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人类上太空吃什么?种土豆可行吗?

近日,中国农业科学院都市农业研究所(以下简称都市所)在《自然—通讯》发表展望性文章,深入分析了太空农业系统对作物的独特要求,创新性地提出了面向太空农场进行作物改良的全株可食精英植物策略。

未来,假如人类移民太空,农作物是否还能陪伴人类走向地外星球,继续为人类提供丰富的食物?

随着人类探索太空的步伐不断加快,以空间食物保障为核心的太空农业引发越来越广泛的关注。

近日,中国农业科学院都市农业研究所(以下简称都市所)在《自然—通讯》发表展望性文章,深入分析了太空农业系统对作物的独特要求,创新性地提出了面向太空农场进行作物改良的全株可食精英植物策略。

人类上太空吃什么?种土豆可行吗?

精英作物有望应用于宇宙飞船和星际移民(效果图)。中国农科院都市所供图

人类上太空吃什么?

随着世界人口的不断增长,有限的地球资源面临枯竭的威胁。论文通讯作者、都市所研究员任茂智认为,人类即将进入大航天时代,飞上太空之后吃什么是一个必须认真思考的问题。

携带人造食品不失为一种选择,但任茂智指出,人造食品会受到地域和资源的限制,在陌生的外太空环境中不可持续。而带着合适的种子上太空,则有可能在改造外星环境的同时,为移民外星球的人类提供可持续的食物。

论文共同通讯作者、都市所研究员杨其长表示,随着外太空探索的不断深入,宇航员以及星月旅居人员食物保障的供给方式将会提到议事日程,农业的形态也将由乡村农业和都市农业延伸到太空农业。

任茂智告诉《中国科学报》,进入太空的人类将面临完全不同于地球的生存环境。科学家正在研究农作物如何适应地外空间的特殊环境,这就是太空农业。

“太空食物的首选是植物。”任茂智说,植物是第一生产者,它可以提供人类生存所需要的淀粉、油脂和蛋白质。而且,面对太空中的磁场、辐射、重力等特殊环境,植物的适应性明显高于动物。

例如,在空间站内,重力微弱;在月球上,重力只有地球上的1/6。人类在这种重力环境下,体液不能正常流动。“植物也会受到影响,但植物的弹性很大。”任茂智说。

论文第一作者、都市所助理研究员刘永明介绍,植物在空间站中仍然可以开枝散叶,进行营养生长。但一般很难开花结果,即其生殖生长受到阻碍。

地球上的农作物主要为人类提供淀粉和油脂,而植物蛋白相比动物蛋白不易于人类吸收。

因此,如何改造农作物,使之既能够适应太空环境,又能够为人类提供全面的营养,就成为遴选太空植物的标准。

“在此基础上,我们认识到,全株可食用的作物应当是未来太空农场中首选的农作物。如果根茎叶都可食用的话,不需要等到农作物开花结果,作物长出来一点就能为人类提供食物了。”任茂智说。

过去的太空种植试验往往关注如何让植物开花结果。杨其长说,这是国际上首次提出以全株可食作为遴选太空作物的标准,完全转变了太空作物研究的思路。

全株可食的农作物

为了寻找易于改造的作物,研究人员遴选了几百种植物,包括水稻、小麦、玉米、棉花、马铃薯,甚至包括沙漠中常见的骆驼刺。

刘永明说,其中,水稻、小麦、玉米的可食用部分只有种子,茎秆要改造成可供人类食用比较困难。骆驼刺虽然耐逆境生存能力很强,可能更加适应地外空间的环境,但它产量低,不可供人类食用,改造难度也很大。

针对太空农业的特殊需求,团队研发的首个“月球微型农场”于2019年1月经嫦娥4号送上月球背面,搭载了中国农业科学院培育的棉花、油菜和马铃薯种子,完成了人类首次在月球培育植物幼苗的试验,拉开了农业走向太空的序幕。

随后,该团队将目光投向了传统作物马铃薯。马铃薯生长3个月后就可以结出薯块,薯块或大或小都可食用,而且营养丰富,是一种改造起来比较容易的作物。

任茂智表示,马铃薯的果实和茎叶目前还不能直接食用的主要原因是含有龙葵素这种毒素。假如能培育出不产生龙葵素的马铃薯,那么果实和茎叶都可以食用。而利用基因编辑技术就能实现这一目标。

除此之外,任茂智还想给马铃薯加上不同的特殊基因,使其产生一些人类在太空中需要的物质。

例如,抗氧化物质虾青素、抗高原反应的红景天苷、人们爱吃的牛肉蛋白,甚至可食用抗体和疫苗,都可以在马铃薯中添加相关基因,作为生物反应器来生产。

杨其长介绍,我们设想中的太空农场主要采用无土栽培生产方式,尤其是优先考虑固体基质栽培或气雾栽培。所创制的全株可食精英马铃薯,在人工可控环境下采用气雾栽培可实现光温水气肥的一体化控制,大幅度提高马铃薯产量和品质。这种气雾栽培也非常有利于定植与采收。

“实际上,除了马铃薯,很多十字花科作物都是全株可食用的,只要稍加改造使之适应太空环境也能成为优秀的精英作物。”任茂智说。

杨其长介绍,我们所探究的适宜于太空农业需求的作物培育方法,构建可用于太空植物工厂环境下全株可食精英植物的创制途径,未来可为人类探索太空食物供给提供有效的技术手段,同时该技术的综合应用将有效促进太空农业、都市农业和乡村农业的发展。

生物多样性提供丰富的基因资源

从地球到太空,有三类太空农场应用场景。首先是微重力的空间站,其次是太阳系内的月球基地和火星基地,最后是外太空的类地行星。

这三类环境都需要设计不同的农作物。尤其是太空中已知的与地球接近的行星大约有1000多颗,这些行星上尚未发现植被或其他生命体。“这意味着地球将是宇宙植物的起源中心。”任茂智说。

而且,每一颗类地行星的环境都与地球不同。“兵马未动粮草先行,科学家要提前设计好适应不同需求的植物,先让植物去改造。”任茂智说,这就需要打破学科界限、物种界限和空间界限来进行思考和创新,提出一系列战略性的科学问题。

“地球将成为整个宇宙植物的起源中心、繁殖中心和科研中心、创新中心。”任茂智说。地球上拥有丰富的生物多样性,从珠穆朗玛峰、青藏高原到太平洋大海沟,从北极到南极,从火山口到沙漠,都有植物的身影。而那些适应了特殊的地球环境的形形色色的生物将为“移民”太空的农作物提供丰富的基因资源。

“根据已知的环境参数,以及土壤成分,我们可以利用植物工厂模拟空间站和月球等外太空环境,进而开展精英作物改造和遴选的工作,为空间探索提供技术储备。”杨其长表示。

“我们的策略旨在为太空农场开发出食用部分更多、营养成分更丰富、产量更高、养分利用更有效的精英作物,对太空作物的设计及高效太空农业系统的构建具有指导性和前瞻性意义,为未来人类深空探测和星际移民提供食物和生存保障。”刘永明说。

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