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在太空中 是怎么培养动植物的

文章来源:解放日报 郑伟波   发布时间:2019-03-15  【字号:     】  

  在地球上,只要把种子埋在土壤里,为它浇水,有合适的温度和阳光,它就能萌发。那么,在太空里种植是什么感受呢?请听中国科学院上海技术物理研究所研究员郑伟波在SELF格致论道讲坛上讲述在太空培养动植物的经历。

  我们未来有一天去太空旅行或者太空移民的时候会遇到什么问题?会遇到食物的问题,还有健康的问题。

  如果是短期太空旅行的话,食物可以由地面运上去;长期的太空旅行,就要考虑在太空种植各种植物,培养各种动物,满足人对食物的需求。

  太空指地球大气层以外的宇宙空间。太空是真空环境,没有空气,宇宙辐射很强,同时还处于失重状态,和地球有很大的不同。如何在太空培养动植物呢?我们有机会在“天宫二号”“实践十号”和“天舟一号”上开展了一些生命实验。

  我先介绍一下在太空中种植植物。植物生长需要阳光、空气和水,而太空中没有空气,也没有水,需要从地球运上去。我们在“天宫二号”上种植了拟南芥和水稻,目的是研究微重力环境对植物生命节律的影响。

  实验的具体流程是这样的:火箭发射前,我们把生物样品拟南芥和水稻的种子放进一个装置里,再放到“天宫二号”上,随“天宫二号”发射入轨。在轨时,我们通过地面遥控启动实验,并让实验按照我们的要求开展。返回前,再把整个实验“冻结”起来,避免地面环境影响实验结果。

  在“天宫二号”上,水稻和拟南芥被放在植物培养箱中,体积只有300mm×300mm×400mm大小。

  水稻和拟南芥要培养一年,而从地面带上去的水,每一个培养单元只有半瓶矿泉水的量,300毫升左右,远远不够。于是,我们想到模仿地球大气圈的水循环:地表水蒸腾,升入空中遇冷形成雨水,再落回地面。但是,在太空中构建水循环缺少一个环节,因为太空中是失重环境,水形成后无法落回土壤。于是我们利用毛细现象,把搜集到的水通过毛细管再送回土壤。这样的水循环过程可以满足植物一年的全生命周期的培养需求。

  在地球上,种子埋在土壤里,为它浇水,有合适的温度和阳光,它就能萌发。但在太空中操作就非常复杂,因为太空中水和空气很难分离,水难以落进土壤,土壤里的空气也出不来,加多少水更不好控制。种子萌发有两个条件:一是能够被水浸润,能够吸胀;二是能呼吸,种子如果全部浸没在水中,会被淹死。如何在太空中满足这两个条件,一直困扰着我们。

  后来我们想了一个办法,把水注入土壤后,通过毛细现象把水引走,让种子露出来呼吸,通过这种方式让种子萌发。因为地球存在重力,这种方法很难在地球上验证。但通过我们的摸索,并请力学专家进行计算,有了一定把握,可以去太空试一下。

  2016年9月15日,拟南芥和水稻种子随“天宫二号”发射入轨,8天之后太空实验启动。我们那时心里是忐忑不安的,种子究竟能不能萌发,心里没有底。

  实验启动5天后,拟南芥种子冒出一个小芽。20天后,水稻的小芽也顶着一颗硕大的水珠冒了出来。那时我们真的非常开心,一颗悬着的心终于放了下来。

  太空环境对植物有很多影响。比如,太空植物的花骨朵像满天星一样,比地球上的植物多很多。再比如,拟南芥在地球上一般只有四五十天的寿命,而“天宫二号”上的拟南芥在太空中生长了400多天,寿命长得多。科学家正在对这些现象作进一步的分析。

  除了植物栽培,我们还在太空中进行了细胞、胚胎的培养。

  胚胎由受精卵多次分裂而成,是生命的起点。胚胎的体外培养比细胞培养复杂,因为它更敏感,对环境的要求更高。在地球上,胚胎可以完成从分裂到着床、长出后代的过程,但没有人知道太空中哺乳动物的早期发育过程能否完成。科学家想知道答案,因为今后无论是人类还是其他动物,胚胎发育是进行长期太空旅行所必然要经历的过程。

  实验是怎么做的呢?首先要构建一个适合胚胎发育的、类似于小鼠母体子宫的环境。这个环境非常苛刻,美国和日本科学家也做过类似实验,但没有成功。而我们最终做成了,这在世界上是第一次,而且我们把胚胎在太空中的整个发育过程用显微图像记录下来,对科学研究非常有帮助。

  这个实验证明,太空中能够完成小鼠早期的胚胎发育。我们将太空中发育的囊胚植入小鼠母体,结果真的生出了小老鼠。

  我们在“实践十号”卫星上还开展了其他一些实验研究,放置了家蚕培养箱、植物培养箱、高级植物培养箱等。

  地球虽然是人类的家园,但我们终将要走出地球,跨向宇宙。所以,我们还将会继续开展多种多样的太空生命探索研究,为人类的太空旅行做好准备。




(责任编辑:侯茜)

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