在天宫二号上种粮种草的400天
2019-03-15
以下文章来源于SELF格致论道讲坛，作者SELF格致论道讲坛
我们送上太空的是植物种子。在地面，种子埋在土壤里，为它浇水，有合适的温度和阳光，它就能萌发。但在太空中操作就非常复杂了，因为太空中水和空气很难分离，水难以落进土壤，土壤里的空气也出不来，加多少水更不好控制。
在SELF格致论道讲坛上，中科院上海技术物理研究所研究员郑伟波分享了去太空寻找生命秘密的故事。不知大家有没有想过，我们未来有一天去太空旅行，或者太空移民的时候会遇到什么问题？首先遇到的可能是食物的问题，还有健康的问题。如果是短期太空旅行的话，食物可以由地面运上去，长期的太空旅行就要考虑在太空种植各种植物，培养各种动物，满足人对食物的需求。
太空指地球大气层以外的宇宙空间。太空是真空环境，没有空气，宇宙辐射也很强，同时还处于失重状态，和地球有很多不同。如何在太空培养动植物呢？我们有机会在“天宫二号”、“实践十号”和“天舟一号”上开展了一些生命实验。
SELF格致论道讲坛是中国科学院计算机网络信息中心与中国科学院科学传播局联合主办的科学文化讲坛，每月一期线下活动，分享科技文化新知、观点和思想！左上：实践十号 左下：天舟一号 右上、右下：天宫二号 太空培养的植物
我先介绍一下在太空中种植植物。植物生长需要阳光、空气和水。太空中没有空气，也没有水，需要从地面运上去，而且运上去的资源也非常有限，怎么种植呢？我们在“天宫二号”上种植了拟南芥和水稻，目的是研究微重力环境对植物生命节律的影响。
“天宫二号”高等植物培养箱 实验具体流程为：火箭发射前，我们把生物样品，拟南芥和水稻的种子放到一个装置里，再放到“天宫二号”上，随“天宫二号”发射入轨。在轨时，我们通过地面遥控启动实验，并让实验按照我们的要求开展。返回前要把整个实验“冻结”起来，避免地面环境影响实验结果。这就是太空生命科学实验的流程。
实验流程 在“天宫二号”上，水稻和拟南芥被放在高等植物培养箱中，体积只有300mm×300mm×400mm大小。此外，水稻和拟南芥要培养一年，而从地面带上去的水，每一个培养单元只有半瓶矿泉水的量，300毫升左右，远远不够。我们想到模仿地球大气圈的水循环：地表水蒸腾，升入空中遇冷形成雨水，再落回地面。但是，在太空中构建水循环缺少一个环节，因为太空中是失重环境，水形成后无法落回土壤。
于是我们利用毛细现象，把搜集到的水通过毛细管再送回土壤。这样的水循环过程可以满足植物一年的全生命周期的培养需求。我们送上太空的是植物种子。在地面，种子埋在土壤里，为它浇水，有合适的温度和阳光，它就能萌发。但在太空中操作就非常复杂了，因为太空中水和空气很难分离，水难以落进土壤，土壤里的空气也出不来，加多少水更不好控制。
种子萌发的条件：一是能够被水浸润，能够吸胀；二是能呼吸，种子全部浸没在水中会被淹死。天地之间的差别一直困扰着我们。后来我们想了一个办法，把水注入土壤后，通过毛细现象把水引走，让种子露出来呼吸，通过这种方式让种子萌发。
模拟水循环 因为地面存在重力，这种方法很难在地面验证。但我们通过摸索，并请力学所的专家进行计算，有了一定把握，可以去太空试一下。2016年9月15日，拟南芥和水稻种子随“天宫二号”发射入轨，8天之后太空实验启动。说实话，我们那时心里还是有点忐忑不安的，种子究竟能不能萌发，心里还没底。
“天宫二号”高等植物短日照太空实验 实验启动5天后，拟南芥种子冒出一个小芽。20天后，水稻的小芽也顶着一颗硕大的水珠冒了出来。那时我们真的非常开心，一颗悬着的心终于放了下来。
太空环境对植物有很多影响。如下图所示，中间植物是从太空带回来的，两边是地面的。从表观上看，太空植物的花骨朵像满天星一样，比地面植物多很多。另外，拟南芥在地面一般只有四五十天的寿命，而“天宫二号”上的拟南芥在太空中生长了400多天，寿命长得多。科学家正在对这些现象的具体原因做进一步的分析。
在太空培养胚胎 除了植物栽培，我们还在太空进行了细胞、胚胎的培养。胚胎由受精卵多次分裂而成，是生命的起点。胚胎的体外培养比细胞培养复杂，因为它更敏感，对环境的要求更高。在地面，胚胎可以完成从分裂到着床、长出后代的过程，但没有人知道太空中哺乳动物的早期发育过程能否完成。科学家想知道答案，因为今后无论是人类还是其他动物，胚胎发育是进行长期太空旅游必然要经历的过程。
实验是怎么做的呢？首先要构建一个适合胚胎发育的、类似于小鼠母体子宫的环境。这个环境非常苛刻，一开始我们一直培养不好。想了很多办法，比如用超声洗、冲洗，还有各种浸泡方式，尽量把环境中的杂质清除掉，但一开始都不行。
构建胚胎发育环境 后来，我们跟厂家了解生产工艺过程，发现在环境注塑过程中加入了一点脱模剂，后续的处理过程中很难把它处理掉，从而影响胚胎的发育。了解情况后，我们便通过抽真空的方式，令吸附在培养盒表面的附着物挥发掉，最后做出一个适合胚胎成长的、类似于小鼠子宫的一个环境。
构建胚胎发育环境 美国和日本科学家也做过类似实验，但没有成功，而我们做成了，而且把胚胎在太空中的整个发育过程用显微图像记录下来，科学家可以看得非常清楚，这对科学研究很有帮助。
小鼠胚胎的发育是一个不可逆的过程。胚胎解冻之后到形成囊胚，96个小时不可间断。卫星平台允许我们在发射前24小时进行安装，但24小时当中胚胎可能已经开始发育，影响微重力发育过程的研究。所以我们跟卫星平台交流，希望安装时间尽可能晚一点。但那时火箭已经加注了，要承担一定的风险。后来卫星平台允许我们在发射前8小时进行最后的安装，把胚胎样本装到实验装置，再装到卫星上。
下图是发射前小鼠两细胞胚胎的状态，入轨后，它在太空中从两细胞变成四细胞、八细胞……逐渐分裂成囊胚。太空中小鼠胚胎细胞发育 这个实验证明太空中能够完成小鼠早期胚胎发育。但发育过程会受到一些影响，科学家也正在对此做进一步的基因组分析。
如果将太空中发育的囊胚植入到小鼠母体，是能够长出小老鼠的。我们在地面做了这个实验，小鼠胚胎在培养箱发育成囊胚后，植入小鼠母体，真的生出了小老鼠。地面体外发育囊胚植入小鼠母体生出小鼠 干细胞太空实验
我们在“实践十号”和“天舟一号”上还开展了一些干细胞太空实验。干细胞是一种非常神奇的细胞，它不但能实现自我复制，还能分化成各种各样的功能细胞，比如心脏细胞，还有其他组成人体各种器官的细胞。干细胞研究是一个热点，科学家也想了解干细胞在太空中是否也能正常增殖和分化。
我们开发了“实践十号”干细胞箱和“天舟一号”生物反应器来进行实验。“实践十号”干细胞箱 “天舟一号”生物反应器 “实践十号”干细胞箱主要开展造血干细胞和神经干细胞在太空中增殖分化的实验。下图展示了太空中的神经干细胞，它们脱离了重力的约束后变得非常活跃。它会长出各种轴突，用其抓住细胞，形成神经组织。
神经干细胞太空实验显微视频 神经干细胞像八爪鱼一样，在太空中非常活跃。这个现象非常奇妙，我们在地面做了很多比对实验，都没有看到这样的现象。我们在“天舟一号”上开展了骨细胞和其他干细胞的发育实验。在太空中，宇航员可能会有骨质疏松，骨质会流失。究竟是因为成骨细胞增殖的少了，还是破骨细胞增殖的快了？搞不清楚原因，我们就在太空中进行这些实验。
骨细胞太空实验显微视频 还有其他干细胞的分化，比如向心肌细胞分化，向肝脏干细胞分化，或者是胚胎干细胞向生殖细胞分化，在太空能否完成这些过程？我们在“天舟一号”上配置了六台显微镜开展实验。
开展太空生命探索主要有两种手段：一是监视太空中的细微变化，检测手段多种多样，显微镜就是其中之一；二是把动植物或者细胞的太空实验样本带回地面，供科学家进一步分析。
“实践十号”返回的时候已经是晚上12点了，我们立刻把样品分解出来。科学家非常重视，连夜从内蒙古四子王旗赶到北京进行分析。我们在“实践十号”上还开展了其他一些实验研究，放置了家蚕培养箱、植物培养箱、高级植物培养箱等。
家蚕培养箱 植物培养箱 高等植物培养箱 地球虽然是人类的家园，但我们终将要走出地球，跨向宇宙。所谓“兵马未动，粮草先行”，需要我们开展多种多样的太空生命探索研究。我希望通过这个讲座，激起大家对航天探索的兴趣，更希望有同学未来能加入到我们太空生命研究的队伍。谢谢大家！
本文转载自公众号“SELF格致论道讲坛”（ID：SELFtalks） 《环球科学》2019年3月刊上市 点击图片 或点“阅读原文”立即购买 阅读原文