如何在外星建造人类家园？“就地资源利用”刺激创新
据国外媒体报道，人类即将重返月球，而这一次，我们可能会建立长期的月球基地。然而，在长期的太空任务中，宇航员们的生活和工作都需要必要的基础设施，他们还需要展开实地探索活动，与地球保持联系，同时生产对生存至关重要的氧气和水。从地球上携带所有这些基础设施需要付出极为昂贵的代价，因此，更合理的方案是就地获取材料并进行建造。为了探索这种可能性，欧洲空间局(ESA)的“探索与准备”(Discovery & Preparation)计划已经为多个研究项目提供了支持。
使用其他天体上的材料建造基础设施和生产设施的解决方案被称为“就地资源利用”(ISRU)。以往在这一领域的研究已经探索并展示了ISRU的基本概念，主要结合了勘探现场发现的资源与从地球带来的材料。
想要建立一个能够保护宇航员免受恶劣环境——包括稀薄或不存在的大气、极端温度、强辐射甚至微流星体等——影响的地外家园，ISRU就是必需的。通过利用就地资源，我们将能够在其他星球表面建造道路，以及往返地球所需的发射和着陆平台。ISRU也可以用来生产能够产生并储存能量的发电设备，以及用于通信的天线塔。此外，ISRU还可以生产大量的水和氧气，用于维持宇航员的生命，并制造出可供外星探索和最终返回地球的推进剂。
1999年，第一个与ISRU相关的“探索与准备”研究项目重点关注了推进和动力系统，并评估了本世纪对先进推进技术的需求。这项研究的结论是，ISRU可以降低火星任务的成本，同时提高推进性能，但ISRU技术的研究和开发应该马上开始。
因此，在欧空局其他所有项目的配合下，ISRU的相关研究继续进行。2000年完成的一项研究侧重于未来太空探索所需的动力系统，包括设计一座ISRU化工厂，以生产推进剂和生命维持所需的化学品，以及外星表面活动所需的燃料。
同时进行的其他研究则更广泛地关注长期的太空探索，其中一项研究考虑了火星探索需要什么样的架构和技术。该研究探索了利用火星大气和土壤来生产推进剂和宇航员生存所需液体——包括氮、氧、氢和水——的可能性。另一项研究关注的是人类在长期星际和行星环境中的生存能力和适应性，发现ISRU在生产推进剂和生命维持消耗品方面可能有着重要的作用。
13年时间很快过去，随着技术的发展，研究人员已经能够探索更加具体的ISRU概念，包括一个从火星大气中收集、储存二氧化碳并将其输送到推进器的系统。这项由空中客车公司进行的研究提出了从二氧化碳中去除灰尘和水的方法，以及如何将二氧化碳液化储存。
在过去的几年里，“探索与准备”计划还支持了诸多研究，比如利用月球土壤建造基础设施，以及更具体的能源生产和储存方法;最近的一项研究探索了如何利用月壤储存热量，并为宇航员、漫游车和着陆器提供电力。
一项研究探索了月球模拟设施如何支持ISRU技术的发展，包括对就地材料的挖掘和加工方法进行测试，以及如何利用3D打印等工艺将这些材料用于建造结构。
另一项研究证实了月壤作为建筑材料的可行性。研究人员选择了一种利用月壤打印结构的合适工艺，甚至设计了一个可打印的居住地。还有一项研究最近更进一步，探索了如何利用月球风化层进行3D打印，甚至确定了效果最好的打印工艺。
作为现有3D打印技术的替代方案，2019年的一项研究试图将月壤转化为纤维，用于建造坚固的结构。研究人员制作了一份材料样本，证明用这种方法制造局部不透水的结构是可能的。
最近，“探索与准备”计划资助的一组研究探索并定义了欧空局的月球IRSU示范任务，该任务的目标是到2025年时，证明在月球上生产水或氧气是可能的。这些研究探索了实际能生产水和氧气的系统，提出了一个使用“碳热反应堆”从土壤中提取氧气并用其来生产水的方案。另外两项研究分别探索了该系统如何依靠着陆器作为电源，以及它如何与地球通信。
为了实施月球ISRU示范任务，欧空局打算从商业机构采购任务赋能服务，包括有效载荷交付、通信和操作服务等。在这一过程中，欧空局将利用并进一步培育现有的商业方案，这些方案可能在未来的月球探索场景中得到广泛应用。
欧空局目前还在进行“PROSPECT”任务，该任务将探访并评估月球上的潜在资源，为未来可能用于开采这些资源的技术做准备。PROSPECT将在月球南极附近的月表下进行钻探，提取可能含有水冰和其他可能在极低温度下冻结的化学物质的样本。然后，钻头将把样本送到一个化学实验室，在那里对样本进行加热，以提取化学物质。这次任务将作为俄罗斯领导的“月球-27”(Luna-27)任务的一部分，并将测试未来可能应用于地外资源开采的过程。
2019年5月，欧空局发布了“空间资源战略”(Space Resources Strategy)，以支持到2040年利用就地资源维持人类在月球上存在的雄心。该战略着眼于人类需要发现和发展什么样的技术，以支持可持续的太空探索。该战略涵盖的时间范围到2030年，届时月球资源的潜力将通过在月球上的测量得到确定，关键的技术也将被开发和展示出来，并将确定将其纳入国际任务架构的计划。该战略公布后，欧空局主办了一个研讨会，以确定实现空间资源利用所需的下一步计划。
2020年，欧洲航天局建立了一个原型工厂，从模拟的月球尘埃中生产氧气。从月壤中去除氧气会留下各种金属，因此该研究的另一个方向就是从这些材料中生产出最有利用价值的合金，并探索它们在月球上的用途。最终目标是设计一个可以在月球上持续运行的“试点工厂”，第一个技术示范计划在本世纪20年代中期进行。
这一领域的其他太空机构在做什么？
美国国家航空航天局(NASA)的月球勘测轨道飞行器已经探明，月球某些地方的月壤中存在水冰。从该轨道器释放的月球坑观测和传感卫星(LCROSS)在2009年10月9日撞击月球，产生了16千米高的尘埃羽流。科学家经过观察和分析后，确定了月球表面的化学成分，表明水的确存在于月球上。
NASA还在开发多项将造访月球的立方卫星轨道任务，如“月球手电筒”(Lunar Flashlight)、“月球地图”(LunaH-MAP)和“月球冰立方”(Lunar IceCube)等，这些任务将致力于发现月球上有多少水冰，以及在哪里可以找到水冰。
NASA的第一个火星着陆器“海盗号”发回了有关火星大气的重要数据，揭示了火星大气中95.9%的成分为二氧化碳。基于这一发现和后续探测任务传回的信息，NASA已经开发出了将火星大气中的二氧化碳转化为氧气的技术，这将有利于人类前往火星的任务。最近，NASA选择了火星氧气原位资源利用实验(MOXIE)作为“毅力”号火星探测车搭载的7个科学仪器之一。
挥发物是一种容易蒸发的物质，有可能成为月球上的水源。NASA正在与其他空间机构一道，协调对月球极地挥发物探测的国际合作，以确定挥发物作为潜在资源的可行性，并试图将月球作为火星ISRU技术的试验场。
中国国家航天局未来的任务也有望将月球极地挥发物作为潜在资源。在中国的国际月球研究站设想中，预计将在本世纪20年代末到30年代初建成一个用于科学研究的自动化设施，可能为利用月球资源提供先机。
俄罗斯联邦航天局(Roscosmos)正在与欧空局合作进行三次“月球”系列任务，其中就包括“月球-27”任务，它将承载欧空局PROSPECT项目的一揽子计划。该任务将在月球极地地区进行测量，重点关注那里可能发现的低温挥发性物质。
目前，研究者已经提出了许多想法，为定居点、移动基础设施(如道路和着陆平台)、辅助基础设施(如通信、能源生产和储存)和硬件(如工具、室内设备、机械和衣物)的建设提供了支持。
这些想法中，包括了融化和3D打印月壤、用月壤制造太阳能电池，以及优化能量储存的新方法。此外，也有研究者在寻找不需要月壤就能利用有机垃圾种植植物，利用月壤建造有利于作物生长的温室，以及利用太空垃圾建造基础设施的方法。目前，欧空局正在以多种形式为这些想法提供资助，希望早日能将它们变成现实。
随着我们对月球和小行星的认识和了解逐渐提高，国际和私营机构更多地参与空间技术，以及新技术的出现，利用空间资源进行外星探索的可能性已触手可及。
当然，开发利用就地资源支持未来宇航员的技术和方法仍然是一项挑战，但在克服这项挑战的过程中，相关的技术需求和管理有限资源的新方法也会刺激地球上的创新。这或许将帮助我们找到应对全球挑战的新方法，并为地球工业带来中长期的经济回报。
据国外媒体报道，人类即将重返月球，而这一次，我们可能会建立长期的月球基地。然而，在长期的太空任务中，宇航员们的生活和工作都需要必要的基础设施，他们还需要展开实地探索活动，与地球保持联系，同时生产对生存至关重要的氧气和水。从地球上携带所有这些基础设施需要付出极为昂贵的代价，因此，更合理的方案是就地获取材料并进行建造。为了探索这种可能性，欧洲空间局(ESA)的“探索与准备”(Discovery & Preparation)计划已经为多个研究项目提供了支持。
使用其他天体上的材料建造基础设施和生产设施的解决方案被称为“就地资源利用”(ISRU)。以往在这一领域的研究已经探索并展示了ISRU的基本概念，主要结合了勘探现场发现的资源与从地球带来的材料。
想要建立一个能够保护宇航员免受恶劣环境——包括稀薄或不存在的大气、极端温度、强辐射甚至微流星体等——影响的地外家园，ISRU就是必需的。通过利用就地资源，我们将能够在其他星球表面建造道路，以及往返地球所需的发射和着陆平台。ISRU也可以用来生产能够产生并储存能量的发电设备，以及用于通信的天线塔。此外，ISRU还可以生产大量的水和氧气，用于维持宇航员的生命，并制造出可供外星探索和最终返回地球的推进剂。
1999年，第一个与ISRU相关的“探索与准备”研究项目重点关注了推进和动力系统，并评估了本世纪对先进推进技术的需求。这项研究的结论是，ISRU可以降低火星任务的成本，同时提高推进性能，但ISRU技术的研究和开发应该马上开始。
因此，在欧空局其他所有项目的配合下，ISRU的相关研究继续进行。2000年完成的一项研究侧重于未来太空探索所需的动力系统，包括设计一座ISRU化工厂，以生产推进剂和生命维持所需的化学品，以及外星表面活动所需的燃料。
同时进行的其他研究则更广泛地关注长期的太空探索，其中一项研究考虑了火星探索需要什么样的架构和技术。该研究探索了利用火星大气和土壤来生产推进剂和宇航员生存所需液体——包括氮、氧、氢和水——的可能性。另一项研究关注的是人类在长期星际和行星环境中的生存能力和适应性，发现ISRU在生产推进剂和生命维持消耗品方面可能有着重要的作用。
13年时间很快过去，随着技术的发展，研究人员已经能够探索更加具体的ISRU概念，包括一个从火星大气中收集、储存二氧化碳并将其输送到推进器的系统。这项由空中客车公司进行的研究提出了从二氧化碳中去除灰尘和水的方法，以及如何将二氧化碳液化储存。
在过去的几年里，“探索与准备”计划还支持了诸多研究，比如利用月球土壤建造基础设施，以及更具体的能源生产和储存方法;最近的一项研究探索了如何利用月壤储存热量，并为宇航员、漫游车和着陆器提供电力。
一项研究探索了月球模拟设施如何支持ISRU技术的发展，包括对就地材料的挖掘和加工方法进行测试，以及如何利用3D打印等工艺将这些材料用于建造结构。
另一项研究证实了月壤作为建筑材料的可行性。研究人员选择了一种利用月壤打印结构的合适工艺，甚至设计了一个可打印的居住地。还有一项研究最近更进一步，探索了如何利用月球风化层进行3D打印，甚至确定了效果最好的打印工艺。
作为现有3D打印技术的替代方案，2019年的一项研究试图将月壤转化为纤维，用于建造坚固的结构。研究人员制作了一份材料样本，证明用这种方法制造局部不透水的结构是可能的。
最近，“探索与准备”计划资助的一组研究探索并定义了欧空局的月球IRSU示范任务，该任务的目标是到2025年时，证明在月球上生产水或氧气是可能的。这些研究探索了实际能生产水和氧气的系统，提出了一个使用“碳热反应堆”从土壤中提取氧气并用其来生产水的方案。另外两项研究分别探索了该系统如何依靠着陆器作为电源，以及它如何与地球通信。
为了实施月球ISRU示范任务，欧空局打算从商业机构采购任务赋能服务，包括有效载荷交付、通信和操作服务等。在这一过程中，欧空局将利用并进一步培育现有的商业方案，这些方案可能在未来的月球探索场景中得到广泛应用。
欧空局目前还在进行“PROSPECT”任务，该任务将探访并评估月球上的潜在资源，为未来可能用于开采这些资源的技术做准备。PROSPECT将在月球南极附近的月表下进行钻探，提取可能含有水冰和其他可能在极低温度下冻结的化学物质的样本。然后，钻头将把样本送到一个化学实验室，在那里对样本进行加热，以提取化学物质。这次任务将作为俄罗斯领导的“月球-27”(Luna-27)任务的一部分，并将测试未来可能应用于地外资源开采的过程。
2019年5月，欧空局发布了“空间资源战略”(Space Resources Strategy)，以支持到2040年利用就地资源维持人类在月球上存在的雄心。该战略着眼于人类需要发现和发展什么样的技术，以支持可持续的太空探索。该战略涵盖的时间范围到2030年，届时月球资源的潜力将通过在月球上的测量得到确定，关键的技术也将被开发和展示出来，并将确定将其纳入国际任务架构的计划。该战略公布后，欧空局主办了一个研讨会，以确定实现空间资源利用所需的下一步计划。
2020年，欧洲航天局建立了一个原型工厂，从模拟的月球尘埃中生产氧气。从月壤中去除氧气会留下各种金属，因此该研究的另一个方向就是从这些材料中生产出最有利用价值的合金，并探索它们在月球上的用途。最终目标是设计一个可以在月球上持续运行的“试点工厂”，第一个技术示范计划在本世纪20年代中期进行。
这一领域的其他太空机构在做什么？
美国国家航空航天局(NASA)的月球勘测轨道飞行器已经探明，月球某些地方的月壤中存在水冰。从该轨道器释放的月球坑观测和传感卫星(LCROSS)在2009年10月9日撞击月球，产生了16千米高的尘埃羽流。科学家经过观察和分析后，确定了月球表面的化学成分，表明水的确存在于月球上。
NASA还在开发多项将造访月球的立方卫星轨道任务，如“月球手电筒”(Lunar Flashlight)、“月球地图”(LunaH-MAP)和“月球冰立方”(Lunar IceCube)等，这些任务将致力于发现月球上有多少水冰，以及在哪里可以找到水冰。
NASA的第一个火星着陆器“海盗号”发回了有关火星大气的重要数据，揭示了火星大气中95.9%的成分为二氧化碳。基于这一发现和后续探测任务传回的信息，NASA已经开发出了将火星大气中的二氧化碳转化为氧气的技术，这将有利于人类前往火星的任务。最近，NASA选择了火星氧气原位资源利用实验(MOXIE)作为“毅力”号火星探测车搭载的7个科学仪器之一。
挥发物是一种容易蒸发的物质，有可能成为月球上的水源。NASA正在与其他空间机构一道，协调对月球极地挥发物探测的国际合作，以确定挥发物作为潜在资源的可行性，并试图将月球作为火星ISRU技术的试验场。
中国国家航天局未来的任务也有望将月球极地挥发物作为潜在资源。在中国的国际月球研究站设想中，预计将在本世纪20年代末到30年代初建成一个用于科学研究的自动化设施，可能为利用月球资源提供先机。
俄罗斯联邦航天局(Roscosmos)正在与欧空局合作进行三次“月球”系列任务，其中就包括“月球-27”任务，它将承载欧空局PROSPECT项目的一揽子计划。该任务将在月球极地地区进行测量，重点关注那里可能发现的低温挥发性物质。
目前，研究者已经提出了许多想法，为定居点、移动基础设施(如道路和着陆平台)、辅助基础设施(如通信、能源生产和储存)和硬件(如工具、室内设备、机械和衣物)的建设提供了支持。
这些想法中，包括了融化和3D打印月壤、用月壤制造太阳能电池，以及优化能量储存的新方法。此外，也有研究者在寻找不需要月壤就能利用有机垃圾种植植物，利用月壤建造有利于作物生长的温室，以及利用太空垃圾建造基础设施的方法。目前，欧空局正在以多种形式为这些想法提供资助，希望早日能将它们变成现实。
随着我们对月球和小行星的认识和了解逐渐提高，国际和私营机构更多地参与空间技术，以及新技术的出现，利用空间资源进行外星探索的可能性已触手可及。
当然，开发利用就地资源支持未来宇航员的技术和方法仍然是一项挑战，但在克服这项挑战的过程中，相关的技术需求和管理有限资源的新方法也会刺激地球上的创新。这或许将帮助我们找到应对全球挑战的新方法，并为地球工业带来中长期的经济回报。
【在太空吃什么？全株可食精英作物登陆未来太空农场！】随着人类探索太空的步伐不断加快，以空间食物保障为核心的太空农业将会引起越来越广泛的关注。近日，中国农业科学院都市农业研究所（以下简称都市所）在《自然—通讯》发表展望性文章https://t.cn/A6MRyP6k，深入分析了太空农业系统对作物的独特要求，创新性地提出了面向太空农场进行作物改良的全株可食精英植物策略。
人类上太空吃什么？
随着世界人口的不断增长，有限的地球资源面临枯竭的威胁。论文通讯作者、都市所研究员任茂智认为，人类即将进入大航天时代，飞上太空之后吃什么是一个必须认真思考的问题。
携带人造食品不失为一种选择，但任茂智认为，人造食品会受到地域和资源的限制，在陌生的外太空环境中不可持续。而带着合适的种子上太空，则有可能在改造外星环境的同时，也为移民人类提供可持续的食物。
论文共同通讯作者、都市所研究员杨其长认为，随着外太空探索的不断深入，保障宇航员以及星月旅居人员食物保障的供给方式也将会提到议事日程，农业的形态也将由乡村农业和都市农业延伸到太空农业。
任茂智告诉《中国科学报》，进入太空的人类将面临完全不同于地球的生存环境。科学家正在研究农作物如何适应地外空间的特殊环境，这就是太空农业。
“太空食物的首选是植物。”任茂智说，植物是第一生产者，它可以提供人类生存所需要的淀粉、油脂和蛋白质。而且，面对太空中的磁场、辐射、重力等特殊环境，植物的适应性明显高于动物。
例如，在空间站内，重力微弱；在月球上，重力只有地球上的1/6。人类在这种重力环境下，体液不能正常流动。“植物也会受到影响，但植物的弹性很大。”任茂智说。
论文第一作者刘永明介绍，植物在空间站中仍然可以开枝散叶，进行营养生长。但一般很难开花结果，即其生殖生长受到阻碍。
地球上的农作物主要为人类提供淀粉和油脂，而植物蛋白相比动物蛋白不易于人类吸收。
因此，如何改造农作物，使之既能够适应太空环境，又能够为人类提供全面的营养，就成为遴选太空植物的标准。
“在此基础上，我们认识到，全株可食用的作物应当是未来太空农场中首选的农作物。如果根茎叶都可食用的话，不需要等到农作物开花结果，作物长出来一点就能为人类提供食物了。”任茂智说。
过去的太空种植试验往往关注如何让植物开花结果。杨其长说，这是国际上首次提出，以全株可食作为遴选太空作物的标准，完全转变了太空作物研究的思路。
全株可食的农作物
为了寻找易于改造的作物，他们遴选了几百种植物，包括水稻、小麦、玉米、棉花、马铃薯，甚至包括沙漠中常见的骆驼刺。
刘永明说，其中，水稻、小麦、玉米的可食用部分只有种子，茎秆要改造成人类可食的比较困难。骆驼刺虽然耐逆境生存能力很强，可能更加适应地外空间的环境，但它产量低，不可供人类食用，改造难度也很大。
针对太空农业的特殊需求，团队研发的首个“月球微型农场”于2019年1月经嫦娥4号送上月球背面，搭载了中国农业科学院培育的棉花、油菜和马铃薯种子，成功实现了人类首次在月球培育植物幼苗的试验，拉开了农业走向太空的序幕。
随后，该团队将目光投向了传统作物马铃薯。马铃薯生长3个月后就可以结出薯块，薯块或大或小都可食用，而且营养丰富，是一种改造起来比较容易的作物。
任茂智告诉记者，马铃薯的果实和茎叶目前还不能直接食用的主要原因是含有龙葵素这种毒素。假如能培育出不产生龙葵素的马铃薯，那么果实和茎叶都可以食用。而利用基因编辑技术就能实现这一目标。
除此之外，任茂智还想给马铃薯加上不同的特殊基因，产生一些人类在太空中需要的物质。
例如，抗氧化物质虾青素，抗高原反应的红景天苷，人们爱吃的牛肉蛋白，甚至可食用抗体和疫苗，都可以在马铃薯中添加相关基因，作为生物反应器来生产。
杨其长介绍，我们设想中的太空农场应该主要采用无土栽培生产方式，尤其是优先考虑固体基质栽培或气雾栽培。所创制的全株可食精英马铃薯，在人工可控环境下采用气雾栽培可实现光温水气肥的一体化的控制，大幅度提高马铃薯产量和品质。这种气雾栽培也非常有利于定植与采收。
“实际上，除了马铃薯，很多十字花科作物都是全株可食用的，只要稍加改造使之适应太空环境也能成为优秀的精英作物。”任茂智说。
杨其长介绍，我们所探究的适宜于太空农业需求的作物培育方法，构建可用于太空植物工厂环境下全株可食精英植物的创制途径，未来可为人类探索太空食物供给提供有效的技术手段，同时该技术的综合应用也将会有效促进太空农业、都市农业和乡村农业的发展。
生物多样性提供丰富的基因资源
从地球到太空，有三类太空农场应用场景。首先是微重力的空间站，其次是太阳系内的月球基地和火星基地，再到外太空的类地行星。
这三类环境都需要设计不同的农作物。尤其是太空中已知的与地球接近的行星大约有1000多颗，这些行星上尚未发现植被或其他生命体。“这意味着地球将是宇宙植物的起源中心。”任茂智说。
而且，每一颗类地行星的环境都与地球不同，“兵马未动粮草先行，科学家要提前设计好适应不同需求的植物，先让植物去改造。”任茂智说，这就需要打破学科界限、物种界限和空间界限来进行思考和创新，提出一系列战略性的科学问题。
“地球将成为整个宇宙植物的起源中心、繁殖中心和科研中心、创新中心。”任茂智说。地球上丰富的生物多样性就是为整个宇宙做准备。从珠穆朗玛峰、青藏高原到太平洋大海沟，从北极到南极，从火山口到沙漠，都有植物身影。而那些适应了特殊的地球环境的形形色色的生物将可能为移民太空的农作物提供丰富的基因资源。
杨其长说：“根据已知的环境参数，以及土壤成分，我们可以利用植物工厂模拟空间站和月球等外太空环境，进而开展精英作物改造和遴选的工作，为空间探索提供技术储备。”
“我们的策略旨在为太空农场开发出食用部分更多、营养成分更丰富、产量更高、养分利用更有效的精英作物，对太空作物的设计及高效太空农业系统的构建具有指导性和前瞻性意义，为未来人类深空探测和星际移民提供食物和生存保障。”刘永明说。https://t.cn/A6xhxPD0
人类上太空吃什么？
随着世界人口的不断增长，有限的地球资源面临枯竭的威胁。论文通讯作者、都市所研究员任茂智认为，人类即将进入大航天时代，飞上太空之后吃什么是一个必须认真思考的问题。
携带人造食品不失为一种选择，但任茂智认为，人造食品会受到地域和资源的限制，在陌生的外太空环境中不可持续。而带着合适的种子上太空，则有可能在改造外星环境的同时，也为移民人类提供可持续的食物。
论文共同通讯作者、都市所研究员杨其长认为，随着外太空探索的不断深入，保障宇航员以及星月旅居人员食物保障的供给方式也将会提到议事日程，农业的形态也将由乡村农业和都市农业延伸到太空农业。
任茂智告诉《中国科学报》，进入太空的人类将面临完全不同于地球的生存环境。科学家正在研究农作物如何适应地外空间的特殊环境，这就是太空农业。
“太空食物的首选是植物。”任茂智说，植物是第一生产者，它可以提供人类生存所需要的淀粉、油脂和蛋白质。而且，面对太空中的磁场、辐射、重力等特殊环境，植物的适应性明显高于动物。
例如，在空间站内，重力微弱；在月球上，重力只有地球上的1/6。人类在这种重力环境下，体液不能正常流动。“植物也会受到影响，但植物的弹性很大。”任茂智说。
论文第一作者刘永明介绍，植物在空间站中仍然可以开枝散叶，进行营养生长。但一般很难开花结果，即其生殖生长受到阻碍。
地球上的农作物主要为人类提供淀粉和油脂，而植物蛋白相比动物蛋白不易于人类吸收。
因此，如何改造农作物，使之既能够适应太空环境，又能够为人类提供全面的营养，就成为遴选太空植物的标准。
“在此基础上，我们认识到，全株可食用的作物应当是未来太空农场中首选的农作物。如果根茎叶都可食用的话，不需要等到农作物开花结果，作物长出来一点就能为人类提供食物了。”任茂智说。
过去的太空种植试验往往关注如何让植物开花结果。杨其长说，这是国际上首次提出，以全株可食作为遴选太空作物的标准，完全转变了太空作物研究的思路。
全株可食的农作物
为了寻找易于改造的作物，他们遴选了几百种植物，包括水稻、小麦、玉米、棉花、马铃薯，甚至包括沙漠中常见的骆驼刺。
刘永明说，其中，水稻、小麦、玉米的可食用部分只有种子，茎秆要改造成人类可食的比较困难。骆驼刺虽然耐逆境生存能力很强，可能更加适应地外空间的环境，但它产量低，不可供人类食用，改造难度也很大。
针对太空农业的特殊需求，团队研发的首个“月球微型农场”于2019年1月经嫦娥4号送上月球背面，搭载了中国农业科学院培育的棉花、油菜和马铃薯种子，成功实现了人类首次在月球培育植物幼苗的试验，拉开了农业走向太空的序幕。
随后，该团队将目光投向了传统作物马铃薯。马铃薯生长3个月后就可以结出薯块，薯块或大或小都可食用，而且营养丰富，是一种改造起来比较容易的作物。
任茂智告诉记者，马铃薯的果实和茎叶目前还不能直接食用的主要原因是含有龙葵素这种毒素。假如能培育出不产生龙葵素的马铃薯，那么果实和茎叶都可以食用。而利用基因编辑技术就能实现这一目标。
除此之外，任茂智还想给马铃薯加上不同的特殊基因，产生一些人类在太空中需要的物质。
例如，抗氧化物质虾青素，抗高原反应的红景天苷，人们爱吃的牛肉蛋白，甚至可食用抗体和疫苗，都可以在马铃薯中添加相关基因，作为生物反应器来生产。
杨其长介绍，我们设想中的太空农场应该主要采用无土栽培生产方式，尤其是优先考虑固体基质栽培或气雾栽培。所创制的全株可食精英马铃薯，在人工可控环境下采用气雾栽培可实现光温水气肥的一体化的控制，大幅度提高马铃薯产量和品质。这种气雾栽培也非常有利于定植与采收。
“实际上，除了马铃薯，很多十字花科作物都是全株可食用的，只要稍加改造使之适应太空环境也能成为优秀的精英作物。”任茂智说。
杨其长介绍，我们所探究的适宜于太空农业需求的作物培育方法，构建可用于太空植物工厂环境下全株可食精英植物的创制途径，未来可为人类探索太空食物供给提供有效的技术手段，同时该技术的综合应用也将会有效促进太空农业、都市农业和乡村农业的发展。
生物多样性提供丰富的基因资源
从地球到太空，有三类太空农场应用场景。首先是微重力的空间站，其次是太阳系内的月球基地和火星基地，再到外太空的类地行星。
这三类环境都需要设计不同的农作物。尤其是太空中已知的与地球接近的行星大约有1000多颗，这些行星上尚未发现植被或其他生命体。“这意味着地球将是宇宙植物的起源中心。”任茂智说。
而且，每一颗类地行星的环境都与地球不同，“兵马未动粮草先行，科学家要提前设计好适应不同需求的植物，先让植物去改造。”任茂智说，这就需要打破学科界限、物种界限和空间界限来进行思考和创新，提出一系列战略性的科学问题。
“地球将成为整个宇宙植物的起源中心、繁殖中心和科研中心、创新中心。”任茂智说。地球上丰富的生物多样性就是为整个宇宙做准备。从珠穆朗玛峰、青藏高原到太平洋大海沟，从北极到南极，从火山口到沙漠，都有植物身影。而那些适应了特殊的地球环境的形形色色的生物将可能为移民太空的农作物提供丰富的基因资源。
杨其长说：“根据已知的环境参数，以及土壤成分，我们可以利用植物工厂模拟空间站和月球等外太空环境，进而开展精英作物改造和遴选的工作，为空间探索提供技术储备。”
“我们的策略旨在为太空农场开发出食用部分更多、营养成分更丰富、产量更高、养分利用更有效的精英作物，对太空作物的设计及高效太空农业系统的构建具有指导性和前瞻性意义，为未来人类深空探测和星际移民提供食物和生存保障。”刘永明说。https://t.cn/A6xhxPD0
【在太空吃什么？全株可食精英作物登陆未来太空农场！】随着人类探索太空的步伐不断加快，以空间食物保障为核心的太空农业将会引起越来越广泛的关注。近日，中国农业科学院都市农业研究所（以下简称都市所）在《自然—通讯》发表展望性文章https://t.cn/A6MRyP6k，深入分析了太空农业系统对作物的独特要求，创新性地提出了面向太空农场进行作物改良的全株可食精英植物策略。
人类上太空吃什么？
随着世界人口的不断增长，有限的地球资源面临枯竭的威胁。论文通讯作者、都市所研究员任茂智认为，人类即将进入大航天时代，飞上太空之后吃什么是一个必须认真思考的问题。
携带人造食品不失为一种选择，但任茂智认为，人造食品会受到地域和资源的限制，在陌生的外太空环境中不可持续。而带着合适的种子上太空，则有可能在改造外星环境的同时，也为移民人类提供可持续的食物。
论文共同通讯作者、都市所研究员杨其长认为，随着外太空探索的不断深入，保障宇航员以及星月旅居人员食物保障的供给方式也将会提到议事日程，农业的形态也将由乡村农业和都市农业延伸到太空农业。
任茂智告诉《中国科学报》，进入太空的人类将面临完全不同于地球的生存环境。科学家正在研究农作物如何适应地外空间的特殊环境，这就是太空农业。
“太空食物的首选是植物。”任茂智说，植物是第一生产者，它可以提供人类生存所需要的淀粉、油脂和蛋白质。而且，面对太空中的磁场、辐射、重力等特殊环境，植物的适应性明显高于动物。
例如，在空间站内，重力微弱；在月球上，重力只有地球上的1/6。人类在这种重力环境下，体液不能正常流动。“植物也会受到影响，但植物的弹性很大。”任茂智说。
论文第一作者刘永明介绍，植物在空间站中仍然可以开枝散叶，进行营养生长。但一般很难开花结果，即其生殖生长受到阻碍。
地球上的农作物主要为人类提供淀粉和油脂，而植物蛋白相比动物蛋白不易于人类吸收。
因此，如何改造农作物，使之既能够适应太空环境，又能够为人类提供全面的营养，就成为遴选太空植物的标准。
“在此基础上，我们认识到，全株可食用的作物应当是未来太空农场中首选的农作物。如果根茎叶都可食用的话，不需要等到农作物开花结果，作物长出来一点就能为人类提供食物了。”任茂智说。
过去的太空种植试验往往关注如何让植物开花结果。杨其长说，这是国际上首次提出，以全株可食作为遴选太空作物的标准，完全转变了太空作物研究的思路。
全株可食的农作物
为了寻找易于改造的作物，他们遴选了几百种植物，包括水稻、小麦、玉米、棉花、马铃薯，甚至包括沙漠中常见的骆驼刺。
刘永明说，其中，水稻、小麦、玉米的可食用部分只有种子，茎秆要改造成人类可食的比较困难。骆驼刺虽然耐逆境生存能力很强，可能更加适应地外空间的环境，但它产量低，不可供人类食用，改造难度也很大。
针对太空农业的特殊需求，团队研发的首个“月球微型农场”于2019年1月经嫦娥4号送上月球背面，搭载了中国农业科学院培育的棉花、油菜和马铃薯种子，成功实现了人类首次在月球培育植物幼苗的试验，拉开了农业走向太空的序幕。
随后，该团队将目光投向了传统作物马铃薯。马铃薯生长3个月后就可以结出薯块，薯块或大或小都可食用，而且营养丰富，是一种改造起来比较容易的作物。
任茂智告诉记者，马铃薯的果实和茎叶目前还不能直接食用的主要原因是含有龙葵素这种毒素。假如能培育出不产生龙葵素的马铃薯，那么果实和茎叶都可以食用。而利用基因编辑技术就能实现这一目标。
除此之外，任茂智还想给马铃薯加上不同的特殊基因，产生一些人类在太空中需要的物质。
例如，抗氧化物质虾青素，抗高原反应的红景天苷，人们爱吃的牛肉蛋白，甚至可食用抗体和疫苗，都可以在马铃薯中添加相关基因，作为生物反应器来生产。
杨其长介绍，我们设想中的太空农场应该主要采用无土栽培生产方式，尤其是优先考虑固体基质栽培或气雾栽培。所创制的全株可食精英马铃薯，在人工可控环境下采用气雾栽培可实现光温水气肥的一体化的控制，大幅度提高马铃薯产量和品质。这种气雾栽培也非常有利于定植与采收。
“实际上，除了马铃薯，很多十字花科作物都是全株可食用的，只要稍加改造使之适应太空环境也能成为优秀的精英作物。”任茂智说。
杨其长介绍，我们所探究的适宜于太空农业需求的作物培育方法，构建可用于太空植物工厂环境下全株可食精英植物的创制途径，未来可为人类探索太空食物供给提供有效的技术手段，同时该技术的综合应用也将会有效促进太空农业、都市农业和乡村农业的发展。
生物多样性提供丰富的基因资源
从地球到太空，有三类太空农场应用场景。首先是微重力的空间站，其次是太阳系内的月球基地和火星基地，再到外太空的类地行星。
这三类环境都需要设计不同的农作物。尤其是太空中已知的与地球接近的行星大约有1000多颗，这些行星上尚未发现植被或其他生命体。“这意味着地球将是宇宙植物的起源中心。”任茂智说。
而且，每一颗类地行星的环境都与地球不同，“兵马未动粮草先行，科学家要提前设计好适应不同需求的植物，先让植物去改造。”任茂智说，这就需要打破学科界限、物种界限和空间界限来进行思考和创新，提出一系列战略性的科学问题。
“地球将成为整个宇宙植物的起源中心、繁殖中心和科研中心、创新中心。”任茂智说。地球上丰富的生物多样性就是为整个宇宙做准备。从珠穆朗玛峰、青藏高原到太平洋大海沟，从北极到南极，从火山口到沙漠，都有植物身影。而那些适应了特殊的地球环境的形形色色的生物将可能为移民太空的农作物提供丰富的基因资源。
杨其长说：“根据已知的环境参数，以及土壤成分，我们可以利用植物工厂模拟空间站和月球等外太空环境，进而开展精英作物改造和遴选的工作，为空间探索提供技术储备。”
“我们的策略旨在为太空农场开发出食用部分更多、营养成分更丰富、产量更高、养分利用更有效的精英作物，对太空作物的设计及高效太空农业系统的构建具有指导性和前瞻性意义，为未来人类深空探测和星际移民提供食物和生存保障。”刘永明说。https://t.cn/A6xhxPD0
人类上太空吃什么？
随着世界人口的不断增长，有限的地球资源面临枯竭的威胁。论文通讯作者、都市所研究员任茂智认为，人类即将进入大航天时代，飞上太空之后吃什么是一个必须认真思考的问题。
携带人造食品不失为一种选择，但任茂智认为，人造食品会受到地域和资源的限制，在陌生的外太空环境中不可持续。而带着合适的种子上太空，则有可能在改造外星环境的同时，也为移民人类提供可持续的食物。
论文共同通讯作者、都市所研究员杨其长认为，随着外太空探索的不断深入，保障宇航员以及星月旅居人员食物保障的供给方式也将会提到议事日程，农业的形态也将由乡村农业和都市农业延伸到太空农业。
任茂智告诉《中国科学报》，进入太空的人类将面临完全不同于地球的生存环境。科学家正在研究农作物如何适应地外空间的特殊环境，这就是太空农业。
“太空食物的首选是植物。”任茂智说，植物是第一生产者，它可以提供人类生存所需要的淀粉、油脂和蛋白质。而且，面对太空中的磁场、辐射、重力等特殊环境，植物的适应性明显高于动物。
例如，在空间站内，重力微弱；在月球上，重力只有地球上的1/6。人类在这种重力环境下，体液不能正常流动。“植物也会受到影响，但植物的弹性很大。”任茂智说。
论文第一作者刘永明介绍，植物在空间站中仍然可以开枝散叶，进行营养生长。但一般很难开花结果，即其生殖生长受到阻碍。
地球上的农作物主要为人类提供淀粉和油脂，而植物蛋白相比动物蛋白不易于人类吸收。
因此，如何改造农作物，使之既能够适应太空环境，又能够为人类提供全面的营养，就成为遴选太空植物的标准。
“在此基础上，我们认识到，全株可食用的作物应当是未来太空农场中首选的农作物。如果根茎叶都可食用的话，不需要等到农作物开花结果，作物长出来一点就能为人类提供食物了。”任茂智说。
过去的太空种植试验往往关注如何让植物开花结果。杨其长说，这是国际上首次提出，以全株可食作为遴选太空作物的标准，完全转变了太空作物研究的思路。
全株可食的农作物
为了寻找易于改造的作物，他们遴选了几百种植物，包括水稻、小麦、玉米、棉花、马铃薯，甚至包括沙漠中常见的骆驼刺。
刘永明说，其中，水稻、小麦、玉米的可食用部分只有种子，茎秆要改造成人类可食的比较困难。骆驼刺虽然耐逆境生存能力很强，可能更加适应地外空间的环境，但它产量低，不可供人类食用，改造难度也很大。
针对太空农业的特殊需求，团队研发的首个“月球微型农场”于2019年1月经嫦娥4号送上月球背面，搭载了中国农业科学院培育的棉花、油菜和马铃薯种子，成功实现了人类首次在月球培育植物幼苗的试验，拉开了农业走向太空的序幕。
随后，该团队将目光投向了传统作物马铃薯。马铃薯生长3个月后就可以结出薯块，薯块或大或小都可食用，而且营养丰富，是一种改造起来比较容易的作物。
任茂智告诉记者，马铃薯的果实和茎叶目前还不能直接食用的主要原因是含有龙葵素这种毒素。假如能培育出不产生龙葵素的马铃薯，那么果实和茎叶都可以食用。而利用基因编辑技术就能实现这一目标。
除此之外，任茂智还想给马铃薯加上不同的特殊基因，产生一些人类在太空中需要的物质。
例如，抗氧化物质虾青素，抗高原反应的红景天苷，人们爱吃的牛肉蛋白，甚至可食用抗体和疫苗，都可以在马铃薯中添加相关基因，作为生物反应器来生产。
杨其长介绍，我们设想中的太空农场应该主要采用无土栽培生产方式，尤其是优先考虑固体基质栽培或气雾栽培。所创制的全株可食精英马铃薯，在人工可控环境下采用气雾栽培可实现光温水气肥的一体化的控制，大幅度提高马铃薯产量和品质。这种气雾栽培也非常有利于定植与采收。
“实际上，除了马铃薯，很多十字花科作物都是全株可食用的，只要稍加改造使之适应太空环境也能成为优秀的精英作物。”任茂智说。
杨其长介绍，我们所探究的适宜于太空农业需求的作物培育方法，构建可用于太空植物工厂环境下全株可食精英植物的创制途径，未来可为人类探索太空食物供给提供有效的技术手段，同时该技术的综合应用也将会有效促进太空农业、都市农业和乡村农业的发展。
生物多样性提供丰富的基因资源
从地球到太空，有三类太空农场应用场景。首先是微重力的空间站，其次是太阳系内的月球基地和火星基地，再到外太空的类地行星。
这三类环境都需要设计不同的农作物。尤其是太空中已知的与地球接近的行星大约有1000多颗，这些行星上尚未发现植被或其他生命体。“这意味着地球将是宇宙植物的起源中心。”任茂智说。
而且，每一颗类地行星的环境都与地球不同，“兵马未动粮草先行，科学家要提前设计好适应不同需求的植物，先让植物去改造。”任茂智说，这就需要打破学科界限、物种界限和空间界限来进行思考和创新，提出一系列战略性的科学问题。
“地球将成为整个宇宙植物的起源中心、繁殖中心和科研中心、创新中心。”任茂智说。地球上丰富的生物多样性就是为整个宇宙做准备。从珠穆朗玛峰、青藏高原到太平洋大海沟，从北极到南极，从火山口到沙漠，都有植物身影。而那些适应了特殊的地球环境的形形色色的生物将可能为移民太空的农作物提供丰富的基因资源。
杨其长说：“根据已知的环境参数，以及土壤成分，我们可以利用植物工厂模拟空间站和月球等外太空环境，进而开展精英作物改造和遴选的工作，为空间探索提供技术储备。”
“我们的策略旨在为太空农场开发出食用部分更多、营养成分更丰富、产量更高、养分利用更有效的精英作物，对太空作物的设计及高效太空农业系统的构建具有指导性和前瞻性意义，为未来人类深空探测和星际移民提供食物和生存保障。”刘永明说。https://t.cn/A6xhxPD0
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