在太空，科學實驗正在進行。中國科學院空間應用工程與技術中心高級工程師、應用發展室副主任巴金介紹，中國空間站在軌運行的兩年間，已實施180余項科學與應用項目，上行科學與應用任務近兩噸實驗模塊、單元及樣品等科學物資，下行空間科學實驗樣品近百種，獲取科學數據超過265TB。經國內百位院士、千余位專家的多年論證，開展了包括空間生命科學與人體研究、微重力物理科學、空間天文與地球科學、空間新技術與應用4個領域、32個研究主題的相關研究，配置了具有國際先進水平的20余個艙內科學實驗柜和3個艙外暴露實驗平臺，正在研制具有國際競爭力的2米口徑空間站巡天空間望遠鏡(CSST)等設施。
1.太空種糧不是夢
進入空間微重力環境，植物是否能夠正常生長呢？空間站提供了獨特的微重力環境，很多重要的農業性狀——株型、根系的分布、葉的夾角、植株的高矮、莖稈的強度等都受到重力影響。中國科學院分子植物科學卓越創新中心實驗師王麗華介紹，空間站微重力環境為揭示地球重力在植物生長發育中的作用本質提供了新的視角和途徑。
早在2002年，中國科學院分子植物科學卓越創新中心研究員鄭慧瓊課題組開展了從空間細胞融合到模式植物全生命周期培養的系列實驗。在中國空間站開展的“微重力下利用開花基因調控植物開花時間的分子途徑”項目主要研究內容包括：分析比較微重力在植物開花過程中的作用；獲取微重力調控植物開花的分子基礎與關鍵基因的表達變化；解析長期空間微重力條件下，植物開花基因表達的調控網絡機制在植物對空間環境適應性中的作用機理。
在微重力條件下高等植物開花調控的分子機理實驗項目中，科研人員利用在軌實時圖像和返回的擬南芥實驗材料，獲得了不同開花時間擬南芥響應微重力的生長發育表型數據，和天地比對轉錄組數據。王麗華介紹，這些數據不僅為深入解析植物通過調整開花時間，適應空間微重力的分子機理提供了全新的視角，也為利用相關的轉錄調控元件，人為控制空間植物的開花時間、培育具有較強空間環境適應能力的植物，提供了新的途徑。
“中國空間站實驗證明了微重力條件再生稻生產的可行性，通過一次種植多次收獲，可以提高空間利用率，也為未來空間生命生態生保系統利用水稻進行糧食生產提供新的思路。”王麗華表示。
研究團隊還完成了水稻“從種子到種子”的全生命周期空間培育，在國際上首次獲得空間發育的水稻和再生稻新的種質資源，并在樣品返回地面后實現了大田種植。如今，收獲的稻種已繁育到了第三代。
2.首次實現斑馬魚空間產卵
太空魚類養殖不僅有助于研究空間環境對脊椎動物生長發育與行為的影響，還可以為未來太空生活提供更多可能性。例如，為地外人類直接提供動物性蛋白食物，以及為永久太空基地的生態循環系統建設打下基礎。
作為四大模式生物之一，斑馬魚因基因與人類基因相似度高且體形小、繁殖快、發育周期短，成為生命科學領域模式生物的后起之秀，被稱為“水中小白鼠”。
2024年4月至6月，空間先進水生生保系統隨神舟十八號飛船成功發射進入中國空間站，并安裝在問天艙生命生態柜，開展空間實驗，首次實現了斑馬魚空間產卵，并完成了斑馬魚在軌轉運安裝、3次取水樣、1次魚卵收集、1次更換魚食、實驗結束后樣品滅活廢棄等航天員操作。
此次斑馬魚太空實驗各項監測指標正常，系統運行正常，圓滿完成各項任務目標。通過天地對比發現，斑馬魚在軌出現背腹面顛倒游泳、旋轉運動、轉圈等空間運動行為異常現象。金魚藻在實驗期間也有明顯生長，生物量估計增加了1.5倍左右。
“這批斑馬魚創下了太空存活43天的世界紀錄，這也是中國空間站第一次迎來水生動物。”中國科學院水生生物研究所研究員王高鴻表示。在中國空間站開展的斑馬魚實驗，創造了國際上迄今水生生態系統空間運行的最長時間，實現了我國在空間培養脊椎動物的突破，并解析空間環境對脊椎動物生長發育與行為的影響，為空間密閉生態系統物質循環研究提供理論支撐。
王高鴻回憶，研究團隊于2011年首次將包含小球藻、水泡螺等僅有火柴盒大小的實驗裝置送上太空，在太空遨游了17天，只能進行“暗箱實驗”。如今，裝載4尾斑馬魚和4克金魚藻的太空實驗裝置，容量已達1.2升，且在“太空水族箱”配備了攝像探頭、自動喂食、溫度控制、光照控制等豐富的設備。
“該研究將為后續利用斑馬魚作為脊椎動物模式生物，開展全面系統的空間生物學理論研究和空間水產開發提供了重要研究平臺。”王高鴻透露，未來還要實現斑馬魚在太空“從卵到卵”的全生命周期養殖，后續可利用現有水生生保系統平臺，開展骨丟失、肌肉萎縮、內分泌紊亂、免疫和營養代謝等研究。
3.防治肌肉萎縮等“太空病”
航天失重會對人體產生諸多的生理影響，骨骼肌的衰退是太空微重力環境下重要的生理變化之一。因此，保障長期飛行中航天員的健康、開展航天醫學研究十分重要。
基于中國空間站的“生物技術實驗柜”和“手套箱及低溫存儲柜”功能，中國科學院上海營養與健康研究所和上海技術物理研究所合作，實現了小鼠骨骼肌細胞的在軌培養和分化，觀察到了細胞融合和肌管形成等現象。在國際上首次利用骨骼肌細胞自噬熒光報告系統，通過天地比對分析，發現了空間微重力環境影響骨骼肌細胞自噬的規律。
“科研人員利用載人空間站提供的長期微重力條件，研究了空間微重力對骨骼肌細胞的影響，重點關注了細胞的生長、分化等情況。”中國科學院上海營養與健康研究所副研究員李俞瑩介紹。
2022年11月，細胞樣品上行，利用生物技術實驗柜成功實現了小鼠骨骼肌細胞的在軌培養和分化，觀察到了細胞融合和肌管形成等現象，并首次在軌檢測到微重力環境下肌細胞的自噬現象，收集了真實微重力條件下的肌細胞樣品和相應的培養液。完成在軌實驗后，樣品于2023年6月由神舟十五號載人飛船返回艙帶回地面。
“更重要的是，我們利用高通量測序獲得了空間骨骼肌細胞基因表達圖譜，發現了空間微重力環境通過影響自噬導致肌萎縮的可能機制及潛在分子靶標。”李俞瑩說，這不僅有望幫助航天員維持肌肉量、改善他們的健康狀況，也將為肌少癥患者尋找新的治療方法，研究成果可推廣應用于地面的肌少癥患者及長期臥床病人。
4.半導體性能在“天宮”優化
銦硒半導體，可以彎曲、扭轉、壓縮而不易破碎，不僅具有傳統半導體材料優異物理性能，還可像金屬一樣塑性變形和機械加工。但銦硒晶體缺陷密度極高，嚴重影響半導體器件性能和材料應用。空間微重力環境下產生的“非接觸效應”和穩定的固液界面可解決這一難題。
空間環境相關的微重力條件，為半導體材料制備和相關機理研究提供了獨特的平臺和條件。“以非接觸效應為例，在空間站微重力條件下，晶體材料和石英坩堝之間可以形成間隙，避免熔體和容器直接接觸，進而消除應力對材料生長的影響。”中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員劉學超解釋說。
上海硅酸鹽所負責研制了材料領域的兩個裝置——無容器科學實驗柜和高溫材料科學實驗柜核心實驗模塊。2022年10月31日，高溫材料科學實驗柜隨夢天艙成功發射入軌時，其內存放著首批科學實驗樣品。200余天后，包括銦硒晶體在內的部分樣品跟隨神舟十五號航天員返回地球。
“歷經70小時，在空間站高溫材料實驗柜中，研究團隊順利完成銦硒半導體晶體生長實驗，獲得完整的晶體樣品。”劉學超介紹，在我國空間站高溫材料實驗柜地面鏡像系統，研究團隊開展了銦硒樣品的地面匹配實驗，研究了晶體生長溫度、晶體生長速率、溫度梯度等對晶體生長的影響。
研究團隊發現，在微重力條件下，空間晶體的位錯密度比地面下降了幾十倍，甚至在生長初期存在近零位錯區域。劉學超分析道：“如果可以攻克銦硒半導體缺陷密度極高的瓶頸，它將有望制成世界上速度最快、能耗最低的晶體管。”
“我們還發現晶體材料‘變胖’了！在微重力環境下，晶體結構可能發生了膨脹現象。”劉學超表示，微重力環境中，晶體缺陷密度大幅降低、結晶質量更好、晶體管器件性能提升，這些現象將為在地面突破銦硒半導體關鍵制備技術提供重要支撐。
未來，除了用更多不同實驗方法分析已有材料的特性，劉學超團隊還計劃開展微重力生長摻雜銦硒晶體及性能研究、附加旋轉磁場生長銦硒晶體及性能調控研究、摻雜銦硒空間/地面晶體質量對比及半導體器件研究等工作。
空間科學是探索重要科學規律、獲得顯著應用效益的突破口。中國空間站作為我國覆蓋空間科學相關學科領域最全、在軌支撐能力最強，且兼備有人參與和上下行運輸等獨特優勢的國家太空實驗室，為我國開展高水平空間科學與應用研究提供了千載難逢的發展機遇，也將成為我國錨定2035年建成科技強國的重要創新驅動力。
(本報記者 王美瑩)
來源：光明日報