“太空養(yǎng)魚”有何奧秘

斑馬魚。資料照片

神舟十八號(hào)航天員乘組進(jìn)駐中國(guó)空間站已近1個(gè)月，一系列空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)有序開展。此次隨航天員一同來到空間站的還有一批特殊“乘客”——4條斑馬魚。神舟十八號(hào)任務(wù)期間，4條斑馬魚將與4克金魚藻組成小型水生生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)中國(guó)在空間培養(yǎng)脊椎動(dòng)物方面的突破。

搭建小型水生生態(tài)系統(tǒng)

斑馬魚是一種常見的觀賞魚，體長(zhǎng)約4-6厘米，因身體兩側(cè)從頭至尾布滿多條藍(lán)色條紋而得名。它們性情溫和、活潑好動(dòng)，成群結(jié)隊(duì)游動(dòng)時(shí)，猶如奔馳的斑馬群。

這次來到“太空之家”的4條斑馬魚承擔(dān)“重任”——借助由斑馬魚和金魚藻組成的小型水生生態(tài)系統(tǒng)，科學(xué)家將研究空間環(huán)境對(duì)魚類生長(zhǎng)發(fā)育、生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行與物質(zhì)循環(huán)的影響。

進(jìn)入空間站后，斑馬魚生活如何？專家介紹，空間站小型受控生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)組件由神舟十八號(hào)航天員轉(zhuǎn)移至問天艙生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜中開展實(shí)驗(yàn)后，目前在軌運(yùn)行穩(wěn)定、4條斑馬魚狀態(tài)良好。

中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員鄭偉波說，目前，航天員成功開展了兩次水樣樣品采集和1次魚食盒更換操作，發(fā)現(xiàn)了斑馬魚在微重力環(huán)境下表現(xiàn)出腹背顛倒游泳、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)圈等定向行為異?，F(xiàn)象。后續(xù)科學(xué)家將利用返回的回收水樣、魚卵等樣品，結(jié)合相關(guān)視頻開展空間環(huán)境對(duì)脊椎動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育與行為的影響研究，同時(shí)為空間密閉生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)研究提供支撐。

和人類一樣，在太空環(huán)境中生存，魚類也面臨著適應(yīng)性問題。為此，科學(xué)家打造了一套周密的生態(tài)系統(tǒng)。

在問天艙生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜小型受控生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)K中，魚類、植物和微生物協(xié)同參與——藻類光合作用產(chǎn)生的氧氣供斑馬魚呼吸，魚呼出的二氧化碳供藻類進(jìn)行光合作用，進(jìn)食產(chǎn)生的糞便則提供了藻類生長(zhǎng)的養(yǎng)料。在飲食方面，科學(xué)家專門設(shè)計(jì)了魚食，用注射器推進(jìn)“魚缸”。

這套“太空魚缸”看上去很簡(jiǎn)單，實(shí)際上面臨著不少已知和未知的考驗(yàn)。在太空中，魚類生存的氧氣不夠怎么辦？水變渾了該如何處理？面對(duì)可能出現(xiàn)的問題，科學(xué)家設(shè)置了緊急供氧系統(tǒng)、水質(zhì)置換系統(tǒng)等諸多“配套”功能。

為了讓斑馬魚在空間站更好地存活，航天員必須給魚類喂食、供氧，為藻類提供營(yíng)養(yǎng)液、照明，同時(shí)還要滿足該系統(tǒng)pH值、溶氧、溫度、電導(dǎo)率等指標(biāo)要求，并進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)、魚卵收集、廢物處理等操作。

為理解生命科學(xué)提供幫助

除了研究空間環(huán)境對(duì)脊椎動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育與行為的影響之外，科學(xué)家還期待著斑馬魚能夠在太空中產(chǎn)卵。

斑馬魚的繁殖周期約7天，1年可連續(xù)繁殖6-7次，產(chǎn)卵量高。專家表示，一旦發(fā)現(xiàn)小魚排卵，系統(tǒng)將啟動(dòng)專用的排卵裝置，把魚卵收集起來。

為何選擇斑馬魚作為研究對(duì)象？專家介紹，斑馬魚與人類基因組相似度高達(dá)87%，被稱為“模式生物”（可用于研究與揭示生命體某種具有普遍規(guī)律的生物現(xiàn)象的一類生物）。此前在中國(guó)空間站種植的擬南芥和水稻，同樣也是“模式生物”。

專家介紹，斑馬魚體型小，具有體外受精、體外發(fā)育、早期胚胎透明等特點(diǎn)，科學(xué)家可以完整觀察研究其發(fā)育過程，這對(duì)于理解人類生命科學(xué)、疾病預(yù)防和治療以及藥物研發(fā)等意義重大。

上世紀(jì)70年代，美國(guó)遺傳學(xué)家喬治·施特雷辛格首次對(duì)斑馬魚進(jìn)行發(fā)育生物學(xué)研究。得益于其特性，斑馬魚在發(fā)育生物學(xué)、遺傳學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、藥理學(xué)、毒理學(xué)、藥物研發(fā)以及生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為生物學(xué)家的“愛寵”。

斑馬魚進(jìn)入太空的時(shí)間也很早。1976年，斑馬魚隨著蘇聯(lián)“禮炮五號(hào)”空間站進(jìn)入太空。此后10余年間，蘇聯(lián)多次通過聯(lián)盟火箭與宇宙系列衛(wèi)星將斑馬魚等送入太空，開展在軌生物載荷實(shí)驗(yàn)。

2012年，日本將一個(gè)水生艙送入了國(guó)際空間站的日本實(shí)驗(yàn)艙，用于研究微重力對(duì)海洋生物的影響。3年后，日本實(shí)驗(yàn)艙利用18條斑馬魚進(jìn)行肌肉實(shí)驗(yàn)，為制定航天員保健策略提供了參考和指導(dǎo)。

空間站90余項(xiàng)實(shí)（試）驗(yàn)相繼開展

除了“太空養(yǎng)魚”，神舟十八號(hào)還將利用艙內(nèi)科學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜和艙外載荷，在微重力基礎(chǔ)物理、空間材料科學(xué)、空間生命科學(xué)、航天醫(yī)學(xué)、航天技術(shù)等領(lǐng)域，開展90余項(xiàng)實(shí)（試）驗(yàn)，其中包括實(shí)施國(guó)際上首次植物莖尖干細(xì)胞功能在軌研究，揭示植物進(jìn)化對(duì)重力的適應(yīng)機(jī)制，為后續(xù)定向設(shè)計(jì)適應(yīng)太空環(huán)境的空間作物提供理論支撐。

中國(guó)載人航天工程新聞發(fā)言人、中國(guó)載人航天工程辦公室副主任林西強(qiáng)此前表示，中國(guó)空間站已在軌實(shí)施了130多個(gè)科學(xué)研究與應(yīng)用項(xiàng)目，在空間生命科學(xué)、航天醫(yī)學(xué)、空間材料科學(xué)、微重力流體物理等方向已取得重要成果，在國(guó)際一流期刊發(fā)表論文280余篇。

利用高溫科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜開展的新型材料空間生長(zhǎng)研究項(xiàng)目，中國(guó)首次在空間獲得了地面難以制備的高質(zhì)量晶體材料，對(duì)高性能多元半導(dǎo)體合金材料制備具有指導(dǎo)作用；利用生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)柜開展的人骨細(xì)胞定向分化的分子靶點(diǎn)研究、對(duì)骨骼肌影響的生物學(xué)基礎(chǔ)研究等項(xiàng)目，取得的成果為促進(jìn)骨折、脊柱損傷修復(fù)等骨質(zhì)疾病的防治，以及對(duì)抗肌萎縮、防治代謝性疾病提供了新的解決方案。

林西強(qiáng)表示，中國(guó)將繼續(xù)堅(jiān)持應(yīng)用為綱、效益為先，充分發(fā)揮國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，持續(xù)產(chǎn)出更多高水平成果。（劉峣）