美国宇航局正在研究在太空种植食物的最佳方法

2015 年 12 月 27 日，宇航员斯科特·凯利在国际空间站发推文称：“我们的植物看起来不太好。”他是对的：附图显示，四株百日草幼苗沐浴在洋红色的光线下。四根叶柄中，有三根变色，卷曲起来。空间站的花园正在努力摆脱霉菌问题。这是地球上的园丁们熟悉的问题。在地球上，这个问题意味着要去当地的苗圃更换，但在太空中，你无法做到这一点。

百日草是菊科植物中颜色鲜艳的植物，是名为 Veggie 的实验的一部分，该实验的最终任务是为宇航员提供长期食物来源。在之前的测试中，宇航员成功收获了莴苣。百日草的生长期较长——60 到 80 天——然后会开花，开出霓虹色的花朵，看起来像是迷幻胸花。它们是用来练习种植比绿叶蔬菜更精细、更美味的西红柿的。如果空间站工作人员要种植如此复杂的植物，他们需要弄清楚——除其他事项外——如何消灭霉菌。

Veggie 是宇航员培养园艺技能的一种相对简单的方法。“这是一个非常简单的系统，”该项目的首席科学家之一 Gioia Massa 说。“它控制不了太多东西。”相反，控制的是人类。

如果太空旅行者要飞越近地轨道或进行一次比快速的月球之旅更远的旅行，太空园艺在未来的某一天将是必不可少的。他们无法携带所需的所有食物，而他们携带的口粮也会失去营养。因此，宇航员需要可补充的储备，并补充额外的维生素。他们还需要制造更多氧气、回收废物并帮助他们不那么想家的方法。从理论上讲，太空花园可以帮助实现所有这些目标。

Veggie 和空间站上的其他系统正在帮助研究人员弄清楚辐射和重力不足对植物的影响、多少水才是适宜的、以及如何应对霉菌等有害物质。同样重要的是，科学家们正在了解宇航员必须投入多少工作、他们愿意投入多少工作，以及植物如何滋养他们的大脑和身体。

尽管 Veggie 具有巨大的潜在价值，但它的体积却非常小。它的重量为 41 磅，仅比空间站 44 磅重的咖啡机轻一点点。顶部是一个灰白色的矩形盒子，里面装有生长灯，看起来像一台旧录像机。从顶部垂下来的透明塑料帘子包裹着 1.7 平方英尺的种植表面。宇航员可以预设灯每天亮多长时间；预设灯发出的红光亮度以优化光合作用，以及蓝光亮度以控制植物的形态和功能。他们还可以启动内置风扇来调节湿度。

不过，Veggie 最重要的部分是它要培育的脆弱植物。这始于装在涂有特氟隆的凯夫拉纤维袋中的种子。科学家们称它们为植物枕头。“你可以把它想象成一个种植袋，”马萨说，这些袋子里塞满了种子、水芯、肥料和土壤。

人们已经预见到这种情景一个多世纪了。1880 年，科幻小说作家珀西·格雷格 (Percy Greg) 创作了《穿越黄道十二宫》 ，这部小说讲述了一位宇航员带着植物前往火星回收废物的故事。15 年后，俄罗斯火箭科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基 (Konstantin Tsiolkovsky) 创作了《天地之梦》 ，其中描述了宇航员和植物如何在一个封闭的系统中共存。

20 世纪 50 年代，绿色植物从书本走进实验室。美国国家航空航天局和美国空军开始培育藻类，看看它能否帮助维持生命（结果发现，藻类味道不好，充满了难以消化的细胞壁，而且蛋白质含量过高）。随后，苏联科学家试验了几乎自给自足的生态系统，人类依靠在封闭的栖息地内产生的氧气、水和营养生存。在最长的一次试验中，在一个名为 BIOS-3 的设施内进行了 180 天的试验，地球上的工作人员 80% 的食物来自他们自己种植的小麦和蔬菜。最后，在 1982 年，太空植物成为现实，苏联宇航员在礼炮 7 号空间站上种植了拟南芥，一种与卷心菜和芥菜有关的开花物种。产量太少，不能作为食物来源。

大约在 80 年代中期，Veggie 的 Massa 还在读中学，她的七年级老师从肯尼迪航天中心的天文农业研讨会回来，带回了大量有关该主题的信息。受到启发，十几岁的 Massa 在升入高中后继续学习农业课程，后来与她的中学导师合作开展了一个水培项目。

当马萨继续她的研究和自主实验时，NASA 开始建造轨道植物生长装置，其中最著名的是生物质生产系统。该系统设计用于空间站的实验，呈长方形，每边长约一臂长。四个立方体状的生长室像保险箱一样放在里面。生物质生产系统由威斯康星州 Orbitec 公司的科学家设计，于 2001 年加入空间站。在那里，芥菜在普通的白色荧光灯照射下很快就长得很高。

然而，当研究人员将收获的芥菜与地面上的对照植物进行比较时，他们发现太空芥菜含有更多的细菌和真菌。NASA 的官方结论是：“这种差异的意义尚不确定。”该机构的意思是，它不知道微生物为何会大量繁殖，而不是说它们的存在不重要。事实上，正如 Veggie 的霉菌所表明的那样，微生物的存在至关重要。

美国宇航局于 2002 年停止了生物质生产系统，但俄罗斯宇航员接手了美国停止的计划。十年间，他们成功培育出矮小麦、水菜和矮豌豆。额外收获：在连续四代轨道栽培的矮豌豆中，这些蔬菜没有表现出基因混乱的迹象。

与此同时，Orbitec 与 NASA 协商，开发了另一种植物种植仪器。因此，当 NASA 于 2012 年批准建造新的太空花园时，该公司推出了一款产品：Veggie。与前身不同，Veggie 旨在生产可食用的食物。当时还是博士后的 Massa 为植物枕头测试了不同类型的培养基和作物。这是她从 12 岁起就一直在准备的。美国第一个真正的太空花园于 2014 年发射，就在 Massa 从博士后晋升为美国航天局 Veggie 项目科学家后不久。

蔬菜号一切进展顺利，直到花朵爆裂。2014 年，蔬菜号上大部分可食用植物（一种名为 Outredgeous 的生菜品种）如期发芽，宇航员将它们带回地球进行测试。马萨说，他们仍在进行所有分析。“但总体而言，这些植物与我们的地面样本非常相似。”分析完成后，他们将了解抗氧化剂、花青素（色素）和酚类物质等化学成分，这些物质可保护植物免受压力。短期内，首要任务是就餐时间：我们能吃掉这些收获的蔬菜吗？宇航员、马萨和 NASA 都想知道答案。是的，事实证明，这些农产品在微生物上是安全的。

然而，当宇航员在 2015 年夏天种下第二批种子时，马萨遇到了新的挑战：随着收获季节的临近，NASA 没有协议允许宇航员吃下他们辛苦种植的叶子。“我们说，‘我们只有 28 天的时间，然后他们就必须吃掉它了，’”马萨回忆道。随着时间的流逝，管理层找到了一种方法，正式将生菜添加到宇航员的饮食中。

8 月 9 日，凯利站在正在展开的蔬菜前拍了一张照片。他皱着眉头，故作严肃。“明天我们将在@space_station 上吃掉预期的蔬菜收获！”他在推特上写道。“不过首先，生菜要拍张#自拍。”很快，他在美国宇航局的电视上直播了收获的情况。这似乎没什么大不了的，但对于几个月来一直吃脱水食物的人来说，一片叶子就能带来很大的不同。在后来的收获中，宇航员佩吉·惠特森会用它们来包裹一份复原的龙虾沙拉。“即使是包含数百种食物的优质饮食，也会有饮食疲劳，”马萨说。“人们会感到无聊。增加一种新的味道或质地——比如脆脆多汁的东西——可以给你的正餐增添趣味。”

这并不是唯一能提升大脑的东西。当然，宇航员每 90 分钟就能俯瞰地球，看到地球上最美的地方——确切地说是所有地方。但这些地方总是遥不可及，提醒着他们海平面有多远。附近有可以进行光合作用的生物可能会让宇航员们感到高兴。“当你远离家乡时，看到绿色和生长的生物，这是一种心理层面的感觉，”马萨说。

在下一个生长周期中，宇航员们培育了这些命运多舛的百日草。大约两周后，谢尔·林德格伦发现了第一个警告信号。水从固定种子的灯芯中漏出。然后水分开始从幼叶中渗出，幼叶开始卷曲。负责这项操作的地面蔬菜计划工作人员决定是时候将气流风扇从低调到高了。但是，一次临时太空行走修复损坏的机械臂推迟了这一变化，因为在太空中，没有什么比在离开宇宙飞船时轻轻按一下开关更简单了。虽然重新编程蔬菜计划的设置只需要 15 分钟左右，但 NASA 更希望宇航员在执行高优先级任务时将优先级较低的任务移开。

然后叶子开始枯萎。

这本身就已经够糟糕了。但更糟糕的是，枯萎的植物可能成为霉菌的滋生地，霉菌不知何故随宇航员和货物进入太空。很快，可怕的白色绒毛开始窒息植物。

此时，林德格伦已返回地球，凯利接管了花园。12 月 22 日，根据地面控制中心的指示，凯利剪掉了发霉的部分，就像剪掉奶酪上的坏点一样，并用清洁湿巾擦拭剩余的百日草和设备。他把风扇开到最大，帮助设备脱水。

这是一次不错的尝试，但并非没有代价：它使植物缺水。凯利将这一情况转达给地面控制中心，并要求浇水。坚持执行演习的军士告诉凯利现在还不是时候。要到 12 月 27 日。“你知道，我认为如果我们要去火星，并且要种植植物，我们将负责决定植物何时需要浇水，”凯利告诉他们，根据 NASA 对此次事件的报道。

最终，他们将自主权交给了真正站在植物旁边的人，并附上了一页名为“在轨园丁的百日草护理指南”的说明。

在轨道园丁的指导下，一半的百日草复活了，绽放出绿色的花朵。NASA 将整个事件描述为积极的一面：他们现在知道农作物可以经受洪水、干旱和疾病的侵袭，而切除有问题的植物并清理剩余的植物可以防止真菌侵袭。

凯利很喜欢这些如今已盛开的鲜花，他带着花盆走遍了空间站拍照，就像那些身穿硬石 T 恤在世界各地拍照的人一样。“他问能否在情人节采摘这些花，”马萨说。他已经在太空中呆了 300 多天，除了他那些臭烘烘的船员之外，远离了任何人。NASA 让他制作了花束。

这是马萨最喜欢的时刻之一。“我们参与了一件让他开心的事，”她说。

在即将进行的 Veggie 实验中，科学家将更多地了解园艺的这一部分——精神层面。“我们听到了很多轶事，”马萨说，“但我们从未能够收集数据。”他们还将调查农耕机组人员实际上想做多少工作，多少是乐趣，多少是苦差事，他们的味觉在轨道上如何变化，以及哪些植物可以经受住人为错误（无意冒犯宇航员）。

Veggie 的实验将与全新的 A 型同伴“高级植物栖息地”同步进行。高级植物栖息地是一个 18 平方英寸的自给自足实验室，拥有 180 多个传感器和自动浇水功能。科学家可以确定变量，从而确定培育植物的具体条件——以及这些植物如何培育人类。温度控制系统将空气温度保持在恒温器设定值的 0.5°C 以内。传感器将有关空气温度、光照、湿度和氧气水平的数据传回基地。高级植物栖息地将量化成功园艺的环境，而 Veggie 将有助于确定人类如何以及为什么能够促进自己的食物供应。换句话说，通过栖息地的严格控制，研究人员可以了解如何种植最好的植物。然后，利用这些参数，他们可以建立一个像 Veggie 这样的系统，宇航员可以与之交互。

2017 年 10 月，宇航员们花了六个多小时组装了栖息地，栖息地分两次运往太空。这个自动化装置看起来就像一个微波炉，即使被发射到太空也能幸存下来。控制面板上的电线从这里通到那里，从那里通到这里。红色指示灯在拨动开关旁边闪烁。在植物室内，LED 从天花板发出光束，用音乐会舞台色彩组合照亮下面的植物。它有红、绿、蓝灯，就像 Veggie 一样，还有白光、近红外和远红外灯。

2014 年收购 Orbitec 的 Sierra Nevada Corporation 的环境系统总监罗伯特·里希特 (Robert Richter) 从地球上的空间站处理设施监控其进展情况。他曾帮助设计和建造新实验室以及 Veggie 和 Biomass。近 20 年前，当他开始从事该领域时，他有点天真。“我想，种植植物有多难？ ”

当然，他这话有点开玩笑的意思，现在他知道了，当你试图将湿度保持在给定数值的 3% 以内时，当你必须制造和测量光和湿度时，当你将温度保持在几分之一度时，在杯子里种植罗勒和在太空中种植生菜之间还有很长的路要走。

该团队于 2017 年 11 月启动了该装置。到今年 2 月，拟南芥和矮小麦的试验作物已经发芽。很快，他们将开始研究植物的 DNA 和生理变化等实验。Sierra Nevada Corporation 的首席科学家罗伯特·莫罗 (Robert Morrow) 说，之前的许多植物研究都集中在植物是否会生长上。它们会一代又一代地繁殖吗？它们在太空中的生产力是否与在地面上一样高？

是的，他说。科学家现在已经超越了这些基本知识。他们需要深入研究更肮脏的细节和更复杂的生态系统。例如，宇航员呼出的二氧化碳可以被植物吸入。植物然后呼出的氧气可以被人类吸入。人类的排泄物可以成为植物的肥料和水分。没有浪费，一切都得到了。

最终，莫罗相信，深空任务中的花园将更像 Veggie，而不是高级太空栖息地。“将 APH 中的所有东西都放入这样的系统中确实不切实际，”他说。由于有如此多的传感器和管道，许多东西都可能出现机械故障，而且修理 Veggie 比修理 APH 更容易。目前，科学家需要 APH 找到植物生长的最佳指导方针，并了解离开地球会如何改变它们，以便他们可以指导未来的宇航员如何更好地管理 Veggie 式系统。

展望未来，马萨对观察宇航员与仪器的互动很感兴趣。“你是否总是想摘下成熟的西红柿，但也许你不想每隔一天就给它们浇水？”她想知道。她将有机会找到答案，因为 Veggie 将于明年初种植第一批矮西红柿，一种名为 Red Robin 的品种。

其他国家也在继续进行实验。例如，中国打算今年用嫦娥四号飞船将蚕和土豆种子送上月球。蚕孵化时会产生二氧化碳，土豆植株会吸收二氧化碳并将其转化为氧气，蚕再吸收氧气。

所有这些研究不仅仅能帮助大气层外的人类。创建自给自足的种植系统可能有助于地球上的农民全年种植农作物，或培育出蛋白质含量更高、产量更高的植物。总有一天，这项工作将带来足够坚固、稳定的园艺系统，为太空旅行者提供支持。然后，那些旅行者可以用生菜包裹任何他们想要的东西，然后一路嚼着吃穿越宇宙。

特约编辑莎拉·斯科尔斯 (Sarah Scoles) 是《建立联系：吉尔·塔塔与寻找外星智慧》一书的作者。

本文最初发表于《大众科学》杂志2018 年夏季生命/死亡专栏。