植物的種子，到了太空能萌發(fā)、生長、開花，進(jìn)而產(chǎn)生種子嗎？在空間站問天實(shí)驗(yàn)艙里，一項(xiàng)饒有趣味的植物生長實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行。

自7月28日實(shí)驗(yàn)單元安裝完成、7月29日通過地面程序注入指令啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)月來，隨艙發(fā)射的擬南芥和水稻種子，在微重力條件下都已萌發(fā)，目前生長狀態(tài)良好。

“擬南芥幼苗已長出多片葉子，高稈水稻幼苗已長至30厘米左右高，矮稈水稻也有5～6厘米高。”8月29日，在位于上海的中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，記者見到了承擔(dān)這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的研究團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、分子植物卓越中心研究員鄭慧瓊告訴記者，全球首個(gè)空間微重力條件下“從種子到種子”的水稻全生命周期培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，有望在不久后完成。

地球上的實(shí)驗(yàn)室比比皆是，為何要費(fèi)大力氣將20噸級的問天艙送到空間站去做實(shí)驗(yàn)？

“太空擁有一系列特殊環(huán)境條件，比如微重力、強(qiáng)輻射、高真空、超潔凈等，而人類夢想走出地球、步入深空，首先就需要開展一系列空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)?！敝袊茖W(xué)院空間應(yīng)用中心集成技術(shù)中心副主任、中國空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜總體主任設(shè)計(jì)師張璐說。在太空環(huán)境中，人類能否種出糧食？太空輻射，會讓細(xì)胞變異嗎？地球生物體，又能否在太空世代繁衍？

天上的植物生長實(shí)驗(yàn)怎么做

7月24日，空間站問天實(shí)驗(yàn)艙成功發(fā)射，并與天和核心艙交會對接。問天實(shí)驗(yàn)艙搭載了生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜、生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)柜等科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜。

7月28日，載有實(shí)驗(yàn)樣品擬南芥種子和水稻種子的實(shí)驗(yàn)單元，由航天員安裝至問天實(shí)驗(yàn)艙的生命生態(tài)通用實(shí)驗(yàn)?zāi)K中。次日，完成第一次液體加注，并開始在軌實(shí)驗(yàn)。這也是問天實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)首次開展實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)柜。

在小型受控生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)K中，藻類的光合作用還需要照明系統(tǒng)，加之整個(gè)系統(tǒng)都需要實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此整個(gè)裝置還配備了照明和攝像設(shè)備。田清說：“魚生長得比較好了之后，就會產(chǎn)卵，因此還需要一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，進(jìn)行魚卵的收集，將來魚卵由航天員帶回地面。”

中國科學(xué)院空間應(yīng)用中心研究員、載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)問天實(shí)驗(yàn)艙主任設(shè)計(jì)師趙黎平告訴記者，在空間微重力的條件下，實(shí)驗(yàn)通過調(diào)控光周期的途徑進(jìn)行。從8月5日開始，對水稻執(zhí)行12小時(shí)開、12小時(shí)關(guān)的照明周期，對擬南芥執(zhí)行16小時(shí)開、8小時(shí)關(guān)的照明周期，根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)要求，確保溫度、濕度、光照控制正常。

鄭慧瓊介紹，這一項(xiàng)目聚焦“微重力條件下高等植物開花調(diào)控的分子機(jī)理”，選取的空間實(shí)驗(yàn)樣品——擬南芥和水稻，是兩種模式植物。其中，擬南芥代表雙子葉、長日、十字花科植物，很多蔬菜，比如青菜、油菜等都屬于十字花科。而水稻代表單子葉、短日、禾本科植物，很多糧食類作物，比如小麥、玉米等屬于禾本科。

從空間站傳回的影像中可以看到，問天艙中的擬南芥和水稻種子萌發(fā)正常，并已進(jìn)入幼苗生長階段。鄭慧瓊說，有意思的是，離開地球重力，水稻葉子生長起初呈現(xiàn)螺旋形。眼下，高稈水稻達(dá)到了30厘米左右高，看上去“身軀”柔軟，像是“骨質(zhì)疏松”的樣子，矮稈水稻的葉子則有一部分“趴”在實(shí)驗(yàn)單元壁上。但總體發(fā)育進(jìn)程符合預(yù)期，有望在國際上首次在空間結(jié)出種子，完成微重力條件下“從種子到種子”全生命周期實(shí)驗(yàn)。部分?jǐn)M南芥已經(jīng)開始抽薹。

“影像透露的信息還很不全面，下一步我們將對植物的生長行為做量化統(tǒng)計(jì)分析?！编嵒郗偢嬖V記者，此次選擇的水稻種子生長周期較短，地面上的高稈水稻一般70天左右結(jié)籽，在太空可能需要更長時(shí)間，預(yù)計(jì)兩到三個(gè)月可以結(jié)出種子。實(shí)驗(yàn)過程中，將由航天員采集種子樣品、冷凍保存，最終隨航天員返回地面進(jìn)行分析。此前，國際上只在空間環(huán)境做了兩次水稻種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)，鄭慧瓊團(tuán)隊(duì)在“天宮二號”實(shí)驗(yàn)室培育的水稻也沒有這么高。

?“從種子到種子”的揭秘

在空間微重力條件下完成“從種子到種子”的全生命周期培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，聚焦三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題：微重力怎樣影響開花？微重力影響植物開花的分子機(jī)理是什么？能否利用微重力環(huán)境作用來控制植物的開花？圍繞這三個(gè)關(guān)鍵的科學(xué)問題，通過分析比較微重力在植物開花過程中的作用，可以獲取微重力調(diào)控開花的分子基礎(chǔ)與關(guān)鍵基因的表達(dá)變化，進(jìn)一步解析空間微重力條件下長日照和短日照植物開花基因表達(dá)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，以及二者在植物對空間環(huán)境適應(yīng)性中的作用機(jī)理。

“在此基礎(chǔ)上，我們可以獲得水稻空間培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，為進(jìn)一步解析空間微重力對水稻生長發(fā)育的影響及分子基礎(chǔ)，利用水稻進(jìn)行空間糧食生產(chǎn)提供重要理論指導(dǎo)。”鄭慧瓊說。

接下來，通過航天員在軌采集樣品，冷凍保存返回分析，科學(xué)家們可以揭示植物適應(yīng)空間環(huán)境的開花調(diào)控分子網(wǎng)絡(luò)及關(guān)鍵樞紐基因，并對其進(jìn)行功能驗(yàn)證，為下一步構(gòu)建適應(yīng)空間微重力環(huán)境的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)作物提供分子元件。

航天員帶回的擬南芥和水稻種子，今后還有機(jī)會繼續(xù)送往空間站，在太空進(jìn)行兩到三代的繁殖?！拔磥碛锌赡苄纬尚碌母拍睿瑤?dòng)微重力植物發(fā)育生物學(xué)研究的新發(fā)展，為未來空間蔬菜和糧食生產(chǎn)打下理論基礎(chǔ)?！敝袊茖W(xué)院院士、分子植物卓越中心主任韓斌說。

天然的研究場所

張璐介紹，近期發(fā)射的問天艙，其任務(wù)是以空間生命科學(xué)和生物技術(shù)的研究為主，在生命科學(xué)和生物技術(shù)微重力、物理空間材料科學(xué)、空間應(yīng)用新技術(shù)等4個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，部署了10余項(xiàng)研究主題。

“通過這些科學(xué)項(xiàng)目的實(shí)施，我們要研究多種空間環(huán)境要素下的基本科學(xué)規(guī)律機(jī)理，關(guān)注并深入研究空間環(huán)境各因素，對生命從分子到組織器官各層次的影響和作用機(jī)理，探索認(rèn)知生命體的太空生長發(fā)育與繁衍規(guī)律，以及人類太空長期生存面臨的主要健康保障問題等?！睆堣凑f。

空間站所能提供的特殊空間環(huán)境，為以上實(shí)驗(yàn)任務(wù)提供了天然的研究場所。中國科學(xué)院空間應(yīng)用中心研究員、應(yīng)用發(fā)展中心主任張偉介紹，空間站實(shí)驗(yàn)艙可以提供四大優(yōu)勢實(shí)驗(yàn)條件。

第一個(gè)特別之處在于，空間站“能提供長期的微重力、輻射等特殊研究環(huán)境”。

“長期”二字不可小覷。張偉說，在地球上，生命體和物質(zhì)受到重力的作用，某些本質(zhì)規(guī)律會被掩蓋，而在長期的微重力條件下，“我們有希望發(fā)現(xiàn)被重力掩蓋的物質(zhì)本質(zhì)規(guī)律”。

比如在微重力條件下，會產(chǎn)生一些神奇的物理效應(yīng)：微重力效應(yīng)可以使得浮力對流極大幅度地減小;也可以讓沉淀和分層現(xiàn)象基本消失;還可以使得壓力梯度極大幅度地減小。這些不同于地球環(huán)境的物理特性，或許會給我們司空見慣的實(shí)驗(yàn)帶來新的驚喜。

此外，不同于此前短暫送上太空的實(shí)驗(yàn)裝置和材料，張偉說，載人空間站的另一大優(yōu)勢就是“有人的參與”，更便于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)?zāi)K更換和維修維護(hù)。

同時(shí)，載人空間站可以進(jìn)行天地往返運(yùn)輸，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)樣品返回。比如在軌開展的生命、材料等科學(xué)實(shí)驗(yàn)，就有必要將實(shí)驗(yàn)后的樣品送回地球，回到地面再進(jìn)行進(jìn)一步研究。

張偉還表示，空間站特定的軌道高度，便于進(jìn)行天文、地球觀測和空間物理研究。以天文觀測為例，由于大氣的吸收和干擾，在地面無法對宇宙中的伽馬射線、X射線、紫外線、紅外線等進(jìn)行有效觀測，相關(guān)譜段的天文觀測，往往需要發(fā)射探測器到太空中開展觀測。

與得天獨(dú)厚的實(shí)驗(yàn)條件對應(yīng)，中國空間站還配備了豐富的實(shí)驗(yàn)資源。張偉透露，空間站建造完成后，將在軌運(yùn)行10年以上?？臻g站已研制了密封艙內(nèi)的先進(jìn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜、巡天空間望遠(yuǎn)鏡和艙外暴露實(shí)驗(yàn)裝置等。此外，密封艙外有獨(dú)立載荷接口和大型掛點(diǎn)，在應(yīng)用與發(fā)展階段規(guī)劃了數(shù)十個(gè)艙外載荷項(xiàng)目。

太空養(yǎng)魚體驗(yàn)別樣生存挑戰(zhàn)

正如張偉所說，為了完成預(yù)期實(shí)驗(yàn)任務(wù)，問天艙可謂大搞“精裝修”，部署了生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜、生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)柜、科學(xué)手套箱與低溫存儲柜、變重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，以及艙外暴露實(shí)驗(yàn)裝置等科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施。

其中生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜備受關(guān)注，它的重要功能之一，是為植物、水生生物、小型模式動(dòng)物等多類別生物樣品提供培養(yǎng)環(huán)境與生命保障。斑馬魚就是即將開展實(shí)驗(yàn)的生物樣品之一，它們將作為水生生物代表，體驗(yàn)太空生存挑戰(zhàn)。

中科院上海技術(shù)物理研究所空間生命科學(xué)儀器研制團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、問天艙生物技術(shù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師張濤介紹，斑馬魚實(shí)驗(yàn)將在小型受控生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)K開展。他說：“這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備支持魚、藻類和微生物形成的一個(gè)相對明確的生態(tài)系統(tǒng)，能夠在外太空，在外界資源支持很有限的情況下，形成一個(gè)自給的循環(huán)?！?/p>

太空養(yǎng)魚的“神器”究竟長什么樣？中科院上海技物所結(jié)構(gòu)工程師田清說，直觀看來，相比于我們普通的魚缸，它多了許多管線和傳感器。

“在這個(gè)系統(tǒng)里，有魚、有藻類、有微生物?！碧锴褰忉專坝捎谔罩恤~食無法下沉水底，我們專門設(shè)計(jì)了一個(gè)喂食單元;還設(shè)計(jì)了專門的營養(yǎng)液供給設(shè)備，為藻類提供營養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)過程中，藻類通過光合作用產(chǎn)生的氧氣，供魚類消耗;魚類呼出來的二氧化碳，供藻類進(jìn)行光合作用;魚類的排泄物，則可以作為藻類的營養(yǎng)供給?！?/p>

在小型受控生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)K中，藻類的光合作用還需要照明系統(tǒng)，加之整個(gè)系統(tǒng)都需要實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此整個(gè)裝置還配備了照明和攝像設(shè)備。田清說：“魚生長得比較好了之后，就會產(chǎn)卵，因此還需要一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，進(jìn)行魚卵的收集，將來魚卵由航天員帶回地面?！?/p>

為應(yīng)對緊急情況，這套設(shè)備還配備了緊急供氧系統(tǒng)、水質(zhì)置換系統(tǒng)等。張濤表示，這個(gè)實(shí)驗(yàn)，就是要在我國空間站實(shí)現(xiàn)小型受控水生生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建。

太空核酸檢測有看點(diǎn)

在為生物樣品提供生命保障的同時(shí)，問天艙的生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜還肩負(fù)對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)微生物安全監(jiān)測的重任。

小小微生物，也有大來頭。中科院上海技物所副研究員、問天實(shí)驗(yàn)艙生物技術(shù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)副主任設(shè)計(jì)師劉方武介紹，航天器長期在軌有氧密閉運(yùn)行過程中，微生物污染問題必須引起重視。

他舉例說，1986年到2001年在軌運(yùn)行的和平號空間站，就曾出現(xiàn)過108種細(xì)菌和126種真菌引發(fā)的微生物污染問題。其中不乏對人體健康有害，以及能夠引起飛船材料降解、腐蝕設(shè)備的微生物。

劉方武說，為了預(yù)防微生物污染，“我們現(xiàn)階段對生命生態(tài)和生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)里的微生物安全監(jiān)測，提供了兩種技術(shù)手段，一種是培養(yǎng)法，另一種就是我們應(yīng)對新冠所采取的方法——核酸檢測”。

要對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)里微生物進(jìn)行檢測，首先需要航天員手動(dòng)對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行采樣，并將樣品放入生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的微生物檢測模塊。接下來有兩個(gè)方法可以使用，一個(gè)是觀察培養(yǎng)法，通過加入培養(yǎng)基培養(yǎng)后，設(shè)備會對培養(yǎng)基上的菌落進(jìn)行自動(dòng)成像，地面科學(xué)家根據(jù)遠(yuǎn)程傳輸回來的圖像和數(shù)據(jù)對微生物的種類進(jìn)行鑒定;另一個(gè)是核酸擴(kuò)增檢測法，在樣品放入檢測模塊后啟動(dòng)核酸檢測流程，從而測出是否含有特定微生物及其含量。

值得一提的是，劉方武介紹，此前國際空間站檢測微生物是采用“在軌抗原+采集返回地面進(jìn)行檢測”的方式，而中國空間站直接在軌進(jìn)行培養(yǎng)和核酸檢測的技術(shù)方案，更具看點(diǎn)。

◎ 來源|綜合中國青年報(bào)、光明日報(bào)