空间站上的生命实验

　　王峰

　　　两年半的载人飞行，会使一个40岁的航天员变成一个80岁的老人，这是载人航天的重大障碍，空间站上的生命科学实验，将破解这一难题。

　　“天宫一号”与“神舟八号”相会后，将进行一系列空间科学实验、航天医学实验和空间技术试验。

　　9月28日下午，中国载人航天工程新闻发言人武平介绍，在即将发射的神舟八号飞船上，中德将联合开展空间生命科学实验。这是载人航天工程中第一次进行的深度国际科学合作项目。

　　“中国的空间生命科学研究始于50年代末，以航天医学为目标，以空间生物搭载实验后续研究为重点，进行了一系列的研究”，上海科技情报研究所网站上的一篇论文称。

　　“神舟”飞船的上天将我国空间生命科学实验推向深入，“天宫一号”及未来的空间站则为空间生命科学开拓了更新更广的领域。届时，中国的生命科学研究将走向更为广阔的太空舞台。

　　 “神八”搭载德国仪器

　　中国从20世纪50年代末开始空间生命科学研究。进入新世纪，“神舟”系列飞船搭载的通用生物学培养箱、蛋白质结晶装置、动植物细胞融合装置等设备，在太空中进行了大量生物医学实验。

　　中科院上海技术物理研究所承担了大量太空实验仪器的研发任务。“神舟”二号、三号飞船均搭载了该所研发的生命科学实验设备。

　　“但这次‘神舟八号’飞船没有采用国产实验设备，而是选择从德国进口。”该所一位研究人员说。

　　德国是一个空间技术强国，空间生命科学研究成果尤其突出。中科院生物物理研究所开创了中国的空间生物学，其学科带头人贝时璋院士早年曾留学德国多年。

　　德国空间生命科学研究在上世纪80年代就与中国结缘。当时，位于汉诺威的Intospace公司研制出一种在微重力条件下进行蛋白质晶体空间生长的装置，简称COSIMA。于1988年8月在中国FSW—l卫星上进行了首次飞行试验。

　　Intospace公司的主要业务是开发微重力应用，确定新的应用项目和用户，并为用户提供最好的飞行机会。直到90年代中期，其雇员仍不到20人，但在国际空间活动中已颇有影响。

　　在早期，中国开展国际空间生命科研合作的形式，主要是别国的实验装置搭载中国卫星上天，有的装置里会有我国的实验样本。

　　比如在1987年，法国MATRA空间公司在中国卫星上成功地搭载进行了一项藻类空间实验。这是为法国密闭生态生命支持系统CELSS计划的一项先期探索性试验。实验是在自主培养箱内进行的，与卫星没有电气联系。

　　而在德国Intospace公司的COSIMA装置的生长器内，装有来自德、荷、中等国13个单位的104只样品。

　　太空种出360斤“南瓜王”

　　1999年发射的“神舟一号”，开启了中国系统研究“太空诱变育种”的序幕。

　　从“神舟”一号到七号，每艘飞船都搭载了植物种子，有的甚至搭载了试管苗。9月29日“天宫一号”升空这天，1000粒洛阳牡丹和芍药种子也运抵北京，将乘“神舟八号”上天。

　　这是牡丹、芍药种子首次进太空。我国航天育种始于1987年，先后有70多种植物l000多个品种的种子进入太空。

　　“一些花卉种子在送入太空后，花冠要比原来大五六倍，植株也要高出三四倍。”洛阳市牡丹生产管理办公室工作人员介绍说。

　　造成种子基因变异的因素，是太空的微重力和宇宙射线辐射。在江苏省泰州市海陵现代农业科技示范园区，通过航天育种培育成的南瓜直径近1

　　米，高0.6米，重360斤。

　　当然，不是所有太空育种的作物都会诱变成“庞然大物”。1996年，河北省唐山市农业科学研究院杨余的课题组把花生的种子送入了太空，培育的种子只是“从粗圆形变成了细长形，但是形态更整齐饱满了。”杨余说。

　　2010年12月，通过太空育种培育出的“唐花11号”花生品种通过了鉴定。但杨余告诉记者，“一般花生育种需要经过6代才能稳定，但太空育种能缩短2到3代”。

　　太空育种培育出的“唐花11号”，每单位蛋白质含量从普通品种的23%上升到了27%，“同时产量提升，外观也符合了出口标准。”杨余说。

　　不过，太空育种带来的“基因突变”，也并非只会“变好”而不会“变坏”。在“唐花11号”的培育过程中，杨余就淘汰掉了“生长势弱、叶片变厚变小、叶色浓绿，且出苗率降低”的品种。

　　“唐花11号”品种只经过了14天的太空之旅。杨余说，如果种子在未来的空间站中经过长时间宇宙辐射，其产生的变异势必不同于短期辐射。

　　9月中旬，中国航天科技集团对外表示，“天宫一号”和“神舟八号”开启的我国载人空间站，将为航天工程育种提供稳定、长期、高效的空间试验平台。

　　“中国太空育种品种之多、范围之广、成就之大是世界上其他国家无法相比的。”航天员科研训练中心技术指导委员会委员沈羡云介绍说。

　　破解“两年变老40岁”难题

　　直到本世纪初，只有美国、俄罗斯、中国三家成功进行了卫星或飞船搭载的“太空育种”。

　　“美国、俄罗斯进行的太空育种，主要是为了解决今后长期飞行中航天员在飞船和进入其他星球时食物供应和维持座舱环境问题，而我国的太空育种，则着重解决地球上人类的生活问题。”沈羡云介绍说。

　　但是，当未来空间站建成后，中国宇航员将长时间滞留太空，这时，宇航员长期太空生活中的生命保障，也将成为首当其冲的问题。

　　载人飞船的生命保障系统实验在“神舟四号”上天时就已趋于成熟。其时，航天员系统和生命保障分系统实验的承担单位是北京航天医学工程研究所。经过实验，飞船内载人环境参数和环控生保分系统飞行状态得到验证。

　　这是载人航天领域生命保障系统建设的第一步。

　　“空间实验室里的生命保障系统比飞船里的系统要更复杂得多”，北京航空航天大学环境生物学与生命保障技术实验室主任刘红告诉本报记者，“因此在空间实验室阶段要验证一些再生式生命保障，为空间站做准备”。

　　所谓再生式生命保障，指的是用物理、化学手段再生氧气、水等维持生命的物质”。刘红说，生命保障系统建设的这第二个步骤，面向的是保障空间站中宇航员的安全和健康。

　　而刘红的实验室正在承担更高一层的生命保障系统研究，即生物再生式生命保障。这是指利用绿色植物、微生物等生物组分来生产食物、处理废物，同时再生空气和水，为航天员生命活动提供必需物质的独立、完整、复杂的系统。

　　生物再生式生命保障是要以空间站为实验平台，面向的是载人登月、火星探测、月球/火星基地、火星移民等载人深空探测需求。

　　国际实践表明，空间站宇航员受到了微重力、辐射、与人类社会隔离及狭小空间限制等多方面的健康影响。

　　比如，成年人的骨密度在35岁左右达到最大值，随后，骨密度大约以每年0.5%的速率下降，而航天员在轨飞行一个月后，将平均丢失1.3%—1.5% 的骨量，且这种骨量的丢失主要发生在承重骨如腰椎、骨盆。

　　如果按照这种速率丢失骨密度，一次需时2.5年的火星载人飞行，预计将使航天员丢失20%—30%的骨量。也就是说，一个40岁的航天员，经过载人火星飞行2.5年之后，其骨量丢失程度将与一个80岁的老人相当。

　　“航天飞行引起的航天员生理变化，已经成为太空探索的一个重要制约因素。这个问题是载人航天、深空探测的重大障碍，是空间生命科学的挑战性所在。”北京航空航天大学生物与医学工程学院教授庄逢源说。