十二克月球土壤在一個樸素的UPS紙箱中運抵Robert Ferl的實驗室。
佛羅里達大學的園藝學家Ferl為這一刻等待了十多年。這個來自NASA的小紙箱裡裝著阿波羅11號、12號和17號任務的宇航員收集到的最後剩餘的未開封月球塵埃樣本，被稱為月壤。Ferl回憶說，儘管經過數月的練習，他還是用顫抖的手舉起了樣本。“這真是令人毛骨悚然，可怕的東西，”他說。“我的意思是，如果你把它掉下來會發生什麼？” Ferl和他的團隊即將成為第一批在實際月球土壤中種植植物的研究人員。
這項實驗獲准進行，是NASA的阿耳忒彌斯計劃推動的近期月球研究熱潮的一部分，該計劃旨在在本十年末將人類再次送上月球。這一次，NASA希望透過建立用於長期停留的月球表面前哨站，以及名為“門戶”的繞月空間站，以更可持續的方式探索月球——太空機構表示，這兩者都是為最終的火星宇航旅行進行的重要彩排。科學家們預計，如此長期的任務將需要可持續的食物來源。“所有的人類探索都是由維持宇航員食物供應的能力驅動的，”日本大阪的國際天體植物學研究倡議組織研究員Gil Cauthorn說。
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Ferl的研究於五月在《通訊生物學》上發表，為這一旅程邁出了重要的第一步，最終證明植物可以在月球土壤中生長。然而，幼苗未能僅在月壤中真正茁壯成長，這表明未來的月球農民在種植作物之前需要施肥。
為了測試月球土壤，Ferl和他的團隊將樣本分成12個900毫克的盆栽，並在每個盆栽中種植了擬南芥（芥菜和捲心菜的耐寒近親，是生物學中的標準“模式生物”）的種子。令他們欣喜的是，所有種子都成功發芽。然而，幼苗在下一個生長階段遇到了困難：建立健康的根系。“事實證明這相當有問題，”Ferl說。阿波羅幼苗生長緩慢，並表現出與過多的鹽、金屬和土壤氧化相關的極端脅迫跡象。這很大程度上與月球月壤形成的非地球條件有關——它遭受了太陽風、宇宙射線和隕石撞擊數十億年。但同樣關鍵的是它缺失的成分——即水和微生物。
收穫在月球土壤中生長的擬南芥植物。
&Tyler Jones，佛羅里達大學/IFAS
微生物是任何用於種植的土壤中最重要的組成部分之一。“它們發揮著巨大的作用，”西方學院的植物生理生態學家Gretchen North說，她沒有參與這項研究。共生細菌幫助植物調節生長激素，抵抗病原體，最大限度地減少環境脅迫，並吸收關鍵營養素，如氮。然而，月球月壤缺乏天然微生物群。沒有這種複雜的生物網路，在月球土壤中生長的植物難以管理養分吸收和脅迫。
缺水也會使土壤的稠度變得更糟。月壤是嚴格的非生物物質，當加入水時，會變得非常緻密，像水泥一樣。“很難讓那種東西不變成石頭，”Cauthorn說。
但這並不一定意味著透過新增額外的營養物質或堆肥作物以促進微生物生長，就不能將月球月壤製成可行的土壤。即使直接使用這種土壤，植物也有可能在紮根後存活一兩代。“農作物真的有能力勒緊褲腰帶並變得矮小，”North說。然而，如果沒有適當的土壤發育，“過一段時間，它們可能就無法完成我們對農作物所需的那些重要的事情了。”
儘管月球農業面臨著營養和微生物方面的障礙，但研究過模擬火星條件下植物生長的North懷疑，月球仍然比紅色星球的鏽土提供更肥沃的土壤。那是因為火星月壤富含高氯酸鹽，這是一種氧化性化合物，會阻礙植物生長，並可能對人類有害。
遲早，在地球之外種植農作物的能力對於在太空生活和工作至關重要。無論是在軌道棲息地還是在長途星際航行中，植物不僅可以成為可持續的食物來源，而且由於能夠產生氧氣和清除空氣中過量的二氧化碳，還可以成為生命支援系統的有益組成部分。“種植植物，這一切都是學習如何在您期望工作的太空環境中生存和繁榮的一部分，”NASA人類探索與行動任務理事會首席探索科學家Jake Bleacher說，他也沒有參與這項研究。更重要的是，從異世界月壤中種植農作物的方法也可能對管理地球上極度缺乏營養和水的土壤的農業有用。
“我們大多數人不會去太空，”Cauthorn說。“但是，如果我們能夠設計出一種在如此嚴酷的環境——如月球表面——中生產這類作物的方法，我們就可以將其應用於應對那些已經無法種植食物的地區的食物挑戰。”
未來，Ferl希望繼續研究生命如何在原本貧瘠的地球外土壤中紮根。但就目前而言，他和他的研究夥伴們對有機會用地球上僅有的幾份月球土壤之一進行實驗感到非常感激。“對我們來說，這過去是，現在仍然是一種真正的榮幸，”他說。
本文的一個版本，標題為“一株小小的幼苗”，被改編並收錄在2022年8月刊的《大眾科學》雜誌中。