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怎樣在火星上搞種植?

2021年09月22日 來源:大科技雜志社

2016年,在荷蘭的一個酒店,植物生態學家維格·韋姆林克和他的幾十位客人坐在一起,享用了一次獨特的餐點。從菜單上看,食物很普通,有豌豆泥、土豆、黑麥面包、蘿卜泡沫和蕁麻湯,還有胡蘿卜冰糕等。為什么說它“獨特”呢?原來,所有的這些食物都是在模擬火星和月球的土壤中種植出來的。這些土壤由地球上的火山巖碎石制成——將碎石顆粒分為不同的大小,并按與火星土壤相同的比例進行混合(火星土壤數據來自火星流動站的分析)。韋姆林克用“火星土壤”種植了10種農作物,包括藜麥、水芹、芝麻菜和西紅柿等。

“火星土壤”的種植

最初開發這種土壤,是為了在地球上模擬火星和月球的環境,對太空船和太空服進行試驗,以觀察它們在這些星體上可能會出現的情況。很少有人認為這些土壤可以用來種植農作物。

一開始,人們擔心土壤的質地。特別是在早期,科學家在模擬的月球土壤中進行種植,結果失敗了。“月球土壤”似乎不適合農作物生長——它是一些極其細小、鋒利的磨蝕性巖石,刺穿了作物的根部。

但在模擬火星的土壤上,農作物的種植成功了。韋姆林克表示,從營養上講,來自“火星土壤”的食物與地球土壤的食物沒有區別;在口感方面,“火星番茄”甚至比“地球番茄”更甜一些。

目前韋姆林克正試驗將富含氮的人類尿液添加到“火星土壤”中,以此來提高農作物的產量。畢竟,如果人類要執行任何有關“紅色星球”任務,“尿液”這種資源都很容易獲得。他還計劃在這些土壤中添加細菌,用來吸收、固定(火星)大氣中更多的氮,并吸食土壤中存在的有毒的高氯酸鹽。

在美國的維拉諾瓦大學,研究人員開展了一個“紅拇指”項目,該項目在模擬出來的火星土壤上種植了許多作物。這些“火星土壤”原料來自美國加州的莫哈韋沙漠中的巖石。他們在該土壤中添加了蚯蚓,因為蚯蚓具有從死去的有機物質中釋放出氮的能力。

研究人員在“火星土壤”上種植了西紅柿、大蒜、菠菜、羅勒、羽衣甘藍、生菜、芝麻菜、洋蔥和蘿卜等。收成的質量參差不齊,其中,羽衣甘藍比較成功——它在“火星土壤”比在當地土壤生長得更好。

“紅拇指”項目在2018年還成為了全球熱門新聞,當時,國際媒體對“火星啤酒”的前景感到興奮,因為該項目成功種植了大麥和啤酒花。

失敗的土豆

土豆是人們非常理想的食物,因為它能提供較高的熱量,因此,維拉諾瓦大學的研究人員也在“火星土壤”上努力種植它們,但可惜失敗了:土豆喜歡松散的土壤,由于“火星土壤”被澆水后變得厚重又不透氣,結果,土豆“窒息而亡”。

研究人員表示,模擬火星種植,成功的關鍵可能在于如何選擇作物——應該選擇多種不同的作物,這些作物可以享受更豐富的自然生態系統,而不是單一物種生態系統。

即使在地球上,農業單一栽培也經常會隨著時間的流逝而遭受損失。土壤中某種作物生長所必須的營養物質在每次收成后都會減少,如果不更換種植別的作物,這些營養物質甚至會枯竭。

為了抵消這種影響,農民經常在同一種植區引入次生物種。它們的根系較淺,因此無法與主要農作物競爭,但它們仍可以提供額外的固氮作用,以提高土壤肥力。研究人員現在正計劃通過大豆、玉米分別與藜草(一種多葉蔬菜)的混種來驗證這一點。

模擬土壤的局限性

歐洲航天局的一名科學家指出,無論這些項目多么成功,模擬土壤始終具有非常現實的局限性。這些土壤只是在對火星現有了解的基礎上模擬出來的,它可能與火星表面任何一個地點的土壤都不同。我們始終非常謹慎選取模擬的原料,但在單一的模擬中也很難呈現火星土壤的所有特征。

要解決這個問題,唯一的方法是從火星表面采集真正的樣本并將其送返地球。

2020年7月30日,美國宇航局的“毅力號”漫游者出發前往火星,目標是該“紅色星球”上的“Jezero Crater”區域(小行星撞擊形成的一個45千米寬、近500米深的隕石坑)——它是許多人們感興趣的巖石的所在地。按照計劃,“毅力號”將在這一片最肥沃的土地上,花費長達10年的時間來分析其表面。

對于那些希望在火星上種植農作物的人來說,有一點至關重要,那就是漫游者將收集巖石和土壤的樣本,然后將其儲存起來,并在未來某一天將它們送返地球進行分析。而在此之前,我們只能使用模擬的火星土壤。

火星種植的障礙

即使研制出了合適的“火星土壤”,還有其他挑戰需要克服。

其中一個挑戰是,火星距離太陽比地球距離太陽遠約7000萬千米,因此,火星上的陽光只有地球陽光43%的能量,而且它的平均溫度在-60℃左右。此外,由于火星本身的傾斜度再加上它繞太陽的軌道高度呈橢圓,它的季節性變化非常明顯且強烈。

另一個挑戰是火星的大氣層。它比地球大氣層薄很多,并且缺乏對植物生長至關重要的氮。在光合作用中,二氧化碳至關重要,但是火星上的二氧化碳濃度很低,以至于在其表面生長的任何作物都難以充分利用它以刺激生長。

此外,稀薄的大氣層還會將其土壤暴露在宇宙輻射之下,給所有微生物創造了一個不利的環境(這些微生物可以從死去的植物中回收營養物)。天體生物學家指出,太陽輻射可以活化火星土壤中的氯化合物,將其轉變為有毒的高氯酸鹽。如果這些有毒的東西進入到人體,可能會導致甲狀腺功能減退,從而阻止代謝調節激素的釋放。

還有,在火星土壤中發現的有毒重金屬,例如鎘、汞和鐵,也構成了挑戰。雖然這些重金屬對于植物來說不是問題(因為它們可以將其存儲在某個部位),但是,如果我們人類吃了這些植物,那就是“大問題”了。

如此看來,在火星上種植作物實在不容易,但我們似乎還有另外的選擇:目前地球上已經使用的無土栽培技術——將植物懸浮在空中,并在根部噴灑了營養霧;還有水培法——將植物根浸入營養液中。

這些方法都可以產生更大、生長更快的作物,目前已經被成功地用于在國際空間站上種植生菜。事實上,宇航員對這些生菜的收成感到非常滿意,而且他們吃了很多。但這些生菜最大的問題是——熱量太低。

因此,高熱量的土豆再次引起人們的關注,但在水中種植土豆非常困難,如果要向火星進軍,在火星土地上種植始終是一個需要解決的問題。畢竟,對任何一個生活在離家數千萬千米外的、具有開拓精神的宇航員來說,充足的營養無論對于生理還是心理,都是無價的。


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