作者:王晨绯 黄辛 来源:中国科学报 发布时间:2016/5/16 11:00:44
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实践十号“乘客”归来
“迷你太空实验室”孕育重大成果

 

团队在基地

颗粒物质箱

 

干细胞培养箱

团队照片

■本报记者 王晨绯 黄辛

4月18日,“实践十号”返回式科学实验卫星成功回收了。这颗卫星设计了19项科学实验,是迄今为止我国单次卫星任务中空间科学实验项目及种类最多的。《中国科学报》记者从承担了“实践十号”6台空间科学实验载荷研制任务的中科院上海技术物理研究所获悉,其中5个“迷你太空实验室”——高等植物箱、植物培养箱、干细胞培养箱、胚胎培养箱和家蚕培养箱,携带水稻、拟南芥、造血干细胞和神经干细胞、小鼠胚胎、家蚕等,不仅在为期12天的在轨阶段表现出色,随“实践十号”卫星平安返回地球,而且成功获取并积累了大量的科学实验数据和资料,分别“孕育”出令科学家非常兴奋的重量级科学研究成果。

卫星科学应用系统副总师段恩奎对此评价说:“达到了预期的科学实验要求,取得了预期实验结果,一些新实验现象已超越国际上对微重力环境下其结果的预言。”

凝聚智慧与创新结晶

据上海技物所研究员、“实践十号”技物所载荷负责人张涛介绍,“实践十号”共搭载了19台有效科学实验载荷,其中近三分之一由上海技物所研制。这6台空间科学实验载荷,5台为返回舱生物实验载荷,1台为留轨舱物理实验载荷—颗粒物质箱,成功获取并积累了大量的科学实验数据和资料。

该研究团队在研制过程中,克服了大量困难,谢焘等人在最后时刻,曾连续工作36个小时,以确保高质量完成任务。

空间生命科学是利用微重力、高真空、高洁净、高辐射的近地轨道空间资源开展的生命科学实验与研究。其中,微重力环境具有非常重要和特殊的作用。据介绍,微重力水平仅为10-3g,要在这样的环境中取得高水平的研究成果,对于科学载荷提出了很高的要求。张涛解释说:“为了让生物样品活着去,活着回来,同时还要记录下所有的环境条件和实验过程,我们根据需求研制了10台不同类型的相机,可实时观察分析样品并成像,下传图像数据,以便根据实验结果实施遥操作。再如,在回收场,从拆解设备到把活性完好的生物样品交付给生物学研究人员,耗时不能超过2小时。”

在上海技物所,记者见到了这些凝聚着上海技物所科研人员智慧与创新结晶的“迷你太空实验室”。其中5个收获硕果的科学装置分别是高等植物箱、植物培养箱、干细胞培养箱、胚胎培养箱和家蚕培养箱。

在太空中开花

高等植物箱在空间微重力条件下培养经筛选的植物样品,如水稻、拟南芥,通过光照周期调控和在线检测,了解并初步阐明微重力对长日与短日植物光周期诱导开花的影响及其分子机理。设备具有培养环境温度检测和控制功能,可实现昼夜交替照明和在线检测,设置长、短日照两个实验区,可实时获取空间实验过程目标样品的彩色图像信息和荧光图像信息,同时可去除有害气体。12天内,设备对短日条件下生长的拟南芥叶进行37℃热激处理,通过实时图像观察拟南芥的诱导开花情况,及开花基因的表达及其表达的大分子在植物体内的由叶子向茎顶端的转运规律。转基因植物基因表达热激控制技术和首次实现转基因植物GFP荧光成像技术是其创新点。

让植物感受失重

植物培养箱,以拟南芥幼苗为模式生物,在微重力条件下固定生物样品,获得微重力条件的实验样品。回收“植物培养箱”的中科院上海生科院植物生理生态研究所研究员蔡伟明告诉记者,他们培养的是模式植物,项目属于重力生物学范畴,研究植物怎么感受失重,怎么把这种物理刺激变成生物化学信号传下去,会产生什么影响。

太空飞行时,在实验装置内进行生物样品在微重力环境条件下的培养实验;载荷对培养环境条件(如温度、照度和湿度等)进行自动控制,对环境参数进行实时测量;对生物样品的生长状态进行图像监测;对环境参数和图像信息通过卫星数传系统下传至地面。植物植株化学固定方法及低温存储技术和首次实现多光谱成像分析技术是它的创新点。

浓缩了一间实验室

干细胞培养箱是技物所5个生命科学载荷中最大且结构复杂的一个。它如同迷你冰箱般大小,里面装着1.5升的液体、12条管路和1台显微镜,分为3层,重量达到35.75公斤。

“干细胞培养箱相当于把地面实验室一屋子的仪器设备浓缩到一个小箱子里,还要能出色地完成实验。工作人员装了整整3天才完成,箱子的重量控制得极为精准,误差没有超过20克。”张涛说。在空间特有微重力环境下,干细胞培养箱建立了造血干细胞和神经干细胞空间培养体系,获得了空间细胞培养图像及固定的样品。空间密闭环境中的干细胞培养技术、微重力条件下干细胞自动搜索捕获识别显微成像技术以及“化学固定液注入+半导体致冷器降温”固定技术是它的创新技术。

小鼠胚胎在太空发育

备受关注的胚胎培养箱,则是在太空中早早地获得了实验结果——获得了太空中小鼠早期胚胎卵裂发育的实时显微图像。哺乳动物在太空环境中能否正常繁衍是科学家们一直探索的前沿课题,这关系着人类未来能否进行长期太空旅行,在太空中繁衍生息。空间密闭环境中的干细胞培养技术和微重力条件下胚胎自动搜索捕获识别显微成像技术是它的技术难点。

段恩奎介绍说,太空中的动物繁衍实验,此前只做成过果蝇、金鳉鱼等非哺乳类动物,但哺乳动物胚胎在太空发育的研究一直未获成功。1996年,美国NASA在哥伦比亚号航天飞机上曾搭载了49枚小鼠的2细胞和8细胞胚胎,但等卫星回收后再观察,这些胚胎没有一个发育。2006年,中国的“实践八号”卫星在完成主要任务航天育种实验的同时,顺带加上了段恩奎参与的小鼠胚胎发育实验。这次实验让我国建立起一套太空胚胎成像系统,照片顺利传回地面,但没有看到小鼠胚胎细胞在太空中的发育。

段恩奎表示,将把收回的样本迅速送到实验室,进一步分析,通过对飞行实验和地面对照实验的比对,进行个体、细胞和基因(胚胎早期发育相关基因和重力敏感基因)水平的分析,探讨太空环境对胚胎发育的影响及其作用机制。

家蚕的太空之家

张涛介绍,为千余枚家蚕胚胎提供了“太空之家”的家蚕培养箱,是利用宇宙空间的特殊环境,以家蚕作为模式生物,系统研究其基因表达特征。在轨期间,家蚕培养箱按照预定程序进行家蚕胚胎在空间环境条件下的培养实验,对培养环境条件(如温度、照度和湿度等)进行自动控制和遥控制;对环境参数进行自动实时测量,测量数据通过卫星数传系统下传至地面;对不同生长阶段的生物样品进行一定时间间隔的分次低温固定保存;对不固定的家蚕样品进行定时图像信息获取,图像信息送入载荷支持系统,过境时通过卫星数传系统下传至地面。空间密闭环境中实现家蚕胚胎培养和固态样品分批低温固定是这个载荷的技术创新。

《中国科学报》 (2016-05-16 第5版 创新周刊)
 
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