2022年12月31日，中国空间站正式宣告全面建成。两年间，中国空间站已在轨实施180余项科学与应用项目，上行科学与应用任务近两吨实验模块、单元及样品等科学物资，下行空间科学实验样品近百种，获取科学数据超过265TB。

经国内百位院士、千余位专家的多年论证，空间应用系统制定了包括空间生命科学与人体研究、微重力物理科学、空间天文与地球科学、空间新技术与应用4个领域，32个研究主题的空间站应用研究体系。

基于“动态征集、动态实施”的原则，中国空间站每年都会发布项目指南，征集高水平的科研项目。

各领域科学团队深度挖掘诸多领域方向，着力攻克系列重大科学命题，产出了系列原创性、前沿性、创新性的进展与成果，累计发表500多篇高水平SCI论文，获得150多项专利，部分成果已实现转移转化与推广应用，显著推动了我国空间科学与应用快速发展。

两年来涌现的成果背后，则是众多科学家多年的准备和耕耘。

中国空间站国家太空实验室。图片由中国科学院空间应用中心提供

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太空的种子，在地球上结出果

早在2002年，中国科学院分子植物科学卓越创新中心（以下简称分子植物卓越中心）研究员郑慧琼课题组就开始试图解答“微重力条件下，不同光周期途径如何调控开花”这一问题。

从神舟四号到实践八号，一直到天宫空间站，团队开展了从空间细胞融合到模式植物全生命周期培养的系列实验。

团队成员、分子植物卓越中心实验师王丽华介绍，团队以模式植物拟南芥和水稻为主要研究对象，聚焦3个方面：分析比较微重力在植物开花过程中的作用；获取微重力调控植物开花的分子基础与关键基因的表达变化；解析长期空间微重力条件下植物开花基因表达的调控网络机制在植物对空间环境适应性中的作用机理。

“利用在轨实时图像和返回的拟南芥实验材料，我们获得了不同开花时间的拟南芥响应微重力的生长发育表型数据和天地比对转录组数据。”王丽华表示。这为深入解析植物如何通过调整开花时间来适应空间微重力环境下的分子机理提供了新视角，同时也为人为控制空间植物的开花时间、构建具有强大空间环境适应能力的植物品种、提高空间植物的产量和品质开辟了新途径。

同时，团队在水稻中发现，影响光合作用效率和种植密度的重要性状之一——叶片夹角在微重力条件下异常增大。他们首次在空间站中实现了水稻水稻从种子到种子的全生命周期培养。

王丽华补充：“再生稻是在原种植水稻收割后再生的二茬水稻，我们首次在空间微重力条件下完成了水稻再生，获得了有活力的再生稻种子。这意味着，一次种植可以多次收获，从而提高空间利用率，也为未来空间生命生态生保系统利用水稻进行粮食生产提供了新思路。”

值得一提的是，空间站收获的水稻种子活力正常，育性良好。团队已经将空间站水稻种子进行了大田扩繁，并获得了第三代种子，相关研究及数据统计工作正在进行。

1.2升的生态系统，不简单

2024年4月25日，2雌2雄共4尾斑马鱼从200尾精挑细选出来的同类中“脱颖而出”，“乘坐”神舟十八号入驻中国空间站，这也是中国空间站第一次迎来水生动物。

除了3名宇航员，与这4尾斑马鱼相伴的，还有4克水生植物金鱼藻。斑马鱼和金鱼藻在一个1.2升大小的特殊装置中，组成一个独特的二元密闭生态系统。装置巧妙地分为两部分：一侧是700毫升鱼室，另一侧是500毫升植物培养间，中间被一块挡板隔开，而密布的小孔则确保了水中成分在两者间自由流通。

作为模式生物中少有的水生脊椎动物，斑马鱼是此次任务担当“鱼航员”角色的不二之选。

而确定金鱼藻，则很是费了一番精力。“我们前期尝试了蓝藻、小球藻、各种水生植物等，最后发现金鱼藻的各项指标是最好的。”中国科学院水生生物研究所研究员王高鸿解释，“我们的目的是建立一个相对稳定的水生生态系统物质循环系统，因此要求植物既能够容易存活，同时也不会急剧生长而造成类似富营养污染下‘水华’现象。”

在空间站的43天时光里，斑马鱼和金鱼藻果然“相处融洽”。金鱼藻光合作用产生的氧气让斑马鱼能够顺畅呼吸，同时能够吸收水中的氨离子，避免水质恶化；而斑马鱼的代谢物则能够为金鱼藻所用。它们相互之间既是生产者又是消费者，组成一个看起来很小很简单，但实际上内部复杂的科学实验体系。

这套装置也配备有一整套“直播”系统，地面的科研人员能实时看到斑马鱼和金鱼藻的状态，并了解水中各项环境指标的数据。

“我们的实验最初计划运行30天，最终在太空中成功运行了43天，超出了预期目标。”王高鸿介绍。期间处于性成熟周期的斑马鱼顺利产卵，还观察到腹背颠倒游泳、旋转运动、转圈等定向行为的异常现象。金鱼藻在实验期间也有明显生长，生物量估计增加了1.5倍左右。

2024年11月4日，“太空养鱼”的回收水样、鱼卵等样品跟随神舟十八号航天员乘组返回了地球，王高鸿团队目前正在对样品水化学和微生物宏基因组研究，分析空间环境下水生生态系统物质循环与微生物演替相关机制。

新的研究蓝图也正在规划中。“未来我们将充分利用现有水生生保系统平台，联合我国的相关斑马鱼研究团队研究开展太空环境下斑马鱼配子发生与跨代遗传、骨丢失、肌肉萎缩、内分泌紊乱、免疫和营养代谢研究。”王高鸿说道，“我们也将继续关注生保系统的可持续发展，开展太空环境下金鱼藻基因组表观遗传修饰及空间环境下代谢活动和基因表达等适应机制研究。”

没有重力时，骨骼肌“摆烂”的秘密

人体内有600多块骨骼肌，约占体重的40%，对维持人体正常生理功能及代谢的稳态至关重要。如肥胖、糖尿病等代谢性疾病，与衰老相关的肌萎缩等肌少症，都与骨骼肌异常相关。

而骨骼肌“摆烂”是太空微重力环境下重要的生理变化之一。航天员在太空中执行任务时，每天需要至少运动2小时才能缓解肌肉萎缩带来的不良影响。同时，航天员返回地面时，他们的骨骼肌往往会遭受重力带来的损伤，不得不坐在椅子上被抬下来。

基于空间站实验舱中的“生物技术实验柜”和“手套箱及低温存储柜”功能，中国科学院上海营养与健康研究所（以下简称营养与健康所）研究员应浩带领团队，聚焦“空间微重力环境对骨骼肌影响的生物学基础”，开展相关空间科学实验研究。

团队成员、营养与健康所副研究员李俞莹介绍：“我们希望通过在轨细胞的实时观测以及回收样本的检测，从分子细胞水平揭示空间微重力环境导致骨骼肌萎缩的生物学机制，及其对机体代谢产生的间接作用。”

2022年11月，细胞样品随天舟5上行，利用生物技术实验柜成功实现了小鼠骨骼肌细胞的在轨培养和分化，观察到了细胞融合和肌管形成等现象，并首次在轨检测到微重力环境下肌细胞的自噬现象，收集了真实微重力条件下的肌细胞样品和相应的培养液。

完成在轨实验后，样品于2023年6月由神舟15载人飞船返回舱带回地面。应浩团队立即开始了后续的实验，迄今已取得系列科学发现，包括在国际上首次发现空间微重力环境影响骨骼肌细胞自噬的规律、发现空间微重力环境通过影响自噬导致肌萎缩的可能机制及潜在分子靶标。

值得一提的是，航天员身上由微重力环境造成的肌萎缩现象，与地面人群衰老、长期卧床等产生的生理病理改变，有很多相似之处。

“这些发现不仅可以针对性地改善航天员的健康状况，还可将研究成果推广应用于地面的肌少症患者及长期卧床病人，为对抗肌肉萎缩问题提供新的解决方案。”李俞莹表示。

材料长不好，送天上试试

铟硒（InSe）半导体晶体是一种具有柔性的半导体材料，不仅具有传统半导体材料优异的物理性能，而且可像金属一样进行塑性变形和机械加工，为未来新型电子器件设计及应用提供了一条新途径。

然而，在现有条件下，制备出满足应用要求的InSe晶体仍面临巨大挑战。即便科学家经过反复优化生长条件，所得到的InSe晶体仍含有极高的缺陷密度，这对半导体器件的性能和材料应用造成了严重影响。

空间环境相关的微重力条件，则为半导体材料制备和相关机理研究提供了独特的平台和条件。“以非接触效应为例，在空间站微重力的条件下，晶体材料和石英坩埚之间可以形成间隙，避免熔体和容器直接接触，进而消除应力对材料生长的影响。”中国科学院上海硅酸盐所（以下简称上海硅酸盐所）研究员刘学超解释。

刘学超团队负责了中国空间站中无容器科学实验柜和高温材料科学实验柜的研制工作。

2022年10月31日，高温材料科学实验柜随梦天舱成功发射入轨时，其内存放着首批科学实验样品。200余天后，包括InSe晶体在内的部分样品跟随神舟十五号航天员返回地球。

刘学超介绍：“InSe半导体晶体是在中国空间站高温材料科学实验柜进行的一个材料实验，在轨实验时间为70个小时，顺利完成了生长实验，获得了完整的晶体样品。”

同时，团队在上海硅酸盐所的实验室里配备了一套空间站高温材料实验柜的“镜像系统”，即除了重力不同之外，其他条件完全一致，在其内开展InSe样品的地面匹配实验。

空间站实验样品移交后，刘学超团队与上海电机学院教授金敏团队首先仔细检查了下行样品的外观，再进一步检测表征了其结构、组分、物相、性能等，并与地面匹配实验样品作镜像对比。

他们欣喜地发现，在微重力下成功实现了高质量InSe生长。空间InSe晶体具有近乎完美的In-Se六方晶格，晶体位错缺陷密度大幅降低，晶格条纹清晰规则，晶格损伤或明显的原子空位极低，由该晶体制备的器件性能也得到了大幅提升。

此外，还有一些意外发现。刘学超举例说道：“在太空微重力环境制备的材料，似乎变胖了。我们观察到，InSe晶体的晶格参数变大，说明晶体结构可能发生了膨胀现象。”

未来，除了用更多不同实验方法分析已有材料的特性，刘学超团队也计划开展微重力生长掺杂InSe晶体及性能研究、附加旋转磁场生长InSe晶体及性能调控研究、掺杂InSe空间/地面晶体质量对比及半导体器件研究等工作，一些前期的匹配实验正在进行。