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神舟飞船里的生命实验

日期:2013年4月1日 09:13

  神舟10号飞船昨天搭载大型运输机从北京启程前往酒泉卫星发射中心,为今年6月至8月的择机发射作准备。届时,3名航天员驾乘飞船与在轨运行的“天宫1号”目标飞行器进行载人交会对接。这将是飞船在天空飞行时间最长的一次。

  从神舟1号到神舟10号,神舟飞船无疑是中国科技崛起的里程碑。实际上,在真正载人上天之前,科学家们已经在神舟飞船上进行了多种生命实验。要开发和利用空间,这些生命实验是必需的。而因为空间环境和地球环境的差异,空间生命实验比在地球环境中能取得更好的效果。

  在神舟飞船上进行的空间生命科学实验属于生命科学的范围,因为是在空间环境中进行,所以叫空间生命科学。

  1992年9月21日,中国政府决定实施载人航天工程,因为保密的原因,对外叫做921工程,并确定了三步走的发展战略。

  第一步是发射载人飞船,开展空间应用实验,在飞船上开展各种各样的空间科学实验以及应用项目的研究;第二步是突破载人飞船和空间飞行器的交会对接技术,就是要发射空间实验室,解决短期有人照料的空间应用问题。第三步是建造载人空间站,使科研人员能够居住,并开展各种各样的研究和实验。目前我国进入了第二步的前一个阶段,所用的飞船就是神舟号。

  空间实验室系统为载人航天八大系统之一

  载人航天是一项复杂的科学技术工程,因此它有一个严密的组织结构,其中包括八大系统:航天员系统、空间应用系统、载人飞船系统、运载火箭系统、发射场系统、测控通信系统、着陆场系统、空间实验室系统。

  空间生命科学实验属于空间应用系统。这个系统的主要任务,是利用载人飞船的空间实验支持能力开展各项科学实验和应用研究。

  为了实施我国载人航天的科学实验与应用研究,中国科学院1993年成立了空间科学与应用总体部,负责统一组织空间应用系统的研制。这八大系统每个系统都有一个负责单位。应用系统是中国科学院,航天员系统就是航天员选拔培训中心。

  人类要进入空间

  先要了解空间环境对生物体的影响

  空间是一个特殊的环境,具有微重力、超高真空、高热和深冷、强辐射等地球环境所不具备的特点。飞船绕地球一圈是一个小时左右,这短短的一小时,飞船要飞经地球的受光面和背光面,见阳光的地方温度很高,背阳光的时候又很冷,飞船在短时间内要经历高热和深冷的环境。同时,飞船在轨道上运行要承受微重力的考验,上升阶段又要和超重现象抗衡。人类基于地球环境建立的物理、化学规律,在空间这个特殊环境下就不完全适应。要开发利用空间,就必须重新进行探索与研究,了解和建立全新的物理、化学和生物学领域的规律和定律。这就是要进行空间科学实验的原因。

  921工程的空间科学实验包括空间天文学、空间环境、空间生命科学、空间材料科学和微重力流体物理学等多个领域。这些实验从1993年开始准备前期的实验室研究,之后才到飞船开展了大量的实验和研究工作,取得了丰硕的成果。

  在空间科学实验中,生命科学实验占的比重很大。因为空间环境的微重力、高能辐射以及节律变化等特殊的环境给生命科学、生物技术实验提供了地面没有或者不能完全模拟的条件。利用这种独特的环境进行蛋白质和生物大分子结晶以及生物组织的培养,可以避免地面重力作用所造成的对流和沉淀等不利影响,获得比在地面上更好的结果。因此,进行空间生命科学研究不仅有助于揭示生命科学在地面环境下不可能获得的一些本质的特征,在应用上还有望获取新的空间生物工程的研究方法。也正是因为这个原因,空间生命科学研究是世界各个航天大国的热点研究领域。

  人类要进入空间,首先要了解空间环境对生物体的影响,比如低等动物、植物,进一步还要了解对人的影响。而且,空间特殊环境对生物新材料的制备、生物药品的研制、分子生物学研究、开展空间生物学效应的研究以及了解生物遗传和变异等具有更广泛的科学意义。

  神舟飞船里的生命科学实验

  我国的921工程任务做了五项试验。

  第一个实验是空间蛋白质结晶。

  研究显示,生命体的一切活动都是通过蛋白质和核酸等生物大分子的功能来实现的,而这些生物大分子的功能又直接取决于它们的结构。测定这些生物大分子的结构并研究其结构和功能的关系,对于揭示生命奥秘十分重要,同时也是发展蛋白质工程和新型药物设计等生物高技术所必需的基础。

  我国进行的蛋白质结晶实验和其他航天大国有些不同。一是采取了主动温度控制;二是结晶方法有滑板式和旋塞式两种,有的国家只有一种。

  测定蛋白质生物大分子的结构,需要将它先培养成单晶体。只有单晶体才能测量结构信息,也就是进行X射线的衍射分析。借助衍射分析得到的数据就可以构建分子的结构模型。空间的微重力环境有利于提高蛋白质和晶体生长的质量,晶体可以比在地球上长得大而完整。

  在前期的实验中,科学家选择了16种蛋白质进行结晶实验,结晶率达到70%,长出了五种可以用于晶体结构分析的优质晶体。之后,在神舟8号飞船又进行了空间生物大分子的组装与应用研究,实际上还是蛋白质结晶。这个项目也经过了5年的准备,所用的结晶室不同于神舟2号和3号,是高通量的无源式毛细管结晶室,结晶效果更好。

  第二项是空间的生物培养。

  这项实验是在飞船携带的空间通用生物培养箱里进行的。培养箱里装载了19类25种植物、动物、水生生物、微生物、组织和细胞生物样品。国外飞船上的试样种类更齐全,有各种动物和细胞组织。因为只有全面进行培养后才能真正完整地了解空间环境对生物培养的影响到底是什么。

  我们选择的植物有石刁柏、圆红萝卜、灵芝;蛋白质生物有小球藻、鱼星藻、螺旋藻,还有昆虫,选择的是果蝇;小乌龟是比较大的动物,因为飞船上的空间有一定限制,不能用大的动物。另外还有不同的组织细胞,比如大肠杆菌、大鼠的心肌细胞、胚胎和腿部肌肉细胞。

  经过7年的实验研究,科学家从87种生物样品中节选出来进行生物培养,观察这些生长在地球上的生物个体、组织和细胞,在空间这种特殊环境下会有些什么反应。通过这些实验可以探讨发展空间生物加工技术,获得具有优良性状和经济价值的生物品系的新技术和新思路。

  第三项是空间细胞生物反应,这项实验专门针对细胞。

  在空间进行的细胞培养是科学研究、生物制药工作和医学工作经常使用的一项技术,所以它是一个基础技术。将细胞放在适宜的培养基中,让它在其中生长增殖。空间的微重力条件也为细胞培养提供了优越的条件,这个条件有利于进行高密度、高产量的细胞培养。同时,研究微重力条件对细胞生长、分化和代谢物分泌的影响还可以为空间制药和培育生物新品种探索新的方法。

  细胞反应器有四个独立的培养单元,能够培养四种细胞。科学家选择了四种细胞,分别是人体组淋巴瘤细胞、人大颗粒淋巴细胞,还有两种杂交瘤细胞。之所以选择它们,是因为这些细胞经过杂交之后形成,对制药、治疗疾病或者对疾病病因的了解都有意义。

  这四种细胞在空间中生长得比在地面上好得多,空间中的人大颗粒淋巴细胞能长到地面上的12倍大小。而且,长这么大它还保留有它杀伤肿瘤细胞的正常功能。

  第四项是细胞电融合。

  所谓细胞融合,是指在自然条件或人工(化学、物理)诱导条件下两个不同类型的细胞或原生质体融合形成的一个杂种细胞。这里的细胞是动物细胞,原生质体是植物或细菌的细胞。因为植物细胞外边有一层坚硬的细胞壁,做细胞融合时要把细胞壁去除,去除了细胞壁的植物细胞和细菌细胞就叫做原生质体。

  做这个实验可以检验细胞能不能为空间制药和培育新品种探索新方法。在空间微重力条件下,重力沉降现象消失,在地面上不能融合的一些细胞也能更好地融合。我们所用的人工诱导条件是电诱导,称为电融合。这种融合比其他人工诱导的融合率强、重复性强,对细胞的杀害也比较小。细胞融合技术被广泛应用到了细胞生物学和医学研究的各个领域,也正因为其应用广泛,才更有意义。

  在这个实验中选择了一对细胞和一对原生质体。一对细胞是小白鼠的淋巴细胞和它的骨髓瘤细胞,一对原生质体是黄花烟草和革新一号烟草。淋巴细胞能产生抗体但不能繁殖,骨髓瘤细胞却可以在体外无限繁殖,利用它们的各自优势进行细胞融合可以得到既能产生抗体又能无限繁殖的杂交体。这种两个细胞的融合在地面上融合率很小,在空间却能生长得很好。

  第五项是利用电泳的方法进行空间生物分子分离和提纯。

  所谓电泳就是电解质或溶液在电场的作用下,带电的负离子会向正极移动的过程。在生物学研究和医学研究中可以用于鉴别,比如鉴别这是什么物质、浓度怎么样、是怎么组成的。另外也可以进行制备,比如里边有两种带电不同的物质,可以通过电泳把它分离出来,得到我们所需要的东西。用电泳方法对一些生物材料比如氨基酸、多肽、蛋白质、核酸以及细胞进行分离纯化,是生物医学和生物技术领域的基础应用技术,应用很广泛。

  在空间进行电泳实验的目的是掌握空间电泳的基本技术与方法,研究在微重力环境下电泳迁移率及各种影响因素的稳定控制、分辨率控制。另外也可以为空间制药、分离纯化、设备的设计提供技术思想。

  空间中进行分离用的是一种叫做空间连续自由流的电泳仪。这种电泳仪适宜进行制备。它在地面上受重力影响比较大,分辨率和产生率都受到限制,在空间中这种限制几乎不存在,所以可以增加样品的流通量,同时会减少电动力学和流体力学的变形,从而提高分离效果。

  921工程就是进行了这样一些实验。当然,这些实验还要进一步再实验,将来建立了空间实验室,生命科学仍将是主角。

  (本文根据王谷岩教授在首都科学讲堂的讲座录音整理而成。王谷岩为中国科学院生物物理研究所研究员,科普作家)

  三代航天人的“飞天梦”

  3月28日,在北京航天城,老中青三代航天人会聚一堂,畅谈各自的“飞天梦”。

  戚发轫(神舟飞船首任总设计师)

  “我已经80多岁了,但是我还有梦想。中国虽然已经是一个航天大国,但还不是航天强国,我希望我能活着见到中国的航天员到月球上去,我对这个梦想的实现很有信心。”

  身处中国航空航天人的“摇篮”,北航学子们对实现“飞天梦”有着格外浓厚的情结。一名学生道出了许多人的梦想:中国载人航天的“乘客”人选目前还是来自飞行员,普通民众未来有机会进入太空吗?

  戚发轫笑着回应说,航天员有两类,一类是驾驶员,要会操作,承担维修任务;另一类是有效载荷专家,将来会有很多科学家到空间站完成科学任务,在座年轻人去的可能性很大。随着科技发展创新,普通老百姓太空旅游的梦想也有可能实现。

  杨利伟(中国载人航天办公室副主任)

  “从担任航天员、训练到执行神舟5号任务,我深刻地感受到,个人的梦想和国家的航天事业、民族的腾飞结合在了一起。当实现自己梦想的时候,也就是我们‘中国梦’实现的时候。”

  一名女学生问:“去年中国第一位女航天员飞上太空,航天员的选拔标准是不是非常严苛?”

  杨利伟说,随着技术的发展,对航天员生理上的要求会越来越宽泛,但本身素质的要求会越来越高,“载人航天性别已不是问题,今年神舟10号还可能会有女航天员参与飞行。”

  李毅(北航宇航学院飞行器动力工程专业本科生)

  “报考北航的一个原因是,作为一名航天工程师不仅能够实现自己飞天的理想,还能为国家作出贡献。我愿为这一具体的‘中国梦’付出不懈努力。”

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