問天艙里植物長勢如何
2022-09-17 13:48:55
科學大觀園 2022年18期
植物的種子，到了太空能萌發(fā)、生長、開花，進而產(chǎn)生種子嗎？在空間站問天實驗艙里，一項饒有趣味的植物生長實驗正在進行。
自7月28日實驗單元安裝完成、7月29日通過地面程序注入指令啟動實驗，一個月來，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?！?月29日，在位于上海的中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心，記者見到了承擔這項實驗的研究團隊。團隊負責人、分子植物卓越中心研究員鄭慧瓊告訴記者，全球首個空間微重力條件下“從種子到種子”的水稻全生命周期培養(yǎng)實驗，有望在不久后完成。
地球上的實驗室比比皆是，為何要費大力氣將20噸級的問天艙送到空間站去做實驗？
“太空擁有一系列特殊環(huán)境條件，比如微重力、強輻射、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實驗?！敝袊茖W院空間應用中心集成技術中心副主任、中國空間科學實驗柜總體主任設計師張璐說。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？
天上的植物生長實驗怎么做
7月24日，空間站問天實驗艙成功發(fā)射，并與天和核心艙交會對接。問天實驗艙搭載了生命生態(tài)實驗柜、生物技術實驗柜等科學實驗柜。
7月28日，載有實驗樣品擬南芥種子和水稻種子的實驗單元，由航天員安裝至問天實驗艙的生命生態(tài)通用實驗模塊中。次日，完成第一次液體加注，并開始在軌實驗。這也是問天實驗艙內(nèi)首次開展實驗的實驗柜。
在小型受控生命生態(tài)實驗模塊中，藻類的光合作用還需要照明系統(tǒng)，加之整個系統(tǒng)都需要實時監(jiān)控，因此整個裝置還配備了照明和攝像設備。田清說：“魚生長得比較好了之后，就會產(chǎn)卵，因此還需要一個比較復雜的系統(tǒng)，進行魚卵的收集，將來魚卵由航天員帶回地面?！?/blockquote>
中國科學院空間應用中心研究員、載人航天工程空間應用系統(tǒng)問天實驗艙主任設計師趙黎平告訴記者，在空間微重力的條件下，實驗通過調(diào)控光周期的途徑進行。從8月5日開始，對水稻執(zhí)行12小時開、12小時關的照明周期，對擬南芥執(zhí)行16小時開、8小時關的照明周期，根據(jù)研究團隊要求，確保溫度、濕度、光照控制正常。
鄭慧瓊介紹，這一項目聚焦“微重力條件下高等植物開花調(diào)控的分子機理”，選取的空間實驗樣品——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”在實驗單元壁上。但總體發(fā)育進程符合預期，有望在國際上首次在空間結出種子，完成微重力條件下“從種子到種子”全生命周期實驗。部分擬南芥已經(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)計分析。”鄭慧瓊告訴記者，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天左右結籽，在太空可能需要更長時間，預計兩到三個月可以結出種子。實驗過程中，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)實驗，鄭慧瓊團隊在“天宮二號”實驗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)實驗，聚焦三個關鍵科學問題：微重力怎樣影響開花？微重力影響植物開花的分子機理是什么？能否利用微重力環(huán)境作用來控制植物的開花？圍繞這三個關鍵的科學問題，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)控開花的分子基礎與關鍵基因的表達變化，進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的調(diào)控網(wǎng)絡，以及二者在植物對空間環(huán)境適應性中的作用機理。
“在此基礎上，我們可以獲得水稻空間培養(yǎng)的關鍵環(huán)境參數(shù)，為進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，利用水稻進行空間糧食生產(chǎn)提供重要理論指導?！编嵒郗傉f。
接下來，通過航天員在軌采集樣品，冷凍保存返回分析，科學家們可以揭示植物適應空間環(huán)境的開花調(diào)控分子網(wǎng)絡及關鍵樞紐基因，并對其進行功能驗證，為下一步構建適應空間微重力環(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，今后還有機會繼續(xù)送往空間站，在太空進行兩到三代的繁殖?！拔磥碛锌赡苄纬尚碌母拍睿瑤游⒅亓χ参锇l(fā)育生物學研究的新發(fā)展，為未來空間蔬菜和糧食生產(chǎn)打下理論基礎?！敝袊茖W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，其任務是以空間生命科學和生物技術的研究為主，在生命科學和生物技術微重力、物理空間材料科學、空間應用新技術等4個應用領域，部署了10余項研究主題。
“通過這些科學項目的實施，我們要研究多種空間環(huán)境要素下的基本科學規(guī)律機理，關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理，探索認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，為以上實驗任務提供了天然的研究場所。中國科學院空間應用中心研究員、應用發(fā)展中心主任張偉介紹，空間站實驗艙可以提供四大優(yōu)勢實驗條件。
第一個特別之處在于，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：微重力效應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驗帶來新的驚喜。
此外，不同于此前短暫送上太空的實驗裝置和材料，張偉說，載人空間站的另一大優(yōu)勢就是“有人的參與”，更便于進行實驗操作、實驗模塊更換和維修維護。
同時，載人空間站可以進行天地往返運輸，能夠?qū)崿F(xiàn)實驗樣品返回。比如在軌開展的生命、材料等科學實驗，就有必要將實驗后的樣品送回地球，回到地面再進行進一步研究。
張偉還表示，空間站特定的軌道高度，便于進行天文、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、紅外線等進行有效觀測，相關譜段的天文觀測，往往需要發(fā)射探測器到太空中開展觀測。
與得天獨厚的實驗條件對應，中國空間站還配備了豐富的實驗資源。張偉透露，空間站建造完成后，將在軌運行10年以上?？臻g站已研制了密封艙內(nèi)的先進科學實驗柜、巡天空間望遠鏡和艙外暴露實驗裝置等。此外，密封艙外有獨立載荷接口和大型掛點，在應用與發(fā)展階段規(guī)劃了數(shù)十個艙外載荷項目。
太空養(yǎng)魚體驗別樣生存挑戰(zhàn)
正如張偉所說，為了完成預期實驗任務，問天艙可謂大搞“精裝修”，部署了生命生態(tài)實驗柜、生物技術實驗柜、科學手套箱與低溫存儲柜、變重力科學實驗柜，以及艙外暴露實驗裝置等科學實驗設施。
其中生命生態(tài)實驗柜備受關注，它的重要功能之一，是為植物、水生生物、小型模式動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驗的生物樣品之一，它們將作為水生生物代表，體驗太空生存挑戰(zhàn)。
中科院上海技術物理研究所空間生命科學儀器研制團隊負責人、問天艙生物技術科學實驗系統(tǒng)主任設計師張濤介紹，斑馬魚實驗將在小型受控生命生態(tài)實驗模塊開展。他說：“這個實驗設備支持魚、藻類和微生物形成的一個相對明確的生態(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構工程師田清說，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。
“在這個系統(tǒng)里，有魚、有藻類、有微生物?！碧锴褰忉?，“由于太空中魚食無法下沉水底，我們專門設計了一個喂食單元;還設計了專門的營養(yǎng)液供給設備，為藻類提供營養(yǎng)。實驗過程中，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，供藻類進行光合作用;魚類的排泄物，則可以作為藻類的營養(yǎng)供給。”
在小型受控生命生態(tài)實驗模塊中，藻類的光合作用還需要照明系統(tǒng)，加之整個系統(tǒng)都需要實時監(jiān)控，因此整個裝置還配備了照明和攝像設備。田清說：“魚生長得比較好了之后，就會產(chǎn)卵，因此還需要一個比較復雜的系統(tǒng)，進行魚卵的收集，將來魚卵由航天員帶回地面。”
為應對緊急情況，這套設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，這個實驗，就是要在我國空間站實現(xiàn)小型受控水生生態(tài)系統(tǒng)的構建。
太空核酸檢測有看點
在為生物樣品提供生命保障的同時，問天艙的生命生態(tài)實驗柜還肩負對實驗系統(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、問天實驗艙生物技術科學實驗系統(tǒng)副主任設計師劉方武介紹，航天器長期在軌有氧密閉運行過程中，微生物污染問題必須引起重視。
他舉例說，1986年到2001年在軌運行的和平號空間站，就曾出現(xiàn)過108種細菌和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、腐蝕設備的微生物。
劉方武說，為了預防微生物污染，“我們現(xiàn)階段對生命生態(tài)和生物技術實驗系統(tǒng)里的微生物安全監(jiān)測，提供了兩種技術手段，一種是培養(yǎng)法，另一種就是我們應對新冠所采取的方法——核酸檢測”。
要對實驗系統(tǒng)里微生物進行檢測，首先需要航天員手動對實驗系統(tǒng)環(huán)境進行采樣，并將樣品放入生命生態(tài)實驗系統(tǒng)的微生物檢測模塊。接下來有兩個方法可以使用，一個是觀察培養(yǎng)法，通過加入培養(yǎng)基培養(yǎng)后，設備會對培養(yǎng)基上的菌落進行自動成像，地面科學家根據(jù)遠程傳輸回來的圖像和數(shù)據(jù)對微生物的種類進行鑒定;另一個是核酸擴增檢測法，在樣品放入檢測模塊后啟動核酸檢測流程，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+采集返回地面進行檢測”的方式，而中國空間站直接在軌進行培養(yǎng)和核酸檢測的技術方案，更具看點。
◎ 來源|綜合中國青年報、光明日報
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