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太空百日菊:虽非太空第一花,但为探索一大步

在地球上想看到艳丽的鲜花,可以说是易如反掌,无论花园里、花店里,甚至自己的家中,鲜花都是稀松平常的事情。不过对于运行在距离地面400公里之遥的国际空间站来说,要看到鲜花那就不容易了。就在前两天,美国国家航空航天局(NASA)的一则报道吸引了大家的眼球:在国际空间站中的小小“菜园”里,一棵百日菊绽放出了它橙黄色的花朵。NASA专门为这一事件发布了特别报道。

那么,为什么太空中绽放的一棵花儿能得到这么大的关注呢?因为无论在科研还是应用领域,太空中的花儿都有着十分重要的意义。

太空中,想要健康生长不容易

在地球上,一棵植物要健康的生长,正常的完成从种子到种子的整个生活史,需要适宜的光照、水分、空气和土壤等条件。而在太空中,除了以上那些条件外,一个在地球上常被人忽视,但在太空中十分重要的问题出现了,那就是重力。

在地球上,人们很少去考虑重力对植物生长的作用,毕竟重力这一因素的作用对象太普遍,使得我们常常不将它列入考察因素之中。然而,重力不仅能决定植物正常的形态,还能对植物细胞内部的生理过程起到重要的影响,因此在太空当中,重力这一因素是必需被考虑的。

我们都知道,在地球上,植物的根是向土壤深处扎下去的,而茎则与之相反,是向上生长的。这在植物学上被称为“向地性”(有时将茎的这一过程称为“负向地性”)。这一过程,就是基于植物对重力的响应而实现的。植物可以通过一些精巧的结构和机制,来感知重力的方向,例如在植物根尖细胞中,细胞质内的一些淀粉颗粒可以因为重力影响而聚集在细胞质底部,压迫这一位置的内质网、细胞骨架等组分,使得细胞感受到这个“方向”是重力的方向。此时植物细胞会调整细胞膜上一些运输蛋白的位置,改变生长素,一种控制细胞伸长的植物激素在根尖的分布,从而导致根的向地性生长。而在茎中,重力同样能够影响生长素运输蛋白的分布,从而造成茎的负向地性。

而在空间站这种微重力环境中,植物这套感应重力的机制就变得无效了。失去向地性的植物根茎,会由于向地性的缺失,而发生不规则的扭曲、生长速度异常等现象,使得植物根系无法正常深入土壤等培养基质,茎则会矮化及其扭曲,叶片排列混乱等。

这些宏观形态上的变化,也反映了植物细胞内部微观结构由于重力因素的失去而发生变化。最为典型是植物细胞内微管、微丝构成的细胞骨架系统,在微重力环境下会发生结构的紊乱,这一紊乱会进一步影响细胞内细胞器的功能、细胞壁合成等诸多生理过程。在报道中,百日菊所开的花花瓣结构的不正常,就可能与细胞壁合成的异常有关。

除了重力之外,其他环境因素也会或多或少的影响植物生长。例如在太空中,植物生长环境狭小,并且由于重力的缺失而缺乏气体的对流,这会造成植物周边小环境内气体成分、湿度等的改变,从而使得植物对环境更为敏感、更容易感染病原等。报道中提到的百日菊在生长初期就遇了湿度过高、感染霉菌等问题。

因此说,在太空环境中植物要正常的完成生命过程,还真不是一件容易事。这次百日菊在太空中开花,的确是一件值得庆贺的事情。

并非“太空中开放的第一朵花”

不过,在很多报道中,这朵百日菊的花被称为“太空中开出的第一朵花”,这其实是一个误解。事实上在此之前,太空中已经有多次花儿的开放了。

有记载的最早的“太空花朵”,可以追溯到20世纪80年代。1982年前苏联发射的礼炮7号空间站内,就携带了一些拟南芥的种子。在空间站运行期间,这些拟南芥生长、开花,甚至还结出了少量果实和种子。

在此后,拟南芥还被多次带入太空之中,并且在太空中开花。就连这次百日菊绽放的所在地——国际空间站,也曾在2001年4月-7月间进行过拟南芥生长实验,并且同样完成了开花-结果过程。因此可以说,从进入太空的“资历”来算,拟南芥算得上是百日菊的“老大哥”了。

拟南芥之所以会被频繁带入太空,这与它的生物学特性是密不可分的。拟南芥植株个体小、生长快速、对环境要求粗放,并且繁殖率高,因此很早就被作为生物学实验中的模式植物来使用。而在空间寸土寸金、对实验时间要求严格的太空实验室中,拟南芥更是彰显出了它的这些优势,因此才会成为太空实验中的“常客”。

除了拟南芥之外,还有其他植物也抢在百日菊之前于太空中开花了。2012年,宇航员Don Pettit携带了包括向日葵在内的几株植物登上了国际空间站,并且这向日葵也在空间站中开放了。不过,Don Pettit的这一行为更多是他个人的私人项目,并非NASA官方进行的科学实验。

不过,尽管这次在太空中开花的百日菊不是“太空第一花”,然而它却有着更为重要的意义:它是第次一人们特意从种子开始种植、在完全人工控制的环境下、以完成完整生活史为目的科学实验的结果。而之前的拟南芥实验,则是针对其他植物生理过程研究而设计的。而这次实验的终极目标,则是为解决今后人类征服太空的过程中的“口粮问题”摸索和积累经验。

太空种菜,意义何在?

事实上,在种植百日菊之前,国际空间站的这个“小菜园”内,其实还种植过白菜、莴苣等蔬菜。相比于百日菊,白菜和莴苣看起来更能解决“吃饭”问题,不过,这次的百日菊种植实验,则比前者更进了一步。

从一方面来说,相比于白菜和莴苣来说,百日菊对环境更为敏感。并且前面也提到过,太空中存在很多影响植物正常生长的因素。因此要做到能让百日菊开花,就需要对种植条件进行严格的控制。而对这种高精度环境控制技术的探索,对于今后在太空中种植其他作物是必需的。这次百日菊的绽放,表明人们对于太空密闭微重力状态下的环境控制技术有了长足的进步。

另一个更为重要的方面是,实现开花这一过程,对于持续性的作物种植是必不可少的。植物的开花,以及其后的授粉、受精过程,是植物生活史中最为重要,也是最为精密的一个过程,这一过程决定了种子,即后一代植物的幼体能否正常的产生。只有能完成开花结实的过程,为长时间太空飞行提供食物的“太空农业”才能被真正建立起来。因此,这次“太空百日菊”的开放,也为人类飞向浩瀚的星海迈出了重要的一步。

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