理问题”。迄今为止，还没有哪种作物能像在地球上那样正常地生长发育。越来越多的研究表明，在太空仓里种植植物，远非将温室设备搬到太空中那么简单。
 
问题一：用什么光来种植？
植物生长靠太阳，但是在宇宙空间中晒太阳却是一件危险的事情。且不说，像高能质子、阿尔法粒子这样的宇宙射线可以直接“砸坏”植物蛋白质和DNA，危及它们正常的生活甚至生命；单说，在没有大气层的阻挡的情况下，这里大量的紫外线就足够植物喝上一壶的，这些高能量的“光线”同样会破坏植物的正常结构和代谢过程。
因此，在太空种植植物的第一步就是应该制造出合适的透光防护罩，隔离那些有害的紫外线和宇宙射线，让植物可以安全地生长。当然，太阳能光伏电池可以将危险的太阳光转化成电能，然后再利用日光灯等照明设备来满足植物对光的需求。不过，这样做的结果就是在转化过程中损失了很多能量。好在对人类来说，太阳是个取之不尽的能量来源，只要考虑需要增加多少太阳能电池板就可以了。
不过，在未来进入深空探测时又会碰到弱光条件，如果仅靠电能照明种植粮食蔬菜，无形当中浪费了许多能源。好在不久前，科学家已经发现了可以吸收红外光的植物，这些生活在西澳大利亚的藻青菌含有一种我们不熟悉的叶绿素———叶绿素f，这种色素可以吸收波长上限为720纳米的太阳光，这已经是红外线的范围了。如果可以通过筛选选出比具有叶绿素b和叶绿素a的植物吸收波长更长的光线，那就更能适应一些红外线成分比较多的光源（这样的恒星确实存在），这样能为深空探测提供必要的能源支持。
 
问题二：水从哪里来？
除了光，科学家还需要解决的就是光合作用的另一个要素———水。我们都知道水的一大作用是参与光合作用，不过，你可能不知道，植物吸收水分中的99%都蒸发到了空气中。这种看似浪费水的行为实际上对植物有重要作用。它们的叶片就像是一台台水泵，将根系吸收的水分和矿物质混合而成的营养液“抽”到枝头，而这些水泵的动力就是通过蒸发水分获得能量。另外，植物通过蒸发水分还能降低叶片的温度，避免被阳光灼伤。
这项工作的耗水量并不小。正常情况下，小麦每长出1克的物质（注意，包含不能吃的部分哦）就需要用掉513克的水，当然绝大部分都是用在了蒸腾作用上。可惜到目前为止，人类还没有发现另一个像地球这样有较为充足水分的地方，也就是说我们要尽可能地将水分回收再利用，恐怕光是解决蒸腾水分的回收就是个代价不菲的工程。
当然，我们也可以只种泡在全密封的水箱里的藻类植物，这样就不用考虑收集蒸腾作用的水分了，但前提是，做太空旅行的你要长期忍受只嚼海苔过活的日子。也许那时，一片面包也会变成奢侈品。
 
问题三：如何调控二氧化碳的浓度？
千万不要以为有了光和水植物就能正常生长了，没有二氧化碳，一切都是零。如果说光和水是吸收太阳能的关键因素，那二氧化碳就是储存能量的关键了。前两者就像是发电厂的必备要素，而二氧化碳则是能够储存能量的充电电池的关键部件了。
光合作用会首先利用光和水制造出高能物质。这些家伙可不安分，如果不把它们用掉，它们就会在细胞里搞破坏。要固定这些能量，二氧化碳的浓度是一个关键因素。
二氧化碳在地球大气中的含量仅有0.03%。因为整个生物圈的协调运作，这个浓度基本上保持稳定（当然，最近的温室气体含量飙升纯粹是人类自己惹的祸）。但是，对于一个小范围的空间，要维持一个稳定的浓度就不是很容易了。在实验人工建立生态系统的“生物圈2号”工程中，科学家建立了一个总体积为18万立方米的小小生物圈。但是不久之后，这里的“大气”成分就发生了变化，氧气、氮气和二氧化碳的比例发生了巨变，并且波动过大：高峰时二氧化碳的平均浓度为2466ppm（就是把空气划成100万份，二氧化碳占2466份），到低谷时二氧化碳浓度则只有1060ppm。这样的波动不仅不适于人类生存，连植物生长都成问题。对于比“生物圈2号”个头还小的太空舱来说，如何控制调节好二氧化碳的浓度，是一项棘手的工作。
 
问题四：失重状态怎么解决？
除了上面的植物生长要素，在空间更难解决的是重力问题。在地球上生活的我们，经常会忽略这个条件的存在，可是一旦进入了太空，这个因素的重要性就立马显现出来了。
“根会往土里扎，茎秆会努力向上生长”，这些我们觉得司空见惯的现象，其实都是植物感受到重力之后作出的反应。目前还没有证实，植物是怎样辨别方向的。比较公认的一种看法是，植物细胞里有一些淀粉组成的颗粒，它们会受重力的影响，沉积到细胞的下部，从而给细胞壁施加刺激，这样一来，植物就能辨别出天和地了。可以说，这些淀粉粒就是植物生长的“指南针”。不过，在失重状态下，这样的沉积就变得不可能了。不仅如此，分解这些淀粉颗粒的酶会特别活跃，彻彻底底地把“指南针”砸烂。
其结果就是，植物生长分不清上下，根和叶都向着四面八方生长。拿常用的实验植物拟南芥来说，它们在失重状态下最后长成一团，本该拼命伸向天空的茎停下了脚步，反而多了很多枝枝杈杈。个头比地面上的拟南芥要小，而且植株显得更纤细，就像是漂浮在水中的水草一样。
失重状态还会影响植物体内激素物质的分布，这不仅会影响植物的生长形态，还会影响植物的繁殖。20世纪90年代，科学家曾经在和平空间站上种植过小萝卜和大白菜，遗憾的是，它们的品质比起地面生长的相同植物都要逊色不少，不仅发芽率低、生长缓慢，而且植株更为矮小，开花结籽需要更长的时间。
 
问题五：会不会有不想要的突变？
“太空育种”是我们经常听到的一个名词。在转基因技术应用之前，这确实是一种重要的育种手段。不过，利用宇宙辐射作为条件突变产生种子并不可靠，因为这样产生的突变没有方向性，也就是说，我们不知道变出的种子是更好了，还是更糟了。况且，一般情况下产生的突变都是有害的，这就大大地增加了育种的工作量，远不及转基因技术来得直接和精细，毕竟后者可以将我们想要的优良基因（比如抗病虫害的BT基因）精确而直接地“放置”到植物的基因组中。
既然能让种子产生突变，我们还应该注意，这些宇宙射线会不会让我们在太空正常种植的植物发生有害突变，降低品质和产量。此外，在微重力环境下，染色体、复制分离都会受到影响，很容易出现畸形植物，从而影响种子的成活率，以及后代植株的质量。要保证种下去的甜西瓜种子结出的还是甜西瓜就已经不是一件简单的事情了。
这样看来，在太空中种出一根小黄瓜绝不是一件简单的事情。究竟这次古川聪种下的黄瓜能长成什么样子，我们不妨拭目以待。