文/航星

2023 年10 月31 日，神舟十六號(hào)載人飛船返回艙成功著陸，隨同帶回了中國(guó)空間站第五批實(shí)驗(yàn)樣品，包括19 項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目共22 種樣品。在這些樣品中，有一些是在艙外環(huán)境中完成太空實(shí)驗(yàn)的，有望利用特殊的太空環(huán)境，收獲更大價(jià)值的科研和應(yīng)用成果。

▲ 中國(guó)空間站開(kāi)展艙外暴露實(shí)驗(yàn)

▲ 在航天員協(xié)助下開(kāi)展艙外輻射生物學(xué)暴露實(shí)驗(yàn)

艙外暴露實(shí)驗(yàn)有講究

簡(jiǎn)單地說(shuō)，艙外暴露實(shí)驗(yàn)是將實(shí)驗(yàn)材料暴露于航天器艙外的太空環(huán)境中，利用復(fù)雜多樣的太空環(huán)境因素，引發(fā)實(shí)驗(yàn)材料一系列微妙變化。航天員和地面團(tuán)隊(duì)需在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中充分收集數(shù)據(jù)，分析樣本變化機(jī)理，解析背后規(guī)律。

之所以要開(kāi)展艙外暴露實(shí)驗(yàn)，是因?yàn)閷?duì)于某些“極端”實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)來(lái)說(shuō)，空間站和飛船艙內(nèi)的微重力環(huán)境已不能完全滿足要求了，有必要在更接近真空、高輻射的條件下開(kāi)展特殊的太空實(shí)驗(yàn)。

比如，在科學(xué)家眼中，更高的真空度、更強(qiáng)的宇宙輻射、更危險(xiǎn)的宇宙碎片、更極端的溫度變化等都是地面上不可多得的實(shí)驗(yàn)條件。此外，近地軌道上存在各種復(fù)雜物質(zhì)，從直徑僅有數(shù)微米的微流星體，到大氣層邊緣產(chǎn)生的原子氧，再到難以估量的有害輻射等，都為實(shí)驗(yàn)材料的特性變化提供了前提條件。

由于太空環(huán)境復(fù)雜惡劣，受限于航天員出艙任務(wù)間隔和艙外活動(dòng)時(shí)長(zhǎng)，參與艙外暴露實(shí)驗(yàn)的設(shè)備和材料需要具備相對(duì)獨(dú)立運(yùn)作的條件和更出色的可靠性，不必依賴航天員經(jīng)常出艙照看。

▲ 艙外暴露實(shí)驗(yàn)樣品盒與下行包裹

▲ 科研人員分析從太空返回地面的線蟲(chóng)

為此，科研人員設(shè)計(jì)了在軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)⑸飿悠飞L(zhǎng)發(fā)育狀況和材料變化情況等實(shí)時(shí)傳回地面。對(duì)于在軌實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的控制以及拍照錄像、下達(dá)指令等工作，科研人員普遍都能在地面進(jìn)行操作，與航天員配合，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的科學(xué)流程來(lái)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

此外，神舟十六號(hào)載人飛船返回艙搭載的樣品盒性能得到了成功驗(yàn)證。樣品盒安全通過(guò)了太空運(yùn)輸系統(tǒng)上/下行階段的劇烈振動(dòng)、溫度劇變等考驗(yàn)，可以保證生物樣品處于5～20 攝氏度、0.8～1 個(gè)大氣壓的適宜環(huán)境范圍內(nèi)，還能在軌進(jìn)行更精確地控制，使搭載環(huán)境對(duì)地球生物更加“友好”，有助于未來(lái)在軌進(jìn)行更多艙外暴露生物學(xué)實(shí)驗(yàn)。

生物學(xué)實(shí)驗(yàn)成果喜人

艙外暴露實(shí)驗(yàn)主要包括生物學(xué)實(shí)驗(yàn)和材料兩大類。中國(guó)空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙艙外的生物學(xué)暴露實(shí)驗(yàn)裝置包含生物培養(yǎng)、輻射測(cè)量、在線觀測(cè)等多個(gè)子系統(tǒng)，可用于開(kāi)展空間粒子輻射、微重力等環(huán)境要素對(duì)不同物種產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)機(jī)制的研究。裝置內(nèi)設(shè)計(jì)了13 個(gè)裝載生物材料樣品的實(shí)驗(yàn)單元，可適用于植物種子、微生物孢子、休眠的小型動(dòng)物等生物樣品的長(zhǎng)期暴露實(shí)驗(yàn)，為各類樣品提供了所需的溫度和氣體環(huán)境，持續(xù)監(jiān)測(cè)樣品和樣品環(huán)境狀態(tài)，并測(cè)量空間輻射和陽(yáng)光紫外數(shù)據(jù)等。

在此次返回地面的實(shí)驗(yàn)樣品中，生物學(xué)（生命科學(xué)）實(shí)驗(yàn)樣品主要包括人體的肝細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞、擬南芥幼苗、線蟲(chóng)、生物大分子樣本等，總重25 千克左右。部分樣品陸續(xù)公開(kāi)，包括線蟲(chóng)、微生物和植物種子等。

其中，線蟲(chóng)樣品盒內(nèi)含有野生型和10 多個(gè)不同突變株的秀麗隱桿線蟲(chóng)。這種線蟲(chóng)最大的僅能長(zhǎng)到1 毫米，因個(gè)體小、生活周期短、后代數(shù)量多、易于空間搭載培養(yǎng)、便于進(jìn)行遺傳操作等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是空間生命科學(xué)研究中的重要模式生物，可以用來(lái)探索太空環(huán)境對(duì)機(jī)體生長(zhǎng)、發(fā)育、生殖、運(yùn)動(dòng)、衰老等方面的影響與作用機(jī)制。樣品證實(shí)，中國(guó)空間站在世界上首次實(shí)現(xiàn)了在軌觀測(cè)不同線蟲(chóng)個(gè)體全生命周期在空間的生長(zhǎng)、發(fā)育以及組織器官、分子標(biāo)志物的變化。

▲生物學(xué)暴露實(shí)驗(yàn)樣本出艙

這批樣品在軌暴露長(zhǎng)達(dá)5個(gè)半月，被送回地面之后，研究團(tuán)隊(duì)的首要工作是觀察其處于怎樣的狀態(tài)，能否存活，并根據(jù)各個(gè)科學(xué)目標(biāo)去分析樣品，希望進(jìn)行空間輻射損傷評(píng)估與預(yù)警，并研發(fā)新型抗輻射藥物，幫助降低空間輻射損傷惡果及健康風(fēng)險(xiǎn)等。

成果是令人鼓舞的，科研人員發(fā)現(xiàn)，在秀麗隱桿線蟲(chóng)體內(nèi)出現(xiàn)了明顯的DNA 損傷及相關(guān)分子變化。接下來(lái)，科研人員在此基礎(chǔ)上篩選出一種抗輻射藥物，嘗試使用后，發(fā)現(xiàn)秀麗隱桿線蟲(chóng)的壽命和生殖狀況有所改變，損傷效應(yīng)也出現(xiàn)了一些緩解跡象。

科研團(tuán)隊(duì)后續(xù)將對(duì)這些樣品進(jìn)行生物學(xué)檢測(cè)分析，通過(guò)與地面樣品對(duì)比，希望進(jìn)一步認(rèn)識(shí)重力變化對(duì)細(xì)胞生命活動(dòng)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(dòng)態(tài)培養(yǎng)新實(shí)驗(yàn)技術(shù)；探究重力效應(yīng)對(duì)密碼子起源的影響，為生命的化學(xué)起源理論體系提供重要的科學(xué)依據(jù)；解析長(zhǎng)周期輻射對(duì)線蟲(chóng)休眠體的影響，尤其是遺傳系統(tǒng)的損傷，分析空間輻射損傷的品質(zhì)因子，構(gòu)建空間輻射損傷評(píng)估模型，為輻射防護(hù)等提供指導(dǎo)。

更進(jìn)一步，利用空間站暴露平臺(tái)開(kāi)展生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，將為人體生物體輻射損傷、遺傳變異、輻射防護(hù)藥品制備以及輻射風(fēng)險(xiǎn)生物學(xué)評(píng)估提供技術(shù)支撐，對(duì)中國(guó)航天員在軌長(zhǎng)期生存、載人登月等具有重要意義，還有望促進(jìn)核醫(yī)學(xué)、放射醫(yī)學(xué)等研究進(jìn)展。

材料實(shí)驗(yàn)意義重大

在暴露的太空環(huán)境中，微流星體、原子氧和各種宇宙射線對(duì)金屬、塑料等材料有著異常強(qiáng)勁的腐蝕變質(zhì)作用，會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生復(fù)雜的物理與化學(xué)變化，進(jìn)而喪失固有特性。利用相關(guān)原理，科研人員通過(guò)將一批材料放置在艙外暴露平臺(tái)上，充分經(jīng)受太空特殊環(huán)境考驗(yàn)后，回收檢測(cè)并研究材料的最終狀態(tài)，有望判斷材料的耐腐蝕性能，定向擇優(yōu)發(fā)展，合成性能更出色的新材料。

中國(guó)空間站材料艙外暴露實(shí)驗(yàn)分為艙外靜態(tài)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)和原位觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。在艙外靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中，自2023 年3 月起，航天員配合地面先后在軌完成了組裝、自檢、機(jī)械臂轉(zhuǎn)運(yùn)到位等材料艙外暴露實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作后，百余種靜態(tài)材料樣品在軌暴露實(shí)驗(yàn)正式開(kāi)始。在動(dòng)態(tài)摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)中，科研人員通過(guò)對(duì)比測(cè)試，進(jìn)一步觀察固體潤(rùn)滑、液體凝膠等材料樣品對(duì)軸承的影響。在原位觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中，科研人員對(duì)暴露在太空環(huán)境中的各種材料就地觀測(cè)，并對(duì)一些材料樣品進(jìn)行了多次在軌拍照和數(shù)據(jù)分析。

▲ 中國(guó)空間站艙外暴露實(shí)驗(yàn)平臺(tái)特寫(xiě)

神舟十六號(hào)載人飛船返回艙也搭載了若干材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品?？蒲腥藛T會(huì)對(duì)它們進(jìn)行空間樣品、地面樣品組織及成分分布差異等對(duì)比測(cè)試分析，希望揭示微重力對(duì)材料的物理化學(xué)性質(zhì)、相變過(guò)程規(guī)律、合成制備等影響機(jī)理，進(jìn)而推動(dòng)材料加工工藝的改進(jìn)與優(yōu)化，有望為核電密封、高壓開(kāi)關(guān)觸頭、磁制冷及高性能電子封裝等領(lǐng)域材料以及下一代航天發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)起落架等關(guān)鍵材料制造提供理論和技術(shù)支撐。

此外，中國(guó)空間站內(nèi)的高溫材料實(shí)驗(yàn)柜和無(wú)容器實(shí)驗(yàn)柜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)同樣為材料實(shí)驗(yàn)做出了巨大貢獻(xiàn)。相關(guān)樣品主要是高溫合金類材料，有望為豐富材料凝固理論和指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。