盤點(diǎn)！神舟飛船上的科學(xué)實(shí)驗(yàn)
據(jù)中國載人航天工程辦公室消息，北京時間2023年10月26日11時14分，搭載神舟十七號載人飛船的長征二號F遙十七運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火發(fā)射，約10分鐘后，神舟十七號載人飛船與火箭成功分離，進(jìn)入預(yù)定軌道，航天員乘組狀態(tài)良好，發(fā)射取得圓滿成功。
伴隨著神舟飛船的發(fā)射，空間站實(shí)驗(yàn)室也會進(jìn)行更多重要的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，讓我們看看空間站各類科學(xué)實(shí)驗(yàn)有哪些？
神舟十七號
據(jù)悉，“空間蛋白質(zhì)分子組裝與應(yīng)用研究”項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)單元隨神舟十七號飛船上行?！翱臻g蛋白質(zhì)分子組裝與應(yīng)用研究”包括“高通量蛋白質(zhì)結(jié)晶及分子結(jié)構(gòu)與功能研究”“納米晶藥物制備及藥理學(xué)研究”“納米晶骨骼空間制備研究”“蛋白質(zhì)晶體空間輻射損傷研究”“空間顯微觀測蛋白結(jié)晶的動力學(xué)研究”等5項(xiàng)研究內(nèi)容。
我們知道，生命體是由蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子組裝成的一架精密高效的機(jī)器，它們協(xié)同工作完成著各種各樣的生理功能。只有獲知蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能，才能更多的破解生命的奧秘和進(jìn)行理性的藥物設(shè)計(jì)。但是，很多蛋白質(zhì)因?yàn)榈貌坏礁哔|(zhì)量的單晶而難以深入研究其功能。在科學(xué)家看來，空間微重力環(huán)境為蛋白質(zhì)結(jié)晶提供了絕佳條件。
空間微重力環(huán)境可消除減弱常重力場下溶液中存在的對流與沉降，為蛋白質(zhì)結(jié)晶生長提供一個相對均一和穩(wěn)定的環(huán)境，有利于生長高質(zhì)量蛋白質(zhì)晶體。同時，通過X-射線衍射獲得蛋白質(zhì)分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)，更準(zhǔn)確地揭示其生物學(xué)功能，如正常生理作用、致病機(jī)制、藥效、副作用等與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。因而對分子藥物設(shè)計(jì)具有直接的作用，對仿生生物技術(shù)也具有重要意義。
本次實(shí)驗(yàn)安排了蛋白質(zhì)、多肽、核酸、生物材料、藥物材料等5類29種實(shí)驗(yàn)樣品，如胰島素、癌癥治療蛋白復(fù)合物、核酸聚合酶、植物光合作用關(guān)鍵蛋白、納米羥基磷灰石/膠原多肽、溶菌酶等。這些實(shí)驗(yàn)樣品都是在發(fā)射場完成現(xiàn)場制備和加載，在發(fā)射前8個小時左右，放置于生物樣品貨包送往發(fā)射塔架，并安放至神舟飛船，隨飛船發(fā)射升空。
神舟十七號乘組還將開展多項(xiàng)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和航天技術(shù)試驗(yàn)，涉及基礎(chǔ)物理、生命科學(xué)、地球觀測、材料科學(xué)等多個領(lǐng)域。其中有些試驗(yàn)是首次在中國空間站進(jìn)行的，有些試驗(yàn)是在神舟十二號任務(wù)基礎(chǔ)上繼續(xù)深化的。以下是一些具有代表性的試驗(yàn)：
? 空間冷原子鐘：這是一種利用超冷原子作為時間基準(zhǔn)的高精度時鐘，在地面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了秒級的穩(wěn)定度。此次任務(wù)中，乘組將在空間站上安裝并啟動這種時鐘，并與地面同步校準(zhǔn)。這種時鐘在空間中的表現(xiàn)如何？能否為導(dǎo)航定位、基礎(chǔ)物理等領(lǐng)域提供更高精度的時間參考？這些都是值得期待的問題。
? 空間生物打印：這是一種利用3D打印技術(shù)制造生物組織或器官的方法，在地面已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。此次任務(wù)中，乘組將在空間站上進(jìn)行多種細(xì)胞的打印實(shí)驗(yàn)，觀察它們在失重環(huán)境下的生長和分化。這種方法能否為未來的空間醫(yī)療和生物制造提供新的可能？
? 空間植物培養(yǎng)：這是一種利用人工環(huán)境培養(yǎng)植物的方法，在地面已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和園藝。此次任務(wù)中，乘組將在空間站上進(jìn)行多種植物的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，研究它們在失重和輻射等條件下的生理和遺傳變化。這種方法能否為未來的空間生態(tài)和食物供給提供新的途徑？
神舟十五號
在軌四個半月的時間里，神舟十五號乘組開展了一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)，其中，多個項(xiàng)目都屬首次。
在軌期間，神舟十五號航天員乘組使用由我國自主研制的空間站雙光子顯微鏡，開展在軌驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)任務(wù)并取得成功。這是目前已知的世界首次在航天飛行過程中，使用雙光子顯微鏡獲取航天員皮膚表皮及真皮淺層的三維圖像，為未來開展航天員在軌健康監(jiān)測研究提供了全新工具。
空間高效自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)裝置順利完成在軌試驗(yàn)，這也是我國首次實(shí)現(xiàn)該技術(shù)在軌驗(yàn)證。斯特林熱電轉(zhuǎn)換是空間新能源的關(guān)鍵技術(shù)之一，它可以將熱能高效轉(zhuǎn)化為電能。
在地面科研人員和航天員協(xié)同配合下，夢天艙燃燒科學(xué)柜中的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成功執(zhí)行首次在軌點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)采用的是甲烷作為燃料，高速相機(jī)清晰地拍下了整個點(diǎn)火和燃燒過程。這次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了空間站燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能的完備性，以及整體實(shí)驗(yàn)流程的準(zhǔn)確性與科學(xué)性，為后續(xù)空間科學(xué)燃燒實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目打下了良好的基礎(chǔ)。
據(jù)介紹，神舟十五號載人飛船返回艙下行的實(shí)驗(yàn)樣品總重量20余公斤，共下行15項(xiàng)科學(xué)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)樣品，包括細(xì)胞、線蟲、擬南芥、再生稻等生命實(shí)驗(yàn)樣品，以及多種合金材料、新型紅外探測器材料、非晶薄膜材料等材料實(shí)驗(yàn)樣品。
科研人員將對返回的生命實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、在軌生長發(fā)育和代謝等相關(guān)分析，通過與地面比對分析研究，解析空間微重力、輻射對于實(shí)驗(yàn)樣品作用的規(guī)律和分子機(jī)理，為進(jìn)一步創(chuàng)制適應(yīng)空間環(huán)境的作物和開發(fā)利用空間微重力、輻射等資源提供理論依據(jù)。
材料實(shí)驗(yàn)樣品將在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試分析研究，以期揭示在地面重力環(huán)境下難以獲知的材料物理特性和化學(xué)變化過程的規(guī)律，獲得高性能制備工藝關(guān)鍵條件，指導(dǎo)地面新材料制備。
神舟十六號
2023年5月30日9時31分，神舟十六號載人飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。由中國科學(xué)院牽頭負(fù)責(zé)的空間應(yīng)用系統(tǒng)通過神舟十六號載人飛船上行5項(xiàng)生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)物資，重量約23.6公斤，體積約95升。
生命是最復(fù)雜的物質(zhì)存在形式。地球生物包括人類的進(jìn)化一直是在地球上實(shí)現(xiàn)的，在空間特有的微重力、宇宙輻射、節(jié)律和磁場變化條件下，研究人和各種生物的存在和響應(yīng)，成為探究生命現(xiàn)象本質(zhì)的重要途徑，也是人類長期太空探索活動的基礎(chǔ)。
“微重力環(huán)境對細(xì)胞間相互作用和細(xì)胞生長影響的生物力學(xué)研究”旨在認(rèn)識肝組織細(xì)胞在微重力下的生物力學(xué)特征和力學(xué)-生物學(xué)耦合過程，以及重力變化對細(xì)胞生命活動的作用規(guī)律；發(fā)展基于生物力學(xué)的空間細(xì)胞-組織動態(tài)培養(yǎng)新實(shí)驗(yàn)技術(shù)。上行物資包括6個生物力學(xué)樣品單元，其中2個裝載肝細(xì)胞，4個裝載肝細(xì)胞/內(nèi)皮細(xì)胞。
“蛋白與核酸共起源及密碼子起源的分子進(jìn)化研究”在國際上首次將氨基酸、核苷酸與磷結(jié)合，探索密碼子起源；考察重力效應(yīng)對密碼子起源的影響；考察重力效應(yīng)與生命進(jìn)化的關(guān)系；為生命的化學(xué)起源理論體系及尋找地外生命宜居星球提供重要的科學(xué)依據(jù)。上行物資包含8個核酸實(shí)驗(yàn)單元，將分2批次開展在軌實(shí)驗(yàn)。
“空間微重力環(huán)境調(diào)控植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的分子網(wǎng)絡(luò)研究” 采用擬南芥模式植物作為實(shí)驗(yàn)材料，重點(diǎn)研究擬南芥中和重力反應(yīng)有關(guān)的LAZY基因在微重力環(huán)境中的表現(xiàn)，揭示植物感受微重力環(huán)境的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；顯示植物激素運(yùn)輸和參與植物響應(yīng)微重力適應(yīng)機(jī)理。上行物資包括4個實(shí)驗(yàn)單元，其中2個靜止培養(yǎng)、2個1g離心對比培養(yǎng)；實(shí)驗(yàn)樣品包括5種類型擬南芥（含野生型、3種突變體、轉(zhuǎn)基因）。
“空間輻射暴露引起線蟲發(fā)育過程DNA損傷修復(fù)及細(xì)胞凋亡影響研究” 利用全自動微流控系統(tǒng)對線蟲個體的在軌發(fā)育和損傷效應(yīng)進(jìn)行觀測，深入分析長期輻射暴露對DNA損傷修復(fù)及生殖細(xì)胞凋亡的影響；分析與人類同源的DNA損傷修復(fù)功能調(diào)控基因的變化規(guī)律，為揭示長期在軌人體對抗空間輻射損傷機(jī)制、挖掘靶分子在航天輻射醫(yī)學(xué)防護(hù)研究做出貢獻(xiàn)。上行物資包括裝載4種線蟲的芯片實(shí)驗(yàn)盒。
“空間輻射損傷評估科學(xué)與應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)” 挖掘空間輻射損傷評估和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的生物標(biāo)志物，分析空間輻射損傷的品質(zhì)因子，構(gòu)建空間輻射損傷評估模型，為開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的空間輻射健康風(fēng)險(xiǎn)評估體系提供重要技術(shù)支撐；該分子標(biāo)志物可為重要靶點(diǎn)藥物研究、遺傳篩查、輻射防護(hù)等提供指導(dǎo)。上行物資包括4個線蟲樣品盒，每個樣品盒內(nèi)8個標(biāo)準(zhǔn)生物容器，裝載10種線蟲。
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