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实验证明,地球植物可以在月球土壤中生长,但仍需改良
2022-05-23 11:37    点击次数:120

美国宇航局借给了生物学家12克月球土壤,这足以让多种开花植物正常生长。

科学家们有史以来第一次在阿波罗任务返回的月球土壤中种植植物。但考虑到这些植物承受的压力,我们短期内不太可能在月球上耕种。

上图:生长16天后的植物,在模拟月球土壤中生长的植物(左)和在实际月球风化层中生长的植物(右)之间存在明显差异。

最近的发表在《通讯 生物学》上的一项新研究首次表明,植物,特别是“塔勒水芹(拟南芥)”将可以在月球的风化层中生长。

这项研究的三名科学家都来自佛罗里达大学(University of Florida),他们表示:“仔细想想,它的影响是惊人的。地球上的生物将可以在月球上生存,对于在月球上探索的宇航员来说,这些植物可以用来维持生命,而这种方式曾经只存在于人们的猜测中。”

毫无疑问,这代表了一个真正令人震惊和意想不到的结果。正如科学家们解释的那样,月球风化层与地球上的土壤完全不同,前者锋利、磨蚀,而且不含任何有机元素。更重要的是,月球风化层涉及某些化学状态,例如与铁有关的化学状态,而这些化学状态在陆地土壤中是不存在的。它们还充满了微小的火山玻璃碎片。当然,大气稀薄的月球也不断受到辐射的轰击。

上图:生长在月球土壤中的塔勒水芹(拟南芥)植物。

实验中,植物生长了,但这并不是说它们生长得非常好。在月壤中生长的拟南芥样品表现出生长缓慢、体积小和变色的胁迫迹象。包括佛罗里达大学食品和农业科学研究所园艺学家罗伯特·费尔(Robert Ferl)在内的研究小组表示,如果我们希望利用当地的土壤在月球上种植植物,还需要进行更多的研究。

我们想在月球上种植植物是可以理解的。植物在吸收二氧化碳和循环利用水的同时产生氧气和淀粉。研究人员解释说,它们“在地球上完成了持续的生命维持周期,当我们离开地球时,它们很可能也会这样做。”

在这项研究中,科学家们使用了阿波罗11号、12号和17号任务带回的样本。获得这些珍贵的材料对他们来说不容易。在过去的11年里,该团队三次正式要求获得样本,美国宇航局最终同意,并借给他们12克样本用于实验。12克,那只是几茶匙。科学家们利用模拟的月球土壤,花了数年时间试图计算出进行这项实验所需的最小数量。一个被称为“JSC-1A”的月球模拟器是这个过程的关键,该团队后来使用它作为实验的控制基板。

研究团队表示:“一旦我们知道了我们可以工作的最低限度,每颗植物一克,我们就知道应该索要多少。为了使这项研究在统计上更可靠,我们需要每个月球样本四种植物。这是我们向NASA请求样本的基础。”

上图:月球风化层(月壤)的示意图。

重要的是,并非所有的阿波罗样本都是一样的。阿波罗11号的样本是直接从月球表面采集的,被认为是“成熟的土壤”,因为它们已经暴露在宇宙风中并被搅动。相比之下,阿波罗12号和17号的样本是从更深层挖掘的。除了 JSC-1A 月球模拟器,研究人员还试图在来自地球的火山灰中种植植物,这也是一种控制基质。

科学家们使用了“塔勒水芹(拟南芥)”,一种原产于欧亚大陆和非洲的小型开花植物。科学家们说,因为它的“基因组已经过测序,并就其大部分基因的功能进行了很好的定位”。 这使他们能够发现这种植物用于生理上适应月球风化层生长的特定基因。而且由于“塔勒水芹(拟南芥)” 非常小,他们能够在一克材料中种植该植物,将其置于通常用于培养细胞的顶针大小的孔中。

上图:拟南芥基因组的概述图。

令人难以置信的是,“塔勒水芹(拟南芥)”在所有测试的土壤条件下都能生长,尽管在月球风化层中生长速度较慢。与对照相比,月球植物生长更大的叶子所需的时间也更长,它们的根系统也受到了抑制。这些被认为是压力的迹象,就像在植物上观察到的红黑色色素一样。

科学家们还观察了植物表达与压力相关的基因的速度,例如,对金属和含活性氧化合物的反应。阿波罗11号样品培养基中的植物产生了465个这样的基因,而阿波罗12号植物产生了265个,阿波罗17号植物只产生了113个。这一发现表明,与地下更深的土壤相比,来自地表的风化岩作为生长基质并不理想。科学家们说,长期暴露在宇宙射线和太阳风中,以及微小铁粒子的存在,可能是导致实验中观察到的压力的原因。

那么,有没有可能的缓解策略,以处理月球的风化层,使其能够适当地维持植物生命呢?

研究团队表示:“这是一个非常重要的问题。我们的研究表明,要真正实现良好的增长,可能需要一些缓解措施。通过在同一样本中反复种植植物,让生物条件影响土壤,可以达到某种缓解效果。其他更积极的缓解措施,比如让水在风化层中循环,也可以发挥作用。”

美国宇航局即将启动的阿耳特弥斯计划的一个关键目标,就是在月球上建立一个可持续的存在。这篇新论文的显著发现,将为我们指明了实现这一目标的正确方向。

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