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說起在太空種菜，在你腦海中浮現的是太空人在無重力狀態下的太空艙內幫一棵棵青菜番茄施肥澆水，還是電影《絕地救援》（The Martian）麥特‧戴蒙（Matt Damon）所飾演的太空人兼植物學家瓦特尼在火星太空基地種植馬鈴薯維生並等待救援的有趣場景呢？其實這些並不只是電影小說裡的幻想，美國國家航空暨太空總署（NASA） 過去二十幾年內已嘗試在國際太空站（ISS）進行許多植物生長實驗並送回地球分析，近年來更致力於開發與改善可食用作物在微重力環境的生長設備。太空人在任務期間幾乎完全依賴吃冷凍乾燥的太空食品，儘管營養有保障，但也會有懷念新鮮蔬果滋味的時候。在太空種菜不僅能提供太空人可持續的營養來源與提供基礎科學實驗的數據，「太空園藝療法」亦能幫助太空人減輕任務所帶來的身心壓力，而植物進行光合作用所產生的氧氣未來更有可能被應用於太空艙內氧氣濃度的調節。

要想在地球以外的地方種植植物有哪些問題要解決？首先水、空氣、光照必不可少。地球上所有生物體內必要的生化反應皆需要水的參與，植物亦需要氧氣進行呼吸作用，二氧化碳與光則為進行光合作用所必需。此外，適當的生長溫度也確保各種重要的酵素蛋白進行生化反應，以維持植物體的生長與繁殖。無重力下物體呈失重狀態，液體只能呈球滴狀漂浮，不可能以地球上既有的模式栽種植物。為了解決這些問題，NASA與一些科技公司進行技術合作，開發出一套稱為「Veggie」的小型蔬菜生長系統。Veggie利用LED產生低能耗的紅、藍、綠色燈光，並使用被動供水方式提供植物生長所需的光能與水。紅與藍波長的光是植物正常生長最低限度的需求，而綠光則增強人類的視覺感知，使這些蔬菜看起來更可口。Veggie系統裡有個稱為「植物枕」的設計，內部含有適當的生長介質以控制水分、通氣性與肥份，植物種子能在植物枕上發芽，並藉由根墊幫助後續生長。自2014年起這套模組化生長系統已成功用於ISS，培養出紅萵苣、番茄這類含高抗氧化劑的蔬菜，有助於太空人抵禦宇宙射線對身體造成的危害。

為了挑戰種植較大的作物，2018年的新型植物培養系統「APH」提供更大的生長空間（約為迷你冰箱大小）以種植矮化小麥與白菜等植物。與Veggie相比，APH還配備有白光與遠紅光的LED與多種感測器，太空人可以微調特定光強度、濕度與溫度最佳化不同植物喜好的生長環境。大型植物需水量也較多，為了解決這個問題，研究團隊更設計發展出了一種名為「POND」的被動式軌道營養輸送系統，能更有效率的為植物澆水。與地球上的溫室相同，這類封閉的生長環境還存在一個問題：乙烯。乙烯是一種植物的氣體荷爾蒙，參與了蔬果成熟的生化代謝途徑，過多的乙烯會加速植物老化。雖然APH能夠自主性的運作，仍需要定期監測與更換系統內空氣組成，降低乙烯濃度，以最佳化植物生長。

植物生長所需因素大部分皆可透過人為控制模擬，但「重力」是唯一不太好控制的因素。宇宙空間中沒有重力，那麼植物能夠在無重力狀態下正常生長嗎？與地球上生長的植物不同，無重力環境生長下的植物失去了向地性，這對植物根對養分的吸收會造成什麼樣的影響呢？此外，宇宙輻射對植物生長也有許多未知的影響。宇宙空間中不像地球有大氣層的保護，生物體暴露於輻射中會傷害遺傳物質甚至造成致死突變，即使將輻射值控制在植物體生長忍受範圍內，也有可能改變正常的代謝生長途徑。在太空種菜提供理想環境探究地球上所不易研究的生物學問題，例如植物如何感受重力？重力又如何影響植物的生長、發育與代謝？探索其中所涉及的分子機制，未來或許能夠透過基因改造技術選育出最適合在太空環境生長的植物品種，以達到糧食生產的目的。

太空運輸既耗時又花錢（從地球到火星最快也要9個月！），完全仰賴來自地球的糧食補給似乎不太可行。雖然目前太空人可以利用Veggie或APH這類的無土培養系統在太空艙內種植蔬菜以供食用，但考慮到有朝一日人類若打算在其他地外天體建立基地以進行長期研究勘查甚至殖民，只吃菜是不夠的，必定也需要種植糧食作物作為可持續的碳水化合物來源。植物生長需要光、水、空氣與土壤（依地球標準）等，光、水以及空氣能夠以物理化學方式製造並循環利用，但土壤的質量體積是個大麻煩，千里迢迢的從地球運土似乎是不太聰明的做法。慶幸的是，雖然組成不同，一些天體例如月球或火星上也有土壤存在，這是不是意味著我們也可以像太空人瓦特尼在火星上就地取材開發馬鈴薯農地呢？有趣的是，2017年已有一些研究顯示在火星培育馬鈴薯或許真的可行。國際馬鈴薯中心（CIP）與秘魯利馬工程科技大學的研究團隊打造了一個稱為「CubeSat」的封閉環境來模擬火星高濃度二氧化碳與低壓環境，並利用取自秘魯南部沙漠的高鹽度乾燥土壤來栽培多種品種的馬鈴薯。研究發現，在改善土壤營養組成後，部分品種的馬鈴薯能在這種極端環境下生長。2019年荷蘭瓦赫寧恩大學的科學團隊更嘗試利用火星與月球的土壤模擬物上來栽種作物。就像真正的火星與月球土壤，這些模擬土壤含有與實物幾乎等量的鉛、鎘、銅等重金屬。除了菠菜外，研究顯示蘿蔔、番茄、豌豆等九種不同的作物皆能在模擬土壤中順利生長並收獲足量的可食用部分，經過檢驗這些作物可以安全食用，其中所含的重金屬含量甚至低於使用盆栽土壤種植的作物。更令人振奮的是，科學家也能從這些植物收穫具有繁殖力的種子，意味著在月球及火星持續耕種這些作物以養活未來的定居者是可行的。或許將來有一天人類會進入太空殖民時代，這些初步的技術研究可以作為不同星球上地球作物栽培的參考，以生產足量的糧食以供定居者食用。

自人類進入太空探索時代以來，對於太空的相關研究一直以來都有反對意見，地球上的問題已經夠多了，砸大錢研究如何在太空種菜簡直是吃飽太閒，但這種想法其實並不太正確。太空探索過程中必須克服無數的問題，其中所涉及的技術與知識具有廣泛的應用價值。想在太空種菜的想法能夠推進永續的封閉農業生態系統的發展，而這也能幫助解決地球上因為全球暖化、氣候變遷以及環境污染而產生的作物生產問題。「太空農場」在目前聽起來仍十分科幻，或許在我們有生之年仍無法完美克服宇宙空間中存在的各種極端逆境，但太空科技十分著重永續性，這些研究對於改善地球現有植物生態與糧食生產有許多幫助。萬一有一天地球不再適合人類生存，我們也能對各種極端的狀況準備好對策。畢竟，世上又有哪裡比太空更適合進行末日演習呢？

參考資料

1. Herridge, L. （2014, May 16）. Veggie Plant Growth System Activated on International Space Station. NASA. Retrieved April 2, 2020, from https://www.nasa.gov/content/veggie-plant-growth-system-activated-on-international-space-station.
2. McAllister, M. （2018, April 11）. Giving Roots and Shoots Their Space: The Advanced Plant Habitat. NASA. Retrieved April 2, 2020, from https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/Giving_Roots_and_Shoots_Their_Space_APH
3. Sempsrott, D. （2020, March 4）. The Shape of Watering Plants in Space. NASA. Retrieved April 2, 2020, from https://www.nasa.gov/feature/the-shape-of-watering-plants-in-space.
4. Lanatta, M. （2017, March 8）. Indicators Show Potatoes Can Grow On MARS. CIP. Retrieved April 2, 2020, from https://cipotato.org/blog/indicators-show-potatoes-can-grow-mars/.
5. Wamelink, G.W.W., et al. （2019）. Crop growth and viability of seeds on Mars and Moon soil simulants. Open Agriculture.