“实践十号”：微重力实验那些事儿

陈飞

在极端物理条件下，物质的运动规律、物理化学过程、生命过程等都可能会发生变化，这就意味着微重力实验有实现重大科学突破的可能。

人类要走向太空，就必须研究微重力环境下物质会发生哪些变化

4月18日下午，“实践十号”返回式科学实验卫星的回收舱降落在内蒙古四子王旗预定着陆区。在12天的太空旅途之后，这枚中国首颗专用的微重力实验卫星的使命告一段落。

“实践十号”卫星总重3.3吨，使用化学电池供电，搭载了19项实验任务，是迄今为止单次微重力和空间生命科学实验项目及种类最多的卫星任务。其中8项在留轨舱进行，11项在回收舱进行。

顾名思义，“微重力”即是“接近于无”的重力，也就是一般人所说的“失重”。但由于移动物体的加速度和高空大气的阻力，在空间站上符合实验要求的微重力环境是很难达到的。与空间站相比，卫星任务时间相对短，不需要考虑对接和人类活动等干扰；又因为使用化学电池，所以不需要展开太阳翼，不会受到额外的阻力。这些条件使“实践十号”在最好的情况下可以达到10-6g的微重力水平。

6000余枚小鼠胚胎 “上天”

微重力卫星实验的另一个好处是机动性高。“实践十号”卫星首席科学家、中科院院士胡文瑞说：“比如，这次要进行的胚胎实验可以在发射前8小时才装到卫星上，缩短在地面停留的时间，如果搭载在载人飞船上不可能做到了。而且返回式科学卫星在实验完成后就可以及时回收，这也是空间站做不到的。”

胡文瑞提到的这项胚胎实验名为“微重力条件下哺乳动物早期胚胎发育研究”，6000余枚小鼠早期胚胎被带上太空，观察它们的发育状况。中科院动物研究所胚胎生物学研究组组长段恩奎是这个项目的负责人。

实际上，早在2006年，中国的“实践八号”卫星上就搭载了段恩奎团队设计的小鼠胚胎发育实验。他说：“当时有两个目标，一是建立一套太空的胚胎成像系统，争取看到胚胎在天上的情况；二是争取让小鼠胚胎在太空中发育。结果第二个目标没实现。那个时候胚胎是发射前32小时放到卫星上的，胚胎还没上天就已经开始发育了。”

实验失败后，十年间，他的团队又用了几万枚胚胎做了上百次实验，寻求改进方法。“做胚胎发育实验，需要一个二氧化碳培养箱，还要有一个钢瓶用来通气，要保温保湿，并且还要用显微镜去观察。”段恩奎介绍。但是这一整套设备在太空环境中要正常运转，还要体积合适，不是一件容易的事。段恩奎团队与西北农林科技大学教授马保华合作研发了胚胎密闭培养体系，研制了适用于太空胚胎培养的特殊培养液。中科院上海技术物理所则把这个“实验室”压缩成了一个17公斤重、类似家用微波炉大小的培养箱和一个电控箱，且使其具有密闭培养、自动搜索识别显微成像、遥控固定、图像下传等功能。

卫星上天十几小时后，从传回的显微影像上，研究人员已经发现小鼠胚胎细胞分裂的迹象。2细胞到4细胞，再到8细胞、16细胞。到60小时左右，有些已经发育成囊胚。在此之前，国内外尚未有过在微重力条件下哺乳动物早期胚胎发育成功的报道。中国在世界上第一次证明了哺乳动物早期胚胎在太空微重力条件下可以发育到囊胚阶段。

除了用于发育研究，实验中还有一部分胚胎不会分裂，而是固定在某一阶段随返回舱回到地球，用于分析太空环境对胚胎发育的影响。至于那些发育成囊胚的胚胎，因为不能及时在母体子宫着床就会死亡，所以这些小鼠胚胎无法回到地球继续生长发育。我们也无从知道，暴露在各种辐射中成长的“太空婴儿”是什么模样。不过，人类在理解太空中生命如何繁衍生息的问题上又前进了一小步。

在天上“烧煤球”有意思吗

被“实践十号”带入太空的，除了小鼠胚胎，还有植物、家蚕和人体干细胞。它们涉及的科学实验也许会更快地对人类生活产生影响。毕竟，“太空育种”早已不是新鲜事。中国航天一直对航天育种情有独钟，共有70多种植物的1000多个品种的种子进行了太空育种试验，此前还曾发射一颗专门的返回式卫星用于育种。而“实践十号”科学卫星上进行的是高等植物培育的研究。

在长期的太空任务中，物资供应都指望地面补给是不现实的。“实践十号”卫星进行的水稻和拟南芥微重力光照生长实验，就是为了解决这一问题。将来，种土豆不算什么，也许宇航员连米饭、面条都可以自给自足了。

而微重力条件下造血和神经干细胞的研究，有助于我们了解干细胞是如何增殖和定向分化的，这可能会让治愈白血病和老年痴呆等疾病不再是难题。干细胞是一类具有分化和自我更新能力的母细胞，神经干细胞可以变成神经元或是胶质细胞，而造血干细胞能够分化成各种血细胞。中国科学院遗传与发育生物学研究所再生医学研究中心主任戴建武说，“目前这些细胞在太空的生长情况良好，等回收后我们会分析它们的蛋白质表达、基因表达情况。”

除了干细胞实验，空间技术其实早就在就在医疗健康领域得到广泛应用。人造心脏、肾透析技术，无不是空间技术的杰作。用于测量脉搏和其他身体状况的非侵入式传感器，也是由监测宇航员用的类似设备直接派生而来的。美国国家航空航天局还研制了新型滚筒式生物反应器供研究使用，它能够在人体外培养组织细胞，如心脏组织、骨组织、韧带等。许多细胞和组织，必须有一个稳定的表面或其他结构支撑以帮助其成长，而这种生物反应器中和了地心引力，所以细胞能够像在身体里一样生长。

胡文瑞说：“在极端物理条件下，物质的运动规律、物理化学过程、生命过程等都可能会发生变化，这就意味着微重力实验有实现重大科学突破的可能。”人类要走向太空，就必须研究微重力环境下物质会发生哪些变化。

中国科学院力学研究所国家微重力实验室研究员赵建福就在研究太空中的沸腾有什么不同。他负责的项目是“微重力沸腾过程中的汽泡热动力学特征研究”，实验过程相当于在太空中“烧开水”，只不过使用的液体沸点比水低得多。

在地面重力条件下，被加热的液体内部一旦产生气泡就会在浮力作用下离开加热面。而在“实践十号”传回的影像中可以看到，在微重力条件下，气泡像荷叶上的露珠一样，在加热面上抖动，并且不断长大。“这样一来，气泡在时间和空间上都有一个更大的尺度，方便我们研究气泡的运动特征和它周围局部的传热特性。”赵建福说，“沸腾不只是生活中烧个开水、蒸个馒头，在工业上也是一种很高效的传热方式，所以受到了广泛关注。”

与此相似的是，在微重力环境下，蛋白质可以生长出很大的晶体，可以用来进行结构分析。如果应用到制药上，每分析成功一种蛋白质的结构就会生产出一个新产品。美国用于开发一种新药的研发费用一般在5亿到10亿美元，平均耗时5年左右。空间环境下研究蛋白质无疑会大大提高效率和质量，其成果可能用来改变人类健康状况，解决食品、医药等问题，提高人的生存质量。

实际上，人类在近半个世纪的空间活动中获得了大量的科学成果，其中有些已经用于改善人类生活。以聚氨酯材料制成的“记忆泡沫”床垫、最初在太空实验室使用的火灾警报器，和原在航天飞机上使用的轻型隔热膜，都是触手可及的例子。

“实践十号”上开展的微重力燃烧实验也许会带来下一个直接改变人们生活的技术，例如，可能让我们告别雾霾。微重力环境下的燃烧研究可以加深我们对燃烧现象的认识。美国空间站十大成果之一，就是通过棉花团点燃观察到“冷焰燃烧”，这一低温状态下的燃烧是地面上无法看到的。胡文瑞介绍，此次“煤燃烧及其污染物生成实验”也期待看到微重力条件下煤的“冷焰燃烧”实验效果。

该实验选择两到三种我国典型煤种，在实验装置中点燃，观测不同炉温、不同环境气体成分条件下的单个球形煤颗粒和煤粉颗粒群的燃烧过程，记录下火焰形状、挥发和释放现象及其变化规律等。

煤炭是我国能源的主力，高效燃烧和降低污染物是未来对燃烧技术的必然要求。构建煤炭的燃烧模型需要准确的参数，但地面研究时面对重力和浮力对流的干扰，有些参数几乎不可能准确测量，影响了对煤炭燃烧机理的深入认识。

“实践十号”卫星科学应用系统总设计师康琦说：“在微重力环境下进行煤燃烧实验，可以避免浮力、热对流等因素干扰，有望获得一些地面无法得到的基础数据，对帮助人类更好利用煤炭资源有重要意义。”