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研究种类：Space Exploration，Plants on the Moon
原文作者: The Universe Space Tech
创作者：Hahaho@DAOrayaki.org
审核者：Tan Zhixuan@DAOrayaki.org
原文: A garden on the Moon. The challenges for growing plants on the Earth’s natural satellite
月球距离地球非常近，以至于我们时常想象上面有“人”居住。在科幻小说与未来学家的预测中，月球被视为理想的“移民”地点，它稳定且具有生机，人类可以乘坐拥挤的太空大巴到达。但大多数有关未来的畅想都有一个共同点：那些精心设计的世界中，竟然没有植物。
如果没有植物，人类进入太空的意义也不会太大，我们需要植物的光合作用支撑起新的地外生态系统。当然，我们可以用速食面条和压缩肉将就一下，但谁会拒绝享用新鲜的黄瓜和番茄？正是这些高热量，健康的植物保障着宇航员的身心健康。在生长过程中它们还会制造氧气。显然，一举多得。
植物虽能在极端条件下生存（甚至比贝爷还厉害），但究其本质，它们仍是脆弱的生物。所以，讨论在月球上如何经营苹果园还为时过早。
到底是什么阻碍了我们品尝月球本地的脆皮苹果？
月球果园的阻碍
在地球之外的宇宙中，有一些不利条件等待着植物：较低的重力与宇宙辐射的致命射线。在把人类送出低地球轨道之前，了解这些现象对植物的影响非常重要。没有了大气层和磁场的保护，月球种植园的情况将非常严峻。
植物自身的适应功能可以保护其分子机制的基因组与生化链免受电离辐射的影响，但月球的影响强度与水平明显高于地球。空间站曾在多次实验中成功种植了植物，但空间站的实验条件与月球上的条件仍有很大不同。S.Xu和同事在2012年的工作中证明，当拟南芥暴露在白光和没有磁场的环境下时，其蛋白质合成过程发生了明显变化。
一些实验也表明，减少（或没有）重力会对植物的遗传水平造成影响。例如对Ceratopteris richardii（蕨类植物）参与光合作用的蛋白质的功能有影响（Salmi，2011）。而谷物类，比如普通小麦（Triticum aestivum）在低重力条件下的生命活动并没有明显变化（Stutte等，2006）。但先别急着高兴，因为在另一个实验中，豌豆（Pisum sativum）在第一代微重力条件下的结果虽然还不错，但在第四代中，一些蛋白质的合成指标与在地球上生长的豌豆仍有很大不同。
花类植物在实验中展现出了较高的突变率，其染色体的损伤甚至比在地球轨道重力的条件下更大。烟草与陆地植物比，突变的频率更是增加了23.4％。
大多数实验表明，辐射和较低重力对根系、嫩芽和叶子的发育有很大影响，但显然，仅凭实验无法模拟出影响月球植物的全部复杂条件。
此外，植物需要肥料，月球土壤并不像乌克兰黑土那么肥沃。
2014年，荷兰大学和Wageningen研究中心的科学家试图在月球基质上种植几种野生植物和农作物。但这些植物发芽率很低，生长的并不好，原因很简单：没有有机物的岩石土壤无法保持水分，生长所需营养也不够。只有当添加一点堆肥后，生长情况才有了好转。
月球基质上生长的萝卜，没有表现出任何生长异常。图片：NASA
幸运的是，月球尘埃适合为植物群生长提供一个组合基质。在许多实验中，种植在上面的植物没有出现任何病变，甚至能补充一些微量元素。
但问题是月球基质中重金属含量较高。植物不可避免的会将其吸收，导致作物带毒。这也是为什么水培（在水溶液中生长）和气培（在水气溶胶中生长）的技术被抱以希望，这些技术可以减少水的消耗，并控制植物养分的化学成分。
肯尼迪航天中心的NASA工作人员正在测试Veggie相机，并将其发送到国际空间站。图片：NASA/Dimitri Gerondidakis
当然，自主生物反应器中的培养藻类不会面临这些问题，因为它们的组织更简单，开发周期更短，生物量更大。然而，我们要为种植维管束植物做考虑，这些植物在地球上才更为普遍。
总的来说，科学家倾向于相信在月球上进行植物种植是可行的，但即使在温室环境条件下，促进植物的月球“移民”仍有很多困难等待解决。（Kordyum , 2013)但我们目前有一些现代科学技术可以解决这些困难。
植物已经在月球上开始生长了？
植物已经在轨道上生长了很长一段时间。例如蔬菜生产系统 (Veggie)，就已经在国际空间站上成功运行了很久。多亏了它，宇航员在2014年成功种植了红莴苣，第一批作物也被收集、冷冻并返回地球进行了实验。仅一年后，轨道上就可以享用新鲜的沙拉。但在国际空间站的条件下，植物生长有一个明显缺点：没有月球引力，且无法确定是否有足够的光线让植物生存。毕竟，轨道站的温室使用的是人工照明。
ISS-50探险指挥官Shane Kimbrough使用Veggie系统收获了第一批在太空种植的红莴苣。图片：NASA
同时，地球上也正进行着其他实验：用月球或火星上收集的土壤种植植物。以前的太空任务测量了月球和火星表面风化层的成分，可以在实验室中作为模拟土壤进行复制。
我们曾证明了在月球上种植植物是可行的，但很快就会死亡，第一个月球种植园只持续了几天。2019年1月，中国嫦娥四号任务实现了棉花、油菜籽、番茄、马铃薯、塔勒水芹籽的非接触式配送。1月7日，科学家们收到了第一批幼苗的照片，这对棉花植物来说是一小步，但对于太空植物学来说却是一大步。
棉花是在月球上生长的第一种植物。图片：嫦娥四号
但由于设备的缺陷，胜利的喜悦被打断。1月13日，发芽舱内的温度降至-52°C，幼苗死亡，这项没有使用电池的实验持续了212.75小时。现在，月球上的第一个种植园正在逐渐分解，植物的“遗体”被密封在容器内，因此并不会污染月球表面。
解决方法有哪些？
科学家正在努力研究，开展项目，帮助植物在太空旅行和“移民”的艰难旅途中生存下来。
例如由Wisconsin空间自动化和机器人中心的Weijia Zhou博士领导的ADVA SC（Advanced Astroculture）项目。其目标是确定植物死亡率较低且能提高产量的条件。ADVA SC实验是在几次国际空间站探险期间进行的，期间种植了两代塔勒水芹（Arabidopsis thaliana ）。从在地外条件下生长的植物中获得种子，本身就是一个巨大的成功。
ADVA SC设备室内部与Thale水芹幼苗。图片：NASA
但科学家没有止步于此，着手于延长植物的寿命。其中一个功能性解决方案是一个用于去除乙烯的装置，这种无色气体加速了水果的成熟，但也加速了植物的死亡，缩短了种子的保质期。从热带国家进口的绿色香蕉用乙烯处理后，会很快变黄。但在月球站的环境中，乙烯会在空气中积累，导致植物加速老化，收获的果实也会变质。
科学家开发的一种设备可以解决这个问题，在该装置中，空气通过不断覆盖有二氧化钛薄层的管道。管子的内部暴露在紫外线辐射下，引发了个简单的化学反应，乙烯转化为了水和二氧化碳。从这两个简单的成分中，植物可以轻松的获得它们喜欢的“菜肴”：葡萄糖。
宇航员Peggy Whitson与ADVA SC系统合作，在ISS-5探险期间种植大豆。图片：NASA
这个设备不仅引起了太空农学家的兴趣，也引起了地球上花店和超市老板的兴趣。与月球站的未来居民一样，他们也希望尽可能长久地保存植物。
美国KES科技公司和Akida控股公司目前正在向NASA出售他们的Airocide技术。由于空间站或月球基地不欢迎害虫和各种致病因子，因此创造了一种空气净化器，可以完全消灭细菌、真菌孢子和毒素、病毒、挥发性有机化合物。这个设备不需要更换过滤器，也不会产生有害的副产品（如臭氧）。Airocide受到花店工作人员的青睐，在短短24小时的运行中，它将空气中的真菌孢子数量减少了92%，细菌减少了58%。
发展地外星球的种植技术可以回答一个基本问题：我们能否可以完全离开地球？没有植物，这个问题永远不会解决。太空技术推动着人类文明向前发展，毕竟许多家用电器其实只是为了探索地外空间所进行创新的副产品。我们已经有了两项实用的发展以改善太空中的植物栽培，这有助于月球基地的建立，也已帮助解决地球上的日常问题了。随着气候变化，生态系统的化学污染日益严重，全球土壤侵蚀，在困难条件下种植也就成为了地球植物学和太空植物学的重要发展任务。
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