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自20世纪初齐奥尔科夫斯基的作品问世以来，人们一直在讨论太空农业系统。这个概念的核心是通过光合生物和光产生氧气和食物。该领域的研究始于20世纪五六十年代的美国，之后，俄罗斯、日本、加拿大、中国也相继展开了这一领域的研究。太空农业与地表受控环境农业形成了良性互动关系，前者得益于后者，并对后者的发展产生了积极贡献。
太空农业发展史
1880年，小说家珀西·格雷格写了一个去往火星的太空旅行者的故事，故事里讲到他如何使用随身携带的植物来实现废物回收。几十年后的20世纪20年代，俄罗斯航空科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基描述了在温室密闭的环境下人类与植物可能的共存场景。
齐奥尔科夫斯基设想的农业模型可以收集阳光并在降低的气压下减少内部力量和结构质量。他还设计了一个温室模型草图，谈到在里面种植香蕉和其他作物。几十年后，在一本名为《火箭与太空旅行》的书中，作者威利·莱认为，如果太空旅行的时间相当长，可以通过种植作物来获取和储存氧气，并且认为南瓜是个不错的候选作物。
对人类与植物在太空中共生的兴趣促使人们開始测试藻类作为生命保障的可能性，以20世纪五六十年代杰克·迈尔斯和其他科学家为美国空军和美国航空航天局所做的工作为开始的标志。
太空农业系统的基础可以通过人类呼吸和植物光合作用的一般代谢方程来对比归纳，植物或其他光合生物体通过光合作用产生生物量与氧气，同时消耗空气中的二氧化碳。通过选择合适的物种，比如农作物，该生物量的一部分可以作为食物。此外，还有一个不太明显但具有相当价值的贡献，那就是废水可以通过循环回到植物中，所得的蒸腾物浓缩后可转化为洁净的水。
50多年来，太空农业和生物再生生命保障课题已激发了全世界无数才华横溢的研究人员，下面便是一些研究人员、设施及成果。
藻类“农业”
20世纪五六十年代，太空农业领域的初步研究主要集中在藻类，特别是小球藻属。小球藻具有耐活、繁殖快的属性，在培养器（如恒化器）中较易培养，可将光源直接嵌入培养器，或者将培养器围在光源周围，从而提供近乎完全的光吸收环境。这些研究表明，在面积为5平方米至50平方米的空间使用照明功率为10千瓦至100千瓦的光照能产生可供一人使用的氧气。研究人员还对其他藻类和蓝藻细菌进行了研究，包括蓝细菌、胞藻、栅藻、聚球藻和螺旋藻。
在美国学者进行以上这些研究的同时，俄罗斯研究人员正在封闭环境中使用藻类生物反应器和植物生成氧气。
大多数早期海藻研究的主要目的是利用其在“水星” 计划和“双子座”计划中产生氧气。遗憾的是， 初期研究中产生的氧气的质量和浓度都无法胜任短期任务，但这类研究还是引起了人们的广泛关注。
然而，将藻类转化为可食用的食物具有很大的挑战性。因为很多藻类的蛋白质和核酸含量过高，不利于饮食平衡，还有许多藻类含有大量人体不能消化的细胞壁成分。其他研究还发现，一些藻类和蓝藻细菌会产生毒性挥发物，正是这些毒性挥发物导致了20世纪70年代俄罗斯早期BIOS 项目（即长期载人航天生命保障地面模拟装置，是苏联科学院西伯利亚分院生物物理所于20世纪70年代早期研制的人工密闭“人-植物”生态系统）的失败。
太空农业植物
植物（作物）作为食物已被人类食用了数千年，而且具有与藻类相同的大气再生功能。美国航空航天局成立后不久，科研人员在俄亥俄州的赖特·帕特森空军基地召开了一次“生物物理研讨会”，会上列出了一个可为太空任务补充膳食的作物清单。选择的标准包括：具有在光照少、空间小的环境下生长的能力，高产，以及对氯化钠（来自尿液回收）的渗透应力具有耐受性。这个清单包括：莴苣、大白菜、花椰菜、甘蓝、萝卜、瑞士甜菜、蒲公英、新西兰菠菜、苋菜和甘薯。尽管有这么多的备选作物，但在20世纪六七十年代，美国空间计划中为生命保障而进行的作物测试都处于停滞状态。
在过去几十年间，植物的种植方式有了重大改进，包括使用高强度照明系统来实现更高的光照强度，采用植物间距法来减少光照浪费，使用水培方法以避免水分和养分胁迫，以及通过二氧化碳浓缩方法来提高光合作用率和产量，等等。这一系列措施使植物/ 作物的产量稳步提高，从而对藻类形成强有力的竞争。
俄罗斯的探索性研究
与此同时，作为BIOS计划的一部分，俄罗斯的生物再生测试也蓬勃发展起来。计划中对生活在封闭环境中的人员进行了测试，他们在封闭环境中种植作物作为主要食物来源，并利用小麦等作物实现大气再生;在有些实验中，还会将营养和水（来自尿液和洗衣水）回收到植物中。克拉斯诺亚尔斯克生物物理研究所的研究人员曾一度接近100人，在长达15年的时间里，一共进行了3次以人为研究对象的封闭生命保障测试。在一些测试中也使用了藻类（小球藻）培养器，日产氧气量高达1800升。
但是，当藻类生长室与植物生长室连通后，小麦的生长发育变缓了，麦穗枯瘦，马铃薯和番茄停止生长，黄瓜也不再开花且叶片变黄，甜菜叶里检测到浓度很高的花青素。这表明，藻类产生了一些不明毒性的挥发物。因此，在20世纪70年代末80年代初，BIOS计划将研究方向转向光合作用生产。据我所知，这是第一个超过田间产量的受控环境农业系统。
早期研究中使用的作物主要有甜菜、胡萝卜、莳萝、萝卜、大白菜、黄瓜、洋葱和酸模（俗名野菠菜）等，后期研究中使用的作物有香附、豌豆、胡萝卜、萝卜、甜菜、洋葱、莳萝、番茄、黄瓜和马铃薯，而小麦的种植贯穿整个研究阶段。
20世纪70年代，在为期两个月的测试期内，两个BIOS-3植物生长室（总面积为41平方米）共生产植物干质量约117千克，其中有37.4千克是可以食用的。测试中，BIOS-3生长室中二氧化碳的浓度从6‰至24‰不等，平均浓度超过1%。该数字表明，在密闭系统中达到人与植物的最佳水平还是可能的。有趣的是，超高浓度的二氧化碳对作物的影响一直是太空农业的一个重要领域。在研究后期，还测试过将人类尿液直接回收到小麦作物中的可能性，结果显示，营养液中的钠积累对被测试小麦的长势几乎没有什么影响，证明了已具备将废水中的营养和水直接回收到植物中的能力。 空间站的植物栽培史
国际空间站是一个在近地轨道上运行的科研设施，是人类历史上第9个载人的空间站。它其实就是一个建设在空间环境中的科学实验平台，这个平台上开展的研究并不仅限于天文、物理等专业，也包括医学、生物学等领域。
对在国际空间站种植植物而言，最主要的意义还是满足科研需求。空间站特殊的空间环境，如失重、大气组成、射线等，可以给科学家提供一个观察植物生长的特殊条件，或许可能让科学家观察到一些在传统环境下没有的特性，也许会给人类研究生命起源、物种进化带来更多的启示。同时，宇航员种植蔬菜等作物可帮助他们舒缓压力、放松心情。很多从太空归来的宇航员都回忆说，在漫长紧张的太空考察中，他们会一连花几个小时来观赏这些赏心悦目的绿植以放松心情。
说起空间站植物栽培的历史，必须首先介绍一下空间站的历史。空间站建设的鼻祖是苏联。“礼炮” 系列空间站由苏联建造，其中“礼炮1”号是人类的第一个空间站，这个系列的空间站在1971年至1985年间服役，一共发射了1号至7号。“和平”号是苏联设计建造的第8个空间站，它于1986年发射升空，并在接下来的10年间陆续追加了众多功能模块，一直被运用到2000年。苏联与美国在这里进行过宇航事业合作，28名不同国家的宇航员也曾到“和平”号工作。它在废弃后于2001年失控，坠入大气层烧毁。
1998年11月，现行国际空间站的第一个部件“曙光” 号功能货舱发射升空，随后陆续发射模块对其逐渐进行扩充。它由多个国家分工建造、联合运用，是目前人类拥有过的规模最大的空间站。
由于率先建造空间站的缘故，苏联的科学家也成为空间植物科学的先驱。真正大规模进行空间植物实验是在“和平”号空间站上，位于莫斯科的俄罗斯科学院生物医学问题研究所和俄罗斯科学院西伯利亚分院生物物理研究所是当仁不让的主力军，他们设计建造了适宜失重条件的栽培装置，在空间站进行了诸如生菜、小麦等植物的栽培实验，得到了很多原创性的发现。20世纪90年代，他们在空间站进行了157天小麦循环栽培实验，这些小麦株高只有13厘米，每株只有1个穗，不分蘖，但返回地面后，它们又重现了原始性状。这些看似神奇的发现，立刻引发了各国植物学家、生态学家的兴趣。美国政府随后加大科研投入， 美国航空航天局会同美国几十所著名高校掀起了空间植物科学的研究热潮，肯尼迪航天中心和佛罗里达大学等科研院所的科学家对小麦、豌豆、生菜、拟南芥、洋葱、玉米等植物进行了多次飞行搭载实验，研究了诸如光强、光周期、失重、温度、干旱、辐射等环境条件对植物从宏观生态反应到微观基因、蛋白表达谱的影响的一系列研究，获得了从硬件栽培设备到软件栽培参数等诸多专利与成果。
“真酷！好吃！太新鲜了！” 2015年8月在空间站上品尝生菜的美国宇航员斯科特·凯利和日本宇航员油井龟美在视频中略带夸张地感叹道。
“这是个人的一小口，却是人类的一片大叶子。”当时，美国航空航天局在官网上略带调侃地评论说，“这让我们距离飞向火星又近了一步。”
2015年10月， 美国航空航天局宣布正式启动名为“Veggie”的在国际空间站种植花卉的计划，此次筛选的植物是百日菊。2016年1月，这些百日菊在空间站顺利绽放。
在太空种植作物，长远考虑是使其成为未来载人深空探索任务中生命保障系统的一部分。久处太空的宇航员需要富有营养的新鲜蔬菜，以补充维生素和其他微量元素。培育蔬菜的“太空温室”除了保证宇航员能吃到新鲜蔬菜外，对改善空间站以及飞船内的空气及水交换也能起到重要作用。此外，空间站栽培植物还有标记时间的作用，研究发现，在没有日夜交替和季节变化的太空中生活，航天员容易失去生理节律， 睡眠受到影响。“太空温室”可以帮助宇航员调节自身节律，让宇航员在花开花谢间看到时间的流逝。在太空中，植物是唯一随时间变化而变化的存在，它的作用不单单是时钟——看着植物的变化比看时钟带来的时间体验更强烈。
美国航空航天局称，放眼火星或小行星探测任务，太空农业将变得更为重要。未来，太空农业技术仍需取得重要突破，而且这类创新技术将惠及地球农业。研究植物在太空中的生长情况，或许有一天能够彻底解决地球上的粮食缺乏问失重条件下，植株根系生长受到干扰题。
当克拉斯诺亚尔斯克生物物理研究所致力大规模的地面太空农业实验时，其他俄罗斯研究人员，尤其是莫斯科的俄罗斯科学院生物医学问题研究所，开始测试如何在太空设施中（如“和平”号空间站或国际空间站）实际开展农业。于是，Svet植物生长室在“和平”号空间站应运而生，开始对小麦以及其他植物进行贯穿整个生长周期的研究。此后，人们以Svet植物生长室为蓝本建造了较小的Lada植物生长室，后者被送到国际空间站。Lada植物生长室针对小麦、豌豆、大麦展开大量研究，并对空间作物的食品安全问题进行研究。
Lada的各项硬件设施还被用来研究空间颗粒介质中水和气体的相互作用。生物医学问题研究所的尤利·别尔科维奇教授及其同事还研发了一种植物生长输送机，可以在微重力环境下连续生产。
美国航空航天局的研究
1980年，美国航空航天局开启封闭（或可控）生态生命保障系统，或称为CELSS计划，从而重启生物再生研究。此时的作物清单开始考虑人类更广泛的营养需求（如碳水化合物、蛋白质和脂肪），并开始考虑收获指数、食品加工和园艺要求。清单中常见的作物有：小麦、大豆、马铃薯、大米、甘薯、莴苣和花生。
美国航空航天局的CELSS计划在20世纪80年代迅速扩大，大部分研究都在大学开展，艾姆斯研究中心承担了部分研究。实验通常在具有电照明的生长室中进行，使用水培法或固体生长培养基方法培植。
美国航空航天局的研究人员还研究了二氧化碳增多对植物生长和生理的影响。此外，作为CELSS计划和随后的先进生命保障计划的一部分，研究人员就作物对温度、湿度、矿物营养、光合有效辐射、光周期，甚至光谱质量的应激反应进行了广泛的测试。美国航空航天局为威斯康星大学空间自动化与机器人中心提供资金，启动了用于宇宙飞船的宇宙培养植物生长室的LED测试。1990年，LED用于植物种植成为一项专利。之后，LED照明在受控环境农业中被广泛应用，这是空间研究反哺地球农业的一个很好的例证。此外，美国航空航天局还资助了针对空间飞行器（微重力环境下）的灌溉測试，例如在太空中使用多孔膜或管道来浇灌植物。 美国航空航天局在肯尼迪航天中心建造了生物质生产室（BPC），该生产室的运行时间为1988年至2000年，被称为“试验板” 计划。BPC是一个面积为20平方米的封闭种植区域，与在太空中可能遇到的情况类似。那时的人们并不知道，这可能是第一个垂直农业系统。测试内容包括4种小麦（每种种植时间约86天）、3种马铃薯（每种种植时间为105天）、3种大豆（每种种植时间为90天）、4种莴苣（每种种植时间为28天）、2种番茄（每种种植时间为85天），以及对大米与萝卜的探索实验。在同一养分溶液中对马铃薯的连续测试显示，第一次播种后形成了块茎诱导，这证实了生长室研究中观测到的结果，即营养液中积累了不明块茎诱导或激素类因子。
同时，BPC测试还允许利用光和二氧化碳来评估作物性能的瞬态变化、光合二氧化碳补偿点的测量等。美国航空航天局的BPC研究是首次跟踪不同作物的全冠层乙烯生产率的研究，结果表明正常生长和发育过程中都会产生乙烯，特别是在营养生长期、叶片快速膨胀期和更年性果实成熟期间。使用水培营养膜技术大规模培植马铃薯的研究显示，营养膜技术也适用于其他地下作物，如甘薯和花生。
尽管BPC测试的作物产量很高，但通常小于使用较小生长室进行研究测得的最佳产量。这是一个相当重要的观测结果，可能与以下几个因素相关：首先，较小生长室通常具有更明显的侧面照明边缘效应，从而提高产量;其次，面积越大，时间和物流需求越大，对个体植物的关注度通常会降低;第三，封闭空间内挥发性有机化合物的累积可能会对BPC 测试中的作物产量产生一些负面影响。
与俄罗斯人一样，美国航空航天局为封闭系统中的人类开发出了综合的生物再生生命保障测试功能。这些研究在美国航空航天局约翰逊航天中心进行，一系列测试的结果显示，强光照条件下只需要11平方米的小麦就可以满足一个人的需氧量。
该系列测试的下一步是建造一个更大的设施，使其最终能够为以植物为主要食物来源的受测人员提供生命保障需求。这一更大的设备就是悬液芯片系统（BIO-Plex），包括两个大型农业模型。同时，美国航空航天局还资助了旨在开发行星表面环境下有可能与人类栖息地相通的温室结构的各种尝试，该构想可以使用电照明，或者由系统直接捕获太阳光，或者由收集器采集阳光，再由光纤传输到受保护的栖息地。此外，还在美国南极站等孤立环境中进行了植物生长的相关测试，很好地模拟了太空中的孤立环境。
但是，BIO-Plex系统并没有完成使命，美国航空航天局的大规模生物再生生命保障系统也于2000年左右终止了。
“生物圈2”号
当然，在封闭生态系统的研究中，最令人印象深刻的努力之一就是20世纪80年代末至90年代初在美国亚利桑那州图森市附近设计和建造的由私人赞助的“生物圈2”号设施。这一封闭设施面积约1.2公顷，包括人类生活区和多种生态系统，动植物种类繁多，环境管理和控制能力复杂。“生物圈2”号的规模和复杂程度远远超过了大多数空间机构对早期任务所设的预想，他们的目标，即了解封闭生态系统和为人类生命提供保障的生物再生方法，对太空农业面临的挑战提供了深刻洞见。“生物圈2”号团队仍然在较小的实验室规模模块里进行实验，并在密闭系统中对诸如墨西哥豆、豇豆、甘薯和小麦等作物进行研究。同时，他们的这一行为也已被世界上各团体讨论和仿效。
在对包括太空农业在内的再生生命保障系统积极研究期间，由罗格斯大学的哈里·詹妮斯博士主编的《生命保障与生物圈科学》杂志（1994—2002）发表了大量与生命保障和太空农业有关的文章。该杂志后来更名为《栖息地研究》。尽管该杂志现已停止出版，但是它对20世纪90年代初至21世纪初期的生物再生和可控环境农业的研究提供了宝贵资源。
太空中的植物栖息地
美国航空航天局一直有致力太空種植方面研究的项目，BRIC就是其中之一。BRIC意为“密闭空间中的生物学研究”。该项目的研究平台是一个承载实验的密闭系统，在1997年11月开始的美国微重力载荷“哥伦比亚”号航天器STS-87项目期间首次使用，随后又被应用于STS-135项目，2011年7月，该项目完成了最后一次飞行任务。
美国航空航天局位于佛罗里达的肯尼迪航天中心BRIC项目负责人何塞·卡马乔说：“BRIC 项目所用的平台属于快速通道型设备，一次有效载荷6个月至8个月就可准备就绪，大多数项目需要的准备时间比这长得多。”
佛罗里达大学分子遗传学教授安娜·丽莎·保罗和威斯康星大学麦迪逊分校植物学教授西蒙·吉尔罗伊经美国航空航天局选拔参与了太空生物学研究。
保罗的研究专注于缺少对引力做出反应的未分化细胞在太空中的表现。未分化细胞是不成熟或发育不全的细胞，还没有获得某些特殊的结构和功能。
吉尔罗伊的研究内容则是外层空间的低氧条件对拟南芥种子的基因发育的影响。一般认为，根区低氧是外层空间飞行中产生的现象，因为失重造成浮力驱动对流，促进生物体周围的气体交换。这反过来导致限氧条件的形成，对植物活力和生产能力产生负面影响。
这些研究可以帮助我们理解环境刺激的交互作用如何影响失重环境中的植物发育。另外，植物分析将利用确定的突变定制植物，使其在外层空间茁壮成长，检验其潜力的大小。这些研究的最终目的是为长时间的外层空间生活提供食物，比如，要前往某个小行星或火星。
目前用于BRIC项目的反应容器体积为17.6厘米×10厘米×10厘米，可安装五六个有盖培养皿固定装置。
一位宇航员利用肯尼迪航天中心的制动设备研制了一种RNA稳定溶液。这种溶液可以中止幼苗和细胞的发育，使其就像凝结在时间中一样，停止所有的生物活动，然后被储存在空间站的冷冻库里，防止它们在“太空旅行”中遭到不良环境的破坏。
一旦进入国际空间站的实验室，在温度达到4℃时，实验就会启动。与此同时，位于地球的肯尼迪航天中心也会在空间站加工设施里进行相同的实验，为项目提供对照研究结果，以比较重力作用对植物生长的影响。 之前，肯尼迪航天中心的大部分工作都集中于接收、加工和发射其他中心研制的运载工具。但是，近几年，这里的一个工程师团队研发了一个植物栖息地，以研究植物在微重力的太空环境中生长的问题。
国际空间站地面加工和研究指挥部的植物栖息地项目经理布莱恩·奥纳特说：“这是肯尼迪航天中心首次牵头研发的空间站有效载荷大型项目。这个植物栖息地是一个大型封闭室，可以支持在空间站开展商业性植物研究和基础植物研究。”
这是一件有效载荷，会被安装在一个标准的加快处理实验空间站的机架上送入太空。这个多用途载荷托架系统为研究和科学实验提供了场所，支持跨越许多学科的科学研究，为其提供结构界面、动力、数据、冷却、供水及其他环轨科学载荷所需的物资。
美国航空航天局正在空间站对植物进行研究，以便在未来的长期太空任务中为宇航员提供食物。而且，它们还可以重复利用二氧化碳，将其转化为可供呼吸的氧气，这对宇航员来说非常重要。
奥纳特解释说，空间站上的多数实验都是一些大学或研究机构的项目负责人开发的。他说：“植物栖息地项目是想通过这种努力吸引更多的研究人员来参与此类研究。为此，我们已经与轨道科技公司（ORBITEC，位于威斯康星州麦迪逊市，是一家子系统集成及高科技开发公司）签约，请他们帮助设计、制造此类植物栖息地。”
植物栖息地的设计包括控制温度、湿度、二氧化碳水平和照明的能力。光照是植物生长的一个重要组成部分，这个有效载荷中使用的是发光二极管（LED）。实验证明，这种LED光可以满足植物生长的需要。在植物栖息地内部有一个托盘，用它来种植不同种类的植物，为植物生长实验提供主要的结构支持及植物根区用水，可卸载、可重构。这个托盘由一个结构原件、一个供水装置和一个标准的接入控制板组成，为种植在上面的植物提供基础的生长要素支持。这个设备还会为其他特殊实验提供数据测量方面的支持，供调查人员扩展植物栖息地的基础功能。
奥纳特说：“这些托盘有一整套系统，供宇航员进行实验，把水和植物生长需要的其他营养注入支持植物生长的媒介，支持项目负责人根据他们想种植的植物种类以及他们打算要做的实验种类对其进行调整。”植物栖息地可以利用空间的微重力，根据研究需要运行30天、60天或90天。
2015年8月10日，国际空间站的宇航员收获了一批“极品红”长叶莴苣，8月12日，他们在全世界航空爱好者的注视下用柠檬酸基食品安全卫生湿巾清洁了莴苣，品尝了这种可爱的蔬菜。他们只能吃掉其中一半，其余的要在空间站包装冷冻，送回地球供科学分析。
美国航空航天局用于植物实验项目的第一批实验装置于2014年5月由39号探险任务飞行工程师史蒂夫·斯汪森启动，同时，也由他负责浇水和护理。第一批蔬菜用了33天成长，在被收获后于2014年10月送回地球。在佛罗里达州肯尼迪航天中心，这些植物接受了食品安全分析。第二批于2014年7月8日由凯里启动，也让其生长33天后收获。这些种子都是在空间站存放了15个月后才被唤醒并开始生长的。
植物栖息地有一个扁平面板灯组，由红、黄、蓝三色二极管组成，在为植物生长提供光照的同时，方便宇航员对其进行观察。肯尼迪航天中心探索研究和技术项目办公室高级生命支持项目的负责人雷·惠勒博士说，利用LED灯光种植是美国航空航天局在20世纪90年代后期就提出的设想。
植物栖息地中植物周围的紫色、粉红色调是红灯和蓝灯组合所致，按照设计，它们比绿光LED放出更多的光。在光线中加入绿色光是为了让蔬菜看上去像能食用的食物，而不是奇怪的紫色植物。
惠勒说：“植物生长得有蓝色和红色波长的光。从电力转换的角度来说，这些光是效果最好的。綠光LED有助于促进人类对植物的视觉感知，但是没有红光和蓝光的帮助大。”
惠勒、马萨和加里·斯图特博士都来自肯尼迪航天中心，此前在美国航空航天局位于亚利桑那州弗拉格斯塔夫市附近的沙漠试验场研究类似的种植实验。惠勒说，绿色栖息地将帮助他们更多地了解受控农业环境的种植问题，比如立体农业（将植物架摞起来，使用水耕法种植，用红光和蓝光LED之类的电灯照明）。这种系统在亚洲有些国家很受欢迎，在美国也开始发展。
惠勒说：“初步实验证明，绿色栖息地也可以种植西红柿、蓝莓之类的新鲜食品，它们都是良好的抗氧化剂来源。如果能在外层空间种出这样的新鲜食品，不光可以帮助宇航员调节情绪，一定程度上还能够在外层空间防范辐射。”
在第一批收获的莴苣送回地面之后，马萨和一名航天医生以及美国航空航天局安全代表小组开始极力申请让宇航员长期食用这种产品，因为这些莴苣的微生物食品安全分析结果很好。
除了具有营养上的好处之外，在外层空间种植新鲜产品会不会产生心理上的好作用呢？亚历山德拉·惠特迈尔参与了解答这个问题的研究，他是位于休斯敦的美国航空航天局约翰逊航天中心的一名科学家。
惠特迈尔是美国航空航天局人类研究项目的行为健康与绩效研究科学家。她的团队注重与降低火星任务心理风险相关的研究，致力宇航员行为条件、绩效减弱以及集体交流和心理适应方面的研究。
惠特迈尔说：“未来的外层空间飞行任务可能涉及4名至6名机组人员，在一个有限空间里生活比较长的一段时间，交流受到限制。提供有效训练，让机组成员在执行任务期间具备有效的防范措施，这一点很重要。”
防范措施可能包括让工作富有意义，在居住环境中种植植物。惠特迈尔说，目前的研究已经表明植物与幸福和最佳效益相关，将植物作为长期探索任务期间的防范措施具有很大潜力。如果在极端的、压力很大的太空生活中有其他物种的陪伴，对宇航员的心理帮助极大。
马萨说：“人类离开地球越远、时间越长，就越需要能够种植植物，供给食品，促进空气再循环，改善心理状态。我认为，植物体系将成为任何长期探索项目的重要组成部分。 “我们希望增加作物的数量和类型，这样就能够更多地了解微重力条件下的种植，还可以观察光的质量对作物收成、营养和风味的影响，无论是在地球上还是在外层空间。”
宇宙蔬菜怎么长
重要的光合作用
在封闭的太空舱中进行蔬菜的培育，必须在非自然条件下为植物生长提供完备的条件。作为自养型生物，植物不需要获取有机质，而是摄取无机物进行生长。对植物来讲，最基本的过程就是光合作用，这也是植物生长的关键所在。
光合作用基本在植物的叶子中进行，更严格的说法，应该是在植物的绿色部位进行。在这些部位的细胞里，存在可进行光合作用的关键结构——叶绿体。在电子显微镜下，我们可以看到叶绿体具有两层膜结构，外膜和细胞膜同源，内膜与外膜在起源上有较大差别。根据内共生理论，内膜及其内的结构起源自可进行光合作用的原核生物，比如蓝藻类。或者说，植物细胞实际上起源自至少三类细胞的共生/寄生现象——作为主体的细胞本身、进行光合作用的原核细胞、进行有氧呼吸的细菌（今天的线粒体）。现在，经过亿万年的共生，叶绿体已经完全整合成了植物细胞的一部分，再也无法分开。在叶绿体的内部，存在着层叠状态的囊状薄膜结构，通常被称为类囊体。与光合作用有关的一些酶，以及至关重要的光合色素就分布在类囊体上。
光合作用可以大致分成两个阶段。第一阶段以吸收、传递和转化光能为主要任务，反应核心是光合色素场所在类囊体上，常被称为光反应。当光照射在类囊体上时，光合色素被激发，开始进行电荷的传递，在这个过程中，光能被转变成了电能。这个过程多少有点像太阳能电池板的发电过程。之后，这些电能被用来做两件事情，一件事情是将水分解掉，产生蕴含着能量的、具有强还原性的还原型辅酶Ⅱ（NADPH），然后释放出氧气（毫不客气地说，我们赖以生存的氧，实际上只是光合作用毫无用处的副产品）;另一件事情则是把这些电能储存在一种被称为ATP的高能磷酸化合物中。到光反应完成的时候，能量最终被储存在NADPH和ATP等非常活跃的化学物质中，转变成了活跃的化学能。
接下来，才是真正生产有机物的过程。
光合作用的第二个阶段被称为暗反应/ 碳反应，这个过程发生在类囊体周围，叶绿体内的液体环境里。首先，从环境中吸收的二氧化碳与1，5- 二磷酸核酮糖（RuBP）反应，生成两个3-磷酸甘油酸（PGA）。在这个过程中，二氧化碳被固定在了新形成的化合物中，然后被其传递，与光反应中的NADPH和ATP 反应，还原生成有机物，同时将活跃的化学能储存转化成稳定的化学能。有了这些有机物做基础，植物的生长发育才变成了可能，我们培育蔬菜才能成功。
光能和二氧化碳是光合作用必需的条件，同时，还需要保证适宜的温度和水分供应。
在密闭条件下维持植物的生长
与在地球自然环境中的开放式种植不同，外太空或者外星基地中种植的植物必须在密闭的条件下生长，我们必须用人工条件逐一去匹配、模拟自然条件。
首先，是恒温、恒湿。温度能够影响植物体内酶的活性，后者是对生命化学反应起到催化作用的有机物，通常是蛋白质。蛋白质等生物大分子依靠其空间结构发挥作用，但是这些空间结构要比无机物分子不稳定得多，也复杂得多，它们很容易受到环境因素的影响，如酸碱度、温度都会很大幅度地影响酶的活性。一旦酶的活性受到影响，植物体内的生命化学反应速率就会变化，轻则影响生长速率，重则造成物质合成的失衡，进一步造成植物体内分子生态的紊乱，引发疾病甚至死亡。植物自身具有调节体内酸碱度的能力，却几乎完全没有温度调节能力——换言之，植物体的温度几乎和室温同步波动。
维持植物生存的另一个重要因素就是水分。关于水分的调节应该包括室内的湿度和植物培养液的浓度——我們必须用培养液来代替土壤，为植物提供水和无机盐。然而，这是一个相当容易出问题的地方，因为植物时刻在进行蒸腾作用。对植物来讲，蒸腾作用必不可少，根系吸收水分之后，经由茎内部的导管结构向上运输到叶片蒸发。其关键作用，就是在水向上运输的同时，将根系吸收的、溶解在水中的无机盐运输到叶片。由于植物不存在循环系统，同时被运输上来的水分必须散失掉。这就使植物在事实上成为一台抽水机，不断将培养液中的水分抽走，而其结果，则是培养液被浓缩。一旦培养液被浓缩，植物就将面临吸水困难的问题——只有植物体内的溶液浓度大于培养液浓度时，根系才能吸水，反之，就会被吸水，造成植物萎蔫死亡。因此，必须维持水分的供应。同时，植物的根系在吸收无机盐的过程中具有选择性，其结果就是培养液的酸碱度会发生变化，这对植物是有影响的。因此，培养液中无机盐的配比是需要根据植物的种类进行调整的，并且要不断监测培养液的变化。
植物能够茁壮成长的关键是具有可进行光合作用的条件。首先是光照，为了节约能量消耗，要对光的波长做出筛选。通常，叶绿素主要吸收640纳米至660纳米的红光部分和430纳米至450纳米的蓝紫光部分，而类胡萝卜素种类较多，所需光照有所差别，通常主要吸收500纳米波长附近的光，也就是蓝紫光区的光。当代的LED技术是解决这一问题的主要途径，其能量损耗小，波长可定，是最佳选择。
二氧化碳和氧气的供应则应该与生命保障系统关联，做到循环使用，植物光合作用产生的氧气应该被收集，同时人、动植物呼吸产生的二氧化碳应该被反馈回种植空间，必要时，可通过化学制备来调整其浓度。
工厂化生产的解决之路
在地面，已经开始初步尝试工厂化生产蔬菜。具有讽刺意味的是，基于上述原理，最早开始进行实践的实际上是地下渠道——一帮见不得光的家伙偷偷摸摸地在黑屋里种植毒品。
现在，植物工厂将其技术升级，使用排架式种植。架子的每一层均可种植蔬菜，在这一层里，底部填充培养液，培养液上设置带孔的泡沫装置，植物就种植在泡沫孔中，漂浮在培养液上;顶板上是LED灯带，发出特定波长的光。如果将一个架子的各层平展开，相当于非常大的一块土地的生产力。 工厂化生产的结果是，蔬菜的种植和季节再也没有关系，也没有了种植地域的限制。因为任何季节、任何地方的气候环境和土壤环境都是可以人工模拟出来的。
目前，地面上已经有蔬菜工厂在建设、运营。只要你需要，就可以下单，然后由工厂进行生产，在约定的时间为你拿出产品。一旦订单下达，工厂就会开始培育幼苗。这些幼苗既可以用种子，也可以使用一种叫“植物组织培养”的方法，利用活组织里的细胞迅速克隆出大批幼苗。等幼苗在苗房中长到一定大小，就可以移栽到准备好的架子上进行培养了。由于光照不间断，植物的生长速度会比农田里快上很多。
那么，利用这种方法种出来的植物比田里的怎么样？八成会更好。
首先，尽管是高科技培育手段，但植物完全是自然生长，品质不会变差。其次，由于培养液的配置是非常严格的，成分已知，避免了土壤种植中日益严重的重金属污染。再次，由于工厂中没有害虫，自然不需要喷洒农药，你也就无须担心蔬菜上的农药残留。这才是真正的无公害蔬菜。而且，它的成本可能并不高。与早期的白炽灯不同，LED灯并不很耗电，它只释放出植物生长需要的光，不会造成过高的电费。而且工厂还很节水，它比农田种植节水95%，比传统无土栽培技术节水40%，还省去了农药钱。更可贵的是，层架种植节约了大量的土地。
由于不受气候土壤条件的控制，它完全可以建立在各种荒地、废地上，也能为生活在荒漠、海岛上的人们提供新鲜蔬菜。
以此为基础，在太空的密封舱内构建微型的蔬菜工厂，是最终解决太空蔬菜供应的方案。说不定将来我们在月球或者火星上建立了基地，也得靠它来生产蔬菜呢。
中国的太空育种實验
太空育种研究最早始于上个世纪60年代，我国于1987年开始投入这个领域，目前世界上只有中国、美国和俄罗斯三个国家成功地进行了太空育种研究，其中我国拥有的技术是最顶尖的。其实，在世界航天科技发展早期阶段，中国就已经在空间生物实验领域进行了自主探索，并獲得了一批研究数据。
1987年，中国利用返回式卫星第一次搭载农作物种子升入太空，开始进行太空育种实验。利用该技术，中国将辣椒、茄子、南瓜、水稻、小麦、玉米、绿豆等多类农作物种子发射到宇宙空间，通过宇宙射线的照射，获得增加其高产、稳产等优良性状的变异。1988年，太空育种被正式列入我国“863计划”，我国开始进行大规模的太空育种。
2006年，“实践八号”从酒泉卫星发射中心发射升空。它装载了粮、棉、油、蔬菜、林果、花卉等9大类、2000余份、约215千克的农作物种子和菌种，创造了中国开展航天育种研究以来搭载规模的纪录。
太空农业发展史
1880年，小说家珀西·格雷格写了一个去往火星的太空旅行者的故事，故事里讲到他如何使用随身携带的植物来实现废物回收。几十年后的20世纪20年代，俄罗斯航空科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基描述了在温室密闭的环境下人类与植物可能的共存场景。
齐奥尔科夫斯基设想的农业模型可以收集阳光并在降低的气压下减少内部力量和结构质量。他还设计了一个温室模型草图，谈到在里面种植香蕉和其他作物。几十年后，在一本名为《火箭与太空旅行》的书中，作者威利·莱认为，如果太空旅行的时间相当长，可以通过种植作物来获取和储存氧气，并且认为南瓜是个不错的候选作物。
对人类与植物在太空中共生的兴趣促使人们開始测试藻类作为生命保障的可能性，以20世纪五六十年代杰克·迈尔斯和其他科学家为美国空军和美国航空航天局所做的工作为开始的标志。
太空农业系统的基础可以通过人类呼吸和植物光合作用的一般代谢方程来对比归纳，植物或其他光合生物体通过光合作用产生生物量与氧气，同时消耗空气中的二氧化碳。通过选择合适的物种，比如农作物，该生物量的一部分可以作为食物。此外，还有一个不太明显但具有相当价值的贡献，那就是废水可以通过循环回到植物中，所得的蒸腾物浓缩后可转化为洁净的水。
50多年来，太空农业和生物再生生命保障课题已激发了全世界无数才华横溢的研究人员，下面便是一些研究人员、设施及成果。
藻类“农业”
20世纪五六十年代，太空农业领域的初步研究主要集中在藻类，特别是小球藻属。小球藻具有耐活、繁殖快的属性，在培养器（如恒化器）中较易培养，可将光源直接嵌入培养器，或者将培养器围在光源周围，从而提供近乎完全的光吸收环境。这些研究表明，在面积为5平方米至50平方米的空间使用照明功率为10千瓦至100千瓦的光照能产生可供一人使用的氧气。研究人员还对其他藻类和蓝藻细菌进行了研究，包括蓝细菌、胞藻、栅藻、聚球藻和螺旋藻。
在美国学者进行以上这些研究的同时，俄罗斯研究人员正在封闭环境中使用藻类生物反应器和植物生成氧气。
大多数早期海藻研究的主要目的是利用其在“水星” 计划和“双子座”计划中产生氧气。遗憾的是， 初期研究中产生的氧气的质量和浓度都无法胜任短期任务，但这类研究还是引起了人们的广泛关注。
然而，将藻类转化为可食用的食物具有很大的挑战性。因为很多藻类的蛋白质和核酸含量过高，不利于饮食平衡，还有许多藻类含有大量人体不能消化的细胞壁成分。其他研究还发现，一些藻类和蓝藻细菌会产生毒性挥发物，正是这些毒性挥发物导致了20世纪70年代俄罗斯早期BIOS 项目（即长期载人航天生命保障地面模拟装置，是苏联科学院西伯利亚分院生物物理所于20世纪70年代早期研制的人工密闭“人-植物”生态系统）的失败。
太空农业植物
植物（作物）作为食物已被人类食用了数千年，而且具有与藻类相同的大气再生功能。美国航空航天局成立后不久，科研人员在俄亥俄州的赖特·帕特森空军基地召开了一次“生物物理研讨会”，会上列出了一个可为太空任务补充膳食的作物清单。选择的标准包括：具有在光照少、空间小的环境下生长的能力，高产，以及对氯化钠（来自尿液回收）的渗透应力具有耐受性。这个清单包括：莴苣、大白菜、花椰菜、甘蓝、萝卜、瑞士甜菜、蒲公英、新西兰菠菜、苋菜和甘薯。尽管有这么多的备选作物，但在20世纪六七十年代，美国空间计划中为生命保障而进行的作物测试都处于停滞状态。
在过去几十年间，植物的种植方式有了重大改进，包括使用高强度照明系统来实现更高的光照强度，采用植物间距法来减少光照浪费，使用水培方法以避免水分和养分胁迫，以及通过二氧化碳浓缩方法来提高光合作用率和产量，等等。这一系列措施使植物/ 作物的产量稳步提高，从而对藻类形成强有力的竞争。
俄罗斯的探索性研究
与此同时，作为BIOS计划的一部分，俄罗斯的生物再生测试也蓬勃发展起来。计划中对生活在封闭环境中的人员进行了测试，他们在封闭环境中种植作物作为主要食物来源，并利用小麦等作物实现大气再生;在有些实验中，还会将营养和水（来自尿液和洗衣水）回收到植物中。克拉斯诺亚尔斯克生物物理研究所的研究人员曾一度接近100人，在长达15年的时间里，一共进行了3次以人为研究对象的封闭生命保障测试。在一些测试中也使用了藻类（小球藻）培养器，日产氧气量高达1800升。
但是，当藻类生长室与植物生长室连通后，小麦的生长发育变缓了，麦穗枯瘦，马铃薯和番茄停止生长，黄瓜也不再开花且叶片变黄，甜菜叶里检测到浓度很高的花青素。这表明，藻类产生了一些不明毒性的挥发物。因此，在20世纪70年代末80年代初，BIOS计划将研究方向转向光合作用生产。据我所知，这是第一个超过田间产量的受控环境农业系统。
早期研究中使用的作物主要有甜菜、胡萝卜、莳萝、萝卜、大白菜、黄瓜、洋葱和酸模（俗名野菠菜）等，后期研究中使用的作物有香附、豌豆、胡萝卜、萝卜、甜菜、洋葱、莳萝、番茄、黄瓜和马铃薯，而小麦的种植贯穿整个研究阶段。
20世纪70年代，在为期两个月的测试期内，两个BIOS-3植物生长室（总面积为41平方米）共生产植物干质量约117千克，其中有37.4千克是可以食用的。测试中，BIOS-3生长室中二氧化碳的浓度从6‰至24‰不等，平均浓度超过1%。该数字表明，在密闭系统中达到人与植物的最佳水平还是可能的。有趣的是，超高浓度的二氧化碳对作物的影响一直是太空农业的一个重要领域。在研究后期，还测试过将人类尿液直接回收到小麦作物中的可能性，结果显示，营养液中的钠积累对被测试小麦的长势几乎没有什么影响，证明了已具备将废水中的营养和水直接回收到植物中的能力。 空间站的植物栽培史
国际空间站是一个在近地轨道上运行的科研设施，是人类历史上第9个载人的空间站。它其实就是一个建设在空间环境中的科学实验平台，这个平台上开展的研究并不仅限于天文、物理等专业，也包括医学、生物学等领域。
对在国际空间站种植植物而言，最主要的意义还是满足科研需求。空间站特殊的空间环境，如失重、大气组成、射线等，可以给科学家提供一个观察植物生长的特殊条件，或许可能让科学家观察到一些在传统环境下没有的特性，也许会给人类研究生命起源、物种进化带来更多的启示。同时，宇航员种植蔬菜等作物可帮助他们舒缓压力、放松心情。很多从太空归来的宇航员都回忆说，在漫长紧张的太空考察中，他们会一连花几个小时来观赏这些赏心悦目的绿植以放松心情。
说起空间站植物栽培的历史，必须首先介绍一下空间站的历史。空间站建设的鼻祖是苏联。“礼炮” 系列空间站由苏联建造，其中“礼炮1”号是人类的第一个空间站，这个系列的空间站在1971年至1985年间服役，一共发射了1号至7号。“和平”号是苏联设计建造的第8个空间站，它于1986年发射升空，并在接下来的10年间陆续追加了众多功能模块，一直被运用到2000年。苏联与美国在这里进行过宇航事业合作，28名不同国家的宇航员也曾到“和平”号工作。它在废弃后于2001年失控，坠入大气层烧毁。
1998年11月，现行国际空间站的第一个部件“曙光” 号功能货舱发射升空，随后陆续发射模块对其逐渐进行扩充。它由多个国家分工建造、联合运用，是目前人类拥有过的规模最大的空间站。
由于率先建造空间站的缘故，苏联的科学家也成为空间植物科学的先驱。真正大规模进行空间植物实验是在“和平”号空间站上，位于莫斯科的俄罗斯科学院生物医学问题研究所和俄罗斯科学院西伯利亚分院生物物理研究所是当仁不让的主力军，他们设计建造了适宜失重条件的栽培装置，在空间站进行了诸如生菜、小麦等植物的栽培实验，得到了很多原创性的发现。20世纪90年代，他们在空间站进行了157天小麦循环栽培实验，这些小麦株高只有13厘米，每株只有1个穗，不分蘖，但返回地面后，它们又重现了原始性状。这些看似神奇的发现，立刻引发了各国植物学家、生态学家的兴趣。美国政府随后加大科研投入， 美国航空航天局会同美国几十所著名高校掀起了空间植物科学的研究热潮，肯尼迪航天中心和佛罗里达大学等科研院所的科学家对小麦、豌豆、生菜、拟南芥、洋葱、玉米等植物进行了多次飞行搭载实验，研究了诸如光强、光周期、失重、温度、干旱、辐射等环境条件对植物从宏观生态反应到微观基因、蛋白表达谱的影响的一系列研究，获得了从硬件栽培设备到软件栽培参数等诸多专利与成果。
“真酷！好吃！太新鲜了！” 2015年8月在空间站上品尝生菜的美国宇航员斯科特·凯利和日本宇航员油井龟美在视频中略带夸张地感叹道。
“这是个人的一小口，却是人类的一片大叶子。”当时，美国航空航天局在官网上略带调侃地评论说，“这让我们距离飞向火星又近了一步。”
2015年10月， 美国航空航天局宣布正式启动名为“Veggie”的在国际空间站种植花卉的计划，此次筛选的植物是百日菊。2016年1月，这些百日菊在空间站顺利绽放。
在太空种植作物，长远考虑是使其成为未来载人深空探索任务中生命保障系统的一部分。久处太空的宇航员需要富有营养的新鲜蔬菜，以补充维生素和其他微量元素。培育蔬菜的“太空温室”除了保证宇航员能吃到新鲜蔬菜外，对改善空间站以及飞船内的空气及水交换也能起到重要作用。此外，空间站栽培植物还有标记时间的作用，研究发现，在没有日夜交替和季节变化的太空中生活，航天员容易失去生理节律， 睡眠受到影响。“太空温室”可以帮助宇航员调节自身节律，让宇航员在花开花谢间看到时间的流逝。在太空中，植物是唯一随时间变化而变化的存在，它的作用不单单是时钟——看着植物的变化比看时钟带来的时间体验更强烈。
美国航空航天局称，放眼火星或小行星探测任务，太空农业将变得更为重要。未来，太空农业技术仍需取得重要突破，而且这类创新技术将惠及地球农业。研究植物在太空中的生长情况，或许有一天能够彻底解决地球上的粮食缺乏问失重条件下，植株根系生长受到干扰题。
当克拉斯诺亚尔斯克生物物理研究所致力大规模的地面太空农业实验时，其他俄罗斯研究人员，尤其是莫斯科的俄罗斯科学院生物医学问题研究所，开始测试如何在太空设施中（如“和平”号空间站或国际空间站）实际开展农业。于是，Svet植物生长室在“和平”号空间站应运而生，开始对小麦以及其他植物进行贯穿整个生长周期的研究。此后，人们以Svet植物生长室为蓝本建造了较小的Lada植物生长室，后者被送到国际空间站。Lada植物生长室针对小麦、豌豆、大麦展开大量研究，并对空间作物的食品安全问题进行研究。
Lada的各项硬件设施还被用来研究空间颗粒介质中水和气体的相互作用。生物医学问题研究所的尤利·别尔科维奇教授及其同事还研发了一种植物生长输送机，可以在微重力环境下连续生产。
美国航空航天局的研究
1980年，美国航空航天局开启封闭（或可控）生态生命保障系统，或称为CELSS计划，从而重启生物再生研究。此时的作物清单开始考虑人类更广泛的营养需求（如碳水化合物、蛋白质和脂肪），并开始考虑收获指数、食品加工和园艺要求。清单中常见的作物有：小麦、大豆、马铃薯、大米、甘薯、莴苣和花生。
美国航空航天局的CELSS计划在20世纪80年代迅速扩大，大部分研究都在大学开展，艾姆斯研究中心承担了部分研究。实验通常在具有电照明的生长室中进行，使用水培法或固体生长培养基方法培植。
美国航空航天局的研究人员还研究了二氧化碳增多对植物生长和生理的影响。此外，作为CELSS计划和随后的先进生命保障计划的一部分，研究人员就作物对温度、湿度、矿物营养、光合有效辐射、光周期，甚至光谱质量的应激反应进行了广泛的测试。美国航空航天局为威斯康星大学空间自动化与机器人中心提供资金，启动了用于宇宙飞船的宇宙培养植物生长室的LED测试。1990年，LED用于植物种植成为一项专利。之后，LED照明在受控环境农业中被广泛应用，这是空间研究反哺地球农业的一个很好的例证。此外，美国航空航天局还资助了针对空间飞行器（微重力环境下）的灌溉測试，例如在太空中使用多孔膜或管道来浇灌植物。 美国航空航天局在肯尼迪航天中心建造了生物质生产室（BPC），该生产室的运行时间为1988年至2000年，被称为“试验板” 计划。BPC是一个面积为20平方米的封闭种植区域，与在太空中可能遇到的情况类似。那时的人们并不知道，这可能是第一个垂直农业系统。测试内容包括4种小麦（每种种植时间约86天）、3种马铃薯（每种种植时间为105天）、3种大豆（每种种植时间为90天）、4种莴苣（每种种植时间为28天）、2种番茄（每种种植时间为85天），以及对大米与萝卜的探索实验。在同一养分溶液中对马铃薯的连续测试显示，第一次播种后形成了块茎诱导，这证实了生长室研究中观测到的结果，即营养液中积累了不明块茎诱导或激素类因子。
同时，BPC测试还允许利用光和二氧化碳来评估作物性能的瞬态变化、光合二氧化碳补偿点的测量等。美国航空航天局的BPC研究是首次跟踪不同作物的全冠层乙烯生产率的研究，结果表明正常生长和发育过程中都会产生乙烯，特别是在营养生长期、叶片快速膨胀期和更年性果实成熟期间。使用水培营养膜技术大规模培植马铃薯的研究显示，营养膜技术也适用于其他地下作物，如甘薯和花生。
尽管BPC测试的作物产量很高，但通常小于使用较小生长室进行研究测得的最佳产量。这是一个相当重要的观测结果，可能与以下几个因素相关：首先，较小生长室通常具有更明显的侧面照明边缘效应，从而提高产量;其次，面积越大，时间和物流需求越大，对个体植物的关注度通常会降低;第三，封闭空间内挥发性有机化合物的累积可能会对BPC 测试中的作物产量产生一些负面影响。
与俄罗斯人一样，美国航空航天局为封闭系统中的人类开发出了综合的生物再生生命保障测试功能。这些研究在美国航空航天局约翰逊航天中心进行，一系列测试的结果显示，强光照条件下只需要11平方米的小麦就可以满足一个人的需氧量。
该系列测试的下一步是建造一个更大的设施，使其最终能够为以植物为主要食物来源的受测人员提供生命保障需求。这一更大的设备就是悬液芯片系统（BIO-Plex），包括两个大型农业模型。同时，美国航空航天局还资助了旨在开发行星表面环境下有可能与人类栖息地相通的温室结构的各种尝试，该构想可以使用电照明，或者由系统直接捕获太阳光，或者由收集器采集阳光，再由光纤传输到受保护的栖息地。此外，还在美国南极站等孤立环境中进行了植物生长的相关测试，很好地模拟了太空中的孤立环境。
但是，BIO-Plex系统并没有完成使命，美国航空航天局的大规模生物再生生命保障系统也于2000年左右终止了。
“生物圈2”号
当然，在封闭生态系统的研究中，最令人印象深刻的努力之一就是20世纪80年代末至90年代初在美国亚利桑那州图森市附近设计和建造的由私人赞助的“生物圈2”号设施。这一封闭设施面积约1.2公顷，包括人类生活区和多种生态系统，动植物种类繁多，环境管理和控制能力复杂。“生物圈2”号的规模和复杂程度远远超过了大多数空间机构对早期任务所设的预想，他们的目标，即了解封闭生态系统和为人类生命提供保障的生物再生方法，对太空农业面临的挑战提供了深刻洞见。“生物圈2”号团队仍然在较小的实验室规模模块里进行实验，并在密闭系统中对诸如墨西哥豆、豇豆、甘薯和小麦等作物进行研究。同时，他们的这一行为也已被世界上各团体讨论和仿效。
在对包括太空农业在内的再生生命保障系统积极研究期间，由罗格斯大学的哈里·詹妮斯博士主编的《生命保障与生物圈科学》杂志（1994—2002）发表了大量与生命保障和太空农业有关的文章。该杂志后来更名为《栖息地研究》。尽管该杂志现已停止出版，但是它对20世纪90年代初至21世纪初期的生物再生和可控环境农业的研究提供了宝贵资源。
太空中的植物栖息地
美国航空航天局一直有致力太空種植方面研究的项目，BRIC就是其中之一。BRIC意为“密闭空间中的生物学研究”。该项目的研究平台是一个承载实验的密闭系统，在1997年11月开始的美国微重力载荷“哥伦比亚”号航天器STS-87项目期间首次使用，随后又被应用于STS-135项目，2011年7月，该项目完成了最后一次飞行任务。
美国航空航天局位于佛罗里达的肯尼迪航天中心BRIC项目负责人何塞·卡马乔说：“BRIC 项目所用的平台属于快速通道型设备，一次有效载荷6个月至8个月就可准备就绪，大多数项目需要的准备时间比这长得多。”
佛罗里达大学分子遗传学教授安娜·丽莎·保罗和威斯康星大学麦迪逊分校植物学教授西蒙·吉尔罗伊经美国航空航天局选拔参与了太空生物学研究。
保罗的研究专注于缺少对引力做出反应的未分化细胞在太空中的表现。未分化细胞是不成熟或发育不全的细胞，还没有获得某些特殊的结构和功能。
吉尔罗伊的研究内容则是外层空间的低氧条件对拟南芥种子的基因发育的影响。一般认为，根区低氧是外层空间飞行中产生的现象，因为失重造成浮力驱动对流，促进生物体周围的气体交换。这反过来导致限氧条件的形成，对植物活力和生产能力产生负面影响。
这些研究可以帮助我们理解环境刺激的交互作用如何影响失重环境中的植物发育。另外，植物分析将利用确定的突变定制植物，使其在外层空间茁壮成长，检验其潜力的大小。这些研究的最终目的是为长时间的外层空间生活提供食物，比如，要前往某个小行星或火星。
目前用于BRIC项目的反应容器体积为17.6厘米×10厘米×10厘米，可安装五六个有盖培养皿固定装置。
一位宇航员利用肯尼迪航天中心的制动设备研制了一种RNA稳定溶液。这种溶液可以中止幼苗和细胞的发育，使其就像凝结在时间中一样，停止所有的生物活动，然后被储存在空间站的冷冻库里，防止它们在“太空旅行”中遭到不良环境的破坏。
一旦进入国际空间站的实验室，在温度达到4℃时，实验就会启动。与此同时，位于地球的肯尼迪航天中心也会在空间站加工设施里进行相同的实验，为项目提供对照研究结果，以比较重力作用对植物生长的影响。 之前，肯尼迪航天中心的大部分工作都集中于接收、加工和发射其他中心研制的运载工具。但是，近几年，这里的一个工程师团队研发了一个植物栖息地，以研究植物在微重力的太空环境中生长的问题。
国际空间站地面加工和研究指挥部的植物栖息地项目经理布莱恩·奥纳特说：“这是肯尼迪航天中心首次牵头研发的空间站有效载荷大型项目。这个植物栖息地是一个大型封闭室，可以支持在空间站开展商业性植物研究和基础植物研究。”
这是一件有效载荷，会被安装在一个标准的加快处理实验空间站的机架上送入太空。这个多用途载荷托架系统为研究和科学实验提供了场所，支持跨越许多学科的科学研究，为其提供结构界面、动力、数据、冷却、供水及其他环轨科学载荷所需的物资。
美国航空航天局正在空间站对植物进行研究，以便在未来的长期太空任务中为宇航员提供食物。而且，它们还可以重复利用二氧化碳，将其转化为可供呼吸的氧气，这对宇航员来说非常重要。
奥纳特解释说，空间站上的多数实验都是一些大学或研究机构的项目负责人开发的。他说：“植物栖息地项目是想通过这种努力吸引更多的研究人员来参与此类研究。为此，我们已经与轨道科技公司（ORBITEC，位于威斯康星州麦迪逊市，是一家子系统集成及高科技开发公司）签约，请他们帮助设计、制造此类植物栖息地。”
植物栖息地的设计包括控制温度、湿度、二氧化碳水平和照明的能力。光照是植物生长的一个重要组成部分，这个有效载荷中使用的是发光二极管（LED）。实验证明，这种LED光可以满足植物生长的需要。在植物栖息地内部有一个托盘，用它来种植不同种类的植物，为植物生长实验提供主要的结构支持及植物根区用水，可卸载、可重构。这个托盘由一个结构原件、一个供水装置和一个标准的接入控制板组成，为种植在上面的植物提供基础的生长要素支持。这个设备还会为其他特殊实验提供数据测量方面的支持，供调查人员扩展植物栖息地的基础功能。
奥纳特说：“这些托盘有一整套系统，供宇航员进行实验，把水和植物生长需要的其他营养注入支持植物生长的媒介，支持项目负责人根据他们想种植的植物种类以及他们打算要做的实验种类对其进行调整。”植物栖息地可以利用空间的微重力，根据研究需要运行30天、60天或90天。
2015年8月10日，国际空间站的宇航员收获了一批“极品红”长叶莴苣，8月12日，他们在全世界航空爱好者的注视下用柠檬酸基食品安全卫生湿巾清洁了莴苣，品尝了这种可爱的蔬菜。他们只能吃掉其中一半，其余的要在空间站包装冷冻，送回地球供科学分析。
美国航空航天局用于植物实验项目的第一批实验装置于2014年5月由39号探险任务飞行工程师史蒂夫·斯汪森启动，同时，也由他负责浇水和护理。第一批蔬菜用了33天成长，在被收获后于2014年10月送回地球。在佛罗里达州肯尼迪航天中心，这些植物接受了食品安全分析。第二批于2014年7月8日由凯里启动，也让其生长33天后收获。这些种子都是在空间站存放了15个月后才被唤醒并开始生长的。
植物栖息地有一个扁平面板灯组，由红、黄、蓝三色二极管组成，在为植物生长提供光照的同时，方便宇航员对其进行观察。肯尼迪航天中心探索研究和技术项目办公室高级生命支持项目的负责人雷·惠勒博士说，利用LED灯光种植是美国航空航天局在20世纪90年代后期就提出的设想。
植物栖息地中植物周围的紫色、粉红色调是红灯和蓝灯组合所致，按照设计，它们比绿光LED放出更多的光。在光线中加入绿色光是为了让蔬菜看上去像能食用的食物，而不是奇怪的紫色植物。
惠勒说：“植物生长得有蓝色和红色波长的光。从电力转换的角度来说，这些光是效果最好的。綠光LED有助于促进人类对植物的视觉感知，但是没有红光和蓝光的帮助大。”
惠勒、马萨和加里·斯图特博士都来自肯尼迪航天中心，此前在美国航空航天局位于亚利桑那州弗拉格斯塔夫市附近的沙漠试验场研究类似的种植实验。惠勒说，绿色栖息地将帮助他们更多地了解受控农业环境的种植问题，比如立体农业（将植物架摞起来，使用水耕法种植，用红光和蓝光LED之类的电灯照明）。这种系统在亚洲有些国家很受欢迎，在美国也开始发展。
惠勒说：“初步实验证明，绿色栖息地也可以种植西红柿、蓝莓之类的新鲜食品，它们都是良好的抗氧化剂来源。如果能在外层空间种出这样的新鲜食品，不光可以帮助宇航员调节情绪，一定程度上还能够在外层空间防范辐射。”
在第一批收获的莴苣送回地面之后，马萨和一名航天医生以及美国航空航天局安全代表小组开始极力申请让宇航员长期食用这种产品，因为这些莴苣的微生物食品安全分析结果很好。
除了具有营养上的好处之外，在外层空间种植新鲜产品会不会产生心理上的好作用呢？亚历山德拉·惠特迈尔参与了解答这个问题的研究，他是位于休斯敦的美国航空航天局约翰逊航天中心的一名科学家。
惠特迈尔是美国航空航天局人类研究项目的行为健康与绩效研究科学家。她的团队注重与降低火星任务心理风险相关的研究，致力宇航员行为条件、绩效减弱以及集体交流和心理适应方面的研究。
惠特迈尔说：“未来的外层空间飞行任务可能涉及4名至6名机组人员，在一个有限空间里生活比较长的一段时间，交流受到限制。提供有效训练，让机组成员在执行任务期间具备有效的防范措施，这一点很重要。”
防范措施可能包括让工作富有意义，在居住环境中种植植物。惠特迈尔说，目前的研究已经表明植物与幸福和最佳效益相关，将植物作为长期探索任务期间的防范措施具有很大潜力。如果在极端的、压力很大的太空生活中有其他物种的陪伴，对宇航员的心理帮助极大。
马萨说：“人类离开地球越远、时间越长，就越需要能够种植植物，供给食品，促进空气再循环，改善心理状态。我认为，植物体系将成为任何长期探索项目的重要组成部分。 “我们希望增加作物的数量和类型，这样就能够更多地了解微重力条件下的种植，还可以观察光的质量对作物收成、营养和风味的影响，无论是在地球上还是在外层空间。”
宇宙蔬菜怎么长
重要的光合作用
在封闭的太空舱中进行蔬菜的培育，必须在非自然条件下为植物生长提供完备的条件。作为自养型生物，植物不需要获取有机质，而是摄取无机物进行生长。对植物来讲，最基本的过程就是光合作用，这也是植物生长的关键所在。
光合作用基本在植物的叶子中进行，更严格的说法，应该是在植物的绿色部位进行。在这些部位的细胞里，存在可进行光合作用的关键结构——叶绿体。在电子显微镜下，我们可以看到叶绿体具有两层膜结构，外膜和细胞膜同源，内膜与外膜在起源上有较大差别。根据内共生理论，内膜及其内的结构起源自可进行光合作用的原核生物，比如蓝藻类。或者说，植物细胞实际上起源自至少三类细胞的共生/寄生现象——作为主体的细胞本身、进行光合作用的原核细胞、进行有氧呼吸的细菌（今天的线粒体）。现在，经过亿万年的共生，叶绿体已经完全整合成了植物细胞的一部分，再也无法分开。在叶绿体的内部，存在着层叠状态的囊状薄膜结构，通常被称为类囊体。与光合作用有关的一些酶，以及至关重要的光合色素就分布在类囊体上。
光合作用可以大致分成两个阶段。第一阶段以吸收、传递和转化光能为主要任务，反应核心是光合色素场所在类囊体上，常被称为光反应。当光照射在类囊体上时，光合色素被激发，开始进行电荷的传递，在这个过程中，光能被转变成了电能。这个过程多少有点像太阳能电池板的发电过程。之后，这些电能被用来做两件事情，一件事情是将水分解掉，产生蕴含着能量的、具有强还原性的还原型辅酶Ⅱ（NADPH），然后释放出氧气（毫不客气地说，我们赖以生存的氧，实际上只是光合作用毫无用处的副产品）;另一件事情则是把这些电能储存在一种被称为ATP的高能磷酸化合物中。到光反应完成的时候，能量最终被储存在NADPH和ATP等非常活跃的化学物质中，转变成了活跃的化学能。
接下来，才是真正生产有机物的过程。
光合作用的第二个阶段被称为暗反应/ 碳反应，这个过程发生在类囊体周围，叶绿体内的液体环境里。首先，从环境中吸收的二氧化碳与1，5- 二磷酸核酮糖（RuBP）反应，生成两个3-磷酸甘油酸（PGA）。在这个过程中，二氧化碳被固定在了新形成的化合物中，然后被其传递，与光反应中的NADPH和ATP 反应，还原生成有机物，同时将活跃的化学能储存转化成稳定的化学能。有了这些有机物做基础，植物的生长发育才变成了可能，我们培育蔬菜才能成功。
光能和二氧化碳是光合作用必需的条件，同时，还需要保证适宜的温度和水分供应。
在密闭条件下维持植物的生长
与在地球自然环境中的开放式种植不同，外太空或者外星基地中种植的植物必须在密闭的条件下生长，我们必须用人工条件逐一去匹配、模拟自然条件。
首先，是恒温、恒湿。温度能够影响植物体内酶的活性，后者是对生命化学反应起到催化作用的有机物，通常是蛋白质。蛋白质等生物大分子依靠其空间结构发挥作用，但是这些空间结构要比无机物分子不稳定得多，也复杂得多，它们很容易受到环境因素的影响，如酸碱度、温度都会很大幅度地影响酶的活性。一旦酶的活性受到影响，植物体内的生命化学反应速率就会变化，轻则影响生长速率，重则造成物质合成的失衡，进一步造成植物体内分子生态的紊乱，引发疾病甚至死亡。植物自身具有调节体内酸碱度的能力，却几乎完全没有温度调节能力——换言之，植物体的温度几乎和室温同步波动。
维持植物生存的另一个重要因素就是水分。关于水分的调节应该包括室内的湿度和植物培养液的浓度——我們必须用培养液来代替土壤，为植物提供水和无机盐。然而，这是一个相当容易出问题的地方，因为植物时刻在进行蒸腾作用。对植物来讲，蒸腾作用必不可少，根系吸收水分之后，经由茎内部的导管结构向上运输到叶片蒸发。其关键作用，就是在水向上运输的同时，将根系吸收的、溶解在水中的无机盐运输到叶片。由于植物不存在循环系统，同时被运输上来的水分必须散失掉。这就使植物在事实上成为一台抽水机，不断将培养液中的水分抽走，而其结果，则是培养液被浓缩。一旦培养液被浓缩，植物就将面临吸水困难的问题——只有植物体内的溶液浓度大于培养液浓度时，根系才能吸水，反之，就会被吸水，造成植物萎蔫死亡。因此，必须维持水分的供应。同时，植物的根系在吸收无机盐的过程中具有选择性，其结果就是培养液的酸碱度会发生变化，这对植物是有影响的。因此，培养液中无机盐的配比是需要根据植物的种类进行调整的，并且要不断监测培养液的变化。
植物能够茁壮成长的关键是具有可进行光合作用的条件。首先是光照，为了节约能量消耗，要对光的波长做出筛选。通常，叶绿素主要吸收640纳米至660纳米的红光部分和430纳米至450纳米的蓝紫光部分，而类胡萝卜素种类较多，所需光照有所差别，通常主要吸收500纳米波长附近的光，也就是蓝紫光区的光。当代的LED技术是解决这一问题的主要途径，其能量损耗小，波长可定，是最佳选择。
二氧化碳和氧气的供应则应该与生命保障系统关联，做到循环使用，植物光合作用产生的氧气应该被收集，同时人、动植物呼吸产生的二氧化碳应该被反馈回种植空间，必要时，可通过化学制备来调整其浓度。
工厂化生产的解决之路
在地面，已经开始初步尝试工厂化生产蔬菜。具有讽刺意味的是，基于上述原理，最早开始进行实践的实际上是地下渠道——一帮见不得光的家伙偷偷摸摸地在黑屋里种植毒品。
现在，植物工厂将其技术升级，使用排架式种植。架子的每一层均可种植蔬菜，在这一层里，底部填充培养液，培养液上设置带孔的泡沫装置，植物就种植在泡沫孔中，漂浮在培养液上;顶板上是LED灯带，发出特定波长的光。如果将一个架子的各层平展开，相当于非常大的一块土地的生产力。 工厂化生产的结果是，蔬菜的种植和季节再也没有关系，也没有了种植地域的限制。因为任何季节、任何地方的气候环境和土壤环境都是可以人工模拟出来的。
目前，地面上已经有蔬菜工厂在建设、运营。只要你需要，就可以下单，然后由工厂进行生产，在约定的时间为你拿出产品。一旦订单下达，工厂就会开始培育幼苗。这些幼苗既可以用种子，也可以使用一种叫“植物组织培养”的方法，利用活组织里的细胞迅速克隆出大批幼苗。等幼苗在苗房中长到一定大小，就可以移栽到准备好的架子上进行培养了。由于光照不间断，植物的生长速度会比农田里快上很多。
那么，利用这种方法种出来的植物比田里的怎么样？八成会更好。
首先，尽管是高科技培育手段，但植物完全是自然生长，品质不会变差。其次，由于培养液的配置是非常严格的，成分已知，避免了土壤种植中日益严重的重金属污染。再次，由于工厂中没有害虫，自然不需要喷洒农药，你也就无须担心蔬菜上的农药残留。这才是真正的无公害蔬菜。而且，它的成本可能并不高。与早期的白炽灯不同，LED灯并不很耗电，它只释放出植物生长需要的光，不会造成过高的电费。而且工厂还很节水，它比农田种植节水95%，比传统无土栽培技术节水40%，还省去了农药钱。更可贵的是，层架种植节约了大量的土地。
由于不受气候土壤条件的控制，它完全可以建立在各种荒地、废地上，也能为生活在荒漠、海岛上的人们提供新鲜蔬菜。
以此为基础，在太空的密封舱内构建微型的蔬菜工厂，是最终解决太空蔬菜供应的方案。说不定将来我们在月球或者火星上建立了基地，也得靠它来生产蔬菜呢。
中国的太空育种實验
太空育种研究最早始于上个世纪60年代，我国于1987年开始投入这个领域，目前世界上只有中国、美国和俄罗斯三个国家成功地进行了太空育种研究，其中我国拥有的技术是最顶尖的。其实，在世界航天科技发展早期阶段，中国就已经在空间生物实验领域进行了自主探索，并獲得了一批研究数据。
1987年，中国利用返回式卫星第一次搭载农作物种子升入太空，开始进行太空育种实验。利用该技术，中国将辣椒、茄子、南瓜、水稻、小麦、玉米、绿豆等多类农作物种子发射到宇宙空间，通过宇宙射线的照射，获得增加其高产、稳产等优良性状的变异。1988年，太空育种被正式列入我国“863计划”，我国开始进行大规模的太空育种。
2006年，“实践八号”从酒泉卫星发射中心发射升空。它装载了粮、棉、油、蔬菜、林果、花卉等9大类、2000余份、约215千克的农作物种子和菌种，创造了中国开展航天育种研究以来搭载规模的纪录。