太空生物课

□ 沈羡云

生物课，这门在高考中分值比例较低的课程，不像英语、数学、物理那样得到学校和学生们的重视。但是，生物学这门与生命现象密切相关的学科却一直是促进人类文明进步的主要力量。在20世纪，生命科学的迅猛发展，使人类数千年来的许多梦想逐一实现：优良植物的培育解决了人类吃饭的问题、转基因食品摆上了普通百姓的餐桌、基因方法已经开始挽救患者的生命、克隆技术的重大突破已复制出很多“克隆”动物——生命科学技术和应用的飞速发展逐渐超过了其他学科的发展。在21世纪，生命科学将成为自然科学的带头学科，生物产业将成为全社会的产业支柱。在这种形势下，如何为新世纪培养生命科学技术的研究人员关系到未来社会文明的发展。生物课可以从小培养学生们对生物学的兴趣、学会探索生物的奥秘和立志今后从事生物学的研究，因此，上好生物课，培养孩子们对生命科学研究的兴趣是关系到未来生命科学发展的重要因素。

国际空间站第29宇航组指令长迈克·福萨姆在国际空间站上讲授太空实验课

在许多国家，包括中国在内，已经不再局限于地面的生物教学，而将生物教学的实验开设到太空。在航天飞机和国际空间站上都有一些专门装实验设备的实验架，它们就像“超市”中的货物架一样，可以将需要进行太空实验的设备安装在上面。要在这个实验架上取得一席之地是非常不容易的。在太空进行实验，将自己实验设备放到实验架上是世界各国科学家梦寐以求的事，他们需要费尽周折，才有可能获得这个难得机会。但是，为了对学生进行航天知识教育，培养学生们进行太空科学研究的积极性，各个航天大国毫不吝啬地在这些实验架上留下了一些小小的空间，供学生进行各种学科的学习和实验，其中，进行最多的实验是与生物有关的实验，其中包括为学生开设的“太空生物课”。

漫长而艰巨的备课过程

要上一堂太空生物课可不像地面生物课那样简单，地面生物课的主角是生物老师，他们按照教学提纲的内容备课，最多准备一些课堂演示教具和学生实验用具就行了，接受教育的也只是他们所任课的学生，老师只要几天的时间就可以准备好一堂生物课教学。可是，进行一次太空生物课教学，不仅要牵动很多人和单位，还要花费几年的备课时间，受教育者是成千上万的老师和学生。

国际空间站上的商用生物实验装置

太空教师上天前要接受长达数年的培训

太空教师团队，中间为第一位太空老师芭芭拉·摩根

太空生菜养植培养皿

首先，在几年前就要根据教育目的和航天飞行条件、通过千挑万选确定一堂“太空生物课”的教学内容，将生物课的内容列入太空计划。然后，就开始为一堂“太空生物课”忙碌了，其中包括准备飞行中实验条件和设备，确定和培训地面教师和学生等工作。为了准备飞行中的实验条件和设备，需要牵涉很多部门和研究单位，还要很多工程和科研人员来“加盟”，关于这方面的问题在此就不详细叙说了，下面就谈谈教师和学生需要做的工作吧！

不同内容“太空生物课”参加的学校和教师不同，也不是每个学校都有资格进行“太空生物课”教学。在确定进行某个内容的“太空生物课”时，主办单位，例如美航宇局和欧空局就要“张贴告示”，在所属国，甚至国外征求参加此次活动的学校。当然，愿意参加“太空生物课”教学活动的学校非常多，主办单位将按照制定的标准，就像挑选航天员那样从这些学校中“左挑右选”，“层层过滤”，最后经过综合评定，才决定可参加此活动的学校。也有一些“太空生物课”是那些对航天实验有着“奇思异想”生物老师，将自己的想法申报给主办单位，得到他们的批准后，为学校争取来的。被挑选上学校的教师和学生会感到十分荣幸，立即为上好这次“太空生物课”进行积极的准备工作。

要上好“太空生物课”，首先是挑选教师了。身为“太空生物课”的教师，不仅要有丰富的教学经验，还必须对航天实验感兴趣。对于这些生物老师来说，进行这样的生物课教学也是第一次，他们即没有这方面的理论知识，也没有教学经验。因此，主办方的首要任务是培训教师。 为了准备每堂“太空生物课”，要召开多次教师培训研讨会。在研讨会上，主办方向教师们介绍太空的特殊环境、这些环境对生物的影响、地面和太空生物生长发育的基本原理和在这两种环境下生物生长的差异，同时回顾和放映以前在太空进行的有关实验，教会他们如何进行太空生物实验的操作。最后，在研讨会上还要分发有关的地面实验设备、教学材料。

“太空生物课”中的学生也不再是纯粹的受教育者，而是太空生物实验的主角，他们的年龄差异很大，从幼儿园的娃娃到12年级的学生都有权成为太空生物实验的“研究员”。在进行太空实验前，老师将自己在培训班中获得的知识传授给学生们，放映有关太空实验录像以增强他们的感官知识，并分发实验材料和教会他们如进行实验。在根据他们的年龄为他们量身定制的“太空生物”课中，他们像真正的研究员一样，参与“太空生物课”实验的设计、操作、观察实验、进行结果分析和总结。每次“太空生物课”的内容和得到的结果，都会编写到今后太空教育的课本中，作为向更多学生传授航天知识的教学课本。

国际空间站的航天员将苗圃园放到商用生物处理装置里

国际空间站运行在地球上空380多千米的轨道上

在美国航宇局面向青少年的太空课程中，卡通人物“唱”主角

三堂“太空生物课”

在航天飞机和国际空间站上进行过多次的“太空生物课”教学活动，在此仅介绍一项在国际空间站“商用生物实验装置”上开设的三堂“太空生物课”。这个装置是安放在国际空间站美国“命运”号实验舱的实验“货架”上，它重32千克，体积51厘米 x 28厘米 x 46厘米，就像一个医院用的急救箱。别小看这个箱子，它是美国生物服务公司专门为国际空间站实验研制的，具有温度可控范围广(4℃～37℃)、配有数据和图像遥测系统可以遥控操作、放入不同容器可自动地进行多种生物实验（例如，蛋白质结晶、昆虫行为、植物生长、卵的孵化、细胞培养等）等特点。在这个装置中进行第一项任务的优先权就让位给学生，针对不同年龄的学生，开设了三堂“太空生物课”。这三堂“太空生物课”是一系列美国1年级～12年级太空教学计划的一部分，由美国科罗拉多州博耳德大学的空间技术生物服务部提出，该计划通过国际空间站下传数据和影像，经互联网直接传输到教室，为学生们提供学习太空知识的机会，此计划规定每学年中要进行多次小型的太空教育实验。为了配合这些实验，主办方还出版了国家标准的基础课程教材，包括教师备课手册、学生课本、课堂补充实验教学课本，以确保参与的学生尽可能地从中获得更多的知识。

国际空间站种子实验

美丽的秀丽隐杆线虫

国际空间站上的生菜种植

学生们在上植物课时，老师首先会传授有关种子发芽生长的知识，会告诉学生们植物的生长过程是受一些环境因素影响的，其中包括光照、温度、土壤水分、空气湿度和重力。对于前几种影响因素学生很容易理解，只要在地面种植一些植物就可以了。对于重力的影响，似乎也没有什么问题，因为地面植物的根总是朝下生长的（称之为向重性），茎和叶却总是朝向光（向光性）。如果没有重力，植物的生长会发生什么变化呢？在地面上是无法回答这个的，在地球上任何地方都有重力，在进行太空植物实验前，连科学家也不知道。为了使学生们了解重力对植物生长的影响，在国际空间站“商用生物实验装置”中进行的第一项实验就是“国际空间站种子实验”，这个装置配有8个容器，可进行不同的实验。其中有一个叫孵卵器的容器是专门为学生进行生物课学习用的小培育室，学生们可以将小植物和动物放到里面，观察它们在太空微重力环境下的生长和发育。

“国际空间站种子实验”是专门为三年级小学生开设的，希望通过这节课，使小学生了解在没有重力情况下植物生长的特点和过程，培养他们对生物研究的兴趣。这次上天的种子只有4粒：两粒萝卜籽，两粒苜蓿籽。为了减轻飞行中航天员的负担，工程师们为学生设计了一个十分巧妙的装置，可以不用航天员操作，自动地进行实验，航天员的任务只是在航天飞机与国际空间站对接后，将发芽用的小容器实验装置转移到国际空间站的商用生物处理装置上。实验装置是这样的：种子是种植在一个被称为苗圃园的实验装置里，苗圃园有4个像玻璃管一样的小容器，容器的下半部分充满了供植物生长的植物凝胶，这些植物凝胶足以供给种子两个星期发芽和生长需要的水分和养分。植物凝胶的上方是一个4个倒挂的、称之为点播器的圆柱形小尖锥，每个点播器上有两个洞，种子就藏在这个小洞里。正式实验前，小尖圆锥位于植物凝胶的上方，使种子处于干燥状态，不会发芽。在进行太空实验时，小圆锥下落，它的尖头穿透植物凝胶上面的覆盖膜，整个小圆锥落到植物凝胶里，种子获得水和养分1-2天后就开始发芽了。这个装置里还有小的发光二极管灯可以提供植物生长需要的光源。装置里的小型摄像机将种子发芽和幼苗生长全过程拍摄下来，通过互联网（网址：http://www.ncsu.edu/project/agronauts）将有关的实验数据和拍摄的图像发送给地面参加实验的学生们。学生们在地面的教室里进行同样的实验，因为可以自己进行操作，种子发芽的装置就简单多了，用的是一个装有植物凝胶得普通培养皿。学生们每天比较上天种子和教室中种子发芽的时间、茎和根生长的方向、茎和根长的长度，还将这些指标画成曲线图，这样一目了然地就可以看出上天种子和地面种子的差别，得出重力对它们有多大影响的结论了。

太空线虫实验

家蚕实验

太空种子发芽实验的苗圃园

学生实验用的培养皿

这项实验的教学对象是6年级～9年级的中学生，上天的是一种名叫秀丽隐杆的线虫。说起线虫，人们的脑海中立即会浮起令人作呕的蛔虫和其他有害人体的线虫，但秀丽隐杆线虫例外，它是一种可以独立生存的线虫，即不靠寄生生活，也不会使其他生物致病。它们生活在土壤中，以微生物和腐烂的生物碎片为食，被称为“自由线虫”。这种线虫的个头很小，成虫才长1.5毫米，只有在显微镜下，才能清楚地看清它的“庐山真面目”。正如它的名字一样，秀丽隐杆线虫是一种名副其实的美丽生物：它通体透明，对称的身体犹如少女般纤细柔滑，在显微镜下宛如春风杨柳般地轻轻摆动；身体中充满体液，可以一览无余地看到每一块肌肉的收缩与松弛，并隐隐地散发出梦幻般的光芒；观察它进食时，可以清楚地看到细菌被一口吞下后通过整个消化系统的过程，就像在看舞台上鲜活的戏剧。秀丽隐杆线虫因其寿命周期短、廉价易培养、子代数目多、细胞数目简单、遗传背景清楚等优点成为实验研究的优秀“模特儿”，也成为太空实验的“宠儿”，曾多次上天，为航天医学研究做出贡献。这次实验也被“看中”，作为“太空生物学”教学实验的“模特儿”，目的是让学生们研究太空微重力和辐射环境对秀丽隐杆线虫生长、发育及其后代的影响。

在国际空间站第14宇航组～15宇航组驻守国际空间站期间，实现了这堂生物课教学。该实验使用了两种类型的秀丽隐杆线虫，第一种是在自然环境下生长的野生型线虫，利用它们进行微重力对线虫生长发育和后代影响的研究；第二种是均衡型线虫，这种类型的线虫可以出现突变，但不会出现致死性突变，主要研究太空辐射对它们的影响。每种线虫都分成两组：地面对照组和太空实验组，比较两组的差别就可以了解太空微重力和辐射的影响。

太空豌豆种植

太空的两种线虫先放在一个有培养基和无菌的气体交换容器中，然后放到商用生物实验装置中，为了保证它们可以持续地繁衍，一个月左右这个装置会自动地将它们转移到新的居所。太空线虫的生长情况，被装置中的摄像机拍摄下来，通过互联网及时地传给地面的学生。在进行太空实验的同一天，地面的学生也开始进行对照组实验。学生们仔细观察和记录了这两组线虫的生长过程和繁殖后代的情况，比较两组的不同就可以了解太空生长环境对小蠕虫的影响。在这个实验周期结束的时候，学生们将他们的结果上传到互联网，与参与这个计划其他学生的研究结果进行比较。一旦实验完成，整个计划将会被存档，并且通过他们教室内的互联网给其它教育家提供有用资料。

繁忙的空间实验室

太空种植的水萝卜

秀丽隐杆线虫是个“短命”的动物，在实验室20℃的条件下，仅能活2周～3周，从出生到性成熟仅3天半，在国际空间站6个月的飞行中就繁殖了20代，因此很适合进行太空飞行对动物后代影响的研究。学生们比较的结果是太空飞行组和地面对照组差别不大，得出的初步看法是6个月的飞行对秀丽隐杆线虫生长发育和后代影响不大，但还需要进一步细致研究和观察更长时间飞行的影响，才能得出准确的结论。

太空环境对种子的影响

在未来的星际飞行中，航天员将长期生活在太空，或生活在其它星球上，航天员不能像以前那样依赖于他们的“地球母亲”供给食品了，他们必须自力更生地解决吃饭问题，必须在航天器或其它星球上种植植物和养殖动物来填饱自己的肚子。在这种情况下，带来的一个很大问题是太空辐射，太空辐射会不会引起种子的变异而影响植物的生长发育呢？这是科学家们一直在探讨的问题。国际空间站是研究这个问题的好地方，种子可以长时间地放到空间站站上，接受太空辐射的作用。利用国际空间站这个独特的环境，也为学生们开设了一堂“太空环境对种子影响”的生物课实验。

实验是这样安排的：将兰花、马拉西亚红檀木及花梨木树种带到国际空间站上，这些种子暴露于为期约6个月的太空环境里，地面也准备了同样的种子作为对照组。当这些太空种子被送回地球后，进行了不同的分配：兰花种子与对照组的种子种在实验室中，而“上天”和地面对照组的马拉西亚红檀木种子被分给马来西亚的学生，让他们种植，通过观察、分析，地面种子和“上天”种子发芽、生长和后代的影响，就可以了解6个月的太空环境对种子本身有何影响了。

“太空生物课”的影响面十分广，例如，线虫实验就有5000多名美国6年级～9年级的中学生和几千名马来西亚的学生参与。这些学生实验的情况和影像都被编成航天青少年教育的课本，影响更多的学生。“太空生物课” 加深了学生们对生物基础理论知识的了解，而且激发了他们对进行生物学研究的兴趣和能力，其中很多学生很可能成为未来的生物学家。不仅如此，科学家们对学生实验的结果也十分感兴趣，一些学生实验其实也是他们科学实验的一部分，学生们不仅自己学到更多的知识，而且也直接为太空生物学的研究作出贡献。

国际空间站第23宇航组的美国航天员T.J. Creamer正在打理种植工作