前沿 | 微重力科学和空间生命科学(2)

与微重力返回式卫星不同的是，载人任务中的微重力和生命科学实验增加了人的因素，可以大大提高微重力和生命科学实验的效率，并应对随机的实验现象，因此可以做更高级和更复杂的实验，但是其成本也大大地提高。因此，为载人空间实验室和空间站论证适合的、科学目标重大的实验任务，是微重力和生命科学团队面对的重要挑战。

▲?中国未来空间站的艺术概念图

二、微重力条件下，什么改变了？

在微重力环境中，液体的表现最突出。水中的气泡将不再向上飘，而是向各个方向运动。不同液体也不会因为其比重不同而分出明显的液层。一滴水将会飘在空中，其受到的最重要的作用力是表面张力，而不是重力。

在微重力环境中，热空气不再向上运动，因此火焰的火苗不会一直向上蹿，在静止空气中将呈圆形。

在微重力环境中，植物将失去向上生长的方向感，由于土壤中的水不会向下沉，根系也将失去方向感，向各个方向生长。

细胞本身就是由细胞壁包起来的液体/生命体，遵循液体在微重力环境中的规律。高级生命的骨质将很快出现疏松。航天员经过在轨锻炼，将在一定程度上减缓骨质流失的速度。

总之，所有和重力相关的物理现象都会消失。表面张力、界面附着力成为主要作用力。

三、生物辐射效应

对生物而言，进入空间后，还有一个特殊的效应就是生物辐射效应。生物的基本单元—脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）受到空间粒子的辐射，将会出现断裂，引起基因变异。不过需要指出的是，大家熟知的特别大的太空黄瓜、太空西红柿，并不是经过空间飞行的所有种子的普遍现象，而是经过几代的筛选，选出个体大的后代培育出来的。

如果辐射可以改变生物种子的基因，那么，能把种子放到地面上的加速器中进行照射，然后再种植吗？实验发现，地面加速器对种子产生的作用与空间并不相同，不能代替在空间飞行后对种子产生的作用。然而，这些现象的基本理论和原理都还没有研究清楚。

四、基础物理实验

五、重要的前沿问题

1. 复杂流体的对流、扩散、输运

受到微重力影响后，流体将会改变其运动规律。当流体成分、边界条件变得复杂时，其在微重力下的运动规律就成为我们研究的目标，如多相液体的分层、扩散和输运。这些规律有非常广泛的应用领域，如火箭发动机燃料储箱里的剩余燃料问题、卫星热管内的液体流动问题、月球表面着陆后的月尘颗粒在1/6g重力下的运动问题、生命细胞中液体的运动问题等。

2. DNA在粒子辐射后的遗传变异问题

如上所述，DNA双螺旋结构中的任何一个臂、任何一节，受到粒子辐射后都会发生断裂。在哪一节、哪一段发生断裂，是否会自修复，是否会遗传给后代并造成影响？这些都是未知的重要问题。

此外，更宏观的方面，如航天员健康问题、太空育种问题，都与粒子辐射密切相关。

3. 达尔文进化论在地球以外是否仍有效？

不言而喻，数学在宇宙中是普适的。1+1=2，无论在哪个地外文明中，都应该是一样的，尽管其表达方式可能会有所不同。人类迄今掌握的基本物理规律（不包括与重力相关的），目前看来在宇宙中也是普适的。例如，迄今在所有的宇宙观测中，无论被观测的星系距离我们多远，爱因斯坦的广义相对论都是普适的。

但是，与生命科学相关的基本规律，在地球以外还没有经过验证，如达尔文进化论。这主要是因为，除了地球，我们还没有在太阳系发现其他生命迹象，更不要说在太阳系以外了。为此，把地球生命带到地球以外的空间中去，如空间站或者月球上，开展长期的基本生命科学规律的研究，也是空间生命科学的前沿。

4. 在地面上如何模拟微重力？

如前所述，落塔、微重力飞机，以及微重力气球和探空火箭是人类模拟微重力环境的几个办法。但是，这些办法都不能长时间地模拟微重力环境。很多实验不得不到空间去做，使成本变得很高。在载人空间站做实验，也会面临着很多干扰，如空间站内的各种仪器、风扇等的振动等，甚至卫星上飞轮的转动都会使得微重力水平降低。目前在微重力卫星上能够实现的微重力水平为10?3g～10?5g。此外，还涉及使实验样品顺利返回方面的问题，更增加了实验的成本。

目前，有两种不完整的地面模拟方法正在发展，一个是磁悬浮，另一个是生物回转器。但是，这两种方法都不能完整地模拟真实的微重力环境。因此在实验前，必须仔细分析实验的目的和需求，考虑是否可采用磁悬浮和生物回转器来模拟微重力的环境。

文章来源：《生命科学仪器》 网址: http://www.smkxyq.cn/zonghexinwen/2021/0216/442.html