冉浩

重要的光合作用

在封閉的太空艙中進行蔬菜的培育，必須在非自然條件下為植物生長提供完備的條件。作為自養(yǎng)型生物，植物不需要獲取有機質，而是攝取無機物進行生長。對植物來講，最基本的過程就是光合作用，這也是植物生長的關鍵所在。

光合作用基本在植物的葉子中進行，更嚴格的說法，應該是在植物的綠色部位進行。在這些部位的細胞里，存在可進行光合作用的關鍵結構——葉綠體。在電子顯微鏡下，我們可以看到葉綠體具有兩層膜結構，外膜和細胞膜同源，內膜與外膜在起源上有較大差別。根據(jù)內共生理論，內膜及其內的結構起源自可進行光合作用的原核生物，比如藍藻類?；蛘哒f，植物細胞實際上起源自至少三類細胞的共生/寄生現(xiàn)象——作為主體的細胞本身、進行光合作用的原核細胞、進行有氧呼吸的細菌（今天的線粒體）?，F(xiàn)在，經過億萬年的共生，葉綠體已經完全整合成了植物細胞的一部分，再也無法分開。在葉綠體的內部，存在著層疊狀態(tài)的囊狀薄膜結構，通常被稱為類囊體。與光合作用有關的一些酶，以及至關重要的光合色素就分布在類囊體上。

光合作用可以大致分成兩個階段。第一階段以吸收、傳遞和轉化光能為主要任務，反應核心是光合色素，場所在類囊體上，常被稱為光反應。當光照射在類囊體上時，光合色素被激發(fā)，開始進行電荷的傳遞，在這個過程中，光能被轉變成了電能。這個過程多少有點像太陽能電池板的發(fā)電過程。之后，這些電能被用來做兩件事情，一件事情是將水分解掉，產生蘊含著能量的、具有強還原性的還原型輔酶Ⅱ（NADPH），然后釋放出氧氣（毫不客氣地說，我們賴以生存的氧，實際上只是光合作用毫無用處的副產品）；另一件事情則是把這些電能儲存在一種被稱為ATP的高能磷酸化合物中。到光反應完成的時候，能量最終被儲存在NADPH和ATP等非?；钴S的化學物質中，轉變成了活躍的化學能。

接下來，才是真正生產有機物的過程。

光合作用的第二個階段被稱為暗反應/ 碳反應，這個過程發(fā)生在類囊體周圍，葉綠體內的液體環(huán)境里。首先，從環(huán)境中吸收的二氧化碳與1，5- 二磷酸核酮糖（RuBP）反應，生成兩個3-磷酸甘油酸（PGA）。在這個過程中，二氧化碳被固定在了新形成的化合物中，然后被其傳遞，與光反應中的NADPH和ATP 反應，還原生成有機物，同時將活躍的化學能儲存轉化成穩(wěn)定的化學能。有了這些有機物做基礎，植物的生長發(fā)育才變成了可能，我們培育蔬菜才能成功。

光能和二氧化碳是光合作用必需的條件，同時，還需要保證適宜的溫度和水分供應。

在密閉條件下維持植物的生長

與在地球自然環(huán)境中的開放式種植不同，外太空或者外星基地中種植的植物必須在密閉的條件下生長，我們必須用人工條件逐一去匹配、模擬自然條件。

首先，是恒溫、恒濕。溫度能夠影響植物體內酶的活性，后者是對生命化學反應起到催化作用的有機物，通常是蛋白質。蛋白質等生物大分子依靠其空間結構發(fā)揮作用，但是這些空間結構要比無機物分子不穩(wěn)定得多，也復雜得多，它們很容易受到環(huán)境因素的影響，如酸堿度、溫度都會很大幅度地影響酶的活性。一旦酶的活性受到影響，植物體內的生命化學反應速率就會變化，輕則影響生長速率，重則造成物質合成的失衡，進一步造成植物體內分子生態(tài)的紊亂，引發(fā)疾病

甚至死亡。植物自身具有調節(jié)體內酸堿度的能力，卻幾乎完全沒有溫度調節(jié)能力——換言之，植物體的溫度幾乎和室溫同步波動。

維持植物生存的另一個重要因素就是水分。關于水分的調節(jié)應該包括室內的濕度和植物培養(yǎng)液的濃度——我們必須用培養(yǎng)液來代替土壤，為植物提供水和無機鹽。然而，這是一個相當容易出問題的地方，因為植物時刻在進行蒸騰作用。對植物來講，蒸騰作用必不可少，根系吸收水分之后，經由莖內部的導管結構向上運輸?shù)饺~片蒸發(fā)。其關鍵作用，就是在水向上運輸?shù)耐瑫r，將根系吸收的、溶解在水中的無機鹽運輸?shù)饺~片。由于植物不存在循環(huán)系統(tǒng)，同時被運輸上來的水分必須散失掉。這就使植物在事實上成為一臺抽水機，不斷將培養(yǎng)液中的水分抽走，而其結果，則是培養(yǎng)液被濃縮。一旦培養(yǎng)液被濃縮，植物就將面臨吸水困難的問題——只有植物體內的溶液濃度大于培養(yǎng)液濃度時，根系才能吸水，反之，就會被吸水，造成植物萎蔫死亡。因此，必須維持水分的供應。同時，植物的根系在吸收無機鹽的過程中具有選擇性，其結果就是培養(yǎng)液的酸堿度會發(fā)生變化，這對植物是有影響的。因此，培養(yǎng)液中無機鹽的配比是需要根據(jù)植物的種類進行調整的，并且要不斷監(jiān)測培養(yǎng)液的變化。

植物能夠茁壯成長的關鍵是具有可進行光合作用的條件。首先是光照，為了節(jié)約能量消耗，要對光的波長做出篩選。通常，葉綠素主要吸收640納米至660納米的紅光部分和430納米至450納米的藍紫光部分，而類胡蘿卜素種類較多，所需光照有所差別，通常主要吸收500納米波長附近的光，也就是藍紫光區(qū)的光。當代的LED技術是解決這一問題的主要途徑，其能量損耗小，波長可定，是最佳選擇。

二氧化碳和氧氣的供應則應該與生命保障系統(tǒng)關聯(lián)，做到循環(huán)使用，植物光合作用產生的氧氣應該被收集，同時人、動植物呼吸產生的二氧化碳應該被反饋回種植空間，必要時，可通過化學制備來調整其濃度。

工廠化生產的解決之路

在地面，已經開始初步嘗試工廠化生產蔬菜。具有諷刺意味的是，基于上述原理，最早開始進行實踐的實際上是地下渠道——一幫見不得光的家伙偷偷摸摸地在黑屋里種植毒品。

現(xiàn)在，植物工廠將其技術升級，使用排架式種植。架子的每一層均可種植蔬菜，在這一層里，底部填充培養(yǎng)液，培養(yǎng)液上設置帶孔的泡沫裝置，植物就種植在泡沫孔中，漂浮在培養(yǎng)液上；頂板上是LED燈帶，發(fā)出特定波長的光。如果將一個架子的各層平展開，相當于非常大的一塊土地的生產力。

工廠化生產的結果是，蔬菜的種植和季節(jié)再也沒有關系，也沒有了種植地域的限制。因為任何季節(jié)、任何地方的氣候環(huán)境和土壤環(huán)境都是可以人工模擬出來的。

目前，地面上已經有蔬菜工廠在建設、運營。只要你需要，就可以下單，然后由工廠進行生產，在約定的時間為你拿出產品。一旦訂單下達，工廠就會開始培育幼苗。這些幼苗既可以用種子，也可以使用一種叫“植物組織培養(yǎng)”的方法，利用活組織里的細胞迅速克隆出大批幼苗。等幼苗在苗房中長到一定大小，就可以移栽到準備好的架子上進行培養(yǎng)了。由于光照不間斷，植物的生長速度會比農田里快上很多。

那么，利用這種方法種出來的植物比田里的怎么樣？八成會更好。

首先，盡管是高科技培育手段，但植物完全是自然生長，品質不會變差。其次，由于培養(yǎng)液的配置是非常嚴格的，成分已知，避免了土壤種植中日益嚴重的重金屬污染。再次，由于工廠中沒有害蟲，自然不需要噴灑農藥，你也就無須擔心蔬菜上的農藥殘留。這才是真正的無公害蔬菜。而且，它的成本可能并不高。與早期的白熾燈不同，LED燈并不很耗電，它只釋放出植物生長需要的光，不會造成過高的電費。而且工廠還很節(jié)水，它比農田種植節(jié)水95%，比傳統(tǒng)無土栽培技術節(jié)水40%，還省去了農藥錢。更可貴的是，層架種植節(jié)約了大量的土地。

由于不受氣候土壤條件的控制，它完全可以建立在各種荒地、廢地上，也能為生活在荒漠、海島上的人們提供新鮮蔬菜。

以此為基礎，在太空的密封艙內構建微型的蔬菜工廠，是最終解決太空蔬菜供應的方案。說不定將來我們在月球或者火星上建立了基地，也得靠它來生產蔬菜呢。