国际空间站帮助我们研究太空植物生长的七种方法


远地点小麦植株的特写照片,这是4号探险队的香蒜酱实验的一部分。学分:美国国家航空航天局

NASA计划在月球和火星上进行长时间的任务,其中一个关键因素是弄清楚如何在宇航员在太空中数周、数月甚至数年的时间里为他们提供食物。

国际空间站宇航员的食物主要是预先包装好的,需要定期通过货运飞船进行补给,大约18个月后,食物的质量和营养就会下降。但如果宇航员可以在微重力条件下种植自己的食物呢?地球上的研究人员和国际空间站的工作人员正在通过测试各种作物和设备来探索这一想法,看看该计划是否可行。

美国宇航局希望成功种植新鲜的、可摘可吃的作物,这种作物易于生产,不需要大量额外的设备或宝贵的电力。

位于佛罗里达州肯尼迪航天中心的美国宇航局国际空间站研究办公室的首席科学家霍华德·莱文说:“宇航员们似乎真的很喜欢自己种粮食。”“这是空间站上典型活动的一个很好的缓一缓,宇航员们经常自愿献出自己的空闲时间来做这件事。”

到目前为止,美国宇航局已经种植了多种植物,包括莴苣、芥菜品种和萝卜,并在这一过程中学会了很多成功种植的方法。

以下是我们正在空间站上研究的植物生长的七个方面:

1)选择正确的植物

在地球上长得好的植物在太空中可能长得很好,也可能长得不好。在将作物送入太空之前,科学家们必须确定哪些作物需要在空间站上进行测试。为了改进这一过程,NASA在2015年与迈阿密的费尔柴尔德植物园启动了一个名为“超越地球生长”的项目。该项目已经在美国各地招募了230多个初高中科学班,使用特殊设备种植不同的种子。然后,在教室里生长良好的种子将在肯尼迪航天中心的一个类似于空间站设备的房间里进行测试。经过挑选,在肯尼迪机场表现良好的种子会被送到空间站。它们是如何在轨道上生长的,只需要很少的宇航员注意,就可以为长期任务选择植物。

2)学会在太空种花

植物需要一个生长的地方,美国宇航局已经测试了一些设施来举办微重力花园。一种方法是试验蔬菜生产系统(Veggie),这是一个简单、低能耗的园艺室,可以容纳六种作物。种子生长在小的织物“枕头”中,放置在蔬菜中。然后,工人们用手照料和浇水这些植物,类似于照顾地球上的一个窗口草本花园。

NASA正在开发另一个系统,称为被动轨道营养输送系统,或池塘,与Veggie平台合作。池塘用一个新的植物支架取代了种子枕,它可以自动给作物喂食和浇水,但仍然需要工作人员做一些耕作工作。研究还使用了一种被称为“高级植物栖息地”的不干涉系统。这个全自动装置的设计目的是研究植物在太空中如何生长的生理学原理,而且只需要很少的工作人员的注意。

3)正确的灯光

光照在植物上的光的成分会影响它们的大小、营养成分、微生物生长和味道。植物特别依赖红光和蓝光生长。研究人员在空间站上进行实验,观察不同比例的红光和蓝光是如何影响太空中植物的发育的。实验表明,在与地球植物相同的光照条件下,太空植物生长良好。虽然绿光不是植物生长所必需的,但它们被包含在植物生长系统中,因此植物看起来也与地球上生长的植物相似。

4)重力的影响

重力的变化会影响植物的生长方式和产量。植物可以通过细胞内钙离子的变化来感知重力。宇航员最近在空间站上进行了实验,测量微重力对这些钙含量的影响,这可能为改进在太空中种植粮食作物的方法提供线索。

在香蒜酱实验中,研究人员种植了小麦,以观察微重力如何改变小麦的一些关键特征。他们发现,微重力改变了叶片发育、植物细胞和用于光合作用的叶绿体,但没有对植物整体造成伤害。事实上,小麦比地球上的小麦高10%。

空间站的工作人员还成功地利用先进的天体培养室培育了两代芥菜植物,进行了一项实验,表明重力的变化会导致种子变小,次级树枝和种子荚的生长方式也会不同。此外,该实验在太空中从头到尾种植大豆,结果产生了更大的植物和种子。

5)送水

在微重力环境下种植植物面临的一个重大挑战是,要为植物的根部提供足够的水,以保持它们的健康,同时又不会让植物淹没在太多的水里。许多实验测试了各种方法来实现这一目标,包括上述的新池塘设施和工厂水管理实验。水分管理研究证明了一种水培方法可以为根区提供水和空气来帮助它们生长。研究人员正在空间站和地球上种植植物,以比较它们的生长情况。

多大年纪才算太老?

未来的太空任务可能会持续数年,这意味着宇航员携带的种子在需要播种的时候可能还远不是新鲜的。在地球上,随着时间的推移,种子的活力和萌发率会下降。但是种子的年龄和长期暴露在太空环境中是如何影响它们的发芽和生长的呢?为了找到答案,2021年1月,NASA种植了生菜和卷心菜家族的种子(羽衣甘蓝、芥菜和白菜),这些种子已经在空间站上待了近三年。结果表明,莴笋种子在空间贮藏时间较短的情况下,其生长状况较差,而芥菜种子对空间贮藏时间的响应优于预期。

7)人的影响

当然,花园需要照料,这意味着宇航员或机器人必须照顾正在生长的植物。美国国家航空航天局研究了太空园艺如何有助于宇航员的行为和健康。许多宇航员报告说,他们发现照料植物是一项有趣而轻松的活动。

肯尼迪大学生命科学项目科学家吉奥亚·马萨说:“照顾好植物还能帮助宇航员了解地球上的生命周期。”马萨的研究重点是在空间站上种植植物。

更重要的是,宇航员说花在园艺上的时间会让他们兴奋地在新鲜的农产品准备好后吃下去。这种兴奋感激发宇航员创造性地将其作为食物的原料,提高了他们在太空中的生活质量,提高了他们的士气。

位于华盛顿NASA总部的NASA科学任务理事会的生物和物理科学(BPS)部门为Veggie、APH和相关调查提供资金。

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