探秘“问天”生物技术实验柜和生命生态实验柜

从细胞、组织、蛋白质的微观世界，到种子、植株、昆虫、鱼类的表观层面，再到生物与环境构成的大千世界，在中国太空站的“问天”实验舱里，只需要两个近2米高、1米宽、0.8米深、总质量近半吨的实验柜，就能对太空中的生命现象开展一场不同层面的科学研究。

这两个太空生命科学实验柜分别是生物技术实验柜和生命生态实验柜，而柜子里配置的9个如同抽屉一样的实验模块，都出自中科院上海技术物理研究所的科研人员之手。它们分别承担怎样的任务，又有哪些特色？

微观世界：从细胞“精装楼”到生命起源

在生物技术实验柜里，细胞组织实验模块占据了半壁江山，细胞组织检测与调控模块、蛋白质结晶与分析模块以及专用实验模块合用另一半空间。中科院上海技物所空间生命科学仪器研制团队负责人、生物技术科学实验系统主任设计师张涛研究员说，“利用这个实验柜，可以开展以生物组织、细胞和生化分子等不同层次多类别生物样品为对象的细胞培养和组织构建，以及分子生物制造技术、空间蛋白质结晶和分析等空间生物技术及应用研究。”

块头最大的细胞组织实验模块，是生物技术实验柜当仁不让的主角。该模块具有生命支持与环境条件保障、细胞类生物样品连续动态培养与采样存储、实验过程监测与生物样品精细观察、实验结果现场检测与动态分析和专项生物技术实验等多种先进的全自动化实验功能。

“细胞组织实验模块是我们搭建的一栋有36套72间房的精装楼。”中科院上海技物所结构工程师张寅用了一个通俗易懂的比喻，“细胞组织样品可以直接拎包入住，还可以根据需求更换住户。”

要成为一个好的楼盘，周边配套设施不可少。细胞组织实验模块“精装楼”，拥有细胞组织检测与调控模块等专业“配套设施”，因此也具有“智能楼”的特色：不仅能根据住户不同对室内环境进行自动调控，还能通过显微成像、光谱检测等方式自动记录住户们的日常生活。这些细胞组织们的日常生活影像、实验资料等，将帮助科学家们从微观角度深入了解微重力和太空辐射对细胞增殖、组织构建、信号传导及基因表达等方面的影响。

值得一提的是，为了既能拍摄出清晰的细胞照片，又尽可能压缩设备体积和重量，中科院上海技物所科研团队采用了大胆创新。中科院上海技物所生物技术科学实验系统副主任设计师孙浩副研究员说：“我们将显微组件集成在一个小空间里，通过更换镜头实现不同清晰度的成像，通过更换滤片实现不同波段的成像，同时系统还具备自动寻找细胞、自动对焦和成像的功能，在无人在轨状态下也能自主工作。”

专用实验模块在生物技术实验柜里看似不起眼，却将承载一场有关生命起源的有趣实验。“不久前，日本科学家从小行星上测到了20多种氨基酸，而氨基酸是生命起源的一种重要分子。” 张涛透露，中国科学家将使用专用实验模块，在微重力、强辐射的空间环境下模拟生命“地外起源”的环境，寻找蛋白质和核酸是如何开启生命之源的。

“科学家设计了一个实验方案，，探索是否会产生蛋白质和核酸等原始生命物质。” 中科院上海技物所电子学工程师丁昆说，这一实验方案要求专用实验模块能够将2-3种溶液均匀混合且无气泡聚集，同时还要实现数据传输线下分析和样品可回收。“我们团队采用了离心混合排除气泡方式，实现了电化学传感器、原位化学反应装置的研究、设计及定制。希望能得到一个有趣的实验结果，帮助人类更好地探索生命源头”。

大千世界：从“太空农场”到生态球

与生物技术实验柜相比，生命生态实验柜里可谓“八仙过海，各显神通”。张涛说，生命生态实验柜将在空间环境条件下开展以植物类生物样品为目标的微重力效应研究、空间受控生命生态保障系统研究等，包括通用生物培养模块、小型通用生物培养模块、小型受控生命生态实验模块、小型离心机实验模块、微生物检测模块、舱内辐射环境测量模块。

“通用生物培养模块可以对植物生长所需的温度、湿度、光照、水，以及二氧化碳等气体组分，进行动态调控，并根据不同科学实验进行调整。”中科院上海技物所生命生态科学实验系统主任设计师郑伟波研究员说，在太空中培养植物要比地球上困难得多，“比如在微重力环境中，如何给植物浇水就是一个难题，要知道一滴水在太空中会凝聚成一颗漂浮在空中的水球。科学家要让水球注入土壤中，确保植物种子能够吸到水，又不会被淹死。”而水资源在太空中显得如此宝贵，模块必须将植物蒸腾出来的水重新回收，通过少量水实现植物的全生命周期培养，“在之前的天宫二号上，300毫升水支撑了拟南芥400多天的培养”。此外，不同植物在光合作用时，对于光照波段、光强、周期都有各自的需求，“实验柜需要对光进行灵活调节，以满足不同植物的科学实验”。生命生态实验柜还配置了历经爆破、保压、漏率、力学等各种地面实验考验的二氧化碳气瓶。这些条件的一一实现，让通用生物培养模块成为科学家们的“太空农场”。

“之前我国的太空生物培养只是对单一生物，现在要求通用化。”中科院上海技物所结构工程师许大钊说，作为生命生态实验柜核心的通用生物培养模块，前期将开展高等植物种子、幼苗或植株的培养，后期可以根据需要对线虫、果蝇等微小动物开展培养。

小型受控生命生态实验模块将开展一个值得关注的实验：一个由藻类、鱼、微生物以及液体，构成一个封闭的小型水生生态系统，以此实现内部物质和能量的自主动态调节平衡。模块的测控单位可以对温度、光照等外部条件进行调节，并在内部平衡打破时让生命支持系统介入。

“一个封闭的生态系统在地面上很难实现，在太空中也非轻而易举。”中科院上海技物所结构工程师田清说，“我们研制的模块可以在不打开‘鱼缸’的前提下，实现对水质检测、向水中投喂食物、回收鱼卵和藻类等一系列操作，大量传感器还能传回各种精密的数据。”这些数据将帮助科学家进一步探索在太空中建立一套自循环生态系统的可能，由此开启地外基地建设、向深空前进等令人期待的无限前景。

此外，可以制造1G重力的小型离心机实验模块，可以在舱内进行空间环境重力和模拟地面重力环境的对比实验，减少了返回时的冲击因素影响，也让科学家尽可能清晰地看到微重力对生命的影响。

微生物检测模块将核酸PCR检测和培养检测同时搬上了太空。中科院上海技物所生物技术科学实验系统副主任设计师刘方武副研究员说，在和平号空间站上，曾检测到108种细菌和126种真菌，中国空间站开展原位、在轨微生物检测不仅可以监控实验数据，未来还能对舱内进行监控，以保障航天员身体健康。

期待科学家登上“问天”

在生物技术实验柜和生命生态实验柜的模块中，通用化、自动化、可拓展成为一大特色。

与国际空间站类似的先进生物研究系统相比，“问天”的生命生态实验柜增加了小型离心机比对功能，多了一个水生生态实验，可扩展多种气体检测，对微生物进行定性和部分定量检测，可进行辐射检测，还可以实现多波段荧光成像。对比国际空间站类似的生物技术实验柜，“问天”的生物技术实验柜具备了多模式复合显微成像、全自动搜索捕获成像，以及更大的光谱范围和更精细的光谱分辨率等特点。

“在空间站做实验，主要有三种模式。” 张涛说，一是实验系统有很强的自动化实现能力，只需要按照预定的程序，可以完成实验；二是从地面上传各种指令，来调整实验进程；三是航天员进行实验操作。

“目前我国的航天员并不是专业的科学家，因此实验设计和实验设备还是尽可能偏向自动化。我们会在地面上对航天员进行培训，只需要按照手册上要求，就可以完成必须手动操作的实验步骤。” 张涛说，“期待以后有专业的生物学家们能上天，那时候就可以进行更加复杂的科学实验，我们也会设计更加专业的实验系统。”

文章来源：上海科协