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原标题:中德合作通用生物培养箱随,实践十号

浏览次数:194 时间:2019-11-21

小箱子 大梦想
中德合作通用生物培养箱随“神八”返回

实践十号“乘客”归来 “迷你太空实验室”孕育重大成果

6日凌晨1点38分,我国首颗微重力科学实验卫星——实践十号返回式科学实验卫星,由长征二号丁运载火箭在酒泉卫星发射中心发射升空。卫星进入预定轨道,发射任务取得圆满成功。

新华社酒泉4月6日新媒体专电人类未来能否离开地球,穿越漫漫星际,在宇宙中长期生存?

本报见习记者 甘晓“走了,收‘钻石’了!”11月18日凌晨4点左右,中科院生物物理所研究员仓怀兴的团队工作了一整夜后,兴奋地喊道。他们的工作并非与真正的钻石相关。在“神八”返回舱的那个小箱子里,有课题组精心培养的14种大分子蛋白质晶体。激动的不仅仅是仓怀兴。11月17日晚上7点,神舟八号飞船返回舱降落时,来自中德两国的109名科学家都激动起来。几小时后,中德两国合作的通用生物培养箱就送回了北京的实验室,接下来的几个月中,17项空间实验结果等待出炉。这只形状普通的箱子大概只有普通中号塑料储物箱一样大小。然而,40个科学样品装载其中,搭载的是人类认知生物现象和生命过程的好奇心,以及服务人类健康,并向太空迈进的梦想。尽管一夜没有休息,仓怀兴仍兴致勃勃地向记者展示他的宝贝们。照片上,一颗颗酷似钻石的蛋白质晶体,在光线散射下显示出七彩颜色。“我们初步发现,在没有重力的影响下,蛋白质晶体都非常规整。”仓怀兴说,“蛋白质是生命的基础,通过实验,我们能更准确地认识这些分子的性质。”此外,“小箱子”搭载的空间实验几乎都与认识生命有关。“植物细胞微重力效应的转录组学研究”就是其中之一,实验由中科院上海生科院植物生理生态所研究员蔡伟明负责。“这项实验的目的之一,就是探索地球重力在生命活动中扮演的角色。”蔡伟明说。实验选用在生命科学领域广泛应用的水稻细胞作为研究对象。类似的实验则在该领域另一种“明星植物”拟南芥细胞中进行。实验结果将揭示重力对植物细胞骨架作用的影响。与此同时,大连海事大学课题负责人黄磊也迫不及待地将返回的样品放到显微镜下。这时,如果一名外行向显微镜中看去,一定会吓一大跳:一些被放大的线虫正在频繁蠕动。但在黄磊看来,这些线虫都是他的“英雄”。紧盯这些小虫子许久,黄磊发现,上过天的小虫子显得不那么活跃。“实验结果比想象得还好。”他大松了一口气。这项实验使用了具有肌肉缺陷的线虫,通过对比重力和微重力条件下线虫的运动,探求太空环境对肌肉运动功能的影响,为人类迈向太空打下坚实基础。随后,科学家将用计算机软件逐一分析看似凌乱的运动轨迹,揭开线虫运动改变的秘密。说到线虫,参与空间实验的最年轻的成员乔梁开始滔滔不绝。这名在读博士生是中科院水生生物所承担实验的负责人。“早在10年前,NASA的科学家发现,宇航员在飞行过程中会产生类似衰老的身体变化,比如骨骼中钙流失、肌肉萎缩。”乔梁头也不抬,双眼不离显微镜目镜。这是他所实施的动物学实验。“也许我们还能从中开发出‘长寿药’。”乔梁充满想象。《科学时报》 (2011-11-21 A1 要闻)更多阅读神八搭载蛋白质太空中结晶 17项实验进展顺利揭秘神八17项空间生命科学实验项目

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我国是继美国、俄罗斯之外第三个掌握返回式卫星技术的国家,实践十号是我国发射的第25颗返回式卫星。“也是首颗大规模实施无人空间微重力实验的返回式科学卫星。”中国航天科技集团五院实践十号卫星工程总设计师唐伯昶说。

人类能否到太空中去繁衍后代?在太空诞生的人会是什么样?

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据介绍,实践十号卫星于2012年12月31日正式立项,是空间科学先导专项首批科学实验卫星中唯一的返回式卫星,主要科学目标是利用太空中微重力等特殊环境,开展涉及微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学、空间辐射效应、重力生物效应、空间生物技术六大领域的19项科学实验,主要研究、揭示微重力条件和空间辐射条件下物质运动及生命活动的规律。卫星总设计寿命15天,将利用我国成熟的返回式卫星技术按预定程序返回地球。

宇宙飞船着了火怎么办?

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目前,空间科学先导专项各项工作正按计划稳步推进,我国空间科学系列首发星——暗物质粒子探测卫星已于近期“满分出师”,顺利在轨交付用户单位。量子科学实验卫星和硬X射线调制望远镜卫星将于2016年下半年相继发射,争取在量子力学完备性检验、超大质量黑洞等空间科学前沿领域取得重大科学成果。

在没了昼夜之分、四季之分、上下之分的太空中,地球之花还会按故乡的时间绽放吗?会有别样的美吗?会结出与地球上不同的种子吗?

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□关注

……

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微重力实验有什么意义?

现在要回答这些问题也许还为时尚早,但中国科学家未来两周在太空中开展的19个新奇又有趣的实验,能帮助积累和增进相关的知识。

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揭开被重力掩盖的秘密

js333.com ,6日凌晨,在位于中国西北戈壁滩的酒泉卫星发射中心,长征二号丁运载火箭将实践十号卫星送入太空。

■本报记者 王晨绯 黄辛

对科学家来说,宇宙空间是一个很好的实验室。地球上的物理现象,都受到地球重力的制约,比如浮力、沉降等。在微重力,也就是通常说的“失重”环境下,能观察到很多地球上不可能观测到的独特现象。

这颗返回式卫星携带了等待开花的水稻、拟南芥,体态轻盈的果蝇,上千只蚕卵,细小的线虫,小鼠的胚胎……经过太空旅行后,这些“乘客”将随卫星返回舱重返地球,着陆在内蒙古四子王旗,帮助科学家揭示微重力环境和空间辐射对生命的影响。

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。

实践十号卫星首席科学家、中科院院士胡文瑞说,近年来,微重力环境是各国研究的焦点领域。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。而科学家们的一些理论猜想,也只有到太空微重力的环境下,才能进行实验验证。

中国科学家还准备在实践十号这个临时搭建在太空的实验室里,“烧上几把火”;观察液滴如何蒸发,以及沸腾的液体中冒出的泡泡……

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。”

“地球重力场是盖在物质运动规律和生命活动规律上的面纱,不揭开就无法看到很多问题的本质。”中科院国家空间科学中心主任、空间科学卫星工程常务副总指挥吴季说,“实践十号卫星是一个高效、短期、综合空间实验平台,它的使命就是揭开被重力所掩盖的科学秘密,力争获得重大科学突破。

除了寻找人类未来宇宙生存之法,实践十号的科学实验也将有助于人类更好地在地球上生活,例如:更高效地开采石油;减少燃煤污染;在太空制造地球上造不出来的材料。

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。

“实践十号”到底有多牛?

空间科学实验独具创新

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。

单次实验项目种类最多

中国科学院国家空间科学中心主任、空间科学卫星工程常务副总指挥吴季介绍,实践十号是世界上单次搭载空间实验项目最多的卫星。科学家利用卫星留轨舱和回收舱,开展涉及微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学、空间辐射效应、重力生物效应、空间生物技术等领域的多项空间科学实验,揭示微重力条件和空间辐射条件下的物质运动及生命活动规律。

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。”

胡文瑞介绍,目前世界上只有俄罗斯和我国把返回式卫星技术运用到科学卫星上。实践十号搭载了19项科学实验任务,涉及28项科学实验研究,是迄今为止单次空间微重力和生命科学实验项目及种类最多的卫星任务。

“中国要想创新驱动发展,必须有知识。目前在空间科学领域,中国还只是知识的使用国。实践十号将极大地提高中国微重力科学及空间生命科学研究的整体水平,为未来空间环境的开发利用提供创新知识,对促进中国在空间科学领域的创新发展具有重大意义。”吴季说。

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。

“我们绝不会重复别人的实验。”胡文瑞说,“所有实验任务都是全新探索,每一项科学实验均具有创新性,有很强的科学研究价值,有望获取具有国际先进水平的、具有自主知识产权的重大科技成果。”

实践十号首席科学家、中科院院士胡文瑞说:“实践十号上开展的科学实验都是全新探索,都是国外没有开展过的,每项实验都具有创新性和很强的科学研究价值,将孕育学术上重大问题的突破。”

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。

另外,不同于俄罗斯科学卫星是任务结束后整体返回地球,实践十号分为留轨舱和返回舱。“19项实验中,8项流体物理和燃烧实验将在留轨舱进行,其他11项科学试验将在回收舱进行。”实践十号卫星科学应用系统总设计师康琦说。

航天科技集团五院实践十号卫星总指挥邱家稳介绍,实践十号紧密围绕有关能源、农业和健康等领域国家科技战略目标,结合航天器防火等关键技术需求,促进地面生物工程、新材料等高技术发展和生命科学等基础研究取得突破,对于推动中国空间微重力科学和空间生命科学发展具有重要意义。

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。

据介绍,卫星飞行期间,科研人员可以在卫星科学应用系统任务运行中心通过视频、图片看到各项实验的整个过程,通过获得的数据开展研究。

开辟太空实验场

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。

□揭秘

实践十号是中国第25颗返回式卫星,也是首颗大规模实施空间微重力实验的卫星。

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。

“实践者”上天要干些啥?

专家介绍,地球上的物理现象,都受到地球重力的制约,比如浮力、沉降、压力梯度等。在微重力环境下,在地面上被重力掩盖的因素就开始变得重要,因此,微重力环境能观察到很多地球上不可能观测到的独特现象。

“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。

看小鼠胚胎细胞在太空如何生长发育

中国将于2020年前后建成空间站,届时空间站上可以做很多微重力实验。那么科学家为何还要在返回式卫星上做实验?

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。

随着人类走向太空,未来,哺乳动物能在太空正常繁衍吗?——为了回答这个疑惑,实践十号把小鼠早期胚胎带上了太空。它能否在空间环境下正常分裂、发育?其发育过程与地面有哪些不同?

胡文瑞解释,在空间站上做实验的优势包括时间长、可以人为控制等,但残余重力的干扰可能给实验结果带来影响。实践十号卫星是专门为科学而设计的卫星,可为实验提供比空间站更低的重力,对一些实验更加有利。

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。

“我们以小鼠细胞胚胎为研究对象,对其进行培养并显微实时跟踪观察,看它在微重力环境中能否继续分裂到8个细胞、16个细胞……观察在微重力情况下,哺乳动物胚胎能否和在地球上一样正常发育。”中科院动物所研究员段恩奎说。

同时,在返回式卫星上做实验机动性更好。一些实验样本希望装到卫星上的时间离发射越近越好,例如这次实验中的干细胞、骨髓样品、胚胎等是在发射前几个小时才装入卫星。并且,在实验结束后,样品能随返回舱尽快回收,取出分析。

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。

我们的太空“实践者”还有望在世界上首次获得空间小鼠早期胚胎是否能发育的实时摄影图片。

此外,实践十号既有返回舱还有留轨舱,一些空间站上不敢做的实验,例如燃烧实验,就可利用留轨舱来完成。

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。

研究微重力下燃烧避免太空火灾事故

“返回式卫星既是对空间站的补充,也能发挥空间站不可代替的功能。”胡文瑞说。

《中国科学报》 (2016-05-16 第5版 创新周刊)

载人空间飞行过程中,存在多种威胁航天器和航天员安全的潜在风险,其中航天器舱内火灾事故是最严重的一种。这次“实践者”要做的另一件“大事”,就是为今后载人空间飞行探索更安全的防火规范和材料选用、使用规范。

实践十号科学应用系统总设计师康琦说,利用返回式卫星开展空间科学实验,实验环境好、微重力水平高、风险小、成本低,一次飞行可提供较多的实验机会,特别有利于开展国际合作,是一个非常重要的空间实验手段。

这次实践十号计划开展的“导线绝缘层着火实验”和“典型非金属材料着火实验”,会在特殊的设备中通过大电流发热或加热丝进行引燃,观察微重力条件下特定材料的着火和燃烧特性,了解环境流动、氧气浓度和材料形状等因素对火焰传播的影响规律,并与重力条件下的燃烧进行对比。

据悉,欧洲空间局和日本宇宙航空研究开发机构参与了实践十号上的部分实验研究。

观察太空辐射和微重力下基因组变化

实践十号卫星总设计师赵会光介绍,中国是继美国、俄罗斯之外第三个掌握返回式卫星技术的国家。实践十号卫星是利用中国成熟的返回式卫星技术,开展微重力科学和空间生命科学研究的高效、短期、综合空间实验平台。实践十号将完成六大领域和19项科学实验,其中8项流体物理试验在卫星留轨舱中进行,其他11项科学试验在回收舱中进行。

《火星救援》被喻为一部太空生存指南,但细心的观众会发现,里面对辐射的描述相对较少。并不是太空辐射问题已经破解,而是由于至今还没有完备的手段能够解决太空辐射的风险。

他说,返回式卫星有着独特的优势,不少生物实验、生命科学实验和科学搭载实验,在轨实验后都需要返回地面来直接分析资料。此外,样本在太空停留时间不能太长,而要在未来空间站进行,返回一次时间较长,所以这种短期、需实物的实验用返回式卫星非常合适。

太空环境中,既有太阳耀斑和日冕物质抛射时产生的太阳高能粒子,也有长期存在的能量高、穿透性强的银河宇宙射线,即使是数十厘米的铝板也难以防护。

时隔11年中国再发返回式卫星

目前各国开展空间辐射生物学研究,主要是进行风险评估和寻找对策。这次实践十号搭载了3个生物辐射盒,携带了水稻种子、拟南芥种子和线虫等样品,研究空间辐射引起生物基因组变化和空间辐射损伤的分子网络调控,建立辐射风险评估体系,为我国空间站辐射评估和防护提供基础。

执行这次发射任务的长二丁运载火箭是中国在上世纪90年代专门为发射返回式卫星研制的。

航天科技集团第八研究院实践十号运载系统总指挥谈学军介绍,这次发射实践十号距离长二丁上一次发射返回式卫星已相隔11年。中国之前研制的返回式卫星回收点都在四川中部遂宁山区,因为当时那里人口和城镇相对较少。但随着经济快速发展,近年来遂宁山区人员密度增大,为保护当地百姓的人身和财产安全,同时也为了方便卫星搜寻回收,实践十号的回收点在去年改为内蒙古四子王旗。

“因此,火箭的整体参数也根据这一变化做了相应调整。此外,为了在发射前为装载生物样品预留时间,火箭燃料加注的时间也提前了。”谈学军说。

到目前为止,长征二号丁已经发射了27次,先后将39颗卫星送入太空,保持了百分之百的成功率,赢得“金牌火箭”之称。实践十号是长二丁发射的第二颗中国空间科学系列卫星。长二丁去年底成功将暗物质粒子探测卫星“悟空”送入太空,今年还将发射中科院研制的量子卫星和碳卫星。

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