2020年8月9日，貴州省仁懷市科技館內(nèi)，小朋友戴上VR眼鏡，體驗(yàn)宇航員在空間站里的情景。視覺中國(guó)供圖（資料圖片）

(資料圖片僅供參考)

暑期常與作業(yè)相伴。最近，正在中國(guó)空間站“出差”的航天員陳冬、劉洋和蔡旭哲，就收到了火箭“快遞”來的一份特殊作業(yè)——中國(guó)空間站首個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)艙問天艙相關(guān)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

7月24日，長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭托舉問天艙進(jìn)入太空，這個(gè)和一節(jié)地鐵車廂大小相近的太空實(shí)驗(yàn)室，隨后成功和中國(guó)空間站天和核心艙交會(huì)對(duì)接。7月25日10時(shí)03分，陳冬、劉洋和蔡旭哲開啟問天實(shí)驗(yàn)艙，這是中國(guó)航天員第一次在軌進(jìn)入科學(xué)實(shí)驗(yàn)艙。

地球上的實(shí)驗(yàn)室比比皆是，為何要費(fèi)大力氣將20噸級(jí)的問天艙送到空間站去做實(shí)驗(yàn)？

“太空擁有一系列特殊環(huán)境條件，比如微重力、強(qiáng)輻射、高真空、超潔凈等，而人類夢(mèng)想走出地球、步入深空，首先就需要開展一系列空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)?！敝袊?guó)科學(xué)院空間應(yīng)用中心集成技術(shù)中心副主任、中國(guó)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜總體主任設(shè)計(jì)師張璐說。在太空環(huán)境中，人類能否種出糧食？太空輻射，會(huì)讓細(xì)胞變異嗎？地球生物體，又能否在太空世代繁衍？空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)可以幫助人們尋找答案。

天然的研究場(chǎng)所

張璐介紹，近期發(fā)射的問天艙，其任務(wù)是以空間生命科學(xué)和生物技術(shù)的研究為主，在生命科學(xué)和生物技術(shù)微重力、物理空間材料科學(xué)、空間應(yīng)用新技術(shù)等4個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，部署了十余項(xiàng)研究主題。

“通過這些科學(xué)項(xiàng)目的實(shí)施，我們要研究多種空間環(huán)境要素下的基本科學(xué)規(guī)律機(jī)理，關(guān)注并深入研究空間環(huán)境各因素，對(duì)生命從分子到組織器官各層次的影響和作用機(jī)理，探索認(rèn)知生命體的太空生長(zhǎng)發(fā)育與繁衍規(guī)律，以及人類太空長(zhǎng)期生存面臨的主要健康保障問題等?！睆堣凑f。

空間站所能提供的特殊空間環(huán)境，為以上實(shí)驗(yàn)任務(wù)提供了天然的研究場(chǎng)所。中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用中心研究員、應(yīng)用發(fā)展中心主任張偉介紹，空間站實(shí)驗(yàn)艙可以提供四大優(yōu)勢(shì)實(shí)驗(yàn)條件。

第一個(gè)特別之處在于，空間站“能提供長(zhǎng)期的微重力、輻射等特殊研究環(huán)境”。

“長(zhǎng)期”二字不可小覷。張偉說，在地球上，生命體和物質(zhì)受到重力的作用，某些本質(zhì)規(guī)律會(huì)被掩蓋，而在長(zhǎng)期的微重力條件下，“我們有希望發(fā)現(xiàn)被重力掩蓋的物質(zhì)本質(zhì)規(guī)律”。

比如在微重力條件下，會(huì)產(chǎn)生一些神奇的物理效應(yīng)：微重力效應(yīng)可以使得浮力對(duì)流極大幅度地減?。灰部梢宰尦恋砗头謱蝇F(xiàn)象基本消失；還可以使得壓力梯度極大幅度地減小。這些不同于地球環(huán)境的物理特性，或許會(huì)給我們司空見慣的實(shí)驗(yàn)帶來新的驚喜。

此外，不同于此前短暫送上太空的實(shí)驗(yàn)裝置和材料，張偉說，載人空間站的另一大優(yōu)勢(shì)就是“有人的參與”，更便于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)?zāi)K更換和維修維護(hù)。

同時(shí)，載人空間站可以進(jìn)行天地往返運(yùn)輸，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)樣品返回。比如在軌開展的生命、材料等科學(xué)實(shí)驗(yàn)，就有必要將實(shí)驗(yàn)后的樣品送回地球，回到地面再進(jìn)行進(jìn)一步研究。

張偉還表示，空間站特定的軌道高度，便于進(jìn)行天文、地球觀測(cè)和空間物理研究。以天文觀測(cè)為例，由于大氣的吸收和干擾，在地面無法對(duì)宇宙中的伽馬射線、X射線、紫外線、紅外線等進(jìn)行有效觀測(cè)，相關(guān)譜段的天文觀測(cè)，往往需要發(fā)射探測(cè)器到太空中開展觀測(cè)。

與得天獨(dú)厚的實(shí)驗(yàn)條件對(duì)應(yīng)，中國(guó)空間站還配備了豐富的實(shí)驗(yàn)資源。張偉透露，空間站建造完成后，將在軌運(yùn)行10年以上?？臻g站已研制了密封艙內(nèi)的先進(jìn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜、巡天空間望遠(yuǎn)鏡和艙外暴露實(shí)驗(yàn)裝置等。此外，密封艙外有獨(dú)立載荷接口和大型掛點(diǎn)，在應(yīng)用與發(fā)展階段規(guī)劃了數(shù)十個(gè)艙外載荷項(xiàng)目。

太空養(yǎng)魚體驗(yàn)別樣生存挑戰(zhàn)

正如張偉所說，為了完成預(yù)期實(shí)驗(yàn)任務(wù)，問天艙可謂大搞“精裝修”，部署了生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜、生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)柜、科學(xué)手套箱與低溫存儲(chǔ)柜、變重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，以及艙外暴露試驗(yàn)裝置等科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施。

其中生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜備受關(guān)注，它的重要功能之一，是為植物、水生生物、小型模式動(dòng)物等多類別生物樣品提供培養(yǎng)環(huán)境與生命保障。斑馬魚就是即將開展實(shí)驗(yàn)的生物樣品之一，它們將作為水生生物代表，體驗(yàn)太空生存挑戰(zhàn)。

中科院上海技術(shù)物理研究所空間生命科學(xué)儀器研制團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、問天艙生物技術(shù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師張濤介紹，斑馬魚實(shí)驗(yàn)將在小型受控生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)K開展。他說：“這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備支持魚、藻類和微生物形成的一個(gè)相對(duì)明確的生態(tài)系統(tǒng)，能夠在外太空，在外界資源支持很有限的情況下，形成一個(gè)自給的循環(huán)。”

太空養(yǎng)魚的“神器”究竟長(zhǎng)什么樣？中科院上海技物所結(jié)構(gòu)工程師田清說，直觀看來，相比于我們普通的魚缸，它多了許多管線和傳感器。

“在這個(gè)系統(tǒng)里，有魚、有藻類、有微生物?！碧锴褰忉專骸坝捎谔罩恤~食無法下沉水底，我們專門設(shè)計(jì)了一個(gè)喂食單元；還設(shè)計(jì)了專門的營(yíng)養(yǎng)液供給設(shè)備，為藻類提供營(yíng)養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)過程中，藻類通過光合作用產(chǎn)生的氧氣，供魚類消耗；魚類呼出來的二氧化碳，供藻類進(jìn)行光合作用；魚類的排泄物，則可以作為藻類的營(yíng)養(yǎng)供給。”

在小型受控生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)K中，藻類的光合作用還需要照明系統(tǒng)，加之整個(gè)系統(tǒng)都需要實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此整個(gè)裝置還配備了照明和攝像設(shè)備。田清說：“魚生長(zhǎng)得比較好了之后，就會(huì)產(chǎn)卵，因此還需要一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，進(jìn)行魚卵的收集，將來魚卵由航天員帶回地面?！?/p>

為應(yīng)對(duì)緊急情況，這套設(shè)備還配備了緊急供氧系統(tǒng)、水質(zhì)置換系統(tǒng)等。張濤表示，這個(gè)實(shí)驗(yàn)，就是要在我國(guó)空間站實(shí)現(xiàn)小型受控水生生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建。

太空核酸檢測(cè)有看點(diǎn)

在為生物樣品提供生命保障的同時(shí)，問天艙的生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜還肩負(fù)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)微生物安全監(jiān)測(cè)的重任。

小小微生物，也有大來頭。中科院上海技物所副研究員、問天實(shí)驗(yàn)艙生物技術(shù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)副主任設(shè)計(jì)師劉方武介紹，航天器長(zhǎng)期在軌有氧密閉運(yùn)行過程中，微生物污染問題必須引起重視。

他舉例說，1986年到2001年在軌運(yùn)行的和平號(hào)空間站，就曾出現(xiàn)過108種細(xì)菌和126種真菌引發(fā)的微生物污染問題。其中不乏對(duì)人體健康有害，以及能夠引起飛船材料降解、腐蝕設(shè)備的微生物。

劉方武說，為了預(yù)防微生物污染，“我們現(xiàn)階段對(duì)生命生態(tài)和生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)里的微生物安全監(jiān)測(cè)，提供了兩種技術(shù)手段，一種是培養(yǎng)法，另一個(gè)就是我們應(yīng)對(duì)新冠所采取的方法——核酸檢測(cè)”。

要對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)里微生物進(jìn)行檢測(cè)，首先需要航天員手動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行采樣，并將樣品放入生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的微生物檢測(cè)模塊。接下來有兩個(gè)方法可以使用，一個(gè)是觀察培養(yǎng)法，通過加入培養(yǎng)基培養(yǎng)后，設(shè)備會(huì)對(duì)培養(yǎng)基上的菌落進(jìn)行自動(dòng)成像，地面科學(xué)家根據(jù)遠(yuǎn)程傳輸回來的圖像和數(shù)據(jù)對(duì)微生物的種類進(jìn)行鑒定；另一個(gè)是核酸擴(kuò)增檢測(cè)法，在樣品放入檢測(cè)模塊后啟動(dòng)核酸檢測(cè)流程，從而測(cè)出是否含有特定微生物及其含量。

值得一提的是，劉方武介紹，此前國(guó)際空間站檢測(cè)微生物是采用“在軌抗原+采集返回地面進(jìn)行檢測(cè)”的方式，而中國(guó)空間站直接在軌進(jìn)行培養(yǎng)和核酸檢測(cè)的技術(shù)方案，更具看點(diǎn)。

隨著人類探索太空疆域的不斷拓展，未來，搭建月球基地、星際旅行、外星移民都將有望成為現(xiàn)實(shí)?？臻g科學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)人類未來如何在太空長(zhǎng)期生存至關(guān)重要。今年晚些時(shí)候，我國(guó)空間站第2個(gè)實(shí)驗(yàn)艙——夢(mèng)天艙也將發(fā)射，我國(guó)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)力將進(jìn)一步增強(qiáng)。

中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 張茜 來源：中國(guó)青年報(bào)

標(biāo)簽： 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 1986年 空間生命科學(xué) 實(shí)驗(yàn)條件