“實踐十號”：微重力實驗那些事兒

陳飛

在極端物理條件下，物質(zhì)的運動規(guī)律、物理化學過程、生命過程等都可能會發(fā)生變化，這就意味著微重力實驗有實現(xiàn)重大科學突破的可能。

人類要走向太空，就必須研究微重力環(huán)境下物質(zhì)會發(fā)生哪些變化

4月18日下午，“實踐十號”返回式科學實驗衛(wèi)星的回收艙降落在內(nèi)蒙古四子王旗預定著陸區(qū)。在12天的太空旅途之后，這枚中國首顆專用的微重力實驗衛(wèi)星的使命告一段落。

“實踐十號”衛(wèi)星總重3.3噸，使用化學電池供電，搭載了19項實驗任務，是迄今為止單次微重力和空間生命科學實驗項目及種類最多的衛(wèi)星任務。其中8項在留軌艙進行，11項在回收艙進行。

顧名思義，“微重力”即是“接近于無”的重力，也就是一般人所說的“失重”。但由于移動物體的加速度和高空大氣的阻力，在空間站上符合實驗要求的微重力環(huán)境是很難達到的。與空間站相比，衛(wèi)星任務時間相對短，不需要考慮對接和人類活動等干擾；又因為使用化學電池，所以不需要展開太陽翼，不會受到額外的阻力。這些條件使“實踐十號”在最好的情況下可以達到10-6g的微重力水平。

6000余枚小鼠胚胎 “上天”

微重力衛(wèi)星實驗的另一個好處是機動性高?！皩嵺`十號”衛(wèi)星首席科學家、中科院院士胡文瑞說：“比如，這次要進行的胚胎實驗可以在發(fā)射前8小時才裝到衛(wèi)星上，縮短在地面停留的時間，如果搭載在載人飛船上不可能做到了。而且返回式科學衛(wèi)星在實驗完成后就可以及時回收，這也是空間站做不到的?！?/p>

胡文瑞提到的這項胚胎實驗名為“微重力條件下哺乳動物早期胚胎發(fā)育研究”，6000余枚小鼠早期胚胎被帶上太空，觀察它們的發(fā)育狀況。中科院動物研究所胚胎生物學研究組組長段恩奎是這個項目的負責人。

實際上，早在2006年，中國的“實踐八號”衛(wèi)星上就搭載了段恩奎團隊設計的小鼠胚胎發(fā)育實驗。他說：“當時有兩個目標，一是建立一套太空的胚胎成像系統(tǒng)，爭取看到胚胎在天上的情況；二是爭取讓小鼠胚胎在太空中發(fā)育。結(jié)果第二個目標沒實現(xiàn)。那個時候胚胎是發(fā)射前32小時放到衛(wèi)星上的，胚胎還沒上天就已經(jīng)開始發(fā)育了?！?/p>

實驗失敗后，十年間，他的團隊又用了幾萬枚胚胎做了上百次實驗，尋求改進方法?！白雠咛グl(fā)育實驗，需要一個二氧化碳培養(yǎng)箱，還要有一個鋼瓶用來通氣，要保溫保濕，并且還要用顯微鏡去觀察?！倍味骺榻B。但是這一整套設備在太空環(huán)境中要正常運轉(zhuǎn)，還要體積合適，不是一件容易的事。段恩奎團隊與西北農(nóng)林科技大學教授馬保華合作研發(fā)了胚胎密閉培養(yǎng)體系，研制了適用于太空胚胎培養(yǎng)的特殊培養(yǎng)液。中科院上海技術物理所則把這個“實驗室”壓縮成了一個17公斤重、類似家用微波爐大小的培養(yǎng)箱和一個電控箱，且使其具有密閉培養(yǎng)、自動搜索識別顯微成像、遙控固定、圖像下傳等功能。

衛(wèi)星上天十幾小時后，從傳回的顯微影像上，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)小鼠胚胎細胞分裂的跡象。2細胞到4細胞，再到8細胞、16細胞。到60小時左右，有些已經(jīng)發(fā)育成囊胚。在此之前，國內(nèi)外尚未有過在微重力條件下哺乳動物早期胚胎發(fā)育成功的報道。中國在世界上第一次證明了哺乳動物早期胚胎在太空微重力條件下可以發(fā)育到囊胚階段。

除了用于發(fā)育研究，實驗中還有一部分胚胎不會分裂，而是固定在某一階段隨返回艙回到地球，用于分析太空環(huán)境對胚胎發(fā)育的影響。至于那些發(fā)育成囊胚的胚胎，因為不能及時在母體子宮著床就會死亡，所以這些小鼠胚胎無法回到地球繼續(xù)生長發(fā)育。我們也無從知道，暴露在各種輻射中成長的“太空嬰兒”是什么模樣。不過，人類在理解太空中生命如何繁衍生息的問題上又前進了一小步。

在天上“燒煤球”有意思嗎

被“實踐十號”帶入太空的，除了小鼠胚胎，還有植物、家蠶和人體干細胞。它們涉及的科學實驗也許會更快地對人類生活產(chǎn)生影響。畢竟，“太空育種”早已不是新鮮事。中國航天一直對航天育種情有獨鐘，共有70多種植物的1000多個品種的種子進行了太空育種試驗，此前還曾發(fā)射一顆專門的返回式衛(wèi)星用于育種。而“實踐十號”科學衛(wèi)星上進行的是高等植物培育的研究。

在長期的太空任務中，物資供應都指望地面補給是不現(xiàn)實的。“實踐十號”衛(wèi)星進行的水稻和擬南芥微重力光照生長實驗，就是為了解決這一問題。將來，種土豆不算什么，也許宇航員連米飯、面條都可以自給自足了。

而微重力條件下造血和神經(jīng)干細胞的研究，有助于我們了解干細胞是如何增殖和定向分化的，這可能會讓治愈白血病和老年癡呆等疾病不再是難題。干細胞是一類具有分化和自我更新能力的母細胞，神經(jīng)干細胞可以變成神經(jīng)元或是膠質(zhì)細胞，而造血干細胞能夠分化成各種血細胞。中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所再生醫(yī)學研究中心主任戴建武說，“目前這些細胞在太空的生長情況良好，等回收后我們會分析它們的蛋白質(zhì)表達、基因表達情況。”

除了干細胞實驗，空間技術其實早就在就在醫(yī)療健康領域得到廣泛應用。人造心臟、腎透析技術，無不是空間技術的杰作。用于測量脈搏和其他身體狀況的非侵入式傳感器，也是由監(jiān)測宇航員用的類似設備直接派生而來的。美國國家航空航天局還研制了新型滾筒式生物反應器供研究使用，它能夠在人體外培養(yǎng)組織細胞，如心臟組織、骨組織、韌帶等。許多細胞和組織，必須有一個穩(wěn)定的表面或其他結(jié)構支撐以幫助其成長，而這種生物反應器中和了地心引力，所以細胞能夠像在身體里一樣生長。

胡文瑞說：“在極端物理條件下，物質(zhì)的運動規(guī)律、物理化學過程、生命過程等都可能會發(fā)生變化，這就意味著微重力實驗有實現(xiàn)重大科學突破的可能。”人類要走向太空，就必須研究微重力環(huán)境下物質(zhì)會發(fā)生哪些變化。

中國科學院力學研究所國家微重力實驗室研究員趙建福就在研究太空中的沸騰有什么不同。他負責的項目是“微重力沸騰過程中的汽泡熱動力學特征研究”，實驗過程相當于在太空中“燒開水”，只不過使用的液體沸點比水低得多。

在地面重力條件下，被加熱的液體內(nèi)部一旦產(chǎn)生氣泡就會在浮力作用下離開加熱面。而在“實踐十號”傳回的影像中可以看到，在微重力條件下，氣泡像荷葉上的露珠一樣，在加熱面上抖動，并且不斷長大?！斑@樣一來，氣泡在時間和空間上都有一個更大的尺度，方便我們研究氣泡的運動特征和它周圍局部的傳熱特性?！壁w建福說，“沸騰不只是生活中燒個開水、蒸個饅頭，在工業(yè)上也是一種很高效的傳熱方式，所以受到了廣泛關注?！?/p>

與此相似的是，在微重力環(huán)境下，蛋白質(zhì)可以生長出很大的晶體，可以用來進行結(jié)構分析。如果應用到制藥上，每分析成功一種蛋白質(zhì)的結(jié)構就會生產(chǎn)出一個新產(chǎn)品。美國用于開發(fā)一種新藥的研發(fā)費用一般在5億到10億美元，平均耗時5年左右?？臻g環(huán)境下研究蛋白質(zhì)無疑會大大提高效率和質(zhì)量，其成果可能用來改變?nèi)祟惤】禒顩r，解決食品、醫(yī)藥等問題，提高人的生存質(zhì)量。

實際上，人類在近半個世紀的空間活動中獲得了大量的科學成果，其中有些已經(jīng)用于改善人類生活。以聚氨酯材料制成的“記憶泡沫”床墊、最初在太空實驗室使用的火災警報器，和原在航天飛機上使用的輕型隔熱膜，都是觸手可及的例子。

“實踐十號”上開展的微重力燃燒實驗也許會帶來下一個直接改變?nèi)藗兩畹募夹g，例如，可能讓我們告別霧霾。微重力環(huán)境下的燃燒研究可以加深我們對燃燒現(xiàn)象的認識。美國空間站十大成果之一，就是通過棉花團點燃觀察到“冷焰燃燒”，這一低溫狀態(tài)下的燃燒是地面上無法看到的。胡文瑞介紹，此次“煤燃燒及其污染物生成實驗”也期待看到微重力條件下煤的“冷焰燃燒”實驗效果。

該實驗選擇兩到三種我國典型煤種，在實驗裝置中點燃，觀測不同爐溫、不同環(huán)境氣體成分條件下的單個球形煤顆粒和煤粉顆粒群的燃燒過程，記錄下火焰形狀、揮發(fā)和釋放現(xiàn)象及其變化規(guī)律等。

煤炭是我國能源的主力，高效燃燒和降低污染物是未來對燃燒技術的必然要求。構建煤炭的燃燒模型需要準確的參數(shù)，但地面研究時面對重力和浮力對流的干擾，有些參數(shù)幾乎不可能準確測量，影響了對煤炭燃燒機理的深入認識。

“實踐十號”衛(wèi)星科學應用系統(tǒng)總設計師康琦說：“在微重力環(huán)境下進行煤燃燒實驗，可以避免浮力、熱對流等因素干擾，有望獲得一些地面無法得到的基礎數(shù)據(jù)，對幫助人類更好利用煤炭資源有重要意義?！?