投递人 itwriter 发布于 2019-01-14 11:23 [收藏] « »

  来源:科学大院

  随着嫦娥四号在月球背面冯卡门环形山中低调着陆,中国新的一次月球勘探任务正式开始了。和嫦娥三号任务一样,嫦娥四号上也搭载了“玉兔妹妹”月球车在内的许多科研载荷。但大家未必听说过,嫦娥四号的着陆器上还搭载了一个由重庆大学研制、非常具有“民族特色”的小型科研科普载荷:月面微型生态圈。

  月面微型生态圈:月亮上种土豆

  虽然这个外观像个保温饭盒的载荷只有三公斤重,容积不到一升,但却肩负着一个光荣而神圣的任务:在月亮上种土豆。载荷虽然不大,但零部件却不少。这个载荷罐带有一套半导体温控设备,携带了一些培养基(土壤),水、空气、马铃薯种子、拟南芥种子,棉花籽,一些微生物(酵母等)和果蝇卵。值得称道的是,这个罐子的顶部还留有阳光导管,可以把嫦娥四号外表面接收到的日光照射通过光纤传导进载荷内部。

  那它是怎么工作的呢?在发射到落月前的阶段,温控设备会把载荷内部控制在一个较低的温度,土壤也会保持干燥,使植物种子和虫卵处于休眠状态。而当嫦娥四号在月球表面着陆,太阳能帆板正常打开之后,温控系统将把载荷中的“土壤”和空气调整到合适的温度,并向土壤中放水,刺激植物发芽。在植物生长的过程中,传导进载荷内部的太阳光将会起到促进光合作用的功能,光合作用中产生的氧气可以用于供给动植物及微生物的呼吸过程。在植物生长中产生的枯枝败叶,又可以被微生物分解掉。而微生物和它的代谢产物也可以成为蛆宝宝出生后的食物来源。在这个过程中,微生物和蛆宝宝(以及长大后的果蝇)也会不断通过呼吸作用放出二氧化碳,反过来又能为植物的光合作用提供原料。动物,植物和微生物的发育生长构成了一个微小的闭环体系。在整个实验程序里,载荷中的监控相机将会不断向地球传回照片,这也将是人类第一次实时观测到地球农作物在另一个星球生长的画面。(根据最新消息,向土壤中加水的步骤已经取得成功,正在等待植物发芽。)

微型生态圈试验载荷(图片来源:新浪新闻)
微型生态圈试验载荷(图片来源:新浪新闻)

  作为一次无人参与的试验性任务,这一载荷当然没有携带大量的水和空气。也是因为这个原因,实验预定将于果蝇幼虫出生,马铃薯、拟南芥发芽开花后宣告结束。(作者吐槽:在月球上养蛆还是一种很特别的体验呢……)这一过程将会持续约三个月。这一过程将会持续约三个月。但即便实验一切顺利,我们最终也不会收获到在月球上耕种出来的土豆。所以想吃月球土豆的吃货同志们,还需要稍安勿躁,坐等下一阶段的载人登月任务。

  在航天员实际登上月球之前,就对在月球表面进行多种农业生产进行摸索,也算是体现了我国“农业大国”的特色了。不过嫦娥四号任务,并不是中国第一次在地表以外进行生命科学实验。我国太空生命科学实验的先行者,是前几年发射的实践十号卫星。

  实践十号卫星:哺乳动物胚胎在太空发育

  2014 年,我国对一颗库存未启用的尖兵返回式侦查卫星进行了适应性改造,加装了温控系统、避震系统和辐射控制系统,使其具备了进行微重力生命科学实验的能力。在这颗卫星的返回舱内,搭载了由中国科学院下属上海生命科学研究院、动物研究所、遗传与发育研究所、上海技术物理研究所以及浙江大学等单位研发的九个生命科学实验载荷。

(图片来源:中国科学院)
(图片来源:中国科学院)

  在这次在轨时间不到两周的任务中,我国的科研人员取得了十分喜人的成果,中科院动物所主持的“微重力条件下哺乳动物早期胚胎发育研究”载荷,在国际上首次在太空微重力条件下观测到小鼠早期胚胎在体外从双细胞发育到囊胚阶段的全过程。在由动物所负责的另一项研究项目中,科研人员首次发现小鼠造血干细胞在太空微重力环境下的增殖分化情况与地面实验有显著的不同。在高等植物空间培养实验中,上海植物生理生态研究所的科研人员还收获了第一株在太空中绽放的拟南芥花朵。

实践十号部分载荷任务介绍(图片来源:中国知网)
实践十号部分载荷任务介绍(图片来源:中国知网)

  不过,实事求是的说,作为中国第一次真正意义上的空间生命科学实验(原来那种近乎玄学的空间辐射育种不算),实践十号上进行的这些实验并没有达到令人惊艳的地步。其中大部分的实验仍然是在近地轨道上利用失重环境进行特殊条件下的细胞和组织培养并显微观察细胞形态,绝大部分项目仍以采集随卫星返回后的生物样本为最终目的。其中部分载荷设备的技术水平仍然较为有限,能够在轨测量的数据基本上只有明场/低倍荧光显微镜拍摄的图像,且载荷运行的自动化水平仍然稍显不足。而这对于高度依赖于分子生物技术的现代生命科学研究来讲,是远远不够的。

  天舟一号:空间生物实验技术上新台阶

  我国的科研工作者并没有止步于此。在 2017 年成功完成的天舟一号货运飞船/天宫二号空间实验室任务中,就搭载了不少经过技术改进的生命科学实验载荷。值得注意的是,在天舟一号和天宫二号上,除了依旧由中科院负责的植物生长长期观察实验(由上海生科院植生所牵头,搭载在天宫二号上,有人参与)和肝干细胞发育分化实验(由中科院动物所牵头,搭载在天舟一号)外,还有由许多其他单位负责的生命科学实验。其中包括了由西北工业大学、清华大学、浙江大学、香港浸会大学、解放军军事医学科学院以及中科院动物所联合完成的骨细胞定向分化实验,以及北京理工大学牵头的空间微流控芯片生物培养与分析实验(均搭载在天舟一号上)。

  由于执行这次任务的天舟一号货运飞船并没有返回功能,且天舟一号发射时,天宫二号空间实验室正处于无人值守的状态。因此,天舟上的所有的实验操作都需要高度自动化,且实验结果的获取完全依赖于回传数据。这就意味着相比实践十号而言,天舟一号的所携带的生物实验载荷的技术水平要上了一个大台阶。

  这一轮实验中有人参与的部分,许多很有意思的实验成果已经被公开了,其中包括逗得大家捧腹大笑的“景海鹏玩蚕”,和后来广受大家注意的“天宫种水稻”。(大家可以关注下知乎问题:太空中植物是怎样生长的 )但天舟一号上那些无人参与的实验项目,由于涉及大量较为复杂的的后期数据处理,论文整理等过程,至今仍没有太多结果公诸于世。但作者相信,今年年内学术界就将逐步接触到这些实验中获得的具体科研成果。

景海鹏玩蚕(图片来源:截图自新华网视频)
景海鹏玩蚕(图片来源:截图自新华网视频)

  航天生命科研向两个方向推进

  经过这些年的发展,中国也在逐渐走出一条很有自己特色的航天生命科学发展道路。依作者愚见,我国的航天生命科学研究正在向两个方向稳步推进,第一个大方向主要着眼于空间生物医学研究。

  上文中提到的天舟一号上开展的肝干细胞和骨细胞相关实验,以及实践十号上进行的小鼠胚胎发育研究就是其中的典型代表。这个方向的主要研究目标是从机理上探寻长期的微重力,高辐射环境,会对人体的各项系统产生何种影响。中国在这个方向的研究比美,俄等航天强国起步要晚得多,且目前尚未达到国际空间站上的科研技术水平。其中,在轨自动采样,小型化多色高分辨率荧光显微镜,在轨快速生物分子分析等技术似乎仍处于空白状态。不过,任何技术的发展都不可能一蹴而就,指望中国通过一两次实验就在空间生命科学领域超越美国等传统航天强国也是不现实的。

  第二个大方向就是以嫦娥四号上正在进行的种土豆实验为代表的人造生态圈。这一方向的研究主要着力于为人类未来在其他星球长期自给自足生存进行必要的摸索。我国在这方面的研究开始得非常早,北京航空航天大学在此方向已经深耕十余年,于 2014 建造出了模拟未来中等规模月球基地的月宫一号,并于去年(2018 年)完成了自给自足驻留长达一年的“月宫 365”实验。在这轮地面实验中,八名志愿者在密闭的月宫一号里成功种出了大豆、小麦、胡萝卜、西红柿、草莓等农作物,为未来的月面长期驻留积累了宝贵的经验。虽然此次嫦娥四号搭载的“微型生态圈”只能算是月宫生态圈的“迷你版赠品”,但无论怎么说,也是生态圈实验从地面向太空发展的第一步。

月宫一号结构图(图片来源:自月宫一号官方微信公众号)
月宫一号结构图(图片来源:自月宫一号官方微信公众号)

  让我们祝福嫦娥四号!祝福小兔子!同时也祝福嫦娥四号上面搭载的月面微型生态圈!希望在三个月之后,我们能看到几朵美丽的马铃薯花!当未来的人类真正能在月球或火星上自给自足得长期生存的时候,人们一定不会忘记第一个在月亮上种土豆的嫦娥四号,也不会忘记像实践十号、天舟一号那样默默无闻,却为人类长期太空驻留的研究做出了重大贡献的任务。

马铃薯花(图片来源:农业部官网)
马铃薯花(图片来源:农业部官网)

 
来自: 科学大院
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