实践十号“乘客”归来

 数理科学     |      2019-12-19 05:37

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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几年前,我们就已收获了比较成熟的“太空种子”。

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。

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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。

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