论文部分内容阅读
2016年1月17日，美国宇航局（NASA）宣布，宇航员斯科特在国际空间站里成功培育出一朵百日菊，这也是第一朵在外太空开放的花朵。
也许你会疑惑，种出一朵花真的有这么稀奇吗？养花种草不就需要点阳光、水分和土壤吗？在国际空间站种不出开花的植物，大概是宇航员在偷懒吧。从原理上讲，种花确实不难，只要有合适的水分、光照、矿物质和空气，植物就能茁壮成长。然而，麻烦的是，太空是个与地球迥然不同的地方。在一个小小的太空舱里种出花朵，还真不是件容易事儿。
解决植物在太空开花的问题，实际上是解决在太空种粮食的第一步。从1957年第一颗人造卫星发射成功开始，科学家们就不断尝试在卫星和空间站种植植物了。从地球向太空运食物是一件非常困难的事。目前，向国际空间站运送1千克的货物需要花费数千美元。即便是最新的猎鹰9号火箭，可以把发射费用降低到1/10，也依旧是一笔高昂的费用。况且，人类要想去更远的地方探索，就必须要有自给自足的方法。
不过，并非将植物塞进太空舱就能变成太空植物，环境的改变让生长开花都变成了极具挑战的任务。毕竟，在数亿年的进化过程中，植物已经适应了地球的环境，让它们在太空里扎根生长就像把人类突然扔到大海里生活一样，小花小草的内心也是崩溃的。
所以，最初的实验仅仅是让植物幼苗搭乘航天器到太空兜兜风，检查太空环境对它们的影响。直到1982年，苏联科学家才在礼炮7号空间站上完成了拟南芥（植物界的实验专业户，与萝卜、卷心菜等同属十字花科）从播种到收获种子的种植过程。那次实验的结果令人欣喜：这些个体产生的种子大多是正常的，可以再次生根发芽、开花结果。
我们都知道，种植物会“浪费”很多水，这并不是因为它们要不停地在身体里储存水分，而是要不停地把水“泼”到空气中去。植物吸收矿物质就得靠这种蒸腾作用呢。
盛夏时节，1公顷的加拿大白杨林，每天要从土壤中拿走50吨水贡献到空气中去。对于白杨树这样的阔叶树来说，从根部吸收的水分，99.8%都要蒸发掉，只有0.2%用于光合作用；要形成1千克的干物质，大约需要从土壤中抽取300到400千克的水释放到空气中。相比之下，针叶树要节俭得多，1公顷的油松每个月才会蒸腾掉50吨左右的水。这也让我们难以想象，如果想在太空舱里种地，得需要多少水啊？！
去年，有一部叫《火星救援》的影片上映，其中被意外留在火星上的主人公，就是通过种马铃薯来自救的。实验显示，种植马铃薯最佳的灌溉量为450～500毫米，如果以电影里126平方米来计算的话，在整个生长期，大概需要60立方米的水，这显然已经远远超出了我们栖息仓的水容量。当然，这样的计算前提是发生在农田里，而我们的太空舱可以精确地控制环境中的水分，并且加以收集和再利用，这样算下来，只要保证马铃薯需水的峰值状态就可以了。
不过麻烦事儿还没完，太空舱里缺乏空气流动，又没有重力，植物排出的水滴聚集在叶片上，为真菌生长提供了温床，最终导致植物死亡。这时，必须要有良好的通风设备，让植物及时排出水分。但也要注意，千万不要因为排水太快，把植物吹成了干花。
相对于水来说，解决光的问题更加容易。因为我们完全可以用日光灯来为植物照明。
日光灯与太阳光相比，最大的区别就在于光的组成是不一样的。太阳光的光谱是连续的，里面混杂了从红外光到可见光到紫外光的所有波段的光；而日光灯的光则要单调多了，只有波长不连续的几种光，不过通常来说，混合的基础中总有红光和蓝光，这正是植物需要的特定光线。叶绿素a负责吸收红光波段的光，叶绿素b则负责吸收蓝紫光波段的光，正是这两种叶绿素的相互配合，才喂饱了植物的肚子。因此，在没有窗户的实验室中，植物也可以在日光灯下健康成长。
因此，我们可以用太阳能光伏电池将太阳光转化成电能，然后再利用日光灯等照明设备来满足植物对光的需求。电影《火星救援》里的主人公也是这么干的。不过，这样做会在转化过程中损失很多能量。幸好，在太空中，没有大气层的遮挡，太阳能电池效率会比较高，光照问题便容易解决了。
虽说解决起来比较费事儿，但是光和水只是太空栽培者面前的小障碍，最大的障碍是重力。
对于地球上的植物来说，茎秆向上长，根系向下长，似乎是天经地义的事情。但我们发现，国际空间站种的植物长得非常纤细，并且向着四面八方随意蔓延。问题的核心就在于地球上有重力，而国际空间站是处于失重状态的。
目前，我们还没有确切的证据来解释植物是怎样辨别方向的。比较公认的一种说法是，植物细胞里有一些淀粉组成的颗粒，它们会受重力的影响，沉积到细胞的底部，从而给细胞壁施加刺激，这样一来，植物就能辨别出天和地了。可以说，这些淀粉颗粒就是植物生长的“指南针”。
就拿拟南芥来说，在失重状态下，它们分不清上下，本该拼命伸向天空的茎停下了脚步，就地长出很多枝枝杈杈，就像是漂浮在水中的一团水草。
植物的茎叶尚且找不到方向，像花朵这样需要精细生长结构的就更困难了，这也是植物无法在太空中良好生长的关键所在。
现在的科幻电影中提到了一些重力生成的方法，但距离进入实战阶段还有很长的时间。我们还可以去寻找那些控制植物生长状态的基因，通过改变基因，让植物适应失重和低重力环境。
我们今天看到的这朵百日菊虽然并不鲜艳，也并不规整，但是它代表了一个新时代的到来，一个人类向太空进军的宏大故事的序章。
也许你会疑惑，种出一朵花真的有这么稀奇吗？养花种草不就需要点阳光、水分和土壤吗？在国际空间站种不出开花的植物，大概是宇航员在偷懒吧。从原理上讲，种花确实不难，只要有合适的水分、光照、矿物质和空气，植物就能茁壮成长。然而，麻烦的是，太空是个与地球迥然不同的地方。在一个小小的太空舱里种出花朵，还真不是件容易事儿。
解决植物在太空开花的问题，实际上是解决在太空种粮食的第一步。从1957年第一颗人造卫星发射成功开始，科学家们就不断尝试在卫星和空间站种植植物了。从地球向太空运食物是一件非常困难的事。目前，向国际空间站运送1千克的货物需要花费数千美元。即便是最新的猎鹰9号火箭，可以把发射费用降低到1/10，也依旧是一笔高昂的费用。况且，人类要想去更远的地方探索，就必须要有自给自足的方法。
不过，并非将植物塞进太空舱就能变成太空植物，环境的改变让生长开花都变成了极具挑战的任务。毕竟，在数亿年的进化过程中，植物已经适应了地球的环境，让它们在太空里扎根生长就像把人类突然扔到大海里生活一样，小花小草的内心也是崩溃的。
所以，最初的实验仅仅是让植物幼苗搭乘航天器到太空兜兜风，检查太空环境对它们的影响。直到1982年，苏联科学家才在礼炮7号空间站上完成了拟南芥（植物界的实验专业户，与萝卜、卷心菜等同属十字花科）从播种到收获种子的种植过程。那次实验的结果令人欣喜：这些个体产生的种子大多是正常的，可以再次生根发芽、开花结果。
我们都知道，种植物会“浪费”很多水，这并不是因为它们要不停地在身体里储存水分，而是要不停地把水“泼”到空气中去。植物吸收矿物质就得靠这种蒸腾作用呢。
盛夏时节，1公顷的加拿大白杨林，每天要从土壤中拿走50吨水贡献到空气中去。对于白杨树这样的阔叶树来说，从根部吸收的水分，99.8%都要蒸发掉，只有0.2%用于光合作用；要形成1千克的干物质，大约需要从土壤中抽取300到400千克的水释放到空气中。相比之下，针叶树要节俭得多，1公顷的油松每个月才会蒸腾掉50吨左右的水。这也让我们难以想象，如果想在太空舱里种地，得需要多少水啊？！
去年，有一部叫《火星救援》的影片上映，其中被意外留在火星上的主人公，就是通过种马铃薯来自救的。实验显示，种植马铃薯最佳的灌溉量为450～500毫米，如果以电影里126平方米来计算的话，在整个生长期，大概需要60立方米的水，这显然已经远远超出了我们栖息仓的水容量。当然，这样的计算前提是发生在农田里，而我们的太空舱可以精确地控制环境中的水分，并且加以收集和再利用，这样算下来，只要保证马铃薯需水的峰值状态就可以了。
不过麻烦事儿还没完，太空舱里缺乏空气流动，又没有重力，植物排出的水滴聚集在叶片上，为真菌生长提供了温床，最终导致植物死亡。这时，必须要有良好的通风设备，让植物及时排出水分。但也要注意，千万不要因为排水太快，把植物吹成了干花。
相对于水来说，解决光的问题更加容易。因为我们完全可以用日光灯来为植物照明。
日光灯与太阳光相比，最大的区别就在于光的组成是不一样的。太阳光的光谱是连续的，里面混杂了从红外光到可见光到紫外光的所有波段的光；而日光灯的光则要单调多了，只有波长不连续的几种光，不过通常来说，混合的基础中总有红光和蓝光，这正是植物需要的特定光线。叶绿素a负责吸收红光波段的光，叶绿素b则负责吸收蓝紫光波段的光，正是这两种叶绿素的相互配合，才喂饱了植物的肚子。因此，在没有窗户的实验室中，植物也可以在日光灯下健康成长。
因此，我们可以用太阳能光伏电池将太阳光转化成电能，然后再利用日光灯等照明设备来满足植物对光的需求。电影《火星救援》里的主人公也是这么干的。不过，这样做会在转化过程中损失很多能量。幸好，在太空中，没有大气层的遮挡，太阳能电池效率会比较高，光照问题便容易解决了。
虽说解决起来比较费事儿，但是光和水只是太空栽培者面前的小障碍，最大的障碍是重力。
对于地球上的植物来说，茎秆向上长，根系向下长，似乎是天经地义的事情。但我们发现，国际空间站种的植物长得非常纤细，并且向着四面八方随意蔓延。问题的核心就在于地球上有重力，而国际空间站是处于失重状态的。
目前，我们还没有确切的证据来解释植物是怎样辨别方向的。比较公认的一种说法是，植物细胞里有一些淀粉组成的颗粒，它们会受重力的影响，沉积到细胞的底部，从而给细胞壁施加刺激，这样一来，植物就能辨别出天和地了。可以说，这些淀粉颗粒就是植物生长的“指南针”。
就拿拟南芥来说，在失重状态下，它们分不清上下，本该拼命伸向天空的茎停下了脚步，就地长出很多枝枝杈杈，就像是漂浮在水中的一团水草。
植物的茎叶尚且找不到方向，像花朵这样需要精细生长结构的就更困难了，这也是植物无法在太空中良好生长的关键所在。
现在的科幻电影中提到了一些重力生成的方法，但距离进入实战阶段还有很长的时间。我们还可以去寻找那些控制植物生长状态的基因，通过改变基因，让植物适应失重和低重力环境。
我们今天看到的这朵百日菊虽然并不鲜艳，也并不规整，但是它代表了一个新时代的到来，一个人类向太空进军的宏大故事的序章。