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在太空，科学实验正在进行。中国科学院空间应用工程与技术中心高级工程师、应用发展室副主任巴金介绍，中国空间站在轨运行的两年间，已实施180余项科学与应用项目，上行科学与应用任务近两吨实验模块、单元及样品等科学物资，下行空间科学实验样品近百种，获取科学数据超过265TB。经国内百位院士、千余位专家的多年论证，开展了包括空间生命科学与人体研究、微重力物理科学、空间天文与地球科学、空间新技术与应用4个领域、32个研究主题的相关研究，配置了具有国际先进水平的20余个舱内科学实验柜和3个舱外暴露实验平台，正在研制具有国际竞争力的2米口径空间站巡天空间望远镜(CSST)等设施。

1.太空种粮不是梦

进入空间微重力环境，植物是否能够正常生长呢？空间站提供了独特的微重力环境，很多重要的农业性状——株型、根系的分布、叶的夹角、植株的高矮、茎秆的强度等都受到重力影响。中国科学院分子植物科学卓越创新中心实验师王丽华介绍，空间站微重力环境为揭示地球重力在植物生长发育中的作用本质提供了新的视角和途径。

早在2002年，中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员郑慧琼课题组开展了从空间细胞融合到模式植物全生命周期培养的系列实验。在中国空间站开展的“微重力下利用开花基因调控植物开花时间的分子途径”项目主要研究内容包括：分析比较微重力在植物开花过程中的作用；获取微重力调控植物开花的分子基础与关键基因的表达变化；解析长期空间微重力条件下，植物开花基因表达的调控网络机制在植物对空间环境适应性中的作用机理。

在微重力条件下高等植物开花调控的分子机理实验项目中，科研人员利用在轨实时图像和返回的拟南芥实验材料，获得了不同开花时间拟南芥响应微重力的生长发育表型数据，和天地比对转录组数据。王丽华介绍，这些数据不仅为深入解析植物通过调整开花时间，适应空间微重力的分子机理提供了全新的视角，也为利用相关的转录调控元件，人为控制空间植物的开花时间、培育具有较强空间环境适应能力的植物，提供了新的途径。

“中国空间站实验证明了微重力条件再生稻生产的可行性，通过一次种植多次收获，可以提高空间利用率，也为未来空间生命生态生保系统利用水稻进行粮食生产提供新的思路。”王丽华表示。

研究团队还完成了水稻“从种子到种子”的全生命周期空间培育，在国际上首次获得空间发育的水稻和再生稻新的种质资源，并在样品返回地面后实现了大田种植。如今，收获的稻种已繁育到了第三代。

2.首次实现斑马鱼空间产卵

太空鱼类养殖不仅有助于研究空间环境对脊椎动物生长发育与行为的影响，还可以为未来太空生活提供更多可能性。例如，为地外人类直接提供动物性蛋白食物，以及为永久太空基地的生态循环系统建设打下基础‌。

作为四大模式生物之一，斑马鱼因基因与人类基因相似度高且体形小、繁殖快、发育周期短，成为生命科学领域模式生物的后起之秀，被称为“水中小白鼠”。

2024年4月至6月，空间先进水生生保系统随神舟十八号飞船成功发射进入中国空间站，并安装在问天舱生命生态柜，开展空间实验，首次实现了斑马鱼空间产卵，并完成了斑马鱼在轨转运安装、3次取水样、1次鱼卵收集、1次更换鱼食、实验结束后样品灭活废弃等航天员操作。

此次斑马鱼太空实验各项监测指标正常，系统运行正常，圆满完成各项任务目标。通过天地对比发现，斑马鱼在轨出现背腹面颠倒游泳、旋转运动、转圈等空间运动行为异常现象。金鱼藻在实验期间也有明显生长，生物量估计增加了1.5倍左右。

“这批斑马鱼创下了太空存活43天的世界纪录，这也是中国空间站第一次迎来水生动物。”中国科学院水生生物研究所研究员王高鸿表示。在中国空间站开展的斑马鱼实验，创造了国际上迄今水生生态系统空间运行的最长时间，实现了我国在空间培养脊椎动物的突破，并解析空间环境对脊椎动物生长发育与行为的影响，为空间密闭生态系统物质循环研究提供理论支撑。

王高鸿回忆，研究团队于2011年首次将包含小球藻、水泡螺等仅有火柴盒大小的实验装置送上太空，在太空遨游了17天，只能进行“暗箱实验”。如今，装载4尾斑马鱼和4克金鱼藻的太空实验装置，容量已达1.2升，且在“太空水族箱”配备了摄像探头、自动喂食、温度控制、光照控制等丰富的设备。

“该研究将为后续利用斑马鱼作为脊椎动物模式生物，开展全面系统的空间生物学理论研究和空间水产开发提供了重要研究平台。”王高鸿透露，未来还要实现斑马鱼在太空“从卵到卵”的全生命周期养殖，后续可利用现有水生生保系统平台，开展骨丢失、肌肉萎缩、内分泌紊乱、免疫和营养代谢等研究。

3.防治肌肉萎缩等“太空病”

航天失重会对人体产生诸多的生理影响，骨骼肌的衰退是太空微重力环境下重要的生理变化之一。因此，保障长期飞行中航天员的健康、开展航天医学研究十分重要。

基于中国空间站的“生物技术实验柜”和“手套箱及低温存储柜”功能，中国科学院上海营养与健康研究所和上海技术物理研究所合作，实现了小鼠骨骼肌细胞的在轨培养和分化，观察到了细胞融合和肌管形成等现象。在国际上首次利用骨骼肌细胞自噬荧光报告系统，通过天地比对分析，发现了空间微重力环境影响骨骼肌细胞自噬的规律。

“科研人员利用载人空间站提供的长期微重力条件，研究了空间微重力对骨骼肌细胞的影响，重点关注了细胞的生长、分化等情况。”中国科学院上海营养与健康研究所副研究员李俞莹介绍。

2022年11月，细胞样品上行，利用生物技术实验柜成功实现了小鼠骨骼肌细胞的在轨培养和分化，观察到了细胞融合和肌管形成等现象，并首次在轨检测到微重力环境下肌细胞的自噬现象，收集了真实微重力条件下的肌细胞样品和相应的培养液。完成在轨实验后，样品于2023年6月由神舟十五号载人飞船返回舱带回地面。

“更重要的是，我们利用高通量测序获得了空间骨骼肌细胞基因表达图谱，发现了空间微重力环境通过影响自噬导致肌萎缩的可能机制及潜在分子靶标。”李俞莹说，这不仅有望帮助航天员维持肌肉量、改善他们的健康状况，也将为肌少症患者寻找新的治疗方法，研究成果可推广应用于地面的肌少症患者及长期卧床病人。

4.半导体性能在“天宫”优化

铟硒半导体，可以弯曲、扭转、压缩而不易破碎，不仅具有传统半导体材料优异物理性能，还可像金属一样塑性变形和机械加工。但铟硒晶体缺陷密度极高，严重影响半导体器件性能和材料应用。空间微重力环境下产生的“非接触效应”和稳定的固液界面可解决这一难题。

空间环境相关的微重力条件，为半导体材料制备和相关机理研究提供了独特的平台和条件。“以非接触效应为例，在空间站微重力条件下，晶体材料和石英坩埚之间可以形成间隙，避免熔体和容器直接接触，进而消除应力对材料生长的影响。”中国科学院上海硅酸盐研究所研究员刘学超解释说。

上海硅酸盐所负责研制了材料领域的两个装置——无容器科学实验柜和高温材料科学实验柜核心实验模块。2022年10月31日，高温材料科学实验柜随梦天舱成功发射入轨时，其内存放着首批科学实验样品。200余天后，包括铟硒晶体在内的部分样品跟随神舟十五号航天员返回地球。

“历经70小时，在空间站高温材料实验柜中，研究团队顺利完成铟硒半导体晶体生长实验，获得完整的晶体样品。”刘学超介绍，在我国空间站高温材料实验柜地面镜像系统，研究团队开展了铟硒样品的地面匹配实验，研究了晶体生长温度、晶体生长速率、温度梯度等对晶体生长的影响。

研究团队发现，在微重力条件下，空间晶体的位错密度比地面下降了几十倍，甚至在生长初期存在近零位错区域。刘学超分析道：“如果可以攻克铟硒半导体缺陷密度极高的瓶颈，它将有望制成世界上速度最快、能耗最低的晶体管。”

“我们还发现晶体材料‘变胖’了！在微重力环境下，晶体结构可能发生了膨胀现象。”刘学超表示，微重力环境中，晶体缺陷密度大幅降低、结晶质量更好、晶体管器件性能提升，这些现象将为在地面突破铟硒半导体关键制备技术提供重要支撑。

未来，除了用更多不同实验方法分析已有材料的特性，刘学超团队还计划开展微重力生长掺杂铟硒晶体及性能研究、附加旋转磁场生长铟硒晶体及性能调控研究、掺杂铟硒空间/地面晶体质量对比及半导体器件研究等工作。

空间科学是探索重要科学规律、获得显著应用效益的突破口。中国空间站作为我国覆盖空间科学相关学科领域最全、在轨支撑能力最强，且兼备有人参与和上下行运输等独特优势的国家太空实验室，为我国开展高水平空间科学与应用研究提供了千载难逢的发展机遇，也将成为我国锚定2035年建成科技强国的重要创新驱动力。

(本报记者 王美莹)

来源：光明日报