在夏威夷冒纳罗亚火山北坡，海拔 8000 英尺处，生物学博士生 Cyprien Verseux 在一个模拟的火星栖息地中度过了一年，学习如何种植生菜。Verseux 是参加 HI-SEAS IV 的六名模拟宇航员之一，这是 2015 年夏威夷大学的一项实验。该小组是太空探索心理艰辛研究的一部分，旨在研究极端隔离下的团队凝聚力。
Verseux 的农业项目是他研究生研究的延伸，在技术上与 HI-SEAS 任务无关。但它可能对星际旅行同样至关重要。他解释说，如果你想长期支持人类，将所有必需的食物和氧气运送到太空将非常困难且昂贵。“想法是就地取材，利用在那里找到的东西来生产所需的东西。”
Verseux 的特殊生菜可能只是在火星上实现自给自足的一小步。但结合地球和轨道国际空间站（ISS）上天体植物学的其他进展，Verseux 的开创性研究有望推动宇航员探索比冒纳罗亚火山更奇特领域所需的巨大飞跃。
太空蔬菜
地外农业的想法比第一枚火箭还要古老。在 20 世纪 20 年代，苏联航空理论家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基在开发飞船推进数学的同时，构想了封闭的太空温室，人类和植物可以在其中相互支持。人类提供二氧化碳，植物提供食物和氧气，在微观层面复制地球。
到 20 世纪 50 年代，美国空军和 NASA 开始为未来的太空探险家测试基于藻类的生命支持系统。苏联在 20 世纪 70 年代和 80 年代走得更远，将洋葱和亚麻等作物运送到他们最早的空间站，证明活的植物可以在微重力下生存。与此同时，他们在地球上建造了隔离的封闭式栖息地——齐奥尔科夫斯基温室的翻版——以研究植物如何在没有外部干预的情况下提供食物和处理人类废物。
此后，NASA 在这方面的研究重新占据了领先地位，并重新定义了其发展方向。在国际空间站进行农业实验的 NASA 肯尼迪航天中心天体植物学家 Gioia Massa 说：“我们已经从完全生物再生概念转向了某种程度依赖地球的方法。”目前，NASA 大部分宇航员的食物都来自地球，并使用机器回收废物，但航天局仍然“在有意义的地方”利用生物学。
虽然这听起来像是撤退，但这实际上是一种基于吸取的教训的长期进步策略，因为曾有过行动过快的经历。（那些 50 年代的早期藻类实验？失败了。）Massa 最著名的成功是名为 Veggie 的太空园艺实验——Vegetable Production System 的缩写——自 2014 年以来一直在国际空间站上种植种子。Veggie 设计得极其简单易用，安装在一个迷你冰箱大小的设备中，专为船员互动而设计。宇航员将包含悬浮在特殊肥料浸渍的烤粘土基质中的种子的生长袋装入其中。然后，这些临时园丁会尽力通过控制彩色 LED 灯和电风扇来促进生长。
亚利桑那大学的一个月球温室舱原型展示了未来宇航员如何种植自己的补给品。（来源：亚利桑那大学）
亚利桑那大学
最大的挑战之一是灌溉。水在微重力下的行为方式违反直觉，其运动更难预测，因此水滴既可能淹死根系，也可能使根系干枯。尽管问题仍未解决，但国际空间站的船员已经成功种植了多种可采食蔬菜，包括罗马生菜、中国白菜和羽衣甘蓝。产量很少，只能为宇航员提供少量新鲜农产品，但即使每月只有一片生菜叶子，在数周的淡食之后也能产生很大影响。
Massa 解释说：“随着时间的推移，人们会有点厌倦吃同样的东西。大多数去太空的人都会减肥。”这些作物有助于让他们保持进食的热情。
均衡饮食的好处
园艺的实际行为也可能具有重要的心理益处。Massa 说：“种植植物可能会让宇航员更快乐。”当你观看宇航员 Scott Kelly 兴高采烈地制作一束太空种植的百日草花束的视频时，你就会明白她的意思。
虽然提高船员满意度并非易事，但更大版本的 Veggie 也可能有助于克服长期太空飞行中重要的生理障碍。营养是一个主要问题。维生素会随着时间降解，并在为期三年的火星往返任务中失去效力。即使他们的大部分卡路里仍然来自预包装食品，绿色蔬菜也可以为宇航员提供所需的饮食补充。
当然，每周一个番茄是行不通的。即使在短期内，太空农业也需要改进。幸运的是，宇航员已经拥有许多所需的工具。为了在微重力下研究微生物学和遗传学，NASA 为国际空间站配备了多个用于在培养皿中培养植物组织的平台，新的高级植物栖息地使 Massa 和她的同事能够通过 180 多个控制和传感器来监测全尺寸作物的生长，有效地为她提供了一个“盒子里的远程实验室”。总而言之，这些系统可以帮助 NASA 超越简单的照明和灌溉微调。
更具未来性的研究涉及基因工程。例如，低重力下的植物可能不需要那么多木质素，木质素是一种不可食用的物质，赋予茎其刚性。NASA 科学家正在研究改变木质素的产生是否可以帮助人类从蔬菜中吸收更多营养，或者更容易处理太空中的植物废物。
然而，即使基因改造植物用于太空可能是必要的，它也可能不足够。着眼于长远，Massa 仍然担心为了保持太空植物的健康，仍然需要从地球上带来所有东西。她说：“我们不想发射所谓的‘太空泥土’。”即使没有齐奥尔科夫斯基式的完全生物再生，她也认为“我们需要关注所有这些潜在的原位资源利用领域”。如果你在火星上种植，你的供应链应该主要是火星的。
幸运的是，最新的研究表明这很有可能。
火星作物
2015 年，当 Verseux 在冒纳罗亚火山上时，他的特殊生菜依靠一种称为蓝细菌的微生物提供养分，这种微生物只需要光、水、空气和极少的养分就能生存。同时，蓝细菌的样本正在国际空间站的外部表面绕地球运行。它们与几种其他类型的微生物一起，作为德国航空航天中心及其合作者管理的“生物学与火星实验”（BIOMEX）的一部分。
主要目标是通过让生物体承受 16 个月的轨道辐射来了解生命的极限。Verseux 和罗马大学的天体生物学家兼植物学家、Verseux 的研究生导师 Daniela Billi 利用这个机会了解蓝细菌对火星农业的适用性，因为这颗红色行星遭受着类似的严酷辐射。例如，如果蓝细菌意外暴露，在火星上会发生什么？
宇航员已经在太空种植绿色蔬菜，使用了国际空间站的高级植物栖息地。上面，船员正在准备测量在轨道上种植的小麦样品的高度。NASA 正在缓慢地学习在空间站上生产少量新鲜食物。（来源：NASA）
美国宇航局
他们的研究结果，已于今年早些时候发表在《天体生物学》杂志上，表明如果被风化层（覆盖许多卫星和行星的粉状岩石的专业术语）屏蔽，这些微生物就可以生存。换句话说，你最好不要在户外种植蓝细菌，但如果你的温室窗户坏了，你的微生物也会很好，它们会受到当地表土的保护。一旦地球上的预包装餐停止运送，一次意外的陨石就不会导致饥荒。
风化层在其他方面也可能有用。如果你不想把泥土——字面意义上的“地球”——运到太空，那么粉状的石头就是你仅有的东西。但事实证明，蓝细菌有一种从地球上的类似风化层的沙漠岩石中直接提取有益矿物质的诀窍。换句话说，这种微生物似乎正是 NASA 所寻求的长期解决方案——火星上“就地资源利用”的理想生物。一旦蓝细菌能够利用当地的地形，吸收融化的火星冰和紫外线过滤的阳光，它们理论上就可以成为供应链本身的一部分。
Verseux 现在是不来梅大学应用空间技术与微重力中心的博士后研究员，他设想的不仅仅是地外生菜生产。从蓝细菌中提取的营养物质，尤其是在经过一点基因工程之后，几乎可以滋养任何作物。“一旦你种植了它们，你就可以直接用它们来制造氧气、食物、生物燃料以及其他一些东西，”他说。“你可以生产人类生存所需的一切。”
有可能使人类探索火星成为可能的研究，也可能为科学家提供有意义地进行这次探险的知识。Massa 观察到：“在研究可能可供生命使用的资源与研究可能是什么生命存在的‘证据’之间存在许多相似之处。”因此，通过了解我们可以种植什么以及如何种植，我们将最终更好地为寻找同样在火星上生存的本地生命做好准备。
Jonathon Keats 是 Discover 的特约编辑。本故事最初印刷版为“创造更绿色的太空”。
