澳门新葡8455手机版太空中看生命开花结果

作者: 数理科学  发布:2019-11-01

在“天宫二号”上种草,在“天舟一号”上培育细胞

在地球上,只要把种子埋在土壤里,为它浇水,有合适的温度和阳光,它就能萌发。那么,在太空里种植是什么感受呢?请听中国科学院上海技术物理研究所研究员郑伟波在SELF格致论道讲坛上讲述在太空培养动植物的经历。

实践十号“乘客”归来 “迷你太空实验室”孕育重大成果

看了电影《流浪地球》后,可能很多人会想象在外太空生活究竟会是什么情形?至少我们可以想象一下,如果条件真的成熟,未来我们在进行长期太空旅游时,会是什么样的情形?

我们未来有一天去太空旅行或者太空移民的时候会遇到什么问题?会遇到食物的问题,还有健康的问题。

澳门新浦京8455com 1

澳门新葡8455手机版,科学家们其实早就想过了,他们还一直在尝试做各种实验,想知道生命在外太空的繁殖、发育的情况。因为短期旅行,可以从地面带食物,长期太空旅行就得考虑在太空种植各种植物、培养各种动物,以满足人对食物的需求。

如果是短期太空旅行的话,食物可以由地面运上去;长期的太空旅行,就要考虑在太空种植各种植物,培养各种动物,满足人对食物的需求。

澳门新浦京8455com 2

最近,中科院的“SELF格致论道”讲坛上请到中国科学院上海技术物理研究所研究员郑伟波,为大家分享在“天宫二号”、“实践十号”和“天舟一号”上开展太空生命实验的故事。在他的描述中,我们可以了解到,在太空环境下,植物的种子是怎么发芽的,它们开花结果与在地球上有何不同;也可以了解到动物的胚胎能否在太空环境下正常发育、成长。

太空指地球大气层以外的宇宙空间。太空是真空环境,没有空气,宇宙辐射很强,同时还处于失重状态,和地球有很大的不同。如何在太空培养动植物呢?我们有机会在“天宫二号”“实践十号”和“天舟一号”上开展了一些生命实验。

澳门新浦京8455com 3

植物篇

我先介绍一下在太空中种植植物。植物生长需要阳光、空气和水,而太空中没有空气,也没有水,需要从地球运上去。我们在“天宫二号”上种植了拟南芥和水稻,目的是研究微重力环境对植物生命节律的影响。

澳门新浦京8455com 4

太空舱中拟南芥花开更多

实验的具体流程是这样的:火箭发射前,我们把生物样品拟南芥和水稻的种子放进一个装置里,再放到“天宫二号”上,随“天宫二号”发射入轨。在轨时,我们通过地面遥控启动实验,并让实验按照我们的要求开展。返回前,再把整个实验“冻结”起来,避免地面环境影响实验结果。

澳门新浦京8455com 5

几年前,我们就已收获了比较成熟的“太空种子”。

澳门新浦京8455com,在“天宫二号”上,水稻和拟南芥被放在植物培养箱中,体积只有300mm×300mm×400mm大小。

澳门新浦京8455com 6

中国航天工业总公司航天育种中心和中国农科院、中科院合作,曾选择过一些大田作物、蔬菜、花卉、中药材等优良种子,搭载我国的返回式卫星飞行5-7天后再返回陆地,到地面栽培试验4-5年,然后筛选出特别的“太空种子”。根据航天育种的原理,这些植物种子是在宇宙辐射、微重力、弱地磁、高真空以及低温等综合因素的作用下,发生过基因变异,返回地面后再经过专门的培育和筛选,便形成有明显优势的新品种。如今已培育成功的包括有甜椒、尖椒、西红柿、南瓜、西瓜、油菜等。这里所说的“成功”主要是可以根据需要,选择留下最适用的品种,比如“太空五号”的弱筋小麦适合做糕点,“太空六号”的强筋小麦适合做面条、饺子。还有一种茄子,刻意选择了长不大但结果多的变异品种,这样就可以多收获茄皮,用以生产治疗冠心病的药物。

水稻和拟南芥要培养一年,而从地面带上去的水,每一个培养单元只有半瓶矿泉水的量,300毫升左右,远远不够。于是,我们想到模仿地球大气圈的水循环:地表水蒸腾,升入空中遇冷形成雨水,再落回地面。但是,在太空中构建水循环缺少一个环节,因为太空中是失重环境,水形成后无法落回土壤。于是我们利用毛细现象,把搜集到的水通过毛细管再送回土壤。这样的水循环过程可以满足植物一年的全生命周期的培养需求。

■本报记者 王晨绯 黄辛

但这些“太空种子”都只是在休眠状态下去外太空“走了一遭”,并没有在外太空发芽、生长,这次郑伟波分享的却是在太空环境下发芽、生长的植物,重点实验对象就是拟南芥和水稻。

在地球上,种子埋在土壤里,为它浇水,有合适的温度和阳光,它就能萌发。但在太空中操作就非常复杂,因为太空中水和空气很难分离,水难以落进土壤,土壤里的空气也出不来,加多少水更不好控制。种子萌发有两个条件:一是能够被水浸润,能够吸胀;二是能呼吸,种子如果全部浸没在水中,会被淹死。如何在太空中满足这两个条件,一直困扰着我们。

4月18日,“实践十号”返回式科学实验卫星成功回收了。这颗卫星设计了19项科学实验,是迄今为止我国单次卫星任务中空间科学实验项目及种类最多的。《中国科学报》记者从承担了“实践十号”6台空间科学实验载荷研制任务的中科院上海技术物理研究所获悉,其中5个“迷你太空实验室”——高等植物箱、植物培养箱、干细胞培养箱、胚胎培养箱和家蚕培养箱,携带水稻、拟南芥、造血干细胞和神经干细胞、小鼠胚胎、家蚕等,不仅在为期12天的在轨阶段表现出色,随“实践十号”卫星平安返回地球,而且成功获取并积累了大量的科学实验数据和资料,分别“孕育”出令科学家非常兴奋的重量级科学研究成果。

拟南芥又名鼠耳芥、阿拉伯草,属十字花科,是自花授粉植物。它被科学家誉为“植物中的果蝇”,因为它基因高度纯合,突变率很高,容易获得各种代谢功能的缺陷型,是进行遗传学研究的好材料。

后来我们想了一个办法,把水注入土壤后,通过毛细现象把水引走,让种子露出来呼吸,通过这种方式让种子萌发。因为地球存在重力,这种方法很难在地球上验证。但通过我们的摸索,并请力学专家进行计算,有了一定把握,可以去太空试一下。

卫星科学应用系统副总师段恩奎对此评价说:“达到了预期的科学实验要求,取得了预期实验结果,一些新实验现象已超越国际上对微重力环境下其结果的预言。”

郑伟波说,在地面,种子埋在土壤里,为它浇水,有合适的温度和阳光,它就能萌芽。但这个过程在太空环境中操作就非常复杂了。这里所说的太空是指地球大气层以外的宇宙空间。那里是真空环境,没有空气,没有水,宇宙辐射也很强,同时还处于失重状态,环境和地球上有很多不同。

2016年9月15日,拟南芥和水稻种子随“天宫二号”发射入轨,8天之后太空实验启动。我们那时心里是忐忑不安的,种子究竟能不能萌发,心里没有底。

据上海技物所研究员、“实践十号”技物所载荷负责人张涛介绍,“实践十号”共搭载了19台有效科学实验载荷,其中近三分之一由上海技物所研制。这6台空间科学实验载荷,5台为返回舱生物实验载荷,1台为留轨舱物理实验载荷—颗粒物质箱,成功获取并积累了大量的科学实验数据和资料。

为了研究微重力环境对植物生命节律的影响,研究人员先把水稻和拟南芥种子放在高等植物培养箱中,在飞船进入太空后开始“解冻”,让种子开始生命周期。通常水稻和拟南芥都要培养一年才能完成一个周期,这期间必须给种子浇水、施肥、保证空气流通,还有阳光照射……培养箱里可以解决日照问题,但在太空中,水和空气很难分离,用带去太空的水浇灌种子时,水很难落进土壤,土壤里的空气也不会流通,要给种子加多少水更不好控制。研究人员先把水注入土壤,浸泡种子,再利用“毛细现象”把水引走,通过毛细管把回收的水再送回土壤,这样来完成水循环,既保证了水和空气的流通,又不浪费水,以此满足植物一年的全生命周期的培养需求。

实验启动5天后,拟南芥种子冒出一个小芽。20天后,水稻的小芽也顶着一颗硕大的水珠冒了出来。那时我们真的非常开心,一颗悬着的心终于放了下来。

该研究团队在研制过程中,克服了大量困难,谢焘等人在最后时刻,曾连续工作36个小时,以确保高质量完成任务。

2016年9月15日,拟南芥和水稻种子随“天宫二号”发射入轨,8天之后太空实验启动。郑伟波说:“刚开始我们都很忐忑,但实验启动5天后,拟南芥种子冒出一个小芽;20天后,水稻的小芽也顶着一颗硕大的水珠冒了出来。那时我们真的非常开心,一颗悬着的心终于放了下来。”

太空环境对植物有很多影响。比如,太空植物的花骨朵像满天星一样,比地球上的植物多很多。再比如,拟南芥在地球上一般只有四五十天的寿命,而“天宫二号”上的拟南芥在太空中生长了400多天,寿命长得多。科学家正在对这些现象作进一步的分析。

空间生命科学是利用微重力、高真空、高洁净、高辐射的近地轨道空间资源开展的生命科学实验与研究。其中,微重力环境具有非常重要和特殊的作用。据介绍,微重力水平仅为10-3g,要在这样的环境中取得高水平的研究成果,对于科学载荷提出了很高的要求。张涛解释说:“为了让生物样品活着去,活着回来,同时还要记录下所有的环境条件和实验过程,我们根据需求研制了10台不同类型的相机,可实时观察分析样品并成像,下传图像数据,以便根据实验结果实施遥操作。再如,在回收场,从拆解设备到把活性完好的生物样品交付给生物学研究人员,耗时不能超过2小时。”

后期他们持续观察,发现植物的确可以在太空生长发育,但太空环境也的确对植物有很多影响。比如从表观上看,太空植物的花骨朵会像满天星一样,比地面植物多很多。另外,拟南芥在地面一般只有四五十天的寿命,而“天宫二号”上的拟南芥却在太空中生长了400多天,寿命更长。其中的原因还有待科学家做进一步的研究分析。

除了植物栽培,我们还在太空中进行了细胞、胚胎的培养。

在上海技物所,记者见到了这些凝聚着上海技物所科研人员智慧与创新结晶的“迷你太空实验室”。其中5个收获硕果的科学装置分别是高等植物箱、植物培养箱、干细胞培养箱、胚胎培养箱和家蚕培养箱。

动物篇

胚胎由受精卵多次分裂而成,是生命的起点。胚胎的体外培养比细胞培养复杂,因为它更敏感,对环境的要求更高。在地球上,胚胎可以完成从分裂到着床、长出后代的过程,但没有人知道太空中哺乳动物的早期发育过程能否完成。科学家想知道答案,因为今后无论是人类还是其他动物,胚胎发育是进行长期太空旅行所必然要经历的过程。

高等植物箱在空间微重力条件下培养经筛选的植物样品,如水稻、拟南芥,通过光照周期调控和在线检测,了解并初步阐明微重力对长日与短日植物光周期诱导开花的影响及其分子机理。设备具有培养环境温度检测和控制功能,可实现昼夜交替照明和在线检测,设置长、短日照两个实验区,可实时获取空间实验过程目标样品的彩色图像信息和荧光图像信息,同时可去除有害气体。12天内,设备对短日条件下生长的拟南芥叶进行37℃热激处理,通过实时图像观察拟南芥的诱导开花情况,及开花基因的表达及其表达的大分子在植物体内的由叶子向茎顶端的转运规律。转基因植物基因表达热激控制技术和首次实现转基因植物GFP荧光成像技术是其创新点。

实验舱里小鼠胚胎终成鼠

实验是怎么做的呢?首先要构建一个适合胚胎发育的、类似于小鼠母体子宫的环境。这个环境非常苛刻,美国和日本科学家也做过类似实验,但没有成功。而我们最终做成了,这在世界上是第一次,而且我们把胚胎在太空中的整个发育过程用显微图像记录下来,对科学研究非常有帮助。

植物培养箱,以拟南芥幼苗为模式生物,在微重力条件下固定生物样品,获得微重力条件的实验样品。回收“植物培养箱”的中科院上海生科院植物生理生态研究所研究员蔡伟明告诉记者,他们培养的是模式植物,项目属于重力生物学范畴,研究植物怎么感受失重,怎么把这种物理刺激变成生物化学信号传下去,会产生什么影响。

在航天技术的发展过程中,其实有很多的小动物被送上了太空进行实验。最开始是为了研究宇航员进入太空后可能会遇到的各种情况,比如最出名的是一只名叫“莱卡”的小狗。它于1957年乘坐苏联的飞船进入太空,但由于当时苏联并不会收回卫星发射器,莱卡便献身宇航事业了。1961年,乘坐法国宇宙飞船上天的一只名叫“赫拉托”的老鼠,因为最后安全返回了地面,则成为了“第一只参观了太空的动物”。

这个实验证明,太空中能够完成小鼠早期的胚胎发育。我们将太空中发育的囊胚植入小鼠母体,结果真的生出了小老鼠。

太空飞行时,在实验装置内进行生物样品在微重力环境条件下的培养实验;载荷对培养环境条件(如温度、照度和湿度等)进行自动控制,对环境参数进行实时测量;对生物样品的生长状态进行图像监测;对环境参数和图像信息通过卫星数传系统下传至地面。植物植株化学固定方法及低温存储技术和首次实现多光谱成像分析技术是它的创新点。

如今的太空动物实验,已早不仅是安全返回的问题了。科学家认为,今后无论是人类还是其他动物,在长期太空旅游中,胚胎发育都会是必然要经历的事情。所以除了植物栽培,研究人员还在太空进行了细胞、胚胎的培养。

我们在“实践十号”卫星上还开展了其他一些实验研究,放置了家蚕培养箱、植物培养箱、高级植物培养箱等。

干细胞培养箱是技物所5个生命科学载荷中最大且结构复杂的一个。它如同迷你冰箱般大小,里面装着1.5升的液体、12条管路和1台显微镜,分为3层,重量达到35.75公斤。

胚胎是生命的起点,它由受精卵多次分裂而成。在地面,胚胎在合适的条件下,可以顺利完成从分裂到着床、长出后代的过程,但在太空中,哺乳动物是否能顺利完成早期发育过程呢?要知道,胚胎的体外培养比细胞培养更复杂,因为它更敏感,对环境的要求也更高。美国和日本科学家都曾做过类似实验,但没有成功。

地球虽然是人类的家园,但我们终将要走出地球,跨向宇宙。所以,我们还将会继续开展多种多样的太空生命探索研究,为人类的太空旅行做好准备。

“干细胞培养箱相当于把地面实验室一屋子的仪器设备浓缩到一个小箱子里,还要能出色地完成实验。工作人员装了整整3天才完成,箱子的重量控制得极为精准,误差没有超过20克。”张涛说。在空间特有微重力环境下,干细胞培养箱建立了造血干细胞和神经干细胞空间培养体系,获得了空间细胞培养图像及固定的样品。空间密闭环境中的干细胞培养技术、微重力条件下干细胞自动搜索捕获识别显微成像技术以及“化学固定液注入 半导体致冷器降温”固定技术是它的创新技术。

而中国的研究人员在实验太空舱里进行的动物胚胎实验,已证明在太空中能够完成小鼠早期胚胎发育。

备受关注的胚胎培养箱,则是在太空中早早地获得了实验结果——获得了太空中小鼠早期胚胎卵裂发育的实时显微图像。哺乳动物在太空环境中能否正常繁衍是科学家们一直探索的前沿课题,这关系着人类未来能否进行长期太空旅行,在太空中繁衍生息。空间密闭环境中的干细胞培养技术和微重力条件下胚胎自动搜索捕获识别显微成像技术是它的技术难点。

他们先模拟构建了一个适合胚胎发育的、类似于小鼠母体子宫的环境,然后在火箭发射前8个小时,把“解冻”的小鼠胚胎样本置入这个有适宜生长环境的实验装置,最终随卫星一起进入太空,并用高显设备全程记录下整个过程。每个发育细节都用显微图像记录下来,所有人都可以看得非常清楚。

段恩奎介绍说,太空中的动物繁衍实验,此前只做成过果蝇、金鳉鱼等非哺乳类动物,但哺乳动物胚胎在太空发育的研究一直未获成功。1996年,美国NASA在哥伦比亚号航天飞机上曾搭载了49枚小鼠的2细胞和8细胞胚胎,但等卫星回收后再观察,这些胚胎没有一个发育。2006年,中国的“实践八号”卫星在完成主要任务航天育种实验的同时,顺带加上了段恩奎参与的小鼠胚胎发育实验。这次实验让我国建立起一套太空胚胎成像系统,照片顺利传回地面,但没有看到小鼠胚胎细胞在太空中的发育。

人们可以看到,小鼠的细胞胚胎在飞船入轨后,在太空中开始从两细胞分裂成四细胞、八细胞……最后逐渐分裂成囊胚。但发育过程还是受到太空环境的一些影响,科学家仍在对此做进一步的基因组分析。不过他们相信,这个胚胎发育过程是成功的。因为在地面实验中,他们曾将在这种特制的培育箱中由胚胎发育而成的囊胚植入到小鼠母体,最后真的长出了小老鼠。当然这还需要进一步实验来验证。

段恩奎表示,将把收回的样本迅速送到实验室,进一步分析,通过对飞行实验和地面对照实验的比对,进行个体、细胞和基因(胚胎早期发育相关基因和重力敏感基因)水平的分析,探讨太空环境对胚胎发育的影响及其作用机制。

此外,研究人员还在“实践十号”和“天舟一号”上开展了一些干细胞太空实验。干细胞的研究十分重要,因为这种神奇的细胞不但能实现自我复制,还能分化成各种各样的功能细胞,比如心脏细胞,还有其他组成人体各种器官的细胞。所以研究人员希望了解干细胞在太空中是否也能正常增殖和分化。

张涛介绍,为千余枚家蚕胚胎提供了“太空之家”的家蚕培养箱,是利用宇宙空间的特殊环境,以家蚕作为模式生物,系统研究其基因表达特征。在轨期间,家蚕培养箱按照预定程序进行家蚕胚胎在空间环境条件下的培养实验,对培养环境条件(如温度、照度和湿度等)进行自动控制和遥控制;对环境参数进行自动实时测量,测量数据通过卫星数传系统下传至地面;对不同生长阶段的生物样品进行一定时间间隔的分次低温固定保存;对不固定的家蚕样品进行定时图像信息获取,图像信息送入载荷支持系统,过境时通过卫星数传系统下传至地面。空间密闭环境中实现家蚕胚胎培养和固态样品分批低温固定是这个载荷的技术创新。

在“实践十号”的干细胞箱中,主要开展的是造血干细胞和神经干细胞在太空中增殖分化的实验。研究人员发现,太空中的神经干细胞在脱离了重力约束后变得非常活跃,它会长出各种轴突,用其抓住细胞,形成神经组织。郑伟波说:“这个现象非常奇妙,我们在地面做了很多比对实验,都没有看到过这样的现象。”

《中国科学报》 (2016-05-16 第5版 创新周刊)

而在“天舟一号”上展开的,主要是骨细胞和其他干细胞的发育实验。骨细胞的研究是想了解在太空中宇航员可能会有骨质疏松的现象的原因。其他干细胞则包括胚胎干细胞向心肌细胞分化、向肝脏干细胞分化,或者是向生殖细胞分化等过程,在太空能否顺利完成。

郑伟波表示,开展太空生命探索主要有两种手段:一是监视太空中的细微变化,检测手段多种多样,显微镜是其中之一;二是把动植物或者细胞的太空实验样本带回地面,供科学家进一步分析。研究人员一直在持续进行这些实验,他们相信,未来人类终将要走出地球,跨向宇宙。所谓“兵马未动,粮草先行”,未来人类还需要开展更多种多样的太空生命探索研究。

本文由澳门新葡8455手机版发布于数理科学,转载请注明出处:澳门新葡8455手机版太空中看生命开花结果

关键词:

上一篇:谷神星近地表水或存在近千万年
下一篇:没有了