当前快播：耕渔太空 实验先行

随着航天技术的不断进步，航天员“太空出差”时间越来越长、人数越来越多，也许不远的将来，人们就会旅行太空甚至移居外星。太空环境和地球迥异，“耕渔太空（在太空种粮食、养鱼虾）”必须先进行空间生命科学实验和研究。

在问天实验舱中，科学家将开展多种类植物、动物、微生物等在空间条件下的生长、发育、遗传、衰老等响应机理研究。说起这些研究，就不得不提中科院上海技术物理研究所（以下简称上海技物所）研制的“生命生态科学实验系统”和“生物技术科学实验系统”。

问天实验舱生命生态科学实验柜      中科院空间应用工程与技术中心供图

看斑马鱼的“花样泳”

“未来人们建立火星基地或在太空驻留足够长的时间，资源上的自给自足就非常必要。”上海技物所空间生命科学仪器研制团队负责人张涛研究员说，“我们研制了配置在问天实验舱的‘生命生态科学实验系统’（进行以植物类生物样品为主的微重力效应研究、空间受控生命生态保障系统研究等）和‘生物技术科学实验系统’（主要支持像动物细胞、组织，生化分子等不同类型的生物样品研究），目的是建立在轨实验条件，支持各类实验运行，为生物学家进行太空科学实验提供平台。”

生命生态科学实验系统包括通用生物培养、小型通用生物培养、小型受控生命生态实验、小型离心机实验、生物检测块和舱内辐射环境测量六大模块。以对应生命支持保障，环境条件控制，成像观察，变重力模拟，微生物检测控制，舱内辐射环境测量，遥科学支持等17项功能要求。

在空间站开展生命科学研究，对实验环境的温度、湿度、光照、液体及气体组分等都有严格的要求。

在问天实验舱，科学家构建了以斑马鱼为研究对象的小型密闭生命生态系统。这是个密闭的“水族箱”，其中约有1升多水，四五条斑马鱼，还有些藻类和微生物。其中鱼类是这个生态系统的“消费者”，藻类相当于“生产者”，微生物则充当“分解者”。

为保障系统稳定运行，必须为鱼类喂食、供氧，为藻类提供营养液、照明，同时满足该系统pH值、溶氧、温度、电导率等指标要求，并能进行参数调节、鱼卵收集、废物处理等操作，从而实现系统内部物质和能量的自主平衡及稳定运行。

“这套‘天上养鱼’系统是个密闭的自动化系统，它能监测和控制系统环境参数并传输实时数据、图像等。”上海技物所结构工程师田清说，“在太空微重力环境下，‘鱼缸’必须密闭处理，不然水会‘飘走’，斑马鱼游动起来也会将水推开。而且太空没有浮力，鱼在该系统游的时候什么‘花样’都可能出现。斑马鱼必须靠自己的适应能力，调节在水中的姿态，适应微重力环境。这可能是个较有观赏性的过程。”

“斑马鱼—水草—微生物”系统地面模拟实验          上海技物所供图

让细胞“拎包入住”

除对生命生态系统进行研究外，此次“问天”实验舱还配置了上海技物所研制的生物技术实验系统，将以生物组织、细胞和生化分子等不同层次，多类别生物样品为对象的细胞培养和组织构建，以及分子生物制造、空间蛋白质结晶和分析等空间生物技术及应用研究。

“生命生态与生物技术实验系统都采用‘模块通用化+单元个性化’的设计，模块对外是规范的标准接口，内部装置可以更换或改造，从而满足不同类型的实验要求。”张涛说。

考虑到现阶段航天员并非生物学家，而且还有很多实验和工作要完成，上述系统设计了多种工作模式，一是自动化模式，系统可以自动完成实验和数据传输处理；二是通过地面上注指令来控制实验进程，科学家依据下传数据，对实验进展做出判断并实时调整实验；三是由航天员操作模式，比如安装、替换样品，实验单元的安放取出，实验过程中的采样等，都可以由航天员按照标准流程来完成实验操作。

其中，生物技术科学实验系统可以同时进行32个培养单元，共72个实验单元的实验。

在细胞组织实验模块，研究人员通过构建相对封闭的空间二氧化碳培养箱，支持开展空间细胞、组织层面的培养实验，并配置高精度的显微观察组件，对实验样品实时在轨精细观察；蛋白质结晶分析模块支持开展空间蛋白质结晶与分析实验；细胞组织检测与调控模块能提供氧气、二氧化碳等供给，提供激光光源和紫外可见分光光度检测。

在动物细胞组织实验模块中，因为动物细胞的细胞膜比较脆弱，而且细胞通常只有几微米大小，检测和实验过程要非常小心才能顺利完成实验。研发人员为此准备了气体供给、温度控制、可见光与荧光显微镜，还有氧气传感器、压力传感器、二氧化碳传感器、湿度传感器等检测部件。

“所有这些生物样品的培养、观察、检测都能全自动完成。”上海技物所结构工程师张寅说，“组件的每个单元都能独立完成实验，整个装置相当于一座房子，已经建成装修好了，只等细胞‘拎包入住’。”

通用生物培养模块             上海技物所供图     

完备的基础生科实验室

“这些科学实验模块主要是为生物学家提供在轨培养、实验条件，研究生物在微重力情况下的一些变化。”生命生态实验系统主任设计师、上海技物所研究员郑伟波说。

为给生物学家提供微重力环境和地球环境的比对实验条件，研发人员为实验柜配置了小型离心机。以便在空间站模拟地球的重力条件，并将空间微重力、太空模拟重力和地面的实验数据进行对比，尽可能准确反映太空微重力对生命过程的影响。

空间站是个密闭的有氧环境，这也给微生物提供了生存条件。这些微生物会腐蚀电缆、材料和电子器件，甚至影响航天员的健康。此外，进行生命科学实验时，也需要对培养基进行灭菌处理。因此，实验系统还配备了微生物监测、控制装置。

“我们可以实现在轨对实验环境中的微生物进行核酸检测，并自动进行灭菌处理，以保证科学实验系统和实验不受影响。”生物技术科学实验系统副主任设计、上海技物所副研究员刘方武说。

由于太空实验资源有限，研发人员设计了水循环利用系统：对植物蒸腾出的水份进行收集，并送回土壤再利用。在“天宫二号”的培养体系里，科学家曾用300毫升水，实现了400多天植物培养。

此外，生命生态实验系统能适应不同植物生长的要求，对光谱、光强、光周期进行调节，并提供二氧化碳等生命科学实验的“耗材”。

“这相当于在空间建立了一个相对完备的基础生物科学实验室。”郑伟波说。