不知大家有沒有想過，我們未來有一天去太空旅行，或者太空移民的時(shí)候會(huì)遇到什么問題？首先遇到的可能是食物的問題，還有健康的問題。

如果是短期太空旅行的話，食物可以由地面運(yùn)上去，長期的太空旅行就要考慮在太空種植各種植物，培養(yǎng)各種動(dòng)物，滿足人對(duì)食物的需求。

太空指地球大氣層以外的宇宙空間。太空是真空環(huán)境，沒有空氣，宇宙輻射也很強(qiáng)，同時(shí)還處于失重狀態(tài)，和地球有很多不同。如何在太空培養(yǎng)動(dòng)植物呢？我們有機(jī)會(huì)在“天宮二號(hào)”、“實(shí)踐十號(hào)”和“天舟一號(hào)”上開展了一些生命實(shí)驗(yàn)。

左上：實(shí)踐十號(hào)  左下：天舟一號(hào)

右上、右下：天宮二號(hào)

我先介紹一下在太空中種植植物。植物生長需要陽光、空氣和水。太空中沒有空氣，也沒有水，需要從地面運(yùn)上去，而且運(yùn)上去的資源也非常有限，怎么種植呢？我們在“天宮二號(hào)”上種植了擬南芥和水稻，目的是研究微重力環(huán)境對(duì)植物生命節(jié)律的影響。

“天宮二號(hào)”高等植物培養(yǎng)箱

實(shí)驗(yàn)具體流程為：火箭發(fā)射前，我們把生物樣品，擬南芥和水稻的種子放到一個(gè)裝置里，再放到“天宮二號(hào)”上，隨“天宮二號(hào)”發(fā)射入軌。

在軌時(shí)，我們通過地面遙控啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并讓實(shí)驗(yàn)按照我們的要求開展。返回前要把整個(gè)實(shí)驗(yàn)“凍結(jié)”起來，避免地面環(huán)境影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這就是太空生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)的流程。

實(shí)驗(yàn)流程

在“天宮二號(hào)”上，水稻和擬南芥被放在高等植物培養(yǎng)箱中，體積只有300mm×300mm

×400mm大小。此外，水稻和擬南芥要培養(yǎng)一年，而從地面帶上去的水，每一個(gè)培養(yǎng)單元只有半瓶礦泉水的量，300毫升左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

我們想到模仿地球大氣圈的水循環(huán)：地表水蒸騰，升入空中遇冷形成雨水，再落回地面。但是，在太空中構(gòu)建水循環(huán)缺少一個(gè)環(huán)節(jié)，因?yàn)樘罩惺鞘е丨h(huán)境，水形成后無法落回土壤。

于是我們利用毛細(xì)現(xiàn)象，把搜集到的水通過毛細(xì)管再送回土壤。這樣的水循環(huán)過程可以滿足植物一年的全生命周期的培養(yǎng)需求。

我們送上太空的是植物種子。在地面，種子埋在土壤里，為它澆水，有合適的溫度和陽光，它就能萌發(fā)。但在太空中操作就非常復(fù)雜了，因?yàn)樘罩兴涂諝夂茈y分離，水難以落進(jìn)土壤，土壤里的空氣也出不來，加多少水更不好控制。

種子萌發(fā)的條件：一是能夠被水浸潤，能夠吸脹；二是能呼吸，種子全部浸沒在水中會(huì)被淹死。天地之間的差別一直困擾著我們。

后來我們想了一個(gè)辦法，把水注入土壤后，通過毛細(xì)現(xiàn)象把水引走，讓種子露出來呼吸，通過這種方式讓種子萌發(fā)。

模擬水循環(huán)

因?yàn)榈孛娲嬖谥亓Γ@種方法很難在地面驗(yàn)證。但我們通過摸索，并請(qǐng)力學(xué)所的專家進(jìn)行計(jì)算，有了一定把握，可以去太空試一下。

2016年9月15日，擬南芥和水稻種子隨“天宮二號(hào)”發(fā)射入軌，8天之后太空實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)。說實(shí)話，我們那時(shí)心里還是有點(diǎn)忐忑不安的，種子究竟能不能萌發(fā)，心里還沒底。

“天宮二號(hào)”高等植物短日照太空實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)5天后，擬南芥種子冒出一個(gè)小芽。20天后，水稻的小芽也頂著一顆碩大的水珠冒了出來。那時(shí)我們真的非常開心，一顆懸著的心終于放了下來。

太空環(huán)境對(duì)植物有很多影響。如下圖所示，中間植物是從太空帶回來的，兩邊是地面的。從表觀上看，太空植物的花骨朵像滿天星一樣，比地面植物多很多。

另外，擬南芥在地面一般只有四五十天的壽命，而“天宮二號(hào)”上的擬南芥在太空中生長了400多天，壽命長得多?？茖W(xué)家正在對(duì)這些現(xiàn)象的具體原因做進(jìn)一步的分析。

除了植物栽培，我們還在太空進(jìn)行了細(xì)胞、胚胎的培養(yǎng)。胚胎由受精卵多次分裂而成，是生命的起點(diǎn)。胚胎的體外培養(yǎng)比細(xì)胞培養(yǎng)復(fù)雜，因?yàn)樗舾校瑢?duì)環(huán)境的要求更高。

在地面，胚胎可以完成從分裂到著床、長出后代的過程，但沒有人知道太空中哺乳動(dòng)物的早期發(fā)育過程能否完成?？茖W(xué)家想知道答案，因?yàn)榻窈鬅o論是人類還是其他動(dòng)物，胚胎發(fā)育是進(jìn)行長期太空旅游必然要經(jīng)歷的過程。

實(shí)驗(yàn)是怎么做的呢？首先要構(gòu)建一個(gè)適合胚胎發(fā)育的、類似于小鼠母體子宮的環(huán)境。這個(gè)環(huán)境非常苛刻，一開始我們一直培養(yǎng)不好。想了很多辦法，比如用超聲洗、沖洗，還有各種浸泡方式，盡量把環(huán)境中的雜質(zhì)清除掉，但一開始都不行。

構(gòu)建胚胎發(fā)育環(huán)境

后來，我們跟廠家了解生產(chǎn)工藝過程，發(fā)現(xiàn)在環(huán)境注塑過程中加入了一點(diǎn)脫模劑，后續(xù)的處理過程中很難把它處理掉，從而影響胚胎的發(fā)育。

了解情況后，我們便通過抽真空的方式，令吸附在培養(yǎng)盒表面的附著物揮發(fā)掉，最后做出一個(gè)適合胚胎成長的、類似于小鼠子宮的一個(gè)環(huán)境。

構(gòu)建胚胎發(fā)育環(huán)境

美國和日本科學(xué)家也做過類似實(shí)驗(yàn)，但沒有成功，而我們做成了，而且把胚胎在太空中的整個(gè)發(fā)育過程用顯微圖像記錄下來，科學(xué)家可以看得非常清楚，這對(duì)科學(xué)研究很有幫助。

小鼠胚胎的發(fā)育是一個(gè)不可逆的過程。胚胎解凍之后到形成囊胚，96個(gè)小時(shí)不可間斷。衛(wèi)星平臺(tái)允許我們?cè)诎l(fā)射前24小時(shí)進(jìn)行安裝，但24小時(shí)當(dāng)中胚胎可能已經(jīng)開始發(fā)育，影響微重力發(fā)育過程的研究。

所以我們跟衛(wèi)星平臺(tái)交流，希望安裝時(shí)間盡可能晚一點(diǎn)。但那時(shí)火箭已經(jīng)加注了，要承擔(dān)一定的風(fēng)險(xiǎn)。后來衛(wèi)星平臺(tái)允許我們?cè)诎l(fā)射前8小時(shí)進(jìn)行最后的安裝，把胚胎樣本裝到實(shí)驗(yàn)裝置，再裝到衛(wèi)星上。

下圖是發(fā)射前小鼠兩細(xì)胞胚胎的狀態(tài)，入軌后，它在太空中從兩細(xì)胞變成四細(xì)胞、八細(xì)胞……逐漸分裂成囊胚。

太空中小鼠胚胎細(xì)胞發(fā)育

這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明太空中能夠完成小鼠早期胚胎發(fā)育。但發(fā)育過程會(huì)受到一些影響，科學(xué)家也正在對(duì)此做進(jìn)一步的基因組分析。

如果將太空中發(fā)育的囊胚植入到小鼠母體，是能夠長出小老鼠的。我們?cè)诘孛孀隽诉@個(gè)實(shí)驗(yàn)，小鼠胚胎在培養(yǎng)箱發(fā)育成囊胚后，植入小鼠母體，真的生出了小老鼠。

地面體外發(fā)育囊胚植入小鼠母體生出小鼠

我們?cè)凇皩?shí)踐十號(hào)”和“天舟一號(hào)”上還開展了一些干細(xì)胞太空實(shí)驗(yàn)。干細(xì)胞是一種非常神奇的細(xì)胞，它不但能實(shí)現(xiàn)自我復(fù)制，還能分化成各種各樣的功能細(xì)胞，比如心臟細(xì)胞，還有其他組成人體各種器官的細(xì)胞。

干細(xì)胞研究是一個(gè)熱點(diǎn)，科學(xué)家也想了解干細(xì)胞在太空中是否也能正常增殖和分化。

我們開發(fā)了“實(shí)踐十號(hào)”干細(xì)胞箱和“天舟一號(hào)”生物反應(yīng)器來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

“實(shí)踐十號(hào)”干細(xì)胞箱 

“天舟一號(hào)”生物反應(yīng)器

“實(shí)踐十號(hào)”干細(xì)胞箱主要開展造血干細(xì)胞和神經(jīng)干細(xì)胞在太空中增殖分化的實(shí)驗(yàn)。下圖展示了太空中的神經(jīng)干細(xì)胞，它們脫離了重力的約束后變得非?；钴S。它會(huì)長出各種軸突，用其抓住細(xì)胞，形成神經(jīng)組織。

神經(jīng)干細(xì)胞太空實(shí)驗(yàn)顯微視頻

神經(jīng)干細(xì)胞像八爪魚一樣，在太空中非常活躍。這個(gè)現(xiàn)象非常奇妙，我們?cè)诘孛孀隽撕芏啾葘?duì)實(shí)驗(yàn)，都沒有看到這樣的現(xiàn)象。

我們?cè)凇疤熘垡惶?hào)”上開展了骨細(xì)胞和其他干細(xì)胞的發(fā)育實(shí)驗(yàn)。在太空中，宇航員可能會(huì)有骨質(zhì)疏松，骨質(zhì)會(huì)流失。究竟是因?yàn)槌晒羌?xì)胞增殖的少了，還是破骨細(xì)胞增殖的快了？搞不清楚原因，我們就在太空中進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)。

 骨細(xì)胞太空實(shí)驗(yàn)顯微視頻

還有其他干細(xì)胞的分化，比如向心肌細(xì)胞分化，向肝臟干細(xì)胞分化，或者是胚胎干細(xì)胞向生殖細(xì)胞分化，在太空能否完成這些過程？我們?cè)凇疤熘垡惶?hào)”上配置了六臺(tái)顯微鏡開展實(shí)驗(yàn)。

開展太空生命探索主要有兩種手段：一是監(jiān)視太空中的細(xì)微變化，檢測(cè)手段多種多樣，顯微鏡就是其中之一；二是把動(dòng)植物或者細(xì)胞的太空實(shí)驗(yàn)樣本帶回地面，供科學(xué)家進(jìn)一步分析。

“實(shí)踐十號(hào)”返回的時(shí)候已經(jīng)是晚上12點(diǎn)了，我們立刻把樣品分解出來?？茖W(xué)家非常重視，連夜從內(nèi)蒙古四子王旗趕到北京進(jìn)行分析。

我們?cè)凇皩?shí)踐十號(hào)”上還開展了其他一些實(shí)驗(yàn)研究，放置了家蠶培養(yǎng)箱、植物培養(yǎng)箱、高級(jí)植物培養(yǎng)箱等。

家蠶培養(yǎng)箱

植物培養(yǎng)箱

高等植物培養(yǎng)箱

地球雖然是人類的家園，但我們終將要走出地球，跨向宇宙。所謂“兵馬未動(dòng)，糧草先行”，需要我們開展多種多樣的太空生命探索研究。我希望通過這個(gè)講座，激起大家對(duì)航天探索的興趣，更希望有同學(xué)未來能加入到我們太空生命研究的隊(duì)伍。謝謝大家！

本文轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)“SELF格致論道講壇”（ID：SELFtalks）

《環(huán)球科學(xué)》2019年3月刊上市