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[新月文摘]

科学家拟利用植物当“矿工”去外星球淘金

作者:科技日报          录入于 August 28, 2010 at 08:03:16:
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美国总统奥巴马在新太空探索计划中明确表示,希望在本世纪30年代中期之前将宇航员送上火星。为此,美国宇航局(NASA)将研发新型太空探测器,实现对近地小行星、月球和火星卫星的载人探索。奥巴马毫不讳言,他们将借助小行星、月球、火星卫星这些“跳板”,实现踏足火星的最终目的。

作为人类探索太空的前哨战,月球及其资源当仁不让地成为了科学家们的试验场。据美国物理学家组织网近日报道,研究人员将利用阿波罗登月计划带回的月球表面风化层的土壤样本,重新开展植物培育实验。他们希望深入了解月壤对植物生长和发育的影响,以测试建造太空农场的可行性。一旦有了这样的生命维持体系,不论是在星际旅行中还是在外星球基地上,都能够确保宇航员有充足的食品供应。而研究人员还有一个更大的野心,那就是利用植物当“矿工”,来开采月球乃至火星上的丰富矿产,这种“就地取材”的方式不仅能够降低建造太空基地的成本,其中也有很多资源是地球上极为稀缺的,对于人类来说价值非凡。

月球土壤不会影响植物生长

美国于上世纪六七十年代开展了世人瞩目的阿波罗登月计划,将人类送上了月球。历次阿波罗飞行都对月球表面进行了广泛考察,并搜集了大量月球风化层样本。

月球风化层是由灰尘、泥土、碎石和其他物质组成的混合物,松散地覆盖在固体岩床之上。对于阿波罗载人登月飞行任务所带回的月球样本,NASA的防范工作可谓做到了家:专门兴建了一个月球物质回收和回归宇航员检疫实验室(the Lunar Receiving Lab)来接待这些“外星访客”。这样做的目的是为了确保科学家利用月壤做实验时不会有任何危险的污染物或者未知的外星生命形式“逃脱”,从而避免危及地球生态。

不过这种担忧很快被证明是不必要的。初步研究显示,与月球土壤样本接触过的植物并没有枯萎或者死亡。研究人员将阿波罗11号和阿波罗12号带回的月球土壤样本撒在35种植物的根部和叶片上,这些植物仍然能够茁壮生长。同样的,动物实验也表明,同月球样本的接触并没有让它们受到不良影响。

NASA旗下的《天体生物学》杂志最近发表了对阿波罗时期月壤实验的研究回顾,再次确认取自月球风化层的样本没有毒素,也不含外星生命形式的污染物,不会对生活在地球上的人类和动植物构成威胁。

探究建造太空农场的可能性

一粒种子落在月球上是否能够顺利地生根萌芽?科学家们目前还没有答案。

虽然同少量的月球土壤接触并不妨碍植物的存活,有些甚至还长得枝繁叶茂,但研究人员表示,由于最后一次月球土壤实验还是在30年前进行的,囿于当时的技术条件和手段,月球土壤到底会给植物带来何种影响,尚存在许多未知因素。

比如,阿波罗时期的实验从未研究过月球物质对细菌和真菌等微生物的影响,而这些微生物是植物获取营养的“帮手”。甚至宇航员身上的微生物都可能会进入植物的根际土中与植物根系相互作用。佛罗里达大学的遗传学家安娜-丽莎·保罗解释说,植物的根系处定居着一群微生物,它们负责将大的有机物质分解成植物容易吸收的小分子成分,保证了植物生长所需的营养素。

安娜-丽莎·保罗和同事罗伯特·费尔决定继续阿波罗时期未竟的事业,开展利用月球土壤培育植物的实验。他们的研究将借助过去几十年来分子生物学和遗传学领域开发出的新技术手段,从分子水平上了解在月壤中生长的植物为了适应环境将会如何开启或者关闭它们的基因,进而帮助人类实现在月球乃至其他外星球上发展太空农业的梦想。

新的实验并不需要重返月球进行。研究人员已经制定了计划,只需从NASA所采集的数百公斤月球风化层样本中取出几克就够了。

保罗说,一克月球风化层土壤就可以维系好几株拟南芥的生长。拟南芥是首种被成功进行基因组测序的植物,与甘蓝和萝卜等人们餐桌上常见的蔬菜同属十字花科,对这种模式生物的研究无疑将给未来的月球生物学实验提供一个基准。这些实验不仅有助于解答基本植物生物学领域的一些问题,而且还可以为发展地外生态系统储备知识。

同时,更多的地球实验也可以帮助工程师和科学家们更好地设计未来的在轨或者外星农场。

意大利泰雷兹·阿莱尼亚空间公司的工程顾问克劳迪奥·费内托认为,在建造并将一个演示系统送往太空之前,在地球上进行极端环境测试非常有帮助,这样才能确保其中的一些关键设计能够发挥作用。

费内托和同事在近期的英国《宇航学报》上发表文章指出,他们经过计算发现,对于一个拥有18位常驻民的月球基地来说,一个20%来自地球食品供给、80%依靠生物再生的生命支持系统可以保证基地运转的时间长达5年以上。

植物或可充当“矿工”

《天体生物学》杂志上发布的阿波罗时期月壤实验的研究回顾还表明,植物具有从月球风化层中“提取”某些营养物质的能力。一项研究发现,发芽的种子和幼苗似乎很享受月球土壤给它们提供的营养。虽然月球风化层中缺乏氮、磷、硫和钾等植物必需的元素,但却含有丰富的铁、镁和锰等元素,同样可以促进植物生长。

科学家于是提出大胆设想,希望通过新研究进一步开发植物的这种潜力,将植物改造成“生物矿工”,来提取月球上的营养物质或者矿物质。这样一来,月球农场不仅可以满足宇航员的饮食需求,还是未来建设太空基地的有力保障。这些丰富的原材料可以用于月球基地的建设和运营,比如生产太阳能电池和建筑材料等,这将使人类实现不依赖于地球资源的太空“可持续发展”成为可能。

当然,所有的这一切都可以说是为了登陆火星做准备。虽然目前科学家还没有获得火星样本,但有一些研究已经在利用模拟火星土壤进行植物栽培实验,而对月球土壤样本的测试无疑可以提供很多有益参考。

费内托表示,即使NASA已经取消了短期内重返月球的计划,载人火星任务也同样可以受益于这样的自我维持系统。要知道,从地球去往月球不过几天时间,而飞往火星却是一段为时半年的旅程,让宇航员随船携带足够的食物和饮用水显然是个极大的挑战。

费尔说,我们的目标之一是要找到一个最佳途径,利用植物构建一个生命支持系统,同时开发植物的“采矿”潜力,为将来的载人太空探索活动以及建设外星基地提供保障。



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