【释疑解惑】在太空中养鱼,是为了供宇航员们消遣吗?
《力学园地》编辑部:
最近神舟十八上天,携带了斑马鱼进入太空,据说是一项在轨的水生生态研究项目。我们很希望了解这个研究项目的内容和意义,能给予帮助吗?
几名高中学生
2024年5月5日
在太空中养鱼,是为了供宇航员们消遣吗?
萤火
北京时间2024年4月25日20时59分,搭载神舟十八号载人飞船的长征二号F遥十八运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射。约10分钟后,神舟十八号载人飞船进入预定轨道,发射取得圆满成功,空间应用系统4项科学实验随后便在太空里展开。
图1 神舟十八号载人飞船发射瞬间(图片来源:网络)
令人诧异的是,在这次航天员乘组要完成的所有任务中,要实施在轨水生生态研究项目,这在国内是首次,从而引发了大家的热议。通俗来说,这个任务就是航天员在太空养鱼。为什么要把鱼带上在太空轨道上运转的空间站里来养呢?难道说这是怕航天员在太空中无聊吗?当然不是,这可是一项精心设计的科学实验。
图2 太空鱼缸外观照片(图片来源:网络)
为什么要在太空中养鱼?
这次上天的太空鱼缸里,配备有4条斑马鱼,还有金鱼藻。飞船在成功对接于中国空间站天和核心舱径向端口后,它便转移到问天舱的生命生态科学实验系统的小型受控生命生态实验模块中。
一般而言,太空鱼缸也是一类“水族箱”。我们在地球上的人类对于水族箱并不陌生,它们为人们提供了一种轻松的消遣方式,但是娱乐消遣可不是太空养鱼的目标。这次“空间先进水生生保系统关键技术研究”项目,是要在轨运行的太空站里搭建一个由斑马鱼和金鱼藻组成的小型水生生态系统,研究空间微重力环境对鱼类生长发育、生态系统运行与物质循环的影响。这个项目将成功实现我国在空间培养脊椎动物的突破;探索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。然而,为什么偏偏选择斑马鱼呢?
图3 水生生保系统实验装置内视(图片来源:网络)
为什么选择斑马鱼?
斑马鱼是一种常见的热带鱼,繁殖周期短,饲养成本低,体型纤细略透明,成体长3-4cm,雌雄易区分。因为这种鱼的全身布满多条深蓝色纵纹,在水族箱内成群游动时犹如奔驰于非洲草原上的斑马群,故而得名“斑马鱼”。斑马鱼原产于亚洲南部,英国人弗朗西斯·汉密尔顿(Francis Hamilton)于1822年首次描述了斑马鱼。随之它被引入美国及欧洲作为观赏宠物,后来又被科学家引入实验室作为研究对象。
图4 在水族箱里自由游弋的斑马鱼(图片来源:网络)
在著名遗传学家、“斑马鱼研究之父”乔治· 施特雷辛格(George Streisinger)的推动下,斑马鱼模型被科学界广泛接受与应用。如今,斑马鱼是继小鼠和大鼠之后第三大的脊椎类“模式生物”,这里提及的“模式生物”是指生物学家选定的一类生物,用于通过科学研究来揭示具有某种普遍规律的生命现象。而斑马鱼能够成为模式生物,便是因为它具有几乎与人类相同的组织发育和自我调节稳态,包括血液、肌肉、心脏、肝脏、胰腺、脾脏、肠道、肾脏、骨骼、脂肪以及神经元和神经嵴等等的发育。那么,斑马鱼都具备哪些科研优势呢?
图5 施特雷辛格教授与他的斑马鱼饲养箱(图片来源:网络)
首先,斑马鱼基因与人类基因的相似度达到87%,适合研究疾病和物质如何影响人类器官等问题,因为在其身上做药物实验所得到的结果在多数情况下也适用于人体。其次,斑马鱼饲养简单,而且胚胎和幼鱼个体较小(通常在2mm左右),可开展实验室条件下大样本的高通量筛选,从而大大缩短科研周期及成本。再者,斑马鱼具有繁殖能力、再生能力强的特点。雌性斑马鱼在实验室条件下可全年产卵200枚,胚胎的发育速度非常快,在24小时内就可发育成形,这使得生物学家可以在同一代鱼身上进行不同的实验,进而研究病理演化过程并找到病因。最后,斑马鱼卵子体外受精、体外发育,以及胚胎及幼鱼透明的特点,也便于开展检测和结果观察。
图6 显微镜下斑马鱼的胚胎发育过程(图片来源:网络)
英国科学家还发现了人类视网膜中细胞与斑马鱼相似,而且斑马鱼具有自我修复破损视网膜的独特能力,深入研究或将为盲人带来福音。除此之外,斑马鱼还具有给药方式多样的优势。最常见的方法是将受试物直接添加到鱼培养基或水中,而不溶性物质可以制备微小颗粒饲喂,还可以借助仪器进行口服灌胃和精确注射。
鉴于上述生物学上的优势,斑马鱼这种“娇小”而不“娇气”的鱼类,成为了生命科学实验室中不可或缺的研究工具。
小鱼在太空里如何生存呢?
在太空里,斑马鱼是如何进食又是如何呼吸的呢?这可是保障它生存的必要条件。
咱们先说在太空中怎样喂鱼的吧!大家知道,在地上养鱼只需要抓一把鱼食,投进水箱里就可以了。但是,在太空中需要控制水在实验装置中,不能让水流出来,只能将水密封在容器里面。这样,固体的鱼食就不好按照地面上的方式投放进去了。因此,科学家设计了一款牙膏状的特殊鱼食,用注射器的方式,按照必要的食量,每天推入到实验装置里面,让鱼尽量吃完。鱼吃完产生的固体排泄物,可以通过管道输运到金鱼藻那边,促使它生长。
图7 在太空中采用注射器的方式喂鱼(图片来源:网络)
其实,“太空鱼缸”是由斑马鱼和金鱼藻在一个小小密闭容器里面所构成的一个生态系统。金鱼藻是净化水质的产氧小能手,它的茎和叶均具有发达的通气组织,有利于增加植株的浮力,并捕获更多的阳光。金鱼藻通过光合作用产生氧气供给斑马鱼呼吸,而鱼的排泄物(还包括呼出的二氧化碳)又给藻提供了营养物质。它们相互之间既是生产者又是消费者,组成一个看起来很小、很简单但实际上内部相当复杂的科学实验系统。图8从另一个角度展示了这个实验系统,它由培养盒、检测传感器、泵阀组件、自动喂食装置、电连接器、鱼卵回收盒等组成,可以实现对实验环境温度、照度等条件进行实时测量与控制,还可以对内部的物质和能量进行调节、循环或控制。大家知道,光合作用需要有规律的光照,在地面上是依靠昼夜的替换来实现的,那么在太空中如何解决规律的光照问题呢?据专家介绍,实验装置可为金鱼藻提供LED光源,从而保证金鱼藻光合作用的正常进行。
图8 让金鱼藻进行光合作用的太空鱼缸(图片来源:网络)
“太空养鱼”研究有哪些进展?
到目前为止,太空养鱼进行了大约一个月时间的实验。在此期间,航天员成功开展了两次水样样品采集和一次鱼食盒更换操作。又据科研人员介绍,4条斑马鱼的状态良好,不过也发现了斑马鱼的定向行为出现了异常现象。这些异常主要表现在腹背颠倒游泳、旋转运动、转圈等方面。我们认为,这主要是由于太空站中的微重力环境造成的,有人戏称这是由于斑马鱼的“晕水”所致。
这里,就需要讲讲太空站里的微重力环境了。由于围绕地球运行,太空站里的重力水平远远低于地面上的重力水平,一般是万分之一以下。因此,人们可以看到航天员在太空站里常常是漂浮在空中的。当然鱼儿的常态是悬浮在在水中的,这也是由于有重力的缘故。重力导致水体中不同深度处的水压不同,这样鱼儿就会受到水体对它的作用力——浮力。可是,在太空的微重力环境下,浮力几乎消失了,就会像航天员刚开始到达太空时那样,身体产生不适,动作发生异常。
所以微重力科学是从事太空探索事业的基础。力学所的胡文瑞院士是我国微重力科学研究的开创者。在他的带领下,从上世纪90年代初开始,力学所微重力实验室的研究人员组织、策划了多次微重力科学与技术的空间实验,如“实践十号”微重力科学实验卫星(2016年)以及“太极一号”微重力技术实验卫星(2019年)等。此外,还完成了多次搭载任务,如“天宫二号”任务(2016-2019年)和“天舟一号”任务(2017年)。特别是,中国空间站建成后,力学所研制的“流体物理实验柜”在2023年送入了梦天舱,自入轨以来,各项在轨实验均在有序展开。未来,力学所的项目团队将充分利用空间实验的机会,开展系统的微重力科学实验,争创世界一流的科研成果。
图9 天舟六号搭载的流体物理实验装置(图片来源:力学所官网)
最后,再回到我们的主题“太空养鱼”上来吧。应当说,微重力环境下的太空养鱼是一场关于生命科学的探索,承载着人类在遥远星球上长期生存、建立家园的梦想。我们期待,斑马鱼这些太空旅行的“特殊乘客”,能够带来更多惊喜与收获,也期待人类在太空探索的道路上,脚步迈得更远、更有力。
参考文献
[1] https://mp.weixin.qq.com/s/UoKN-Pt5gL7RVJo1X5LKSA
[2] https://mp.weixin.qq.com/s/ONu4X0H-WN2mfH4yLa2Edw
[3] https://mp.weixin.qq.com/s/beU-SzZfIdrpn2xHWq_KNQ
[4] https://mp.weixin.qq.com/s/TAdu5d80seLInkTS6JkDvA