太空农业发展史

太空农业发展史1880年，小说家珀西■格雷格写了一个去往火星的太空旅行者的故事，故事里讲到他如何使用随身携带的植物来实现废物回收。几十年后的20世纪20年代，俄罗斯航空科学家康斯坦丁・齐奥尔科夫斯基描述了在温室密闭的环境下人类与植物可能的共存场景。齐奥尔科夫斯基设想的农业模型可以收集阳光并在降低的气压下减少内部力量和结构质量。他还设计了一个温室模型草图，谈到在里面种植香蕉和其他作物。几十年后，在一本名为《火箭与太空旅行》的书中，作者威利■莱认为，如果太空旅行的时间相当长，可以通过种植作物来获取和储存氧气，并且认为南瓜是个不错的候选作物。对人类与植物在太空中共生的兴趣促使人们开始测试藻类作为生命保障的可能性，以20世纪五六十年代杰克■迈尔斯和其他科学家为美国空军和美国航空航天局所做的工作为开始的标志。太空农业系统的基础可以通过人类呼吸和植物光合作用的一般代谢方程来对比归纳，植物或其他光合生物体通过光合作用产生生物量与氧气，同时消耗空气中的二氧化碳。通过选择合适的物种，比如农作物，该生物量的一部分可以作为食物。此外，还有一个不太明显但具有相当价值的贡献，那就是废水可以通过循环回到植物中，所得的蒸腾物浓缩后可转化为洁净的水。50多年来，太空农业和生物再生生命保障课题已激发了全世界无数才华横溢的研究人员，下面便是一些研究人景、设施及成果。藻类“农业”20世纪五六十年代，太空农业领域的初步研究主要集中在藻类，特别是小球藻属。小球藻具有耐活、繁殖快的属性，在培养器（如恒化器）中较易培养，可将光源直接嵌入培养器，或者将培养器围在光源周围，从而提供近乎完全的光吸收环境。这些研究表明，在面积为5平方米至50平方米的空间使用照明功率为10千瓦至100千瓦的光照能产生可供一人使用的氧气。研究人员还对其他藻类和蓝藻细菌进行了研究，包括蓝细菌、胞藻、栅藻、聚球藻和螺旋藻。在美国学者进行以上这些研究的同时，俄罗斯研究人员正在封闭环境中使用藻类生物反应器和植物生成氧气。大多数早期海藻研究的主要目的是利用其在“水星”计划和“双子座”计划中产生氧气。遗憾的是，初期研究中产生的氧气的质量和浓度都无法胜任短期任务，但这类研究还是引起了人们的广泛关注。然而，将藻类转化为可食用的食物具有很大的挑战性。因为很多藻类的蛋白质和核酸含量过高，不利于饮食平衡，还有许多藻类含有大量人体不能消化的细胞壁成分。其他研究还发现，一些藻类和蓝藻细菌会产生毒性挥发物，正是这些毒性挥发物导致了20世纪70年代俄罗斯早期BIOS项目（即长期载人航天生命保障地面模拟装置，是苏联科学院西伯利亚分院生物物理所于20世纪70年代早期研制的人工密闭“人-植物”生态系统）的失败。太空农业植物植物（作物）作为食物已被人类食用了数千年，而且具有与藻类相同的大气再生功能。美国航空航天局成立后不久，科研人员在俄亥俄州的赖特■帕特森空军基地召开了一次“生物物理研讨会”，会上列出了一个可为太空任务补充膳食的作物清单。选择的标准包括：具有在光照少、空间小的环境下生长的能力，高产，以及对氯化钠（来自尿液回收）的渗透应力具有耐受性。这个清单包括：莴苣、大白菜、花椰菜、甘蓝、萝卜、瑞士甜菜、蒲公英、新西兰菠菜、苋菜和甘薯。尽管有这么多的备选作物，但在20世纪六七十年代，美国空间计划中为生命保障而进行的作物测试都处于停滞状态。在过去几十年间，植物的种植方式有了重大改进，包括使用高强度照明系统来实现更高的光照强度，采用植物间距法来减少光照浪费，使用水培方法以避免水分和养分胁迫，以及通过二氧化碳浓缩方法来提高光合作用率和产量，等等。这一系列措施使植物/作物的产量稳步提高，从而对藻类形成强有力的竞争。俄罗斯的探索性研究与此同时，作为BIOS计划的一部分，俄罗斯的生物再生测试也蓬勃发展起来。计划中对生活在封闭环境中的人员进行了测试，他们在封闭环境中种植作物作为主要食物来源，并利用小麦等作物实现大气再生；在有些实验中，还会将营养和水（来自尿液和洗衣水）回收到植物中。克拉斯诺亚尔斯克生物物理研究所的研究人员曾一度接近100人，在长达15年的时间里，一共进行了3次以人为研究对象的封闭生命保障测试。在一些测试中也使用了藻类（小球藻）培养器，日产氧气量高达1800升。但是，当藻类生长室与植物生长室连通后，小麦的生长发育变缓了，麦穗枯瘦，马铃薯和番茄停止生长，黄瓜也不再开花且叶片变黄，甜菜叶里检测到浓度很高的花青素。这表明，藻类产生了一些不明毒性的挥发物。因此，在20世纪70年代末80年代初，BIOS计划将研究方向转向光合作用生产。据我所知，这是第一个超过田间产量的受控环境农业系统。早期研究中使用的作物主要有甜菜、胡萝卜、莳萝、萝卜、大白菜、黄瓜、洋葱和酸模（俗名野菠菜）等，后期研究中使用的作物有香附、豌豆、胡萝卜、萝卜、甜菜、洋葱、莳萝、番茄、黄瓜和马铃薯，而小麦的种植贯穿整个研究阶段。20世纪70年代，在为期两个月的测试期内，两个BIOS-3植物生长室（总面积为41平方米）共生产植物干质量约117千克，其中有37.4千克是可以食用的。测试中，BIOS-3生长室中二氧化碳的浓度从6%o至24%o不等，平均浓度超过1%。该数字表明，在密闭系统中达到人与植物的最佳水平还是可能的。有趣的是，超高浓度的二氧化碳对作物的影响一直是太空农业的一个重要领域。在研究后期，还测试过将人类尿液直接回收到小麦作物中的可能性，结果显示，营养液中的钠积累对被测试小麦的长势几乎没有什么影响，证明了已具备将废水中的营养和水直接回收到植物中的能力。当克拉斯诺亚尔斯克生物物理研究所致力大规模的地面太空农业实验时，其他俄罗斯研究人员，尤其是莫斯科的俄罗斯科学院生物医学问题研究所，开始测试如何在太空设施中（如“和平”号空间站或国际空间站）实际开展农业。于是，Svet植物生长室在“和平，，号空间站应运而生，开始对小麦以及其他植物进行贯穿整个生长周期的研究。此后，人们以Svet植物生长室为蓝本建造了较小的Lada植物生长室，后者被送到国际空间站。Lada植物生长室针对小麦、豌豆、大麦展开大量研究，并对空间作物的食品安全问题进行研究。Lada的各项硬件设施还被用来研究空间颗粒介质中水和气体的相互作用。生物医学问题研究所的尤利■别尔科维奇教授及其同事还研发了一种植物生长输送机，可以在微重力环境下连续生产。美国航空航天局的研究1980年，美国航空航天局开启封闭（或可控）生态生命保障系统，或称为CELSS计划，从而重启生物再生研究。此时的作物清单开始考虑人类更广泛的营养需求（如碳水化合物、蛋白质和脂肪），并开始考虑收获指数、食品加工和园艺要求。清单中常见的作物有：小麦、大豆、马铃薯、大米、甘薯、莴苣和花生。美国航空航天局的CELSS计划在20世纪80年代迅速扩大，大部分研究都在大学开展，艾姆斯研究中心承担了部分研究。实验通常在具有电照明的生长室中进行，使用水培法或固体生长培养基方法培植。美国航空航天局的研究人员还研究了二氧化碳增多对植物生长和生理的影响。此外，作为CELSS计划和随后的先逵生命保障计划的一部分，研究人员就作物对温度、湿度、矿物营养、光合有效辐射、光周期，甚至光谱质量的应激反应进行了广泛的测试。美国航空航天局为威斯康星大学空间自动化与机器人中心提供资金，启动了用于宇宙飞船的宇宙培养植物生长室的LED测试。1990年，LED用于植物种植成为一项专利。之后，LED照明在受控环境农业中被广泛应用，这是空间研究反哺地球农业的一个很好的例证。此外，美国航空航天局还资助了针对空间飞行器（微重力环境下）的灌溉测试，例如在太空中使用多孔膜或管道来浇灌植物。美国航空航天局在肯尼迪航天中心建造了生物质生产室（BPC），该生产室的运行时间为1988年至2000年，被称为“试验板”计划。BPC是一个面积为20平方米的封闭种植区域，与在太空中可能遇到的情况类似。那时的人们并不知道，这可能是第一个垂直农业系统。测试内容包括4种小麦（每种种植时间约86天）、3种马铃薯（每种种植时间为105天）、3种大豆（每种种植时间为90天）、4种莴苣（每种种植时间为28天）、2种番茄（每种种植时间为85天），以及对大米与萝卜的探索实验。在同一养分溶液中对马铃薯的连续测试显示，第一次播种后形成了块茎诱导，这证实了生长室研究中观测到的结果，即营养液中积累了不明块茎诱导或激素类因子。同时，BPC测试还允许利用光和二氧化碳来评估作物性能的瞬态变化、光合二氧化碳补偿点的测量等。美国航空航天局的BPC研究是首次跟踪不同作物的全冠层乙烯生产率的研究，结果表明正常生长和发育过程中都会产生乙烯，特别是在营养生长期、叶片快速膨胀期和更年性果实成熟期间。使用水培营养膜技术大规模培植马铃薯的研究显示，营养膜技术也适用于其他地下作物，如甘薯和花生。尽管BPC测试的作物产量很高，但通常小于使用较小生长室进行研究测得的最佳产量。这是一个相当重要的观测结果，可能与以下几个因素相关：首先，较小生长室通常具有更明显的侧面照明边缘效应，从而提高产量；其次，面积越大，时间和物流需求越大，对个体植物的关注度通常会降低；第三，封闭空间内挥发性有机化合物的累积可能会对BPC测试中的作物产量产生一些负面影响。与俄罗斯人一样，美国航空航天局为封闭系统中的人类开发出了综合的生物再生生命保障测试功能。这些研究在美国航空航天局约翰逊航天中心进行，一系列测试的结果显示，强光照条件下只需要11平方米的小麦就可以满足一个人的需氧量。该系列测试的下一步是建造一个更大的设施，使其最终能够为以植物为主要食物来源的受测人员提供生命保障需求。这一更大的设备就是悬液芯片系统（BIO-Plex），包括两个大型农业模型。同时，美国航空航天局还资助了旨在开发行星表面环境下有可能与人类栖息地相通的温室结构的各种尝试，该构想可以使用电照明，或者由系统直接捕获太阳光，或者由收集器采集阳光，再由光纤传输到受保护的栖息地。此外，还在美国南极站等孤立环境中进行了植物生长的相关测试，很好地模拟了太空中的孤立环境。但是，BIO-Plex系统并没有完成使命，美国航空航天局的大规模生物再生生命保障系统也于2000年左右终止了。“生物圈2”号当然，在封闭生态系统的研究中，最令人印象深刻的努力之一就是20世纪80年代末至90年代初在美国亚利桑那州图森市附近设计和建造的由私人赞助的“生物圈2”号设施。这一封闭设施面积约1.2公顷，包括人类生活区和多种生态系统，动植物种类繁多，环境管理和控制能力复杂。“生物圈2”号的规模和复杂程度远远超过了大多数空间机构对早期任务所设的预想，他们的目标，即了解封闭生态系统和为人类生命提供保障的生物再生方法，对太空农业面临的挑战提供了深刻洞见。“生物圈2”号团队仍然