耕渔太空  实验先行

▲斑马鱼—水草—微生物”系统地面模拟实验 上海技物所供图

▲“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

■本报记者 张双虎 李晨阳

随着航天技术的不断进步，也许在不远的将来，人们可以太空旅行甚至移居外星球。不过，太空环境和地球迥异，“耕渔太空（在太空种粮食、养鱼虾）”的前提是，必须先进行空间生命科学实验和研究。

在日前升空的“问天”实验舱中，科学家将开展多种植物、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。而这些研究都离不开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”。

看斑马鱼的“花样泳”

“未来，人们如果要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、研究员张涛说。

配置在“问天”实验舱的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、微生物检测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。这个密闭的“水族箱”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，必须给鱼类喂食、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介绍说。

让细胞“拎包入住”

除了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科学实验系统。

该系统设计了多种工作模式，一是自动化模式，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；三是航天员操作模式，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。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。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’。”

相对完备的基础生物科学实验室

“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，研发人员还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。

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。