本月中，美國有科學家利用阿波羅（Apollo）登月任務帶回地球的月球土壤，首次成功實驗種出植物。到底在太空種植要面對什麼困難？隨着美國、中國、日本、印度等多國正密切部署載人登月，是次實驗成果是否預示了殖民月球、甚至火星，並非遙不可及？

1969至1972年間，美國太空人從阿波羅任務共帶回了382公斤月球表岩（regolith）。科學家早已對這些土壤樣本「虎視眈眈」，從十幾年前起向NASA申請索取土壤作研究之用。NASA兩度拒絕後，約一年半前終於批准了第三次申請。

NASA的阿波羅樣本策展人Ryan Zeigler向美國佛羅里達大學的園藝學家和地質學家借出了共12克、約莫2茶匙份量的月球土壤，它們是從阿波羅登月11號、12號和17號任務收集得來的。團隊成員、佛羅里達大學園藝科學家Robert Ferl說，他們希望回答兩個疑問：月球土壤可否種植，以及有朝一日如何可以幫助人類延長在月球逗留時間。他們月中於《通訊生物學》 （Communications Biology）期刊中發表實驗成果，宣布首次成功在月球土壤中種出擬南芥（Arabidopsis thaliana；thale cress）。

在月球土壤萌芽

擬南芥是一種原產於歐亞大陸和非洲的植物，又名阿拉伯芥、鼠耳芥等，是芥菜和其他十字花科蔬菜如西蘭花、花椰菜、抱子甘藍等的近親。由於這種植物細小易種，加上科學家早已徹底研究，2000年成為首個被完整基因測序的植物，所以方便用於遺傳實驗，是跟白老鼠、果繩一樣常被用作實驗的模式生物（model organism）。

研究團隊把擬南芥的種子分別放在三個阿波羅任務取得的樣本中栽種，在對照組則使用了一種模仿月球土壤的替代物質，並混入地球火山灰。樣品經灌溉，置於通風的環境和LED生長燈下。48至60小時後，所有種子開始發芽。研究者之一、佛羅里達大學園藝科學教授Anna-Lisa Paul說，這表示月球土壤並沒有中斷植物發芽所涉及的激素和訊號。

實驗展開六日後的另一項觀察發現，擬南芥在不同土壤中的生態狀況各異。最理想的是對照組，發芽迅速並長出寬闊而健康的葉。種於在月球土壤中的擬南芥幼苗則相對細小、生長較慢、大小不一，根部也發育不良；長出葉需時較長，部份還出現黑色或紅色色素，反映出代謝壓力和整體健康欠佳。阿波羅17號任務的樣本沒那麼差，其次為12號，最差是11號。

從基因上也可觀察到這種生長差異。實驗展開約莫二十日後，研究者從RNA測序觀察到，種於阿波羅11號、12號、17號任務土壤中的各棵擬南芥，分別改變了465、265和113個基因表達，大部份均與生長壓力相關。研究共同作者、地質學者Stephen Elardo解釋，水、碳、氮和磷在月球上匱乏，土壤自然缺乏支持植物生長的養分；再者，月球的表岩幼細但含有鋒利的碎片，並非好的基質，土壤還含有地球泥土中罕見的玻璃和鐵碎片，同樣會阻礙植物健康生長。

生長情況還與各土壤樣本的年齡有關。阿波羅11號任務的樣本取自月球的靜海（Sea of Tranquility），地質上最老；12號取自風暴洋（Ocean of Storms），經歷了相對近期的熔岩流；17號採自Taurus-Littrow山谷，其表面從地質年代而言，較受到新近的隕石和小行星阻擊影響。愈老的土壤理應暴露於宇宙射線和太陽風暴中愈長時間，土壤中含有愈多鐵粒和微細玻璃碎片。

火星種薯不是夢

儘管如此，每棵擬南芥均成功發芽，帶出了幾個重要意義。這次實驗相比過往的月球土壤研究有明顯新發現。在上世紀七十年代，科學家曾把月球土壤弄成碎粉，再加入少量到地球土壤中，對照植物生長狀況。這類實驗最主要的目的，只是確認月球土壤有否未知的病原體或毒素，結果實驗中的植物仍能茁壯成長。

中國嫦娥四號探測器2019年登陸月球「背面」時，同時帶有棉花、油菜、薯仔、擬南芥、酵母和果蠅6種生物進行簡單生物圈實驗。其中棉花種子雖然成功發芽，但是翌日已因為實驗裝置控溫失效而死亡，而且當時用的是地球而非月球土壤。而佛羅里達大學是次實驗，是首次成功在月球土壤中種植。

實驗結果對於未來太空探索的的重要性在於，「原位資源利用」（in situ resources utilization）也許是可行的，亦即人類有望在太空就地取材製造水、氧、能源、食物等，而非要從地球補給，令未來往月球、甚至火星探索更具可持續性。這也呼應了目前多國均在進行的研究——如何在月球和火星取得或製造水、氧氣等基本維生條件。

Ferl指出，除了提供食物充饑，以及提供營養予太空人防止壞血病之類的疾病，太空種植還可同時淨化空氣、去除人類呼出的二氧化碳和產生潔淨的水。NASA生物及物理科學首席研究員Sharmila Bhattacharya補充，在太空站或月球等與世隔絕的環境裏，種植綠色植物也對心理健康有益。NASA署長Bill Nelson說，實驗結果對地球上的人類也有裨益：「這些創新可以幫助我們了解植物如何有望克服糧食短缺地區的壓力條件。」

這項研究成果似乎也誕生在對的時候。Paul指出：「隨着NASA準備重返月球展開更長期的太空任務，我們知道如何利用月球上的原有資源來支持進一步探索，變得更加重要。」NASA正籌備「阿緹蜜絲」登月計劃（Artemis program），預計在2030年前運載首名女性和有色人種登陸月球南極，往後甚至要在月球表面建立長期科研的基地。其他國家如中國、日本、印度等也已經宣布了載人登月的時間表。

所以Nelson樂見實驗正面成果：「這研究對NASA長期人類太空探索目標很關鍵，因為我們需要利用月球和火星上的資源，為未來在深空生活和工作的太空人開啟食物來源。」Ferl說，實驗證明了「生命並不局限於地球」。他甚至已在設想，「我們能夠有月球農民嗎？」

Elardo補充，實驗中植物在不同地質年份土壤上反應不一，也對未來再登陸月球和建立居所時旳選址有所啟示，選址土壤比上述三項阿波羅任務所得樣本年輕才理想，例如在一些被未成熟的熔岩流覆蓋之處。

現時已有不少科學家模擬火星土壤來實驗種植。待NASA的毅力號（Perseverance）探測器收集火星土壤後，若同樣實驗種植成功的話，或許電影《火星任務》（The Martian）中主角在火星種薯仔的橋段，也不再流於科幻故事。

國際太空農場

太空大國和科學界幾十年前已研究太空種植。蘇聯在1966年測試將種子送上太空軌道，帶回地球後它們仍能成功生長；美國在阿波羅任務中也做過類似的事，種子返回地球後種出「月樹」（Moon trees）。

隨後，人類開始嘗試在太空種植。1982年，在蘇聯太空站Salyut 7上，擬南芥是第一種成功在太空種植的品種。到2000年代初，俄羅斯太空人已食用部份在太空種的農作物。NASA太空人也在2015年首次食用國際太空站內種的羅馬生菜，之後還種過東京白菜、水菜、生菜、紅俄羅斯羽衣甘藍、山葵、白菜、櫻桃蘿蔔等。去年11月，NASA、歐洲太空總署、日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）的太空人，首次進食國際太空站種的辣椒。NASA預期，在國際太空站上的小型種植實驗是重要的踏腳石，往後在太空中可發展出規模完備的農作物生產系統來支援太空人。

中國月球基地實驗裝置「月宫一號」總設計師、北京航空航天大學教授劉紅去年向內媒《科技日報》解釋，未來應該在太空種什麼，涉及多方面考慮。若要保障太空人生命，首先要估算人類在太空中對熱量、維他命等營養的總需求，再計算哪些植物搭配能夠滿足。其次，若在近地軌道太空站上種植，應傾向種植即摘即食的蔬果，因為在那種微重力環境下煮食困難。另外還要考慮植物是否容易栽培和管理、單位體積和能耗產出率等。

播種開拓後續研究

然而，要在太空或月球上種植，暫時仍有對諸多技術挑戰。首先，佛羅里達大學的研究成果仍有許多局限。Paul雖然強調實驗中的擬南芥可以食用，但「不是特別好吃。它本身不被視為是一種糧食農作物」。

其次，他們也坦言需要更多跟進研究。例如他們在論文寫道，需要「進一步的特性化和最適化研究，才能確定月球表岩層可以作為一種原位資源使用」；或者如Elardo說，要了解種植如何影響月球土壤：「月球土壤中的礦物質對於種植、澆水和加入養分，會有何反應？灌溉會否令土壤的礦物組成更適合植物生長？」研究團隊希望，日後能找出在月球土壤種植的最有效方法，以及如何消除實驗中植物面對的生長壓力。

所以，是次月球土壤實驗除了取得初步而重要成果，也同時拋出了更多問題，開啟更多研究方向。例如NASA的生物及物理科學首席研究員Bhattacharya好奇：「是否需要添加其他成份來幫助植物生長，如果要的話又是什麼？有沒有其他植物更能適應月球土壤？如果有，是哪些特質令它們有這能力？」

另一個事實是，這實驗雖然用了月球土壤，但仍然是在地球上種植。沒有參與研究的美國威斯康辛大學麥迪遜分校太空植物生物學家Simon Gilroy評論道：「真正重要的下一步是，要能夠在月球表面成功種植。」

至於在太空站內種植，由於太空的無重力或微重力環境，加上目前的規模和做法都是實驗性質，食物生產效率不高。例如有些植物授粉工作需要人手作業，淋水系統也較為累贅。NASA甘迺迪太空中心科學家Oscar Monje坦言，國際太空站上的「人工植物棲息地」實驗裝置（APH）「所使用的灌溉系統目前不適合用來生產農作物」。如何從實驗提升至工業層次，肯定是未來要解決的問題。

今年2月初，在科學刊期《天文學與太空科學前沿》（Frontiers in Astronomy and Space Sciences）有論文認為，鑑於目前成本、物流和技術上不成熟，要達致大規模太空農業生產，需要在自動化技術、機械人、機器學習上有新突破。

但「月宫一號」總設計師劉紅認為，相比偏向工程上的麻煩，更為根本的問題是，需要有系統地研究清楚植物在太空生長的科學規律。例如在太空種小麥的話，它在太空中進行光合作用機制、產量、產生的營養成份等，會否與在地球上種植不同。

不論哪個國家，未來的月球和火星載人探索必定不會只限於以往的「到此一遊」，而是以某種形式長期駐留。目前火箭升空成本已逐漸下降，下一步可否真正發展出太空農業，或許是決定人類能否殖民太空的重要指標。