十二克月球土壤在一个朴素的UPS纸箱中运抵Robert Ferl的实验室。
佛罗里达大学的园艺学家Ferl为这一刻等待了十多年。这个来自NASA的小纸箱里装着阿波罗11号、12号和17号任务的宇航员收集到的最后剩余的未开封月球尘埃样本，被称为月壤。Ferl回忆说，尽管经过数月的练习，他还是用颤抖的手举起了样本。“这真是令人毛骨悚然，可怕的东西，”他说。“我的意思是，如果你把它掉下来会发生什么？” Ferl和他的团队即将成为第一批在实际月球土壤中种植植物的研究人员。
这项实验获准进行，是NASA的阿耳忒弥斯计划推动的近期月球研究热潮的一部分，该计划旨在在本十年末将人类再次送上月球。这一次，NASA希望通过创建用于长期停留的月球表面前哨站，以及名为“门户”的绕月空间站，以更可持续的方式探索月球——太空机构表示，这两者都是为最终的火星宇航旅行进行的重要彩排。科学家们预计，如此长期的任务将需要可持续的食物来源。“所有的人类探索都是由维持宇航员食物供应的能力驱动的，”日本大阪的国际天体植物学研究倡议组织研究员Gil Cauthorn说。
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Ferl的研究于五月在《通讯生物学》上发表，为这一旅程迈出了重要的第一步，最终证明植物可以在月球土壤中生长。然而，幼苗未能仅在月壤中真正茁壮成长，这表明未来的月球农民在种植作物之前需要施肥。
为了测试月球土壤，Ferl和他的团队将样本分成12个900毫克的盆栽，并在每个盆栽中种植了拟南芥（芥菜和卷心菜的耐寒近亲，是生物学中的标准“模式生物”）的种子。令他们欣喜的是，所有种子都成功发芽。然而，幼苗在下一个生长阶段遇到了困难：建立健康的根系。“事实证明这相当有问题，”Ferl说。阿波罗幼苗生长缓慢，并表现出与过多的盐、金属和土壤氧化相关的极端胁迫迹象。这很大程度上与月球月壤形成的非地球条件有关——它遭受了太阳风、宇宙射线和陨石撞击数十亿年。但同样关键的是它缺失的成分——即水和微生物。
收获在月球土壤中生长的拟南芥植物。
&Tyler Jones，佛罗里达大学/IFAS
微生物是任何用于种植的土壤中最重要的组成部分之一。“它们发挥着巨大的作用，”西方学院的植物生理生态学家Gretchen North说，她没有参与这项研究。共生细菌帮助植物调节生长激素，抵抗病原体，最大限度地减少环境胁迫，并吸收关键营养素，如氮。然而，月球月壤缺乏天然微生物群。没有这种复杂的生物网络，在月球土壤中生长的植物难以管理养分吸收和胁迫。
缺水也会使土壤的稠度变得更糟。月壤是严格的非生物物质，当加入水时，会变得非常致密，像水泥一样。“很难让那种东西不变成石头，”Cauthorn说。
但这并不一定意味着通过添加额外的营养物质或堆肥作物以促进微生物生长，就不能将月球月壤制成可行的土壤。即使直接使用这种土壤，植物也有可能在扎根后存活一两代。“农作物真的有能力勒紧裤腰带并变得矮小，”North说。然而，如果没有适当的土壤发育，“过一段时间，它们可能就无法完成我们对农作物所需的那些重要的事情了。”
尽管月球农业面临着营养和微生物方面的障碍，但研究过模拟火星条件下植物生长的North怀疑，月球仍然比红色星球的锈土提供更肥沃的土壤。那是因为火星月壤富含高氯酸盐，这是一种氧化性化合物，会阻碍植物生长，并可能对人类有害。
迟早，在地球之外种植农作物的能力对于在太空生活和工作至关重要。无论是在轨道栖息地还是在长途星际航行中，植物不仅可以成为可持续的食物来源，而且由于能够产生氧气和清除空气中过量的二氧化碳，还可以成为生命支持系统的有益组成部分。“种植植物，这一切都是学习如何在您期望工作的太空环境中生存和繁荣的一部分，”NASA人类探索与行动任务理事会首席探索科学家Jake Bleacher说，他也没有参与这项研究。更重要的是，从异世界月壤中种植农作物的方法也可能对管理地球上极度缺乏营养和水的土壤的农业有用。
“我们大多数人不会去太空，”Cauthorn说。“但是，如果我们能够设计出一种在如此严酷的环境——如月球表面——中生产这类作物的方法，我们就可以将其应用于应对那些已经无法种植食物的地区的食物挑战。”
未来，Ferl希望继续研究生命如何在原本贫瘠的地球外土壤中扎根。但就目前而言，他和他的研究伙伴们对有机会用地球上仅有的几份月球土壤之一进行实验感到非常感激。“对我们来说，这过去是，现在仍然是一种真正的荣幸，”他说。
本文的一个版本，标题为“一株小小的幼苗”，被改编并收录在2022年8月刊的《大众科学》杂志中。