古代农耕方式或能帮助人类在火星生存

古代农耕方式或能帮助人类在火星生存

美国宇航局制定了太空农场的宏伟计划,天体生物学家也提出了许多关于在火星上种植什么作物最好的想法。为了最大限度地优化这些未来的外星农场,科学家们还在探索哪些种植方法可以提高火星上作物的潜在产量。一些针对番茄、胡萝卜和豌豆植物的新实验发现,在某些火星条件下,将不同的作物混合种植可以提高某些植物的产量。这些发现也可能对地球上的生命产生影响,并在 5 月 1 日发表在PLOS One杂志上的一项研究中进行了描述。

火星温室

为了让未来的人类能够在火星上长期生存,营养食品必不可少。科幻小说和电影《火星救援》中假宇航员马克·沃特尼种植土豆的过程既有趣又有教育意义,而真正的宇航员应该可以从地球上获得一些有用的资源,以便在未来的火星定居点种植粮食。

为了找到最佳解决方案,地球上的科学家必须模拟火星上的独特条件。火星的大气层比地球的大气层稀薄 100 倍左右,主要由二氧化碳、氮气和氩气组成。未来,整个火星殖民地都需要建立在类似温室的受控封闭空间中,并拥有与地球类似的大气层,其中含有氧气、氮气和二氧化碳的适当混合物。

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这项研究的共同作者、荷兰瓦赫宁根大学及研究中心的天体生物学家 Rebeca Gonçalves 告诉PopSci :“最好的‘火星环境’实际上只是一个温室,其温度、湿度和气体等条件均受控。”

在这项研究中,贡萨尔维斯和团队利用大学的温室模拟火星上的生长环境。他们测试了农作物在模拟的火星风化层(覆盖火星的松散岩石物质)中的生长情况。标准盆栽土和沙子被用作对照组。一些有机土和其他营养物质也被添加到沙子和火星风化层样本中,以提高保水性和根系保持力。

火星番茄生长的特写(左)。模拟火星风化层和根系。图片来源:瓦赫宁根大学及研究中心/Rebeca Gonçalves。

采摘植物

对于这个模拟火星农场的植物,研究小组选择了豌豆、胡萝卜和西红柿。2014 年的一项研究发现,这三种植物都能在火星风化层中生长。据 Gonçalves 称,知道这些植物能够生长是关键,因为他们正在寻找另一个问题的答案。他们想知道如何使用伴生植物和间作(一种在近距离种植两种或两种以上植物的古老种植技术)来提高作物产量。这三种植物在未来也可能发挥重要的营养作用。

温室中的实验装置(左)。装有火星、沙子和地球土壤的花盆(右)。图片来源:瓦赫宁根大学及研究中心/Rebeca Gonçalves。

“之所以选择这些食物,是因为它们的营养成分高,富含抗氧化剂、维生素 C 和 β-胡萝卜素,”贡萨尔维斯说。“这很重要,因为这些营养成分在食物脱水过程中会完全流失,而脱水是我们用于将食物送往太空任务的主要过程。因此,在火星殖民地,生产含有这些营养成分的新鲜食物是必须的。”

这些作物也是具有互补特性的伴生植物。豌豆被认为是间作系统的主要贡献者,因为它们是可以“固氮”的豆科植物。在固氮过程中,一些植物和细菌可以将空气中的氮转化为氨的形式,植物可以利用这种氨作为营养。这反过来又使其他植物受益,并减少了向植物系统添加肥料的需要。据贡萨尔维斯说,它优化了植物在火星上生长所需的资源。

所有三个实验物种在火星风化层处理中都取得了良好的产量。健康的火星西红柿(左)、火星胡萝卜(中)和火星豌豆(右)。图片来源:瓦赫宁根大学及研究中心/Rebeca Gonçalves。

“胡萝卜用于帮助土壤通气,这可以改善伴生植物对水分和养分的吸收,而西红柿则用于为对温度敏感的胡萝卜提供遮荫,并为豌豆提供攀爬支撑,”Gonçalves说。

红色水果,红色星球

这三种番茄在火星风化层中生长得相当好,仅需添加少量营养物质就能产出半磅多一点的农产品。间作种植的番茄与豌豆和胡萝卜一起种植时,生长得比单独种植的对照番茄更好。以这种方式种植的番茄生物量更高,钾含量也更高。

Rebeca Gonçalves 手持收获的西红柿、豌豆和胡萝卜的研磨样本,准备进行营养分析图片来源:瓦赫宁根大学及研究中心 /Rebeca Gonçalves。

然而,在这种土壤表层上间作似乎降低了胡萝卜和豌豆的产量。这些植物单独生长时长得更好。在未来的实验中,该团队希望对模拟火星土壤表层处理方式进行一些修改,以便在间作时提高产量,这样胡萝卜和豌豆就可以获得同样更大的收成。

贡萨尔维斯说:“事实上,它对其中一种物种确实很有效,这是一个重大发现,我们现在可以在此基础上开展进一步的研究。”

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研究小组还对间作在沙质土壤对照组中表现出的优势感到惊讶。它使三种植物中的两种受益,这一发现可以应用于地球上的农业系统。气候变化使一些土壤变得更加沙质,这项研究是正在进行的努力的一部分,旨在了解间作如何帮助解决这一问题。

在未来的研究中,该团队希望找到如何实现“一个完全自给自足的系统,使用火星上 100% 的当地资源”。这将有助于使这些未来的殖民地在经济上更可行,而不再那么依赖补给任务。

贡萨尔维斯说:“如果我们能够解开贫瘠土壤再生的秘密,同时开发出高产、可自给自足的粮食生产系统——这正是火星农业研究的目标——那么我们也将找到解决地球上许多问题的办法。”

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