首次成功!用月壤种出植物

原理 2022-05-14 20:32




在太空时代早期,多项阿波罗任务曾将月球表面的样本,也就是月壤,带回地球,送进实验室利用最先进的设备进行研究。


几十年过去了,这些样本中的三个已经被用来成功种植出了植物。在一项最新的研究中,科学家首次利用月壤种植出了耐寒、且得以广泛研究的拟南芥Arabidopsis thaliana


(图/UF, IFAS, Tyler Jones)


虽然这不是第一次尝试在月壤中种植植物,但却是第一次证明了月壤究竟为什么很难让植物茁壮成长。研究人员在基因层面详细检查并研究了这些植物,从而找出哪些不利的土壤环境因素可能对植物生长产生了影响。


如果有朝一日,我们需要对月球或火星这些宇宙近邻进行长期探索,甚至进行殖民,在地外环境中种植植物是绕不开的问题之一。现在,发表在《自然通讯·生物》上的这项研究已经开始提供答案。



  干燥贫瘠的月壤  


植物生长并没有那么容易,充足的阳光与温柔的雨露缺一不可,在野外,还需要忙碌的蜜蜂和蝴蝶为植物授粉,更重要的是,你需要条件良好、肥沃的土壤来提供必要的矿物质。


遗憾的是,在月球上这一切都不存在。月壤和地球上的土壤也是天差地别。首先,月壤不包含地球土壤所特有的那些有机物质,比如蠕虫、细菌,还有腐烂的植物物质。月壤也没有地球土壤中的那种足够的水量。


然而,两者的相似之处在于,月壤是由与地球土壤相同的矿物质组成的,因此,假如在未来的人类月球基地内,水、阳光和空气缺乏等问题都得以解决,那么月壤就应该有潜力用于种植植物。


研究表明,情况确实如此。在实验中,拟南芥的种子在阿波罗月壤样本中发芽的速度,与在地球土壤中发芽的速度相同。


但是,团队注意到,当地球土壤中的植物继续发育根和茎,并长出叶子时,阿波罗样本中的幼苗却出现发育不良的情况,根部状态糟糕


生长实验的第16天,不同土壤样本中的植物出现了明显的生长差异。(图/Paul et al.)


更有意思的是,三份阿波罗样本中的植物分别受到了不同程度的影响,其中,阿波罗11号样本的生长速度最慢。


虽然这三份样本来自不同的阿波罗任务,但其中月壤的化学和矿物学成分相当相似。同时,实验中用到的这份被称为JSC-1A的地球土壤,也并不是普通土壤。


它其实是一种专门为模拟月球表面而准备的矿物混合物,但不包含任何有机物。JSC-1A的起始材料是玄武岩,就像月壤一样,其中还添加了天然火山玻璃,模拟了玻璃质的粘合集块岩的存在,也就是那些与熔化的玻璃混合的小矿物碎片,这类物质在月壤中格外丰富。


换言之,这4份样本在化学和矿物学成分上并无太多差别。研究人员因此怀疑,营养物质的因素并不是唯一起作用的力量



  基因层面的调查  


在植物生长约20天后,团队收取了这些植物,并将它们磨碎,对其中的遗传物质进行了研究,这也是研究中的关键步骤,它揭示出了植物生长的更多细节。


基因层面的检查发现,所有阿波罗样本幼苗中的大部分胁迫反应,也就是对不利于植物生长的环境的最强烈的遗传反应,来自月球样本中的盐、金属和高活性的氧,后两者在地球土壤中并不常见


研究人员将实验中生长出的植物放入小管中,用于关键的基因分析。(图/UF, IFAS, Tyler Jones)


科学家认为,问题的关键应该就在粘合集块岩上,它是阿波罗月壤中的幼苗与地球土壤中的相比生长不良的潜在原因之一,也是三种月球样本之间生长模式产生差异的原因


粘合集块岩是月球表面的一种常见特征,由一个被称为月球园艺(lunar gardening)的过程形成。这是一种通过宇宙辐射、太阳风和微小的陨石对月球表面的轰击,也就是空间风化过程来改变月壤性质的方式。


由于没有大气来减缓微陨石的撞击,这些陨石会以极高的速度撞上月球表面,导致熔化,然后在撞击处快速冷却。渐渐的,小型的集料积少成多,并被玻璃固定在一起。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


这种纳米相的铁,成了阿波罗样品中的玻璃质粘合集块岩,与地球样本中的天然火山玻璃之间的最大差异。这也是在植物的基因图谱中出现金属相关胁迫的最有可能的原因。


换句话说,真实月壤中粘合集块岩的存在,使得阿波罗样本中的幼苗,特别是阿波罗11号的幼苗的生长倍加吃力。


月壤中粘合集块岩的丰度取决于材料暴露在月球表面的时间长度,这也被称为月壤的成熟度。成熟度非常高的月壤已经在表面存在了很长时间,它们出现在那些没有被最近的撞击事件扰乱的地方,而成熟度低的月壤(来自月球表面之下)则出现在新的撞击坑周围和陡峭的撞击坑斜坡上。


来自不同阿波罗任务的三份样本,分别取自月球的不同区域,因此月壤的成熟度各不相同,其中阿波罗11号的物质成熟度最高。它含有最多纳米相的铁,并在基因图谱中表现出了最高的金属相关的胁迫标记。



  选择合适的土壤  


研究总结认为,与成熟度高的月壤相比,更不成熟的月壤才是幼苗生长的有效基质。这至关重要,因为它表明,植物的确有机会以月壤为资源进行生长。但具体取样位置的选择还要以土壤的成熟度作为重要指标。


此外,一些科学家认为,这项研究或许也可以对地球上的植物生长、作物种植提供一些指导。如果让植物在月球上生长同样有助于帮助地球上变得更有生机,这确实是一项伟大的成就。


#创作团队:

撰文:Takeko

排版:雯雯

#参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/biological-physical/scientists-grow-plants-in-soil-from-the-moon

https://theconversation.com/how-to-grow-plants-on-the-moon-new-study-182797

https://www.vice.com/en/article/z3naaa/scientists-grow-plants-in-moon-soil-for-first-time-in-major-breakthrough

#图片来源:

封面图&首图:Kevin Gill, Flickr, CC BY-SA

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