Nature and Biodiversity

在月球上种植物如何给地球带来好处?

一项新的研究探讨了在来自月球的土壤中种植植物的可能性。 Image: Unsplash/David Dilbert.

Monica Grady
Professor of Planetary and Space Sciences, Open University
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先进材料

  • 一项新的研究探讨了在来自月球不同位置的土壤中种植植物的可能性;
  • 研究发现,植物可以在月球栖息地生长,但年轻的土壤效果更好;
  • 研究还发现,土壤中的盐分、金属和高活性氧的存在唤起了植物最大的压力反应;
  • 人们可以利用这些关于压力反应的发现来开发更多的抗旱作物。

如何才能让你的花园作物肆意生长?除了交替出现的充足的阳光与温柔的雨露、忙碌的蜜蜂和蝴蝶为植物授粉,你还需要良好、肥沃的土壤来提供必要的矿物质。但是,想象一下,你没有肥沃的土壤,也没有阵雨,更没有蜜蜂和蝴蝶。阳光要么太刺眼、太直接,要么干脆没有——温度也会跌到零下。

植物能否在这样的环境中生长——如果可以的话,是哪些植物?如果(或当)人类对我们的行星邻居进行探索时,这是月球(和火星)上的殖民者必须解决的问题。现在,发表在《通信生物学》(Communications Biology)上的一项新研究已经开始尝试做出解答。

该项目背后的研究人员在阿波罗宇航员从月球上三个不同地方带回的月球岩(土壤)样本中培养了快速生长的植物拟南芥

The Conversation/Wikipedia, CC BY-SA Image: 地球上的拟南芥。

干燥贫瘠的土壤

虽然这不是人类第一次尝试在月球岩石中种植植物,但这是第一次证明为什么它们不能茁壮成长。

月球岩石与陆地土壤有很大不同。首先,它不包含地球上土壤所特有的有机物质(蠕虫、细菌、腐烂的植物物质),也没有固有的水含量。

但它的矿物质组成和陆地土壤相同,因此,(研究人员)假设在月球栖息地内栽培植物时,若可以改善缺乏水、阳光和空气的情况,那么月岩就有可能种植植物。

该研究的主旨是在遗传层面上研究植物。这使科学家们能够认识到哪些特定的环境因素能够唤起对压力最强烈的遗传反应。他们发现,所有阿波罗幼苗中的大部分压力反应来自月球样本中的盐分、金属和高活性的氧气(后两者在陆地土壤中不常见)。

实验结果,每种土壤有不同的水井。 Image: The Conversation/Paul et al., CC BY-SA

三个阿波罗样本受到不同程度的影响,其中阿波罗11号样本的生长速度最慢。鉴于三种阿波罗土壤的化学和矿物成分彼此之间以及与地面样本相当相似,研究人员怀疑营养物质并不是唯一起作用的力量。

被称为JSC-1A的陆地土壤不是普通的土壤,而是一种专门为模拟月球表面而制备的矿物混合物,不包含任何有机物。

起始材料是玄武岩,就像月球上的岩石一样。地球土壤版本还包含天然火山玻璃,作为 “玻璃状凝集物”的类似物,这是一种与熔化的玻璃相混合的小矿物碎片,在月球岩石中很丰富。

科学家们认为凝集物是阿波罗土壤中的幼苗与陆地土壤相比缺乏生长的潜在原因之一,也是三个月球样本之间生长模式不同的原因。

月球表面土壤通常富含凝集物。具有讽刺意味的是,它们是由一个被称为 “月球园艺”的过程形成的。这是通过宇宙辐射、太阳风和微小的陨石对月球表面的轰击使雷石发生变化的方式,也被称为空间风化作用。

由于没有大气层来减缓撞击地表的微小陨石,它们撞击速度极高,导致熔化,然后在撞击地点淬火(快速冷却)。

渐渐地,微小的矿物聚集在一起,由玻璃固定,其中还含有空间风化过程中形成的金属铁(纳米铁)的微小颗粒。

这种铁正是阿波罗号样品中的玻璃状凝集物与陆地样品中的天然火山玻璃之间的最大区别。这也是植物基因图谱中发现的金属相关压力的最有可能的原因。

因此,月球基质中凝集物的存在导致阿波罗幼苗与在JSC-1A中生长的幼苗,特别是阿波罗-11的幼苗相比,显得十分艰难。月球岩石样本中凝集物的丰度取决于材料暴露在地表的时间长度,这被称为月球土壤的“成熟度”。

高度成熟的土壤已经在地表上存在了很长时间。它们被发现在那些没有被最近的撞击事件所扰乱的地方,而不成熟的土壤(来自地表以下)则出现在新火山口周围和陡峭的火山口斜坡上。

三个阿波罗样本的成熟度各不相同,其中阿波罗11号的材料是最成熟的。它含有最多的纳米相铁,并在其基因图谱中表现出最高的金属相关的压力标记。

年轻土壤的重要性

该研究的结论是,与不太成熟的土壤相比,更成熟的雷石是生长幼苗的有效基质。这是一个重要的结论,因为它证明了植物可以在月球栖息地中以雷石为资源进行生长。但是,栖息地的位置应以土壤的成熟度为指导。

我突然想到,这些发现也可能适用于我们地球上的一些贫困地区。我不想重提 “为什么把这些钱花在太空研究上,而这些钱可以更好地花在学校和医院上?”的老论点。这将是另一篇文章的主题。

但是,从这项研究中产生的技术发展是否可以在地球上应用?已经了解到的与压力有关的基因变化是否可以用来开发更抗旱的作物?或者可以容忍更高水平的金属含量的植物?

如果让植物在月球上生长有助于帮助地球上的花园长得更绿,这将是一项伟大的成就。

本文作者:

Monica Grady,地球学和空间科学教授,开放大学

本文由世界经济论坛与The Conversation联合发布,首次发表于世界经济论坛Agenda播客,转载请注明来源并附上本文链接。

翻译:程杨

校对:王思雨

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