今天，我們不止一次想象過，當我們的科技高度發達時，人類會成為太空移民嗎？我們的子孫後代會到其他星球旅行甚至是定居嗎？如果要實現這些目標，我們需要克服一個關鍵的困難：如何在遠離地球的地方養活自己。

大家都知道，人類目前的航天器前往火星的旅程需要花費數月的時間，如果是探索銀河系的其他星球，以目前的技術甚至還無法實現。在浩瀚的宇宙中給旅行者提供充足的食物是一個難以跨越的障礙，我們雖然可以選擇在飛船中儲存食物，但儲存足夠食用數月的食品同時會佔用航天器的運載空間，加大它的重量，成本也會上升。而且任何一種食物都有一定的保質期，因此就有科學家將眼光放在了太空種植技術上了。

與地球相比，太空中的環境條件十分惡劣。被帶上宇宙中的種子將會面臨著大劑量的紫外線和宇宙射線的輻射，此外，低壓和微重力也是它將要經受的考驗。

歷史上早已有種子進入太空

可能是冥冥中自有天意，地球上第一批進入太空的旅行者正是種子。1946年，美國宇航局發射了攜帶玉米種子的V-2火箭，以觀察輻射會使它們產生什麼樣的影響。也是從那時起，科學界通過各種實驗手段了解了很多關於太空環境對種子發芽，代謝，遺傳，生物化學以及其他方面產生的影響的知識。

天體生物學家戴維·特普弗（David Tepfer）和悉尼·利奇（Sydney Leach）在一項科研任務中進行的實驗採用了與許多其他同類的種子實驗不同的方法：將種子放置在空間站的外部，暴露於宇宙輻射中而不是待在空間站。其目的不僅是要了解種子暴露在長期輻射中的影響，還要了解造成這些影響的分子機理。

種子有一定的自我防禦

植物的種子具有兩個很重要的的功能，特普費爾和利奇認為這些功能能使這些“模擬的太空旅行者”擁有經歷了輻射之後仍能存活的機會。

首先，種子內部包含有重要基因的多個副本：科學家稱之為冗餘。遺傳冗餘在開花植物中十分常見，尤其是諸如無核西瓜和草莓之類的植物。如果一個基因片段被破壞，還有另一段基因片段會發揮作用。其次，一般植物的種皮中會含有一種被稱為類黃酮的化學物質，這種物質可充當防晒霜，保護種子的DNA免受紫外線（UV）的損害。在地球上，臭氧層和地球的磁場會過濾掉一些有害的宇宙射線，最後到達我們身邊的輻射已經不足以影響我們的生存了。但是在太空中，是沒有這樣的保護層的。

那麼，這些特殊的功能是否足以讓種子在太空中存活甚至是繁衍呢？為了找出答案，特普費爾和利奇用菸草，擬南芥（研究中常用的開花植物）和牽牛花種子在國際空間站外和在地球上進行了一系列實驗。

實驗組與對比組的合理設定

兩位學者的EXPOSE-E實驗於2008年開展，實驗用的種子也飛上了國際空間站（ISS），整個實驗歷時558天。

他們將一部分種子儲存在國際空間站外部，放在特殊的玻璃後面，該玻璃不會過濾波長在110至400奈米之間的射線，而DNA恰好容易吸收該波長範圍內的紫外線。第二組相同的種子放在了國際空間站上面，但是完全遮蔽了紫外線。設計此實驗的目的是，對比受到空間中到處可見的宇宙射線輻射影響的種子與未受到輻射影響的種子的區別。

EXPOSE-R實驗附在國際空間站的外部

特普費爾和利奇為EXPOSE-E 選擇了菸草和擬南芥種子，由於它們都具有冗餘的基因組，因此在太空中的存活率很高。這些種子中還包括了新增抗生素抗性基因的基因工程菸草品種，計劃在種子歸來後測試該基因，並確定是否受到了任何損害。除了正常的擬南芥外，他們還選擇了兩種經過基因改造的植物種子進入太空，這些種子的種皮中的紫外線防護化學物質含量很少，此外還發送了純化的DNA和類黃酮。這給研究人員提供了廣泛的場景來進行對比，通過它們可以深入了解空間對種子的影響。

國際空間站的第二個任務被稱為EXPOSE-R，僅包括三種類型的擬南芥種子。由於比EXPOSE-E實驗時間更長（682天），實驗種子接受的紫外線輻射劑量多於前者的兩倍。最後，研究人員在實驗室中進行了地面實驗，將擬南芥，菸草和牽牛花種子暴露於非常高劑量的紫外線下一個月。

在完成了所有不同的暴露條件之後，是時候看看不同環境下的種子將會出現什麼樣的變化了。

研究人員得到了什麼結果？

當空間站中的種子返回地球后，研究人員首先測量了種子的發芽率。

他們發現：在實驗室中未遭受輻射的種子表現最好，其中超過90％的種子正常發芽。其次是在實驗室中暴露於紫外線輻射下一個月的種子，發芽率超過80％。而經歷過太空旅行的種子中，受到空間站保護的一組發芽率在60％左右，暴露於宇宙輻射下的一組僅有3％的發芽率。

從野生型和轉基因種子中生長出來的11種擬南芥植株一旦種植在土壤中就無法生存。此外，菸草植株會比正常情況下生長的更慢，但其生長速度會在後代中得以恢復。造成這種現象的原因是，菸草的種皮更厚實，基因組冗餘度也高於擬南芥，這就解釋了其明顯的生存優勢。

然而，當研究人員將抗生素抗性基因插入細菌後，他們發現這些純化的DNA進入太空後仍然可以起作用。這一發現表明，遺傳損害並不是使這些種子失去活性的主要原因。特普費爾和利奇將發芽率降低歸因於輻射對種子中除DNA之外的其他分子（例如蛋白質）的破壞，冗餘的基因組或內建的DNA修復機制無法克服這種損害，這個結論進一步說明了擬南芥植株為何無法在移植中倖存下來。

在地面實驗中，研究人員發現，輻射損傷程度與接收的輻射劑量有關：種子接受的輻射越多，種子的發芽率就越差。

未來可期

正是因為有了這些發現，才可以為未來的太空農業研究方向提供參考資料。科學家們可能會考慮對基因工程種子進行增強，以保護對蛋白質合成至關重要的細胞結構，例如核糖體。未來的研究還需要進一步探索儲存在太空中的種子如何克服微重力的影響併發芽、生長甚至是繁衍。

隨著科學家不斷深入的對太空是如何影響植物及其種子生長進行研究，我們將可以期待在宇宙間生產食物終將會實現。這也是朝著可持續的太空移民邁出的關鍵一步，也許有一天，太陽系的各個行星間將會充滿著人類的歡聲笑語。