问天舱里植物长势如何

植物的种子，到了太空能萌发、生长、开花，进而产生种子吗？在空间站问天实验舱里，一项饶有趣味的植物生长实验正在进行。

自7月28日实验单元安装完成、7月29日通过地面程序注入指令启动实验，一个月来，随舱发射的拟南芥和水稻种子，在微重力条件下都已萌发，目前生长状态良好。

“拟南芥幼苗已长出多片叶子，高秆水稻幼苗已长至30厘米左右高，矮秆水稻也有5～6厘米高。”8月29日，在位于上海的中国科学院分子植物科学卓越创新中心，记者见到了承担这项实验的研究团队。团队负责人、分子植物卓越中心研究员郑慧琼告诉记者，全球首个空间微重力条件下“从种子到种子”的水稻全生命周期培养实验，有望在不久后完成。

地球上的实验室比比皆是，为何要费大力气将20吨级的问天舱送到空间站去做实验？

“太空拥有一系列特殊环境条件，比如微重力、强辐射、高真空、超洁净等，而人类梦想走出地球、步入深空，首先就需要开展一系列空间生命科学实验。”中国科学院空间应用中心集成技术中心副主任、中国空间科学实验柜总体主任设计师张璐说。在太空环境中，人类能否种出粮食？太空辐射，会让细胞变异吗？地球生物体，又能否在太空世代繁衍？

天上的植物生长实验怎么做

7月24日，空间站问天实验舱成功发射，并与天和核心舱交会对接。问天实验舱搭载了生命生态实验柜、生物技术实验柜等科学实验柜。

7月28日，载有实验样品拟南芥种子和水稻种子的实验单元，由航天员安装至问天实验舱的生命生态通用实验模块中。次日，完成第一次液体加注，并开始在轨实验。这也是问天实验舱内首次开展实验的实验柜。

在小型受控生命生态实验模块中，藻类的光合作用还需要照明系统，加之整个系统都需要实时监控，因此整个装置还配备了照明和摄像设备。田清说：“鱼生长得比较好了之后，就会产卵，因此还需要一个比较复杂的系统，进行鱼卵的收集，将来鱼卵由航天员带回地面。”

中国科学院空间应用中心研究员、载人航天工程空间应用系统问天实验舱主任设计师赵黎平告诉记者，在空间微重力的条件下，实验通过调控光周期的途径进行。从8月5日开始，对水稻执行12小时开、12小时关的照明周期，对拟南芥执行16小时开、8小时关的照明周期，根据研究团队要求，确保温度、湿度、光照控制正常。

郑慧琼介绍，这一项目聚焦“微重力条件下高等植物开花调控的分子机理”，选取的空间实验样品——拟南芥和水稻，是两种模式植物。其中，拟南芥代表双子叶、长日、十字花科植物，很多蔬菜，比如青菜、油菜等都屬于十字花科。而水稻代表单子叶、短日、禾本科植物，很多粮食类作物，比如小麦、玉米等属于禾本科。

从空间站传回的影像中可以看到，问天舱中的拟南芥和水稻种子萌发正常，并已进入幼苗生长阶段。郑慧琼说，有意思的是，离开地球重力，水稻叶子生长起初呈现螺旋形。眼下，高秆水稻达到了30厘米左右高，看上去“身躯”柔软，像是“骨质疏松”的样子，矮秆水稻的叶子则有一部分“趴”在实验单元壁上。但总体发育进程符合预期，有望在国际上首次在空间结出种子，完成微重力条件下“从种子到种子”全生命周期实验。部分拟南芥已经开始抽薹。

“影像透露的信息还很不全面，下一步我们将对植物的生长行为做量化统计分析。”郑慧琼告诉记者，此次选择的水稻种子生长周期较短，地面上的高秆水稻一般70天左右结籽，在太空可能需要更长时间，预计两到三个月可以结出种子。实验过程中，将由航天员采集种子样品、冷冻保存，最终随航天员返回地面进行分析。此前，国际上只在空间环境做了两次水稻种子萌发实验，郑慧琼团队在“天宫二号”实验室培育的水稻也没有这么高。

 “从种子到种子”的揭秘

在空间微重力条件下完成“从种子到种子”的全生命周期培养实验，聚焦三个关键科学问题：微重力怎样影响开花？微重力影响植物开花的分子机理是什么？能否利用微重力环境作用来控制植物的开花？围绕这三个关键的科学问题，通过分析比较微重力在植物开花过程中的作用，可以获取微重力调控开花的分子基础与关键基因的表达变化，进一步解析空间微重力条件下长日照和短日照植物开花基因表达的调控网络，以及二者在植物对空间环境适应性中的作用机理。

“在此基础上，我们可以获得水稻空间培养的关键环境参数，为进一步解析空间微重力对水稻生长发育的影响及分子基础，利用水稻进行空间粮食生产提供重要理论指导。”郑慧琼说。

接下来，通过航天员在轨采集样品，冷冻保存返回分析，科学家们可以揭示植物适应空间环境的开花调控分子网络及关键枢纽基因，并对其进行功能验证，为下一步构建适应空间微重力环境的高产优质农作物提供分子元件。

航天员带回的拟南芥和水稻种子，今后还有机会继续送往空间站，在太空进行两到三代的繁殖。“未来有可能形成新的概念，带动微重力植物发育生物学研究的新发展，为未来空间蔬菜和粮食生产打下理论基础。”中国科学院院士、分子植物卓越中心主任韩斌说。

天然的研究场所

张璐介绍，近期发射的问天舱，其任务是以空间生命科学和生物技术的研究为主，在生命科学和生物技术微重力、物理空间材料科学、空间应用新技术等4个应用领域，部署了10余项研究主题。

“通过这些科学项目的实施，我们要研究多种空间环境要素下的基本科学规律机理，关注并深入研究空间环境各因素，对生命从分子到组织器官各层次的影响和作用机理，探索认知生命体的太空生长发育与繁衍规律，以及人类太空长期生存面临的主要健康保障问题等。”张璐说。

空间站所能提供的特殊空间环境，为以上实验任务提供了天然的研究场所。中国科学院空间应用中心研究员、应用发展中心主任张伟介绍，空间站实验舱可以提供四大优势实验条件。

第一个特别之处在于，空间站“能提供长期的微重力、辐射等特殊研究环境”。

“长期”二字不可小觑。张伟说，在地球上，生命体和物质受到重力的作用，某些本质规律会被掩盖，而在长期的微重力条件下，“我们有希望发现被重力掩盖的物质本质规律”。

比如在微重力条件下，会产生一些神奇的物理效应：微重力效应可以使得浮力对流极大幅度地减小;也可以让沉淀和分层现象基本消失;还可以使得压力梯度极大幅度地减小。这些不同于地球环境的物理特性，或许会给我们司空见惯的实验带来新的惊喜。

此外，不同于此前短暂送上太空的实验装置和材料，张伟说，载人空间站的另一大优势就是“有人的参与”，更便于进行实验操作、实验模块更换和维修维护。

同时，载人空间站可以进行天地往返运输，能够实现实验样品返回。比如在轨开展的生命、材料等科学实验，就有必要将实验后的样品送回地球，回到地面再进行进一步研究。

张伟还表示，空间站特定的轨道高度，便于进行天文、地球观测和空间物理研究。以天文观测为例，由于大气的吸收和干扰，在地面无法对宇宙中的伽马射线、X射线、紫外线、红外线等进行有效观测，相关谱段的天文观测，往往需要发射探测器到太空中开展观测。

与得天独厚的实验条件对应，中国空间站还配备了丰富的实验资源。张伟透露，空间站建造完成后，将在轨运行10年以上。空间站已研制了密封舱内的先进科学实验柜、巡天空间望远镜和舱外暴露实验装置等。此外，密封舱外有独立载荷接口和大型挂点，在应用与发展阶段规划了数十个舱外载荷项目。

太空养鱼体验别样生存挑战

正如张伟所说，为了完成预期实验任务，问天舱可谓大搞“精装修”，部署了生命生态实验柜、生物技术实验柜、科学手套箱与低温存储柜、变重力科学实验柜，以及舱外暴露实验装置等科学实验设施。

其中生命生态实验柜备受关注，它的重要功能之一，是为植物、水生生物、小型模式动物等多类别生物样品提供培养环境与生命保障。斑马鱼就是即将开展实验的生物样品之一，它们将作为水生生物代表，体验太空生存挑战。

中科院上海技术物理研究所空间生命科学仪器研制团队负责人、问天舱生物技术科学实验系统主任设计师张涛介绍，斑马鱼实验将在小型受控生命生态实验模块开展。他说：“这个实验设备支持鱼、藻类和微生物形成的一个相对明确的生态系统，能够在外太空，在外界资源支持很有限的情况下，形成一个自给的循环。”

太空养鱼的“神器”究竟长什么样？中科院上海技物所结构工程师田清说，直观看来，相比于我们普通的鱼缸，它多了许多管线和传感器。

“在这个系统里，有鱼、有藻类、有微生物。”田清解释，“由于太空中鱼食无法下沉水底，我们专门设计了一个喂食单元;还设计了专门的营养液供给设备，为藻类提供营养。实验过程中，藻类通过光合作用产生的氧气，供鱼类消耗;鱼类呼出来的二氧化碳，供藻类进行光合作用;鱼类的排泄物，则可以作为藻类的营养供给。”

在小型受控生命生态实验模块中，藻类的光合作用还需要照明系统，加之整个系统都需要实时监控，因此整个装置还配备了照明和摄像设备。田清说：“鱼生长得比较好了之后，就会产卵，因此还需要一个比较复杂的系统，进行鱼卵的收集，将来鱼卵由航天员带回地面。”

为应对紧急情况，这套设备还配备了紧急供氧系统、水质置换系统等。张涛表示，这个实验，就是要在我国空间站实现小型受控水生生态系统的构建。

太空核酸检测有看点

在为生物样品提供生命保障的同时，问天舱的生命生态实验柜还肩负对实验系统微生物安全监测的重任。

小小微生物，也有大来头。中科院上海技物所副研究员、问天实验舱生物技术科学实验系统副主任设计师刘方武介绍，航天器长期在轨有氧密闭运行过程中，微生物污染问题必须引起重视。

他举例说，1986年到2001年在轨运行的和平号空间站，就曾出现过108种细菌和126种真菌引发的微生物污染问题。其中不乏对人体健康有害，以及能够引起飞船材料降解、腐蚀设备的微生物。

刘方武说，为了预防微生物污染，“我们现阶段对生命生态和生物技术实验系统里的微生物安全监测，提供了两种技术手段，一种是培养法，另一种就是我们应对新冠所采取的方法——核酸检测”。

要对实验系统里微生物进行检测，首先需要航天员手动对实验系统环境进行采样，并将样品放入生命生态实验系统的微生物检测模块。接下来有两个方法可以使用，一个是观察培养法，通过加入培养基培养后，设备会对培养基上的菌落进行自动成像，地面科学家根据远程传输回来的图像和数据对微生物的种类进行鉴定;另一个是核酸扩增检测法，在样品放入检测模块后启动核酸检测流程，从而测出是否含有特定微生物及其含量。

值得一提的是，刘方武介绍，此前国际空间站检测微生物是采用“在轨抗原+采集返回地面进行检测”的方式，而中国空间站直接在轨进行培养和核酸检测的技术方案，更具看点。

◎ 來源|综合中国青年报、光明日报