郑慧琼：正在太空种粮、种菜进展到了哪一步？

　　为了摸索广漠的，拓展人类成长的疆土，开辟和操纵无尽的太空星球和空间资本，确保人类的和可持续成长，近十多年来，沉返月球、登岸火星、成立月球或火星，以至飞向愈加遥远的深空探测打算接踵提出。然而，人类正在地球上的、成长履历了几百万年，今天的人类文明有赖于地球奇特。若是人类飞出地球，分开这个，到空间或其他星球，能不克不及？若何才能？于是我们提出了地外生命保障系统问题，即若何保障持久载人航天以及建登时外星球人类糊口必需的粮食、氧气和水？目前，沉返月球、登岸火星等已成为当前人类空间摸索的主要方针，成立以动物为根本的空间生物再生生命支撑系统是实现载人深空探测的环节前提，可是，正在的中，人和动物都无法间接，而是需要糊口正在雷同空间坐的人制封锁中。若何正在较小封锁的人制中实现粮食和蔬菜的可持续和高效出产，满脚航天员持久远离地球的地外糊口需求，是空间动物学要处理的环节科学问题。因而，为了实现持久载人航天及地外星球栖身，首要问题就是处理人类地外所需的粮食、氧气和清洁的水。目前正在我国神舟系列飞船、中国空间坐、国际空间坐和苏联的和平号空间坐中航天员吃的食物只能一次性从地球照顾或运输，不克不及再生或自给自脚。跟着航天手艺的成长，人类必然要进行长时间、更远距离的太空摸索，完全依赖于地面照顾或补给食物不只十分高贵，并且几乎不成能实现。科学研究表白，成立以绿色动物为根本的空间生物再生生命保障系统是实现载人深空探测目前独一可行的路子。正在地球上，人类的和成长依赖于绿色动物的光合感化，粮食、纤维、木材、糖、蔬菜和生果等都来自光合感化。动物的光合感化能够操纵太阳光能出产粮食，氧气，接收二氧化碳，并通过蒸腾感化发生干清水。此外，动物还能为长时间处于孤寂中的航天员带来生气，添加人类空间糊口乐趣，减轻心理压力。因而，动物是空间生物再生生命保障系统中物质轮回和能量互换的环节焦点要素。要正在太空中种粮种菜，需要领会动物正在太空中的发展发育纪律，可是，迄今为止，我们动物学学问都是来自地球奇特的沉力之中。人类进入航天时代之后，分开了地球沉力，迈向了微沉力的空间和低落力的地外星球（月球、火星）。新的给动物学提出了很多全新的问题，要处理这些问题，原有的动物学学问不敷了，理论、方式不完全合用了，需要进行大量的试验和研究，从中寻找新的纪律，总结出新的理论和方式，研究并领会正在空间中动物的特有生命勾当现象，并操纵空间动物学的研究扩大人类认识天然的视野、加强摸索和开辟的能力。同时，成长空间动物培育新手艺、新方式和新设备，最终实现动物正在太空中的最佳发展和高效出产，不变运转的地外生命保障系统供给支撑。地球上的动物持久以来顺应了地球，欲将地球动物带上太空发展，并可以或许高质高效出产供航天员所需的粮食和蔬菜，还需要面临良多挑和，总结起来次要有以下三个方面。取地面农做物出产正在广袤的郊野中分歧，将来太空做物出产必需正在相对较小且封锁的人工前提下进行。目前人类所认知的太空是极其的，生命难以存活此中。动物发展对温度的要求很是严酷，正在0℃以下的冰冻中，地球动物绝大大都都无法持久，而正在0℃以上的低温也能惹起寒害。好比，水稻、番茄和黄瓜等喜温动物正在10~12℃就会遭到冻害，一些耐寒动物如冬小麦能抵御寒冷的冻害，可是，其开花结籽需要20℃以上的温度，低温会导致不育。此外，低温还会影响动物的呼吸感化、光合感化、代谢活性和细胞布局的不变性。自卑爆炸当前，跟着的膨缩，温度不竭降低，当前太空已成为高寒的，平均温度为零下270。3℃。月球概况日夜的温差很大，月昼阳光曲射的地面温度高达127℃，而月夜月球概况的温度可降低至-183℃。火星概况的温度也正在零下13℃至零下68℃。更为的是空间高实空，或像火星概况只要极其稀薄的大气。因而，正在中无法间接进行农做物的栽培和出产，必需正在人制的模仿地球的封锁前提中进行。这种人制的建制和维持的成本极其高贵，用于农做物出产的面积很是小。要正在如许的前提产出供航天员所需的粮食，必需研究出可以或许正在太空高顺应性、高效出产和优良的农做物。沉力是地球上所有生物成长的根基，无时无刻不影响着地球上的生物。动物同其他生物一样，正在地球上履历了几十亿年的演化，地球沉力决定了动物的形态、心理功能和繁衍能力。太空微沉力对动物而言是一种严沉的因子，动物的形态得到了沉力的指导变得无序，茎叶不克不及无效地操纵光能进行光合感化，而根无法最大化地接收水分和养分，基因和卵白质的表达发生了变化，使得动物正在空间发生各类“航天禀析症”，严沉影响做物正在太空中的出产。此外，微沉力还导致湿度增大、养分接收坚苦、气体互换取扩散改变等严沉影响动物空间发展发育的问题。正在太空中模仿地球沉力需要正在人制的动物培育中进行，的成本太高，也难以实现。最为可行的路子是操纵动物具有较强的顺应性和可塑性，通过研究动物若何顺应空间，进而寻找无效节制做物正在空间发展发育的路子和手段，来进行空间高效粮食出产。空间辐射和等改变也可能会导致动物的空间出产问题。太空中高能带电粒子构成的电离辐射不克不及穿越大气层和地球，未对地球生物形成，可是，正在太空中这类粒子若是不进行屏障，将极大地风险生命，导致染色体毁伤、细胞以及导致基因突变等。处于休眠形态的种子正在太空飞翔器中存储较长时间仍然不影响抽芽发展，成为几十年来空间动物育种遍及采用的材料。目前尚没有不经屏障正在太空辐射中成功发展动物的报道。按照地面高能粒子辐射模仿尝试能够晓得，太空辐射会对地球生物发生极大的风险，动物也无法间接发展于太空辐射中，因而，正在太空进行做物栽培必必要考虑对空间粒子辐射的屏障和监测。从1957年第一颗人制地球卫星发射以来的近70年中，科学家对于正在空间种植和栽培动物进行了大量的研究。正在各类空间飞翔器中进行了20多种动物的培育尝试。迄今，国际上研制了21台空间动物培育箱或尝试模块，开展了50多项空间动物培育尝试。晚期空间动物培育尝试的次要方针是若何正在空间中养勾当物，使其可以或许萌生、发展、开花和发生种子，现在这些方针都实现了。 一些根基的空间动物生物学问题，如动物的向性发展，根的构成、萌生，种子成分，基因和卵白质的表达变化等也正在此过程获得了较为深切的研究。 目前科学家的研究沉点逐步由对动物长苗阶段的研究扩展至种子出产研究。 正在我国空间坐建成之前，国际上只要拟南芥、油菜、小麦和豌豆正在空间完成了从种子到种子的尝试。我国空间动物学研究起步较晚，晚期次要是操纵前往式卫星进行干种子搭载尝试，曲到1986年我国初次操纵斥候四号前往式卫星进行石刁柏、萝卜长苗培育尝试。1992年中国载人航天工程正式立项，先后操纵神舟四号进行了空间烟草原生质细胞电融合尝试，神舟八号飞船进行了拟南芥、水稻长苗和愈伤组织培育尝试，并正在基因组和卵白质组程度上开展了沉力生物学的研究。2006年，我国正在实践八号卫星留轨舱内，及时察看和记实了种植时间长达21天的青菜抽苔、开花、授粉的环境。2016年正在实践十号前往式卫星上，开展了空间微沉力下水稻和拟南芥的开花时间节制研究。同年正在天宫二号空间尝试室中我国初次开展了拟南芥从种子到种子的空间尝试，标记着我国空间生命科学开展持久正在轨尝试的起头。2022年，我们正在我国空间坐上初次正在国际上实现了水稻从种子到种子，再到再生稻的种子的尝试，标记着水稻做为粮食做物正在空间培育尝试的起头。我国空间坐初次尝试的样品是两种模式动物拟南芥和水稻。 拟南芥代表双子叶、长日、良多蔬菜，好比青菜、油菜等都属于十字花科。早正在1983年苏联的礼炮号空间坐中，科学家操纵拟南芥第一次正在空间完成了动物从种子到种子的尝试，证明正在微沉力前提下动物可以或许完成种子发育。 后续又正在和平号空间坐、国际空间坐平分别由俄罗斯、美国和日本科学家完成了三次拟南芥从种子到种子的尝试。水稻代表票据叶、短日、禾本科动物，良多粮食类做物，好比小麦、玉米等都属于禾本科。粮食做物需要的培育空间相对较大，因而，正在我们的空间尝试之前，正在空间培育成功的粮食做物仅小麦一例。跟着载人航天手艺的成长，用于动物培育的空间会越来越大，粮食做物的空间培育将是将来空间动物学的研究沉点。2022年7月24日，我国空间坐问天尝试舱成功发射并取天和焦点舱交会对接，问天尝试舱搭载了生命生态尝试柜 （图2A） 、生物手艺尝试柜等科学尝试柜。同时，随问天尝试舱升空的还有安拆拟南芥和水稻种子的尝试单位 （图2C和2D） 。7月28日，种子随尝试单位由航天员安拆至问天尝试舱的通用生物尝试模块中 （图2B） ，通过地面法式注入指令，于7月29日向尝试单位中注入养分液，启动尝试。图2 生命生态尝试柜中发展的拟南芥和水稻。（A）生命生态尝试柜；（B）通用生物尝试模块；（C）、（D）培育拟南芥和水稻的尝试单位颠末120天的空间培育，拟南芥和水稻的种子完成了萌生、开花，并发育出了新一代种子。正在尝试过程中，航天员三次采集了分歧发育阶段的水稻和拟南芥样品，并冷冻保留于空间低温存储柜中。最初，这些冷冻保留的样品连同空间收成的种子随神舟十四号飞船前往地面。沉力正在地球上几乎是一个权衡。高档动物是正在1g （9。80 m/s2） 地球沉力前提下颠末40多亿年进化而来的，其形态布局、代谢和遗传调控均顺应于1g的地球沉力。动物按照沉力标的目的发展的特征，凡是称为向沉性反映，好比动物根沿着沉力标的目的向长称为正向沉性，而茎逆沉力标的目的向上发展称为负向沉性。向沉性反映使得根可以或许向长至土壤中，接收水分和矿质养分，而茎向上发展获得更多的光，进行光合感化。沉力对于动物发展发育的影响次要包罗：种子萌生，细胞取伸长发展，细胞壁的发育，花、果实取种子的发育等。正在空间微沉力前提下，种子的萌生没有遭到较着的影响，可是长苗正在地面上操纵沉力指导的定向发展，正在空间发生了较着的改变。正在地球沉力前提下，水稻和拟南芥的长苗茎叶取沉力标的目的构成不变的夹角和准确的空间定位 （图3A和3B） ，而正在微沉力前提下，水稻和拟南芥长苗茎叶发展标的目的呈随机性分布，并且，跟着时间的变化不竭发生变化，不克不及构成一个不变分歧的发展标的目的，良多时候叶片之间会叠正在一路 （图3C和3D） ，不克不及无效地操纵光进行光合感化，由此，空间水稻和拟南芥长苗的发展取发育也较地面有较着的迟缓。图3 比力空间取地面发展的水稻和拟南芥长苗发展环境。(A）、（C）水稻；（B）、（D）拟南芥空间动物培育尝试成果表白，微沉力中动物发展体例的改变不只改变其形态，同时也改变了其生殖发展过程，特别是对动物开花的影响间接关系到动物的延续以及农做物的产量和质量。目前国表里大大都空间动物学尝试都是20天以内的长苗发展阶段或干种子空间搭载尝试，正在空间微沉力中成功前进履物生殖发展的研究仍然十分无限，只要油菜、豌豆、小麦和拟南芥等少数几种动物正在空间完成了从种子到种子的尝试。正在空间动物繁衍研究初期，一些影响动物发展发育的环节要素仍然不清晰，良多问题尚未找四处理法子，好比，正在空间微沉力前提长的动物往往表示为发育迟缓，或即便开花也有良多植株不克不及健壮等问题。我国操纵实践八号、实践十号前往式卫星，天宫二号空间尝试室和空间坐空间尝试平台，进行了系列尝试以研究空间动物开花的纪律。2006年9月，正在我国实践八号卫星留轨舱中，对青菜的抽苔、开花和授粉环境进行了21天及时察看和图像记实。2016年4月实践十号卫星中的拟南芥和水稻发展取开花尝试，也表白空间微沉力中开花取授粉均不克不及一般进行，添加空气畅通可能使其获得改善，但不克不及处理开花延迟。2016年我国也初次正在天宫二号空间尝试室中完成了拟南芥从“种子到种子”的尝试，并使用了绿色荧光卵白标识表记标帜开花基因，察看了长日取短日前提下开花基因的表达环境，成果显示，空间微沉力前提下动物的光周期反映发生了较着的改变，开花较地面临照延迟了20多天。2022年7月至12月，正在我国空间坐中初次操纵正在轨冷冻保留并成功前往的拟南芥和水稻开花期和种子成熟期的尝试材料，取地面临照比对阐发，获得了两类分歧光周期开花动物响应微沉力的六合比对组数据，为深切解析动物对持久空间微沉力顺应性的机理供给了新的生物学。我们的空间尝试表白空间微沉力不只影响动物的形态建成，并且也严沉影响动物的发育历程，特别是开花和种子的发育。跟着载人深空探测的成长深切，好比成立月球、登岸火星，都必需通过空间农做物的种植，才能实正处理人类持久空间摸索的粮食保障问题。我们团队操纵空间尝试发觉微沉力既影响拟南芥和水稻形态又影响开花结籽。通过对空间前往的拟南芥和水稻样品进行比力阐发，我们发觉空间微沉力影响动物开花的环节基因，而且初次完成了水稻正在空间从种子到种子全生命周期的培育尝试，证明水稻做为空间粮食做物进行出产的可能性。将来十年，中国空间坐将为科学家进行空间动物学研究供给先辈的尝试平台和贵重的尝试机遇，研究的内容包罗：空间动物学的研究将由模式动物转向粮食做物，由此，水稻做为抱负的禾本科模式动物和主要的粮食做物将成为空间动物学研究的次要尝试材料；更多的动物将正在空间完成从种子到种子全生命周期，以至跨越两代以上的多代空间培育尝试；空间微沉力、粒子辐射和变化对持久空间培育前提下动物遗传不变性的影响；月球低落力下动物发展发育等。-本文刊载正在《世界科学》2024年第10期“大师•科技前沿”栏目；文章按照笔者正在上海市科学手艺普及意愿者协会从办的“海上科普讲坛”上的演讲撰写而成-。