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简说第一朵在太空盛开的花

作者:2016-11-30 16:56文章来源:未知
  此次ISS百日菊的试验是由NASA肯尼迪航天中心Wheeler教授研究团队主持的,运用的是Veggie植物培养系统,充当提供能量的“小太阳”是美国Orbitec公司的多功能光源。这些设备和试验技术在地面都进行了多次反复验证,并通过了模拟微重力的预期检验,确保了百日菊在ISS中能顺利盛开。不过,此次太空花试验的过程并不太顺利。虽然宇航员们此前都受过植物培养实验的训练,但是由于植物营养液的供给是通过宇航员手动完成的,难免出现供给间隔时间、供给量控制不准的情况,这最终导致第一朵太空花推迟了20天左右才开放。
  需要指出的是,空间站里种植植物,区别于人们熟知的太空育种,太空育种也叫航天育种,是将作物种子或诱变材料搭乘返回式卫星或高空气球送到太空,利用太空特殊的环境诱变作用,使种子产生变异,再返回地面培育作物新品种的育种技术。这种技术不需要植物在太空环境生长,只是利用强辐射、微重力和高真空等太空综合环境因素诱发植物种子的基因变异,整个过程不需要航天员的参与,有时直接把种子放入返回式卫星搭载、回收即可,难度较小。此外,由于基因序列的保守性和诱变的不确定性,太空育种得到理想变异种的概率小于百分之五,更多的是负向变异(想让果实增大,但诱变结果是更小了)和未变异。因此,太空育种热近年来已大大的降温。
  为什么要在ISS中进行植物培养试验呢?最主要的意义是满足科研需求。包括研究特殊空间环境(如失重、大气组成、射线等)对于植物生长的影响等,这些地球上很难模拟的环境有可能让科学家们观察到在传统环境下错过的一些特性,也许会给人类生命起源、物种进化带来更多的启示。其次,宇航员种植花卉、蔬菜等植物可帮助他们舒缓压力、放松心情。这次的百日菊试验,当看到太空花绽放的时候,美国宇航员斯科特∙凯利兴奋地一连在个人Twitter上发表了十几张照片。更重要的是,培育植物的终极目标是保证宇航员能在载人深空探测密闭舱内吃到新鲜蔬菜,并利用植物的光合、呼吸和蒸腾作用完成密闭空间气体和水的交换,为宇航员提供类似于地球生物圈的生态环境,这在航天上隶属于生物再生生命保障系统(Bioregenerative Life Support System,BLSS)的范畴。
  各国接力研究
  学术上,我们把生物再生生命保障系统定义为:基于生态系统原理将生物技术与工程控制技术有机结合,构建的由植物、动物、微生物组成的人工生态系统。水和食物这些人类生活所必需的物质可在系统内循环再生,并为乘员提供类似于地球生物圈的生态环境。
  由于深空探测生命保障系统具有极高的难度、极其复杂性和意义深远的应用前景,俄罗斯、美国、日本和欧洲等航天大国及组织均投入大量人力、物力、财力开展此项研究工作。
  1960年代初期,俄罗斯科学院生物医学问题研究所(IBMP)首先开展封闭BLSS设计和空间应用研究。俄罗斯科学院西伯利亚分院生物物理研究所(IBP)建造了世界上第一座用于研究BLSS的大型地基综合试验装置:BIOS系统。分别于1972年、1976年和1983年进行3人4~6个月的系统试验。BIOS-3是迄今为止最成功的BLSS试验系统。21世纪初的十年内,俄罗斯学者通过与欧洲太空局(European Space Agency,ESA)合作,进行植物不可食生物量(枯叶、秸秆等)和人体固液排泄物的生物降解处理,实现了利用废物制备“类土壤”,循环用于植物栽培。
  前苏联的科学家是此领域的先驱和拓荒者。20世纪60年代,BLSS进入NASA的视野。1979年,NASA启动了“受控生态生命保障系统项目(Controlled Ecological LifeSupport System Program)”。肯尼迪航天中心建立了著名的生物量生产舱(BPC)。1995~1997年,约翰逊航天中心开展了“月球/火星生命保障试验项目(Lunar-Mars LifeSupport Test Project, LMLSTP)”,进行了4人为期90天的集成生物-物化结合式密闭试验。2010年,NASA开始组织建立深空居住舱工程(HDU-DSH),分阶段进行了一系列有人参与的物质循环试验。
  除了美国官方外,美国私人的太空热潮也推动了BLSS的研究发展。1986年,美国富豪爱德华∙巴斯(Edward. Bass)出资兴建了位于亚利桑那的“生物圈2号”。2004年,部分生物圈设计与参加者又建立了“植物-土壤”密闭试验系统——“生物圈实验室”。
  美国人大大推动了此项技术的发展。日本环境科学研究院下属的CEEF国际委员会负责建造了密闭生态实验系统(Closed Ecology Experiment Facilities,CEEF)。2005年9月进行了3次包括山羊、23种作物和两名受试人员的为期一周的联合实验,利用山羊消耗系统内作物的枯叶、秸秆,同时将羊奶作为受试人员的部分动物蛋白来源,主要研究了植物、动物模块和人之间的元素迁移交换关系。
  日本研究者的研究成果不仅对空间生命保障系统有益,而且对地球生态系统碳循环的认知提供了重要参考。
  欧洲太空局建立了微生态生命保障系统(Micro-Ecological Life Support SystemAlternative, MELiSSA)。第一代MELiSSA中试实验开始于1995年11 月, 第二代MELiSSA中试实验设备建造于2006~2007年。由于欧洲人权法律体系的要求,在乘员舱室,他们选择40只老鼠作为简单而典型的消费者和排泄物的生产者来模拟人类。老鼠的排泄物被用作发酵基质,同时研究了螺旋藻作为食物的可接受性和作为MELiSSA生态系统中消费者食物的适宜性,16周的实验表明螺旋藻可以为老鼠提供40%的食物。
  欧洲各国近年来又在“ 地平线-2020”(HORIZON-2020)框架下,从基础研究、应用技术和应对人类面临的共同挑战三大部分对此项技术开展了深入的研究。
  2030,中国航天员吃蔬菜,赏花开
  随着神舟系列载人飞船的成功发射、飞船和天宫一号成功对接,我国载人航天已经进入到空间站设计建设阶段,今后10年内,将逐步建立起我国自己的载人空间站。2016年的第三季度我国将要发射“天宫二号”。“神舟十一号”飞船将载两名男航天员,与“天宫二号”完成对接,并在太空驻留30天左右。
  以北京航空航天大学和中国航天员训练中心为主要研发力量的科研团队在地面进行了多次模拟微重力、强辐射、高真空等复杂环境的“植物-动物-微生物-人”的密闭试验,但我国真正在空间环境进行的有人参与的植物试验还未曾有过,这与欧美等航天大国还有不小的差距。按照中国目前的计划,2030年前后将为空间站设计并建造可再生生命保障系统。也许到那时,我们中国的航天员也会像NASA航天员斯科特∙凯利一样,在空间站吃着新鲜的蔬菜,欣赏着美丽的天空花。
 

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