在太空，科學(xué)實驗正在進(jìn)行。中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心高級工程師、應(yīng)用發(fā)展室副主任巴金介紹，中國空間站在軌運行的兩年間，已實施180余項科學(xué)與應(yīng)用項目，上行科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)近兩噸實驗?zāi)K、單元及樣品等科學(xué)物資，下行空間科學(xué)實驗樣品近百種，獲取科學(xué)數(shù)據(jù)超過265TB。經(jīng)國內(nèi)百位院士、千余位專家的多年論證，開展了包括空間生命科學(xué)與人體研究、微重力物理科學(xué)、空間天文與地球科學(xué)、空間新技術(shù)與應(yīng)用4個領(lǐng)域、32個研究主題的相關(guān)研究，配置了具有國際先進(jìn)水平的20余個艙內(nèi)科學(xué)實驗柜和3個艙外暴露實驗平臺，正在研制具有國際競爭力的2米口徑空間站巡天空間望遠(yuǎn)鏡(CSST)等設(shè)施。
1.太空種糧不是夢
進(jìn)入空間微重力環(huán)境，植物是否能夠正常生長呢？空間站提供了獨特的微重力環(huán)境，很多重要的農(nóng)業(yè)性狀——株型、根系的分布、葉的夾角、植株的高矮、莖稈的強度等都受到重力影響。中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心實驗師王麗華介紹，空間站微重力環(huán)境為揭示地球重力在植物生長發(fā)育中的作用本質(zhì)提供了新的視角和途徑。
早在2002年，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員鄭慧瓊課題組開展了從空間細(xì)胞融合到模式植物全生命周期培養(yǎng)的系列實驗。在中國空間站開展的“微重力下利用開花基因調(diào)控植物開花時間的分子途徑”項目主要研究內(nèi)容包括：分析比較微重力在植物開花過程中的作用；獲取微重力調(diào)控植物開花的分子基礎(chǔ)與關(guān)鍵基因的表達(dá)變化；解析長期空間微重力條件下，植物開花基因表達(dá)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)機(jī)制在植物對空間環(huán)境適應(yīng)性中的作用機(jī)理。
在微重力條件下高等植物開花調(diào)控的分子機(jī)理實驗項目中，科研人員利用在軌實時圖像和返回的擬南芥實驗材料，獲得了不同開花時間擬南芥響應(yīng)微重力的生長發(fā)育表型數(shù)據(jù)，和天地比對轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。王麗華介紹，這些數(shù)據(jù)不僅為深入解析植物通過調(diào)整開花時間，適應(yīng)空間微重力的分子機(jī)理提供了全新的視角，也為利用相關(guān)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件，人為控制空間植物的開花時間、培育具有較強空間環(huán)境適應(yīng)能力的植物，提供了新的途徑。
“中國空間站實驗證明了微重力條件再生稻生產(chǎn)的可行性，通過一次種植多次收獲，可以提高空間利用率，也為未來空間生命生態(tài)生保系統(tǒng)利用水稻進(jìn)行糧食生產(chǎn)提供新的思路。”王麗華表示。
研究團(tuán)隊還完成了水稻“從種子到種子”的全生命周期空間培育，在國際上首次獲得空間發(fā)育的水稻和再生稻新的種質(zhì)資源，并在樣品返回地面后實現(xiàn)了大田種植。如今，收獲的稻種已繁育到了第三代。
2.首次實現(xiàn)斑馬魚空間產(chǎn)卵
太空魚類養(yǎng)殖不僅有助于研究空間環(huán)境對脊椎動物生長發(fā)育與行為的影響，還可以為未來太空生活提供更多可能性。例如，為地外人類直接提供動物性蛋白食物，以及為永久太空基地的生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)建設(shè)打下基礎(chǔ)。
作為四大模式生物之一，斑馬魚因基因與人類基因相似度高且體形小、繁殖快、發(fā)育周期短，成為生命科學(xué)領(lǐng)域模式生物的后起之秀，被稱為“水中小白鼠”。
2024年4月至6月，空間先進(jìn)水生生保系統(tǒng)隨神舟十八號飛船成功發(fā)射進(jìn)入中國空間站，并安裝在問天艙生命生態(tài)柜，開展空間實驗，首次實現(xiàn)了斑馬魚空間產(chǎn)卵，并完成了斑馬魚在軌轉(zhuǎn)運安裝、3次取水樣、1次魚卵收集、1次更換魚食、實驗結(jié)束后樣品滅活廢棄等航天員操作。
此次斑馬魚太空實驗各項監(jiān)測指標(biāo)正常，系統(tǒng)運行正常，圓滿完成各項任務(wù)目標(biāo)。通過天地對比發(fā)現(xiàn)，斑馬魚在軌出現(xiàn)背腹面顛倒游泳、旋轉(zhuǎn)運動、轉(zhuǎn)圈等空間運動行為異常現(xiàn)象。金魚藻在實驗期間也有明顯生長，生物量估計增加了1.5倍左右。
“這批斑馬魚創(chuàng)下了太空存活43天的世界紀(jì)錄，這也是中國空間站第一次迎來水生動物。”中國科學(xué)院水生生物研究所研究員王高鴻表示。在中國空間站開展的斑馬魚實驗，創(chuàng)造了國際上迄今水生生態(tài)系統(tǒng)空間運行的最長時間，實現(xiàn)了我國在空間培養(yǎng)脊椎動物的突破，并解析空間環(huán)境對脊椎動物生長發(fā)育與行為的影響，為空間密閉生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)研究提供理論支撐。
王高鴻回憶，研究團(tuán)隊于2011年首次將包含小球藻、水泡螺等僅有火柴盒大小的實驗裝置送上太空，在太空遨游了17天，只能進(jìn)行“暗箱實驗”。如今，裝載4尾斑馬魚和4克金魚藻的太空實驗裝置，容量已達(dá)1.2升，且在“太空水族箱”配備了攝像探頭、自動喂食、溫度控制、光照控制等豐富的設(shè)備。
“該研究將為后續(xù)利用斑馬魚作為脊椎動物模式生物，開展全面系統(tǒng)的空間生物學(xué)理論研究和空間水產(chǎn)開發(fā)提供了重要研究平臺。”王高鴻透露，未來還要實現(xiàn)斑馬魚在太空“從卵到卵”的全生命周期養(yǎng)殖，后續(xù)可利用現(xiàn)有水生生保系統(tǒng)平臺，開展骨丟失、肌肉萎縮、內(nèi)分泌紊亂、免疫和營養(yǎng)代謝等研究。
3.防治肌肉萎縮等“太空病”
航天失重會對人體產(chǎn)生諸多的生理影響，骨骼肌的衰退是太空微重力環(huán)境下重要的生理變化之一。因此，保障長期飛行中航天員的健康、開展航天醫(yī)學(xué)研究十分重要。
基于中國空間站的“生物技術(shù)實驗柜”和“手套箱及低溫存儲柜”功能，中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所和上海技術(shù)物理研究所合作，實現(xiàn)了小鼠骨骼肌細(xì)胞的在軌培養(yǎng)和分化，觀察到了細(xì)胞融合和肌管形成等現(xiàn)象。在國際上首次利用骨骼肌細(xì)胞自噬熒光報告系統(tǒng)，通過天地比對分析，發(fā)現(xiàn)了空間微重力環(huán)境影響骨骼肌細(xì)胞自噬的規(guī)律。
“科研人員利用載人空間站提供的長期微重力條件，研究了空間微重力對骨骼肌細(xì)胞的影響，重點關(guān)注了細(xì)胞的生長、分化等情況。”中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所副研究員李俞瑩介紹。
2022年11月，細(xì)胞樣品上行，利用生物技術(shù)實驗柜成功實現(xiàn)了小鼠骨骼肌細(xì)胞的在軌培養(yǎng)和分化，觀察到了細(xì)胞融合和肌管形成等現(xiàn)象，并首次在軌檢測到微重力環(huán)境下肌細(xì)胞的自噬現(xiàn)象，收集了真實微重力條件下的肌細(xì)胞樣品和相應(yīng)的培養(yǎng)液。完成在軌實驗后，樣品于2023年6月由神舟十五號載人飛船返回艙帶回地面。
“更重要的是，我們利用高通量測序獲得了空間骨骼肌細(xì)胞基因表達(dá)圖譜，發(fā)現(xiàn)了空間微重力環(huán)境通過影響自噬導(dǎo)致肌萎縮的可能機(jī)制及潛在分子靶標(biāo)。”李俞瑩說，這不僅有望幫助航天員維持肌肉量、改善他們的健康狀況，也將為肌少癥患者尋找新的治療方法，研究成果可推廣應(yīng)用于地面的肌少癥患者及長期臥床病人。
4.半導(dǎo)體性能在“天宮”優(yōu)化
銦硒半導(dǎo)體，可以彎曲、扭轉(zhuǎn)、壓縮而不易破碎，不僅具有傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料優(yōu)異物理性能，還可像金屬一樣塑性變形和機(jī)械加工。但銦硒晶體缺陷密度極高，嚴(yán)重影響半導(dǎo)體器件性能和材料應(yīng)用。空間微重力環(huán)境下產(chǎn)生的“非接觸效應(yīng)”和穩(wěn)定的固液界面可解決這一難題。
空間環(huán)境相關(guān)的微重力條件，為半導(dǎo)體材料制備和相關(guān)機(jī)理研究提供了獨特的平臺和條件。“以非接觸效應(yīng)為例，在空間站微重力條件下，晶體材料和石英坩堝之間可以形成間隙，避免熔體和容器直接接觸，進(jìn)而消除應(yīng)力對材料生長的影響。”中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員劉學(xué)超解釋說。
上海硅酸鹽所負(fù)責(zé)研制了材料領(lǐng)域的兩個裝置——無容器科學(xué)實驗柜和高溫材料科學(xué)實驗柜核心實驗?zāi)K。2022年10月31日，高溫材料科學(xué)實驗柜隨夢天艙成功發(fā)射入軌時，其內(nèi)存放著首批科學(xué)實驗樣品。200余天后，包括銦硒晶體在內(nèi)的部分樣品跟隨神舟十五號航天員返回地球。
“歷經(jīng)70小時，在空間站高溫材料實驗柜中，研究團(tuán)隊順利完成銦硒半導(dǎo)體晶體生長實驗，獲得完整的晶體樣品。”劉學(xué)超介紹，在我國空間站高溫材料實驗柜地面鏡像系統(tǒng)，研究團(tuán)隊開展了銦硒樣品的地面匹配實驗，研究了晶體生長溫度、晶體生長速率、溫度梯度等對晶體生長的影響。
研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，在微重力條件下，空間晶體的位錯密度比地面下降了幾十倍，甚至在生長初期存在近零位錯區(qū)域。劉學(xué)超分析道：“如果可以攻克銦硒半導(dǎo)體缺陷密度極高的瓶頸，它將有望制成世界上速度最快、能耗最低的晶體管。”
“我們還發(fā)現(xiàn)晶體材料‘變胖’了！在微重力環(huán)境下，晶體結(jié)構(gòu)可能發(fā)生了膨脹現(xiàn)象。”劉學(xué)超表示，微重力環(huán)境中，晶體缺陷密度大幅降低、結(jié)晶質(zhì)量更好、晶體管器件性能提升，這些現(xiàn)象將為在地面突破銦硒半導(dǎo)體關(guān)鍵制備技術(shù)提供重要支撐。
未來，除了用更多不同實驗方法分析已有材料的特性，劉學(xué)超團(tuán)隊還計劃開展微重力生長摻雜銦硒晶體及性能研究、附加旋轉(zhuǎn)磁場生長銦硒晶體及性能調(diào)控研究、摻雜銦硒空間/地面晶體質(zhì)量對比及半導(dǎo)體器件研究等工作。
空間科學(xué)是探索重要科學(xué)規(guī)律、獲得顯著應(yīng)用效益的突破口。中國空間站作為我國覆蓋空間科學(xué)相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域最全、在軌支撐能力最強，且兼?zhèn)溆腥藚⑴c和上下行運輸?shù)泉毺貎?yōu)勢的國家太空實驗室，為我國開展高水平空間科學(xué)與應(yīng)用研究提供了千載難逢的發(fā)展機(jī)遇，也將成為我國錨定2035年建成科技強國的重要創(chuàng)新驅(qū)動力。
(本報記者 王美瑩)
來源：光明日報