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眾所周知，在太空飛行的載人航天器內(nèi)與地面有天壤之別，最顯著的特點(diǎn)是存在地面難以模擬的長期失重環(huán)境。在那里人人好像都會(huì)輕功，可以像游泳一樣隨意飄來飄去；航天員各個(gè)均能成為大力士，可毫不費(fèi)力的舉起任何東西，甚至能輕松表演“一指禪”；他們的睡覺也不分上下，可以站著睡，也能倒立睡，高興時(shí)還可不固定睡袋，當(dāng)一回“夜游神”；吃東西時(shí)也能像小鳥一樣，把食物放在空中后用嘴去接著吃……

隨著人類走向太空，未來，哺乳動(dòng)物能在太空正常繁衍嗎？ 

為了回答這個(gè)疑惑，科學(xué)家們把小鼠早期胚胎帶上了太空。它能否在空間環(huán)境下正常分裂、發(fā)育？其發(fā)育過程與地面有哪些不同？ 

“我們以小鼠細(xì)胞胚胎為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行培養(yǎng)并顯微實(shí)時(shí)跟蹤觀察，看它在微重力環(huán)境中能否繼續(xù)分裂到8個(gè)細(xì)胞、16個(gè)細(xì)胞……觀察在微重力情況下，哺乳動(dòng)物胚胎能否和在地球上一樣正常發(fā)育。”中科院動(dòng)物所研究員段恩奎說。 

↑地面條件下胚胎發(fā)育圖像

未來人類能在太空繁衍？

空間微重力條件可引起顯著的人體生理變化，細(xì)胞水平的研究是認(rèn)識(shí)其機(jī)制的重要環(huán)節(jié). 微重力對(duì)生命活動(dòng)的影響主要是由于重力變化后生物體內(nèi)外的力學(xué)環(huán)境變化引起的，失重本身可能引起細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)變化，失重后流體行為的改變也可能造成物質(zhì)交換條件的變化進(jìn)而影響生物體的新陳代謝和生長. 從微重力下細(xì)胞生長與物質(zhì)輸運(yùn)條件依賴性的規(guī)律出發(fā)，以生物力學(xué)的視角探索上述問題，有助于理解重力對(duì)于生命活動(dòng)的意義.

微生物學(xué)家、宇航員Kate Rubins在國際空間站測試干細(xì)胞。圖片來源：NASA

地球生命的整個(gè)演化歷史中，重力基本上是一個(gè)常量. 因此，生命體的所有結(jié)構(gòu)、功能均已適應(yīng)了這一物理?xiàng)l件. 空間探索活動(dòng)把人類以及其他地球生物帶到了微重力環(huán)境下，重力成為變量. 一方面，失重本身可能引起細(xì)胞- 組織結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)變化，可稱之為重力變化的直接作用；另一方面，失重后對(duì)流、沉降等行為的顯著改變可能造成物質(zhì)交換的變化進(jìn)而影響生命體的新陳代謝，可稱之為重力變化的間接作用. 盡管空間細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)已有一些先例，但在科學(xué)問題上，亟需探索上述兩種作用的區(qū)別與聯(lián)系，闡明微重力影響細(xì)胞生命活動(dòng)的規(guī)律.

一、微重力下內(nèi)皮細(xì)胞培養(yǎng)的物質(zhì)輸運(yùn)條件依賴研究. 在微重力環(huán)境下，利用輸送培養(yǎng)液的泵閥系統(tǒng)和培養(yǎng)器腔室結(jié)構(gòu)設(shè)定和調(diào)控流動(dòng)條件與物質(zhì)交換條件，記錄細(xì)胞顯微觀察圖像，并通過收集細(xì)胞培養(yǎng)液上清，細(xì)胞在線分步化學(xué)固定以進(jìn)行回地分析等手段，獲得不同物質(zhì)輸運(yùn)條件下的內(nèi)皮細(xì)胞形態(tài)圖像數(shù)據(jù)、細(xì)胞葡萄糖及氧代謝數(shù)據(jù)、細(xì)胞骨架熒光染色數(shù)據(jù)、基質(zhì)分泌數(shù)據(jù)以及增殖動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù). 擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題為：空間微重力環(huán)境下內(nèi)皮細(xì)胞生長、代謝、結(jié)構(gòu)重組及功能分泌等生物學(xué)過程對(duì)物質(zhì)輸運(yùn)條件依賴規(guī)律的認(rèn)識(shí).

二、 微重力下骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化的物質(zhì)輸運(yùn)條件依賴研究. 在微重力環(huán)境下，利用輸送培養(yǎng)液的泵閥系統(tǒng)和培養(yǎng)器腔室結(jié)構(gòu)設(shè)定和調(diào)控流動(dòng)條件與物質(zhì)交換條件，記錄細(xì)胞顯微觀察圖像，并通過收集細(xì)胞培養(yǎng)液上清，細(xì)胞在線分步化學(xué)固定以進(jìn)行回地分析等手段，獲得不同物質(zhì)輸運(yùn)條件下的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞形態(tài)圖像數(shù)據(jù)、細(xì)胞葡萄糖及氧代謝數(shù)據(jù)、細(xì)胞骨架熒光染色數(shù)據(jù)、肝向分化數(shù)據(jù). 擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題為：空間微重力環(huán)境下骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞代謝、結(jié)構(gòu)重組、定向分化等生物學(xué)過程對(duì)物質(zhì)輸運(yùn)條件依賴規(guī)律的認(rèn)識(shí).

已進(jìn)行的地面對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果包括：目前利用空間實(shí)驗(yàn)裝置已進(jìn)行了若干次地面對(duì)比試驗(yàn)，分別檢測了細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)、細(xì)胞代謝與分化等生物學(xué)指標(biāo)，并測試了實(shí)驗(yàn)裝置的工程控制參數(shù). 細(xì)胞本身作為生命系統(tǒng)的基本層次，其結(jié)構(gòu)和功能也是十分復(fù)雜的，在同樣控制條件下空間實(shí)驗(yàn)可能會(huì)與地面實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生差別，如細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)、代謝程度、增殖速率、分化功能等變化，需要經(jīng)過多重對(duì)照實(shí)驗(yàn)綜合分析來判斷其意義.

1. 高中畢業(yè)的我們知道，干細(xì)胞生物學(xué)是21世紀(jì)矚目的研究領(lǐng)域之一，是組織工程和再生醫(yī)學(xué)研究的上游學(xué)科。干細(xì)胞的重要功能是維持和控制細(xì)胞的再生能力,它具有自我更新復(fù)制能力和多分化潛能，它可分化為多種組織細(xì)胞類型。在空間生命科學(xué)領(lǐng)域，空間微重力效應(yīng)是否影響干細(xì)胞增殖和分化？能否利用空間微重力獨(dú)特的條件開展干細(xì)胞大規(guī)模擴(kuò)增和組織工程構(gòu)建呢？這些問題是當(dāng)下前沿和熱點(diǎn)的問題。

2. 實(shí)驗(yàn)前期，中科院動(dòng)物所段恩奎老師的團(tuán)隊(duì)在1G和模擬微重力效應(yīng)下，分別進(jìn)行了小鼠胚胎干細(xì)胞增殖、分化特性研究。他們發(fā)現(xiàn)，在模擬微重力效應(yīng)條件（RCCS）下，小鼠胚胎干細(xì)胞分化能力增強(qiáng)，并且更容易向內(nèi)胚層和中胚層分化，并且已發(fā)現(xiàn)引起這種變化的關(guān)鍵基因和分子信號(hào)通路。但模擬微重力效應(yīng)并不是真實(shí)的微重力條件，只有太空才能提供真實(shí)的微重力環(huán)境。所以利用外太空的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，去太空真實(shí)的微重力環(huán)境下研究下。

我們還可以借機(jī)看一下空間干細(xì)胞實(shí)驗(yàn)在國際上的狀況：

案例1：

2015年NASA研究人員就首次報(bào)道了在STS-131飛行任務(wù)中進(jìn)行的空間干細(xì)胞生長和組織再生方面的成果。NASA的研究結(jié)果表明，太空微重力環(huán)境影響了小鼠擬胚體（EB）在太空的分化能力，抑制了譜系分化基因的表達(dá)，但有意思的是，這些未分化的EB在地面條件下培養(yǎng)能夠進(jìn)一步分化。

案例2：

最近，美國斯坦福大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)家Arum Sharma在世界干細(xì)胞峰會(huì)上匯報(bào)了一項(xiàng)在國際空間站（ISS）上開展的干細(xì)胞向心肌分化的實(shí)驗(yàn)。研究人員將干細(xì)胞送上ISS停留了1個(gè)月，平行的對(duì)照實(shí)驗(yàn)則留在地球上培養(yǎng)。初步的結(jié)果顯示，分化的心肌細(xì)胞在太空飛行時(shí)呈現(xiàn)出略微不規(guī)律的節(jié)律，但返回地面后恢復(fù)了正常的跳動(dòng)節(jié)律。

案例3：

加州大學(xué)洛馬林達(dá)大學(xué)移植免疫學(xué)家Mary Kearns Jonker利用一個(gè)定位器裝置進(jìn)行微重力模擬實(shí)驗(yàn)，通過將心臟祖細(xì)胞加載到該裝置通過不斷旋轉(zhuǎn)來使細(xì)胞減少重力。該研究小組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，新生兒的心臟祖細(xì)胞似乎在這些微重力條件下能更好增殖且表現(xiàn)出分化跡象——回到更原始的非專門化狀態(tài)，而成年人的心臟祖細(xì)胞并沒有出現(xiàn)這些現(xiàn)象。在這些現(xiàn)象事實(shí)上，研究小組發(fā)現(xiàn)，微重力可以激活某些遺傳途徑，從而在受損組織再生時(shí)開始運(yùn)作。

  案例4：

中科院段恩奎教授的團(tuán)隊(duì)此前在實(shí)踐十號(hào)（中國首個(gè)微重力實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，返回式的）上開展了太空環(huán)境下哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育研究。研究不僅獲得了太空中小鼠早期胚胎發(fā)育的實(shí)時(shí)顯微攝影圖片，還首次觀察到哺乳動(dòng)物2-細(xì)胞胚胎在太空微重力條件下能夠分裂并且發(fā)育到囊胚階段。研究已經(jīng)取得了階段性的成果，在世界范圍內(nèi)，首次完成太空環(huán)境下哺乳動(dòng)物植入前胚胎發(fā)育的研究。