在太空，中國正上科學(xué)實(shí)驗正在進(jìn)行。太空中國科學(xué)院空間應用工程與技術(shù)中心高級工程師、科學(xué)應用發(fā)展室副主任巴金介紹，實(shí)驗中國空間站在軌運行的奇跡兩年間，已實(shí)施180余項科學(xué)與應用項目，中國正上上行科學(xué)與應用任務(wù)近兩噸實(shí)驗模塊、太空單元及樣品等科學(xué)物資，科學(xué)下行空間科學(xué)實(shí)驗樣品近百種，實(shí)驗獲取科學(xué)數據超過(guò)265TB。奇跡經(jīng)國內百位院士、中國正上千余位專(zhuān)家的太空多年論證，開(kāi)展了包括空間生命科學(xué)與人體研究、科學(xué)微重力物理科學(xué)、實(shí)驗空間天文與地球科學(xué)、奇跡空間新技術(shù)與應用4個(gè)領(lǐng)域、32個(gè)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(gè)艙內科學(xué)實(shí)驗柜和3個(gè)艙外暴露實(shí)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鏡(CSST)等設施。
1.太空種糧不是夢(mèng)
進(jìn)入空間微重力環(huán)境，植物是否能夠正常生長(cháng)呢？空間站提供了獨特的微重力環(huán)境，很多重要的農業(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(shí)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(cháng)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(kāi)展了從空間細胞融合到模式植物全生命周期培養的系列實(shí)驗。在中國空間站開(kāi)展的“微重力下利用開(kāi)花基因調控植物開(kāi)花時(shí)間的分子途徑”項目主要研究?jì)热莅ǎ悍治霰容^微重力在植物開(kāi)花過(guò)程中的作用；獲取微重力調控植物開(kāi)花的分子基礎與關(guān)鍵基因的表達變化；解析長(cháng)期空間微重力條件下，植物開(kāi)花基因表達的調控網(wǎng)絡(luò )機制在植物對空間環(huán)境適應性中的作用機理。
在微重力條件下高等植物開(kāi)花調控的分子機理實(shí)驗項目中，科研人員利用在軌實(shí)時(shí)圖像和返回的擬南芥實(shí)驗材料，獲得了不同開(kāi)花時(shí)間擬南芥響應微重力的生長(cháng)發(fā)育表型數據，和天地比對轉錄組數據。王麗華介紹，這些數據不僅為深入解析植物通過(guò)調整開(kāi)花時(shí)間，適應空間微重力的分子機理提供了全新的視角，也為利用相關(guān)的轉錄調控元件，人為控制空間植物的開(kāi)花時(shí)間、培育具有較強空間環(huán)境適應能力的植物，提供了新的途徑。
“中國空間站實(shí)驗證明了微重力條件再生稻生產(chǎn)的可行性，通過(guò)一次種植多次收獲，可以提高空間利用率，也為未來(lái)空間生命生態(tài)生保系統利用水稻進(jìn)行糧食生產(chǎn)提供新的思路?！蓖觖惾A表示。
研究團隊還完成了水稻“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(shí)現了大田種植。如今，收獲的稻種已繁育到了第三代。
2.首次實(shí)現斑馬魚(yú)空間產(chǎn)卵
太空魚(yú)類(lèi)養殖不僅有助于研究空間環(huán)境對脊椎動(dòng)物生長(cháng)發(fā)育與行為的影響，還可以為未來(lái)太空生活提供更多可能性。例如，為地外人類(lèi)直接提供動(dòng)物性蛋白食物，以及為永久太空基地的生態(tài)循環(huán)系統建設打下基礎。
作為四大模式生物之一，斑馬魚(yú)因基因與人類(lèi)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(chēng)為“水中小白鼠”。
2024年4月至6月，空間先進(jìn)水生生保系統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(wèn)天艙生命生態(tài)柜，開(kāi)展空間實(shí)驗，首次實(shí)現了斑馬魚(yú)空間產(chǎn)卵，并完成了斑馬魚(yú)在軌轉運安裝、3次取水樣、1次魚(yú)卵收集、1次更換魚(yú)食、實(shí)驗結束后樣品滅活廢棄等航天員操作。
此次斑馬魚(yú)太空實(shí)驗各項監測指標正常，系統運行正常，圓滿(mǎn)完成各項任務(wù)目標。通過(guò)天地對比發(fā)現，斑馬魚(yú)在軌出現背腹面顛倒游泳、旋轉運動(dòng)、轉圈等空間運動(dòng)行為異?，F象。金魚(yú)藻在實(shí)驗期間也有明顯生長(cháng)，生物量估計增加了1.5倍左右。
“這批斑馬魚(yú)創(chuàng )下了太空存活43天的世界紀錄，這也是中國空間站第一次迎來(lái)水生動(dòng)物?！敝袊茖W(xué)院水生生物研究所研究員王高鴻表示。在中國空間站開(kāi)展的斑馬魚(yú)實(shí)驗，創(chuàng )造了國際上迄今水生生態(tài)系統空間運行的最長(cháng)時(shí)間，實(shí)現了我國在空間培養脊椎動(dòng)物的突破，并解析空間環(huán)境對脊椎動(dòng)物生長(cháng)發(fā)育與行為的影響，為空間密閉生態(tài)系統物質(zhì)循環(huán)研究提供理論支撐。
王高鴻回憶，研究團隊于2011年首次將包含小球藻、水泡螺等僅有火柴盒大小的實(shí)驗裝置送上太空，在太空遨游了17天，只能進(jìn)行“暗箱實(shí)驗”。如今，裝載4尾斑馬魚(yú)和4克金魚(yú)藻的太空實(shí)驗裝置，容量已達1.2升，且在“太空水族箱”配備了攝像探頭、自動(dòng)喂食、溫度控制、光照控制等豐富的設備。
“該研究將為后續利用斑馬魚(yú)作為脊椎動(dòng)物模式生物，開(kāi)展全面系統的空間生物學(xué)理論研究和空間水產(chǎn)開(kāi)發(fā)提供了重要研究平臺?！蓖醺啉櫷嘎?，未來(lái)還要實(shí)現斑馬魚(yú)在太空“從卵到卵”的全生命周期養殖，后續可利用現有水生生保系統平臺，開(kāi)展骨丟失、肌肉萎縮、內分泌紊亂、免疫和營(yíng)養代謝等研究。
3.防治肌肉萎縮等“太空病”
航天失重會(huì )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(cháng)期飛行中航天員的健康、開(kāi)展航天醫學(xué)研究十分重要。
基于中國空間站的“生物技術(shù)實(shí)驗柜”和“手套箱及低溫存儲柜”功能，中國科學(xué)院上海營(yíng)養與健康研究所和上海技術(shù)物理研究所合作，實(shí)現了小鼠骨骼肌細胞的在軌培養和分化，觀(guān)察到了細胞融合和肌管形成等現象。在國際上首次利用骨骼肌細胞自噬熒光報告系統，通過(guò)天地比對分析，發(fā)現了空間微重力環(huán)境影響骨骼肌細胞自噬的規律。
“科研人員利用載人空間站提供的長(cháng)期微重力條件，研究了空間微重力對骨骼肌細胞的影響，重點(diǎn)關(guān)注了細胞的生長(cháng)、分化等情況?！敝袊茖W(xué)院上海營(yíng)養與健康研究所副研究員李俞瑩介紹。
2022年11月，細胞樣品上行，利用生物技術(shù)實(shí)驗柜成功實(shí)現了小鼠骨骼肌細胞的在軌培養和分化，觀(guān)察到了細胞融合和肌管形成等現象，并首次在軌檢測到微重力環(huán)境下肌細胞的自噬現象，收集了真實(shí)微重力條件下的肌細胞樣品和相應的培養液。完成在軌實(shí)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胞基因表達圖譜，發(fā)現了空間微重力環(huán)境通過(guò)影響自噬導致肌萎縮的可能機制及潛在分子靶標?！崩钣岈撜f(shuō)，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，研究成果可推廣應用于地面的肌少癥患者及長(cháng)期臥床病人。
4.半導體性能在“天宮”優(yōu)化
銦硒半導體，可以彎曲、扭轉、壓縮而不易破碎，不僅具有傳統半導體材料優(yōu)異物理性能，還可像金屬一樣塑性變形和機械加工。但銦硒晶體缺陷密度極高，嚴重影響半導體器件性能和材料應用?？臻g微重力環(huán)境下產(chǎn)生的“非接觸效應”和穩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，為半導體材料制備和相關(guān)機理研究提供了獨特的平臺和條件?！耙苑墙佑|效應為例，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)而消除應力對材料生長(cháng)的影響?！敝袊茖W(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員劉學(xué)超解釋說(shuō)。
上海硅酸鹽所負責研制了材料領(lǐng)域的兩個(gè)裝置——無(wú)容器科學(xué)實(shí)驗柜和高溫材料科學(xué)實(shí)驗柜核心實(shí)驗模塊。2022年10月31日，高溫材料科學(xué)實(shí)驗柜隨夢(mèng)天艙成功發(fā)射入軌時(shí)，其內存放著(zhù)首批科學(xué)實(shí)驗樣品。200余天后，包括銦硒晶體在內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(shí)，在空間站高溫材料實(shí)驗柜中，研究團隊順利完成銦硒半導體晶體生長(cháng)實(shí)驗，獲得完整的晶體樣品?！眲W(xué)超介紹，在我國空間站高溫材料實(shí)驗柜地面鏡像系統，研究團隊開(kāi)展了銦硒樣品的地面匹配實(shí)驗，研究了晶體生長(cháng)溫度、晶體生長(cháng)速率、溫度梯度等對晶體生長(cháng)的影響。
研究團隊發(fā)現，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(cháng)初期存在近零位錯區域。劉學(xué)超分析道：“如果可以攻克銦硒半導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?！?/p>
“我們還發(fā)現晶體材料‘變胖’了！在微重力環(huán)境下，晶體結構可能發(fā)生了膨脹現象?！眲W(xué)超表示，微重力環(huán)境中，晶體缺陷密度大幅降低、結晶質(zhì)量更好、晶體管器件性能提升，這些現象將為在地面突破銦硒半導體關(guān)鍵制備技術(shù)提供重要支撐。
未來(lái)，除了用更多不同實(shí)驗方法分析已有材料的特性，劉學(xué)超團隊還計劃開(kāi)展微重力生長(cháng)摻雜銦硒晶體及性能研究、附加旋轉磁場(chǎng)生長(cháng)銦硒晶體及性能調控研究、摻雜銦硒空間/地面晶體質(zhì)量對比及半導體器件研究等工作。
空間科學(xué)是探索重要科學(xué)規律、獲得顯著(zhù)應用效益的突破口。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，且兼備有人參與和上下行運輸等獨特優(yōu)勢的國家太空實(shí)驗室，為我國開(kāi)展高水平空間科學(xué)與應用研究提供了千載難逢的發(fā)展機遇，也將成為我國錨定2035年建成科技強國的重要創(chuàng )新驅動(dòng)力。
(本報記者 王美瑩)
來(lái)源：光明日報