空间生物试验专题

对于地面上的人和物体，重力是指其受到的地球万有引力和离心力的矢量合力。而对于绕地球飞行的航天器而言，一般距离地球大约192～576km，无其他外力干扰情况下将以第一宇宙速度即11180m/s永远不停地匀速运行，其矢量合力表现为失重状态。

当然，严格意义上说，飞行中的航天器是处于一种微重力状态。引起微重力的作用力有三个部分：

（1）气动阻力。是微重力最主要的来源，航天器无论在稠密的大气层或稀薄的气体中运动时，都会存在气动阻力；

（2）太阳光压作用。相对于气动阻力，它的作用较小，只对高轨道飞行的航天器才显示其作用

（3）瞬时干扰。当航天器进行轨道转移和操作、航天员在舱内进行各种活动时都会产生短时间的干扰加速度，从而产生微重力。

航天飞行中的微重力为0.000 001～0.01G，故有人也称失重环境为微重力环境。无论是微重力还是失重都会对人体生理功能产生影响，但两者之间并不存在明显差别。

对微重力科学的认识^[6]

这个问题我觉得提得很好，就是微重力情况下能不能说就绝对没有对流。我觉得这个问题从表面词句上讲是矛盾的，因为微重力不是 说没有重力，或者说重力真正等于零，无非是很小,或者说是10^-6g，所以你不能那么简单地讲微重力情况下就没有对流.这就 太简单了，只是对流的力量变得很小了。这个是对的。我从前搞过 流体力学。流体力学对流是怎么产生的？对流就是因为有重力场 的存在而产生的。假设重力场变得很小了，那么对流驱动的力童也 就变得很小了，但不是绝对没有，要说物理現象的观察，那可能挺 复杂的，因为重力场减得很小了，对流的驱动力量也很小，但还有 其他很多的因素可能进来了。所以说问题提得很好。我们不能简 单地看这个问题。真正微重力科学，要说一门科学的话，现在应该 深入地搞下去。微重力科学应该提起注意。刚才讨论我就想到这一问题。

（*这是钱学森在刘学博作“微重力科学应用的现状与展望”报告后的讲话。）

概念辨析：

（1）微重力不是微小的重力。

重力是物体受到的行星或其他天体的引力，在地球附近，重力通常指地球的引力。重力的大小可用重力使物体产生的加速度大小来表示，地球表面的重力加速度g=9.81m/s2，已熟为人知，所以，其他地方、其他天体的重力或重力加速度常常用g来作单位。某一点处重力大小是与该点到引力中心(以地球为例，则为地心)距离的平方成反比，离地心越远，重力越小。例如在离地面200千米～1000千米高度范围内，重力是地面的94%～75%，即重力加速度为0.94g～0.75g；即使在10000千米高空，重力还是地面重力的15%，即0.15g。　　根据引力摄动理论，地球引力的作用范围是以地心为中心，半径为92万千米的球形区域，只有远离地球几十万千米处重力才会变得微小(10^-3 g以下)。

通常所说的航天器中的“微重力”显然不是这种由天体产生的微小重力，而是一种环境诱发的“视重力、表观重力”(apparent gravity)或者可称其为“伪重力”(psued ogravity)。

（2）微重力不是太空环境的特点

有关太空的高真空、强辐射、超低温和微重力环境，其中前三点――高真空、强辐射、超低温确实是太空环境的特点。而微重力并不是太空环境的特点。

因为，在太空中(距地面200千米以上)大气压力已低于5×10^-5 Pa；太空中有来自太阳的X射线、紫外线等短波电磁辐射、粒子辐射和来自银河系的γ射线和宇宙粒子辐射；太空的环境温度在－200℃以下,以至－269℃(4K)。至于太空中的重力环境，在离地球10万千米之内，重力只是有所减少，充其量只能算是“低重力”。

航天器中的微重力环境并不是太空的自然环境，而是由于航天器运动而导致的一种诱发环境，是相对于航天器中的失重或“零重力”环境而言的。失重(零重力)本质上也是诱发环境。如前所述，只要有天体存在，就有重力存在。太空中重力并不为零。当航天器仅在重力作用下自由飞行时，航天器及其内部的一切物体，都以相同的速度、加速度运动，相互之间没有作用力，所有物体都表现不出有重量。这就是“失重”。

航天器在运行中，实际上常会受到非引力的作用或干扰，其结果使航天器及其内部的物体获得额外的加速度。这时，物体与物体之间，物体与航天器之间就产生相互作用力，表现出“重量”，物理学上称这种重量为“表观重量”，因而衍生出“表观重力”。这个“表观重力”或“伪重力”通常是很微小的，人们就简称它为“微重力”(microgravity)，其实它与天体产生的引力完全是两回事。

（3）微重力的实际意义

对空间材料加工和空间生命科学等试验研究，微重力不是条件，而是干扰；不是有利，而是有害。有重力和零重力是矛盾的两个对立面。

人们在航天器中进行空间材料加工，空间生命科学和流体力学等试验研究，利用的是航天器中产生的零重力(失重)环境。正是失重这一诱发环境提供了轻重不分，上下无别、沉浮不现，对流消失等物理条件，才能实现无容器冶炼，悬浮生长，不同密度流体的均匀混合以及用电泳法高效制取高纯度生物药品，而非引力产生的微重力恰恰破坏了零重力环境，破坏了无轻重、无上下、无沉浮、无对流的理想条件，构成对空间材料加工、空间生命科学等试验研究的有害干扰，降低了试验研究的效果、精度或可信度。

因此，通常所说：“利用微重力条件进行有关的空间材料加工和生命科学等试验”，是功过颠倒，利害不分。为这些空间应用与空间科学等试验研究作出贡献的是失重而不是微重力。

1、研究意义。地球上的物体均受地球引力的约束和支配，其作 用表现为物体的重置(或重力然而重力又不完全与 地球引力相同，它是物体所受地球引力和参与地球自 转所需向心力的合力。当然主要部分是地球引力。重力所对应的加速度为重力加速度g。航天器以宇宙速度离开地球进入太空既要摆脱地球引力的束缚，又依赖地球引力环绕地球运行，此时惯性离心力与地球引力达到平衡，在理论上重力为零（或失重状态徂实 际上航天器因飞行的轨道高度、阻力系数、面积特征、 总质童、飞行时转动的角速度等各种因素的作用，航天 器内部仍然是一个微重力环境。目前近地轨道(300~ 450km)飞行的航天器，其微重力水平在10^-3– 10^-5范 围内。由于重力的水平很低，通常将这种微重力环境看做是基本摆脱了重力约束和影响的环境。地球上的生物在从海洋到陆地亿万年的演化过程中，已经适应了地球重力场的作用。当生物离开地球进人太空微重力环堍时将会发生什么变化，这些变化是否会危及生命安全和种群延续，是人类及其他生物进人太空必须回答的问题。

2、研究回顾。从1957年第一颗人造地球卫星发射时起，就开始了微重力对生物影响的研究。40余年来的研究成果，有力地推动着人类进人太空、探索太空奥秘的时间进程。

（1）微重力对植物的影响。

最初的工作多以单细胞藻类和植物为对象。研究表明藻类的形态和生理功能在微重力条件下几乎和在地球上一样，无明显变化。由于藻类不仅可为异养生物提供氧气，还可为他们提供食物和净化坏境，是人和动物进人太空的良好支持者和奉献者。

对植物生长取向影响。植物在太空的生长取向是微重力对髙等植物影响研究最多的方面。地球上的植物无论所处的状态如何，总是根向着重力方向生长，茎、叶则以相反方向生长，前者称为向地性。后者称为负向地性。植物在太空失去了重力刺激，根茎叶的生长取向随种胚方向而异，基本上保持直线型生长，有的植物地上部器官由直立型变为液生型、弧型。德国科学家D.Volkmann将水芹根定向排列在 BW-Botex容器中，在挑战者号航天飞机上飞行32h，观察到75%的根与原位形成60°角，表明在微重力条件下根有自主转动的现象。

在太空大多数植物维管束中的纤维素变成半纤维素，木质素减少。木质素合成酶活性降低，细胞壁变薄，细胞分裂减少，分化加快。

对根冠中淀粉体的影响。根冠是重力的感受区，切除植物的根冠在微重力下不能再生，在地面重力作用下只需4.8小时即可长出新的根冠，根冠的中轴细胞对重力最为敏感，其中的淀粉体(amyloplast)又称平衡石(statolith)是重力的感受器(gravisen sor)，能将外源重力信息变为内源信息传送到根的延长区，淀粉体是细胞中一种可移动的颗粒，在重力作用下沉降在细胞重力方向一端。在微重力下淀粉体随机分布在整个细胞中。其中的淀粉含量也远低于地面对照。

对其他细胞器的影响。微重力对植物细胞其他细胞器也有影响，表现在内质网膜囊由平行排列变为卷曲形或球形。脂肪体增多，体积增大。最近的研究表明，微重力对细胞的影响，突出表现在细胞骨架的变化和作为第二信使的钙离子在细胞中重新分布。

（2）微重力对人体的影响。

微重力对神经前庭系统的影响，引起空间运动病。微重力对人体的影响主要表现为空间适应综合症，即空间运动病。其主要症状是眩晕、恶心、呕吐。在飞行员进人太空的头几天最为严重，以后症状逐渐消失。

研究表明，空间运动病与神经前庭系统的功能有关，特别是与大脑功能状态关系密切。其发病原因是：当缺乏重力刺激时，前庭、视觉及本体感受器传人信息与预 存神经系统的信息不相匹配。在重力作用下输人的信息通过神经系统调节所作出的反应是协调的；在微重力下失去了协调性。微重力使血液和体液向头部和脑部分配增多，从而影响前庭器官的功能；在微重力环境下，耳石失重诱发旋转错觉等不平衡症状。

微重力对人体心血管的影响表现为宇航员心律不齐。

微重力对肌肉系统的影响。微重力对肌肉系统的影响大而特久，表现为骨骼肌萎缩，特点是下肢萎缩程度大于上肢，抗重肌萎缩程度大于非抗重肌， 随着飞行时间延长萎缩程度加剧。动物实验表明，骨骼肌的肌原纤维拉开，肌质糖原颗粒不多，肌质网分布不规则，其中线粒体数量减少，细胞核形态不规则，核膜凹陷。

微重力严重影响人和动物骨骼系统。主要表现为骨骼排出钙质增加，最明显的是承重量大的骨骼 如跟骨脱钙更为严重。由于脱钙，宇航员骨骼密度下 降质疏松。微重力还影响骨骼生长，飞行19天的大白鼠，骨干形成受到抑制，磷代谢也受微重力的影响。 一个宇航员每天平均脱磷222μg，骨骼肌萎缩和脱钙 都是由于失重状态下骨骼肌缺乏负荷引起的，所以对于几天的短期飞行来说影响不大。

微重力还影响血液的质量。多数宇航员在飞行中血液的红细胞压积减少， 血红蛋白下降。这种现象只在飞行时间多于3天后才出现，飞行超过15天又可逐渐恢复。血液中不同电解质的含量和飞行前相比有所不同，其中钾、镁较飞行前 下降，钠和氯没有变化。尿液中钠、钾、镁、氯飞行后减少，尿中钙、磷增多与骨质疏松有关，返回地面后可逐渐恢复正常。

（3）微重力对细胞的影响

对蟾蜍神经细胞和肌肉细胞影响。微重力生物效应的多数研究是用整体生物进行的。美国科学家（AZ. Tucson和MD. Baltimore)用从有爪蟾蜍屮分离出的神经细胞和肌肉细胞进行回转器 (clinostat)模拟失重效应实验，观察到神经轴突变短、变细，在转速为1 ~ 10 r/min(每分钟转数)的条件下，轴突减少20% – 30%，但神经元细胞不变，说明轴突减少 并非神经细胞减少。接触部位聚集的乙酰胆碱受体扩散，并消失。肌肉细胞比对照大，其特征条纹出现晚，且不规则。

(刘存德）

参考文献

太空失重环境下，空间运动病发病率可高达60－70%。中长期可影响骨骼、抗重力骨骼肌、心血管和免疫等多个系统。

航天飞行过程中的特殊环境，如失重、光照少、高CO2等因素对骨骼产生明显影响：

1）一旦进入太空，航天员尿钙含量增加60－70%。而且，飞行过程中持续增高。尿中羟脯氨酸含量也增加。

2）骨吸收标志物，如N-telopeptide和C-telopeptide会升高并保持较高水平。骨形成标志物－骨钙素则会明显降低。

3）骨质丧失主要以下部腰椎、髋关节和下肢骨骼为主，最高以1.7%/月的速度。6个月飞行的骨骼丧失可高达15-22%。与脊髓损伤患者相近。

4）而且，航天飞行骨质丧失的特点是：丧失迅速，而恢复缓慢。

骨质丧失的可能危害: 航天员骨质丧失导致负重能力降低，增加骨折的危险。有分析表明，每月1%〜2%的骨质丧失，可使骨折的可能性增加5倍。骨质丧失的另一潜在性危害是形成肾结石。骨质脱钙还可能影响骨髓的造血功能。

i. 地面负荷：

在地面行走时，髋关节上最大力为3〜4倍体重，慢跑时 为5.5倍体重，而上楼梯达8.7倍体重。

站立时第三腰椎受力与体重相等，约为70kg (686N)，坐位为75%体重的力，脊柱前后屈与旋转时负荷增加。

行走时膝关节受力为 3倍体重，爬楼梯时为4倍体重。

跑步时地面对跟骨的反作用力达2〜3倍体重，坐与 站立时均存在这种作用力。

通过髋关节植入体，获得了许多力学负荷数据：在地面仰卧 体位大腿外展产生的最大压力为3.78MPa，行走时的压力为3.64MPa，从坐位站起的压 力为7. 14MPa。航天中使用的运动性对抗措施均没有使髋关节达到如此大的负荷。

ii.航天飞行中骨的负荷：

由于使用各种对抗措施，使作用于骨骼上的负荷不为零，但这些负荷呈间断性作 用，且通过对抗措施施加于下肢骨骼上的负荷小于地面的作用负荷，特别是冲击性负荷。

因此，太空微重力环境下的骨骼应力显著降低是导致骨质丧失的主要机制。从而发生骨吸收增加，成骨细胞活力受抑制而导致的骨形成降低，这两种作用导致骨质丧失。

自古以来，人类一直有着飞天梦想。那是无数充满好奇心的古人对地球之外神秘天空和美好生活的向往，从而留下了许多美丽的神话和传说。

在希腊和罗马神话中，关于飞行的故事有两个最为著名。一个是太阳神阿波罗的儿子法厄同驾战车飞行的故事，另一个是代达罗斯和伊卡洛斯羽衣飞行的故事。前者 是描述年轻好胜的法厄同不听父亲的劝告，执意驾驶光焰熊熊的日车。然而，他终究因 为驾驭不了奔腾的神马，离地面太近而使人民遭受了灭顶之灾。天帝在关键时刻从右 手放出了一个霹雳，击中了日车上的法厄同。他从天上掉下来，落人了意大利的艾力达 诺斯河，献出了自己的生命。年轻勇敢的法厄同因为尝试飞行惹下了大祸，可他的勇敢 精神仍受到人们的赞颂。

后一故事则是描写古希腊的能工巧匠代达罗斯为自己和儿子 编织了能飞的翅膀并成功逃出了被囚禁的克里特岛。在飞离的过程中，代达罗斯警告 他的儿子伊卡洛斯不要过于靠近酷热的太阳。但伊卡洛斯有勇无谋，无视劝说和警告，最终因为离太阳太近，太阳的热将粘 连羽毛的蜡融化了，使得翅膀上的羽 毛脱落而坠人了大海。

这说明，飞行是一种不能容忍发生错误的工作，这将被无数的事例所证实。代达罗斯和伊卡洛斯的飞行故事到处传扬，后人十分敬佩代达罗斯的高超本领，也为伊卡洛斯的死深深地惋惜。

在中国古代，更有许多大家熟知的、广为流传的飞天传说。如传说中的神则大多具有高超的飞行本领，能够在天地间来去自由的行走，像应龙就生有一对鸟样的翅膀，可以在天空中翱翔。再如民间流传的牛郎织女、嫦娥奔月故事，也是中国古人飞行梦想的体现。

随着人类科技的发展，这些神话和传说，现如今逐渐变成了现实，人们利用火箭、卫星、飞船（或航天飞机）和太空站等等飞行器，不仅能够进入天空进行科学探索，未来还计划走向更遥远的空间，寻找新的生命和可居住生活的星球。

早在20世纪40年代末，人们就把一些生物装人探空火箭进行试验。

20世纪50年 代后期，出现了携带动物的人造卫星，对生命保障系统、回收技术、遥测、遥控、通信技术等进行了全面试验。

科学家们对获得的空间环境数据加以处理后发现过去对微流星的危害估计偏高，存在辐射带的空间也是有限的，从而肯 定了人类进人太空的可行性。

冷战期间的美苏之间军备竞赛，同时也推动了人类的航天科技发展。当时的苏联在发射了5艘不载人的卫星式飞船后，于1961年4月12日用“东方”号运 载火箭成功地发射了世界上第一艘载人飞船“东方”1 号，使航天员加加林（Yuri Alekseyevich Gagarin,1934.3.9-1968.3.27）成为世界上第一个进人太空的人，从而开辟了载人航天的新天地。

• 具体事件：1961年4月12日莫斯科时间上午9时07分，加加林乘坐东方1号宇宙飞船从拜科努尔发射场起航，在最大高度为301公里的轨道上绕地球一周，历时1小时48分钟，于上午10时55分安全返回，降落在萨拉托夫州斯梅洛夫卡村地区，完成了世界上首次载人宇宙飞行，实现了人类进入太空的愿望。

在这次历史性的飞行之后，加加林荣获列宁勋章并被授予“苏联英雄”和“苏联宇航员”称号，并曾多次出国，访问过27个国家，22个城市授予他荣誉市民称号。

面对苏联率先将航天员送人太空的领先优势，美国总统肯尼迪在1961年5月25日向国会提出在9年内将人送 上月球的“阿波罗”计划。人类踏上月球成为载人航天活动的新高峰。

而早在1958年，美国为了加强航天活动，成立了NASA，并做出两项具有战略意义的决定：一是立即为载人的“水星”计划选调航天员；二是优先发展推力巨大的“F-1”发动机。

在NASA严格而科学的管理 下，经过几十万人8年多的努力工作，1969年7月20日由航天员阿姆斯特朗和奥尔德林驾驶的“阿波罗”11号飞船的登月舱降落在月球赤道附近的静海区。这是一次震动全球的壮举，也是世界航天史上具有重大历史意义的成就。

此后，“阿波罗”12号、14号、15号、16号、17号相继登月成功，航天员对月球进行了广泛的考察。“阿波罗”计划集中体现了现代科学技术的水平，推动了航天技术的迅速发展。

21世纪初，在攻克登月所必需的基本技术问题后，世界各航天大国均提出要“重返月球”。这一计划的动因则无一例外的是抢先开发利用月球所具有的丰富矿产资源，取之不尽、用之不竭的太阳能，月球所特有的超高真空、无磁场、稳定、清洁的环境，以及特殊的军事地位。

1999年11月20日，中国第一艘无人试验飞船神舟一号飞船在酒泉起飞，21小时后在内蒙古中部回收场成功着陆，圆满完成“处女之行”。这次飞行成功为中国载人飞船上天打下非常坚实的基础。

2001年1月10日，中国在酒泉卫星发射中心成功发射了神舟二号无人飞船。

2002年3月25日，中国在酒泉卫星发射中心成功发射了神舟三号无人飞船。

2002年12月30日，中国在酒泉卫星发射中心成功发射神舟四号无人飞船。

2003年10月15日9时整，我国自行研制的神舟五号载人飞船在中国酒泉卫星发射中心发射升空。9时9分50秒，“神舟”五号准确进入预定轨道，这是中国首次进行载人航天飞行，首位进入太空的我国航天员是38岁的杨利伟。他是我国自己培养的第一代航天员。在太空中围绕地球飞行14圈，经过21小时23分、60万公里的安全飞行后，他于16日6时23分在内蒙古主着陆场成功着陆返回。

2005年10月12日，我国第二艘载人飞船神舟六号于12日09时整在酒泉卫星发射中心升空，也是第一次将我国两名航天员—费俊龙、聂海胜同时送上太空。

2008年9月25日，我国第三艘载人飞船神舟七号成功发射，三名航天员翟志刚、刘伯明、景海鹏顺利升空。27日16时48分，翟志刚在太空迈出第一步，中国人的第一次太空行走开始，翟志刚身着我国研制的“飞天”舱外航天服，在身着俄罗斯“海鹰”舱外航天服的刘伯明的辅助下，进行了19分35秒的出舱活动。中国随之成为世界上第三个掌握空间出舱活动技术的国家。2008年9月28日傍晚时分，神舟七号飞船在顺利完成空间出舱活动和一系列空间科学试验任务后，成功降落在内蒙古中部阿木古朗草原上。

2011年11月01日05时58分，主要任务是与天宫一号对接。升空后2天，”与9月29日发射的天宫一号目标飞行器进行了空间交会对接，标志着中国成为继苏、美后第3个自主掌握次自动交会对接的国家，也标志着中国已经初步掌握了自动空间交会对接。

2012年6月16日，我国第四艘载人飞船神舟九号于18点37分24秒成功发射，三名航天员景海鹏、刘洋、刘旺顺利升空，航天员景海鹏第二次参加飞行任务；刘洋成为中国首位参加载人航天飞行的女航天员。18日约11时左右转入自主控制飞行，14时左右与天宫一号实施自动交会对接，这是中国实施的首次载人空间交会对接。并于2012年6月29日10点00分安全返回。

2013年6月11日，我国第五艘载人飞船神舟十号于11日17时38分搭载三位航天员飞向太空，将在轨飞行15天，并首次开展我国航天员太空授课活动。飞行乘组由男航天员聂海胜、张晓光和女航天员王亚平组成，聂海胜担任指令长。飞船升空后再和目标飞行器天宫一号对接，任务将是对“神九”载人交会对接技术的“拾遗补缺”。在轨飞行15天，其中12天与天宫一号组成组合体在太空中飞行，与天宫一号进行交会对接成功，标志着中国已经基本掌握了空间飞行器交会对接技术。将对后续的天宫二号即第二代空间实验室的建设打下坚实的基础。

2016年10月17日7时30分，在中国酒泉卫星发射中心发射了我国第六艘载人飞船神舟十一号，航天员景海鹏、陈冬，航天员景海鹏第三次参加飞行任务。神舟十一号进行宇航员在太空中期驻留试验，驻留时间将首次长达30天。19日凌晨，神舟十一号飞船与天宫二号自动交会对接成功。航天员景海鹏成功打开天宫二号空间实验室舱门，两位航天员顺利进入天宫二号空间实验室，景海鹏成为第一个进入天宫二号的航天员。

正常情况下，对于地球上人类，太空辐射由于受地球磁场的阻挡和地球周围大气的吸收，大部分宇宙辐射不能到达12公里高度以下，海平面上的宇宙辐射总通量很低，不足以构成对人体的伤害。

而载人航天器飞行的轨道，都是近地球轨道，在200-700公里处。航天器中的航天员，接受的辐射剂量，比地球上的人要多，但由于舱壁金属的防护，实际接受的辐射剂量，还能在允许标准范围之内。

多数情况下，航天员即使在空间半年之久，并没有报道受到宇宙辐射的伤害情况。但是，苏联联盟35号飞船飞行175天的太空人，接受的辐射剂量达到7雷姆（这是人体的某些重要器官的临界允许剂量），引起了航天医学专家们的重视。美国阿波罗飞船的太空人，在一次飞行中，眼睛出现闪光感，专家们认为这可能是宇宙辐射的高能粒子作用于视网膜引起的生物效应。

由于航天员在太空中时刻暴露在高能粒子的持续辐射中，面临着许多未知的健康风险。太空中的高能重粒子具有足够高的能量可以与人体细胞核发生碰撞，生成新的粒子进而损害细胞DNA。这一过程极有可能促成急性放射病、癌症、遗传突变、神经系统损伤或白内障形成的风险。

航天员在航天中接受的剂量多少还和轨道高低有关轨道高，接受的剂量大，轨道低，接受的剂量小。如美国天空实验室空间站航行高度比苏联礼炮号空间站的高度高，在天空实验室内的太空人接受的辐射剂量，平均比礼炮号空间站内太空人要多。未来的载人航天飞行，航行时间更为长久，航行的高度也更高，出舱活动也会愈来愈频繁，使太空人接受宇宙辐射的剂量将大大增加。有人认为，宇宙辐射对太空人身体健康的伤害，可能成为人类长期在空间生活的重要障碍之一。

当前宇宙辐射的防护，主要靠载人航天器的金属座舱壁的屏蔽防护。但是这种防护是有限制的，舱壁加厚固然防护效果好，但由于增加了航天器重量，工程上增加了困难。因此要结合航行时间、航行高度，综合考虑、合理解决屏蔽厚度。

在过去几十年的太空计划中，NASA已经收集了所有所署宇航员的辐射暴露数据并加以研究。为了促进这一冷门领域的研究，近日NASA艾姆斯研究中心的一个国际小组已经着手制定出一张“人类抗辐射（human radioresistance）”的路线图。

在这张研究“路线图”中，科学家们着重希望通过利用现代基因编辑的方式，在人类中筛选出具有遗传易感性的个体，这些个体可能具有辐射保护等特征。此外，放射生物学、基因治疗、超低温人体保存和生物“银行”这些在生物水平上保护宇航员抗辐射的方案也是科学家们的解决方案。

NASA还计划对宇航员进行基因改造，改变他们的DNA以适应高辐射的太空环境。其中包括表观遗传修饰，即不改变DNA密码，仅改变人体对基因的翻译读取方式，基因功能是可逆的、可遗传的改变。不过在此之前需要解决相关伦理道德问题。

加拿大核能实验室放射生物学科学家德米特里克洛科夫曾说：“我们迟早离开地球，并进入深空。”这一研究路线无疑为人类生物学的突破奠定了一定基础，或许通过基因改造的人类可以获得更多意想不到的“超能力”，这对未来的深空探索也是必不可少的！

参考文献：converging research in radiobiology and biogerontology to enhance human radioresistance for deep space exploration and colonization, oncotarget, February 09, 2018

常规的细胞培养都是在常重力下进行的。由于重力的作用细胞在培养液中自然沉降，限制了细胞与细胞、细胞与基质之间的随机组合与空间定位，不能很好地形成三维立体结构。

20世纪80年代末，美国航空航天局(NASA)在开展空间生物学试验时设计出一种转壁式生物反应器(rolating wall vessel bioreactor，RWVB)。

转壁式生物反应器极由水平放置的两个内外向心圆杆组成(见下图)。静态的内柱由半透膜构成，使得气体可以通过膜进行交换。旋转的外柱由非通透性材料制成。内外柱之间连续灌注培养介质，将细胞培养其中。整个装置可以绕内轴旋转。通过调节外柱的转速，使得旋转产生的离心力与重力平衡，为细胞生长提供一个微重力环境。这样在普通培养条件下只能呈二维贴壁生长的哺乳动物细胞表现出三维增殖与细胞分化，进一步形成有功能的组织块。

采用该生物反应器已在骨髓间充质干细胞、小牛软骨细胞、狗软骨细胞、大鼠心肌细胞、大鼠啄液腺上皮细胞、卵泡瘤细胞、人的胰岛β细胞、肝细胞培养以及胸腺器官培养等方面取得了进展。

NASA目前有4种特有的培养系统：

1. 慢速转动的单端固定的容器或STL是一种批量培养的容器

2. 原先在设计上用来进行灌注培养和贴壁细胞培养的灌注培养系统

3. 原先在设计上用来进行贴壁和悬浮培养的高截面纵横比或HAR容器

4. 通过复杂的过程控制式计算机来控制组织培养系统的空间生物反应器。

所有这些容器都是建筑在通过沿水平轴旋转来减少重力因素的基础上的。这些培养系统通过在实验室模拟太空中的微重力环境，作为以下独特研究的工具：

1. 低剪刀力

2. 不同大小颗粒的共同培养

3. 有助于3维组织的形成

4. 有助于细胞的分化

【重大意义】

1. 组织移植：例如3DB培养的肝和自然的在整体上无区别，使局部组织移植成为可能。

2. 疫苗生产：以前丙肝疫苗效果不佳的原因之一是用来产生这种疫苗的病毒并不长在人的肝脏中，现在3DB培养的肝使产生肝炎疫苗的病毒生长在人的肝脏成为现实。3DB在美国已广泛用于生产。

3. 软骨再生：经培养的软骨密度极高，可治疗关节损伤。

激素、酶和其它由人体组织产生的蛋白以及基因工程：经培养的高分化的人体组织，其被刺激后能分泌治疗用的蛋白。例如经培养的神经组织产生的神经生长激素能修复脊椎的损伤。

4. 骨髓再生：培养的骨髓生长情况极佳，且可连续进行增生和低温冷冻保藏，可建大型骨髓库。

5. 糖尿病：胰岛素培养后能插入体内继续生长，无数患者有望免去长期注射胰岛素。

6. 有效杀灭肿瘤：对肿瘤组织活体取样，与自身的白细胞或淋巴细胞在3DB中混合培养，刺激或驯化它们来识别和攻击肿瘤组织，然后把经驯化后有杀伤力的细胞直接注入病灶。这样，这些经感化的淋巴细胞彻底杀灭了肿瘤。

7. 肿瘤、爱滋病、肾病和心脏病的理想模型：培养人的器官、腺体和淋巴结。然后感染这些类器官，再跟踪其生长。把药物用在被感染的经培养的组织模型上，研究其对抗疾病的效果及其对抗方式。例如肿瘤组织的培养有利于测试化疗药在病人自身的经培养和分化的肿瘤上的疗效，避免了用药的盲目性。以前这是在鼠的组织模型上进行的，但物种差异使许多肿瘤在鼠中的生长情况并不好。而在3DB中，所有的肿瘤组织都完好生长，且避免了原先鼠蛋白的干扰。

8. 皮肤移植：经培养的皮肤具有极高分化度避免了以前培养的皮肤在肌理、灵巧度和肤色的不足。

（详见：http://www.labbase.net/Supply/SupplyItems-1387109.html）

太空育种是指将植物种子送入太空，通过强辐射，微重力和高真空等太空综合环境因素，诱发植物种子的基因变异，筛选获得新种子的过程。

由于亿万年来地球植物的形态、生理和进化始终深受地球重力的影响，一旦进入失重状态，同时受到其他物理辐射的作用，将更有可能产生在地面上难以获得的基因变异。

综合太空辐射、微重力和高真空等因素的太空环境对植物种子的生理和遗传性状具有强烈影响，但是究竟主要是哪些因素产生影响，以及如何产生影响，至今还没有定论。

经历过太空遨游的农作物种子，返回地面种植后，不仅植株明显增高增粗，果型增大，产量比原来普遍增长而且品质也大为提高。

自1987年以来，我国利用返回式卫星和神舟飞船，先后进行了10多次搭载，有1000多个品种的种子和生物材料上天。由于植物种子体积小，携带方便，在选育新品种方面具有较大的选择空间。已进行搭载的有粮食作物类：小麦、水稻、大豆、玉米、绿豆、豌豆、高粱等；蔬菜类：西红柿、辣椒、黄瓜、甜菜、茄子、萝卜等；经济作物有棉花、烟草等；花卉有万寿菊、鸡冠花、三色堇、龙葵、荷花、百合等；中草药材有黄芪、甘草；树木种子有油松、白皮松及石刁柏，还有草坪种子。

太空食品的安全性问题。太空育种并没有将外源基因导入作物中使之产生变异。作为诱变育种技术，太空育种可使作物本身的染色体产生缺失、重复、易位、倒置等基因突变。这种变异和自然界植物的自然变异一样，只是时间和频率有所改变。太空育种本质上只是加速了生物界需要几百年甚至上千年才能产生的自然变异。比如，太空中宇宙射线的辐射较强，这是植物发生基因变异的重要条件。而且，人工辐射育种中的辐射剂量只是国际食品安全辐射量的几十分之一，而太空中的辐射剂量还不到辐射育种辐射剂量的百分之一。因此，太空食品和普通食品没有什么区别，是很安全的食品。

太空食品与转基因食品的区别。转基因作物是将外源基因导入植物体内而培育出的新品种，如转基因大豆是将非大豆植物甚至动物、微生物的基因导入而产生的变异。而太空育种则是让作物的种子自身发生变异，没有外源基因的导入。说明太空育种是非常安全的，不用担心其产品的安全性。

神舟一号(1999年11月)

飞船搭载一些农作物种子，包括各10克左右的青椒、甜瓜、番茄、西瓜、豇豆、萝卜等品种以及甘草、板蓝根等中药材，此外，还搭载了有利于心脑血管疾病药物开发的Monascus生物活性菌株。神舟一号科研实验相对较少，但自此开启的“太空诱变育种”实验影响深远。

什么是太空育种？太空育种也称空间诱变育种，就是将农作物种子或试管种苗送到太空，利用太空特殊的、地面无法模拟的环境（高真空，宇宙高能离子辐射，宇宙磁场，高洁净）的诱变作用，使种子产生变异。太空育种具有有益的变异多、变幅大，以及高产、优质、早熟、抗病力强等特点。

神舟二号(2001年1月10日)

载人航天应用系统第一次全系统执行在轨飞行试验任务，中国首次在飞船上进行了微重力环境下空间生命科学、空间材料、空间天文和物理等领域的实验。比如开展植物、动物、水生生物、微生物及离体细胞和细胞组织的空间环境效应实验等，是中国航天领域首次进行多物种综合性生物学研究。

神舟三号(2002年3月25日)

中国飞船第一次搭载生物样品，包括一种被称为Monascus的生物菌株，果蝇、灵芝、乌龟的心脏细胞、大白鼠腿的脊髓神经组织等20种生物样品。

重点进行了空间生命与空间材料科学领域的相关实验，这些研究成果对于获取以至生产高纯、高效的生物制品和进行生物药品研制具有重要意义。

神舟四号(2002年12月30日)

首次将杜康酒曲及植物种苗红豆杉的组胚试管苗带上了天。在太空微重力条件下进行的空间细胞电融合实验和空间生物大分子和细胞的空间分离纯化实验可以为空间制药和培育生物新品种探索新的方法。

神舟五号(2003年10月15日)

搭载来自祖国宝岛台湾的农作物种子等。

以载人为主要任务，科学实验较少，其轨道舱运行100余天，神舟五号轨道舱开展了空间环境监测、空间定位等科学实验，获得了一大批有价值的科学数据。

神舟六号(2005年10月12日)

搭载的生物菌株、植物组培苗和作物、植物、花卉种子用于太空育种实验。并且是中国第一次实现真正有人参与的空间科学实验。以航天员本身作为生理试验的对象，考验人体在太空环境中的新陈代谢情况。同时也是中国首次在自己的载人航天任务中进行航天医学空间实验研究，为人类将来在太空生存的航天医学研究奠定了基础。

推荐：太空致命射线致基因突变

神舟七号(2008年9月25日)

搭载物品包括微生物菌株和杂交水稻。其中微生物菌株包括灵芝等；杂交水稻包括“洲A”和“洲B”两种。同时释放了伴飞小卫星，以及进行了固体润滑材料外太空暴露试验。

神舟八号(2011年11月1日)

搭载共有33种生物样品，其中包括桂花树、罗汉果和芦竹，河北怀来县的葡萄种子，以及“日本晴”的水稻品种。“神八”以空间生命科学实验为主，搭载了中德合作的有效载荷。有效载荷是中德合作的生物培养箱，是开展空间生命科学的一个改革。在中国载人航天工程里面首次开展空间应用科学领域的国际合作。

此外，在神八中还搭载了一种奇特的蠕虫——秀丽隐杆线虫。为什么要选择线虫上天？一是因为线虫在-80℃长期冻存后仍能恢复活力，是目前已知的唯一能低温冻存的多细胞真核动物。线虫在逆境时进入休眠期，像熊冬眠一样，不发育、不吃东西，时间可以长达2个月左右。二是线虫基因组很小，仅为人类基因组的3%，但有约40%的基因与人类同源。据科学家们说，线虫身上很多调控发育的基因和人类很相似，一旦研究清楚在空间辐射环境或空间辐射和微重力同时存在的环境下，线虫的这些基因是如何变化的，将给航天医学及空间辐射损伤预警做出巨大贡献。

神舟九号(2012年6月16日)

航天员承担15项航天医学相关空间实验。中国航天员科研训练中心副总设计师李莹辉介绍，这其中最主要的实验有5项。

——航天飞行对前庭眼动、心血管及脑高级功能影响研究。这是我国在微重力环境下首次进行的系统（人体）生理学研究实验。

——失重生理效应防护的细胞学机制研究。实验的目的在于探讨失重条件下整合素与细胞因子对成骨细胞的调节作用。

——空间骨丢失防护技术研究。在组合体飞行阶段，航天员将采用对人体无损、高效、耗能低、重量轻、体积小、使用方便的力刺激仪进行力刺激防护，增加骨间隙液流增强骨细胞活性，从而达到对抗空间骨丢失的效果。

——在轨有害气体采集与分析。通过分析目标飞行器舱内的空气质量，对目标飞行器内的微量有害气体进行评估，了解飞行器内污染水平。

——航天员在轨质量测量。神九任务中，3名航天员将使用中国航天员科研训练中心自主研制的质量测量仪对人体质量进行测量。（来源：生物探索）

浩翰深遂的空间，人类自从有了思维就对她有浓厚的兴趣，人造卫星发射成功，人类迈向空间，开始逐步揭开太空的真实情况。针对空间生命科学问题的研究作如下分析：

1、微重力和辐射是空间特有环境。空间环境，首先是地心吸力即重力下降，自二三百公里的上空始，地心引力巳接近于地面的百分之一以下，高度越大，重力越低，在数百里以上的上空，属于微重力的区域，空间环境其次的特点是空气极端稀薄，已接近真空，大气压降到十万分之一毫以下，还有大量从太阳磁爆及核反应中释放的和其它来源的宇宙射线，由于高空中没有地面大气层的屏蔽，辐射量变得很大，特别是在那里有许多高能重粒子，它们不容易到达地面，人类至今也还未能在地面模仿。

2、空间生命科学研究的必要性。在地面生物圈中生存的各种生物是在地面环境中经过几十亿年的进化发展而成的，在这二,三十亿年的进化过程中，地面环境几经变迁，生物一方面参与改变地面环境，一方面也随着地面环境的变迁而改变物种，但是即是如此，地面环境与上述空间的环境真所谓是天上人间，截然不同，在生物圈中生存的生物到了空间能继续按照原有的规律生活吗？为了回答谐如此类的问题，並为了人类在空间开展活动和利用空间开阔新的生产领域，当人类进入空间时，就开始着手研究各种生物学规律在空间的表现，这类研究活动以苏联和美国开展最早，近年来欧州和日本都提出了空间生命科学的研究计划。

3、微重力生命科学是研究生物在空间失重状态下的生长规律。地面的生物在高真空环境中不能生长，但是在封闭的卫星中，接近地面的气体环境不难模仿，因此研究生物在空间的生长规律首先关心的因子是微重力，用不严格的话说，就是失重，微重力生命科学，所指的就是这一新的研究领域。

4、人在微重力环境下的生存是首先提出来的课题，尤其是在失重下的长期生活问题。人类在地面的活动中锻炼了各种肌肉，在微重力环境中，大量的骨髓肌进入低活动的状态，长期的微重力会导致这些肌肉的萎缩，失重时，血液循环不需要克服地面的引力，因此心肌的负担减轻，从现有的资料看，宇航员在空间生存期超过几个月，开始出现肌肉萎缩症状，人体需要骨骼来克服重力支撑人体的站立和运动，失重条件下，骨骼负担减轻，引起组成骨骼的重要成份钙的缺失，如此等等，人类在微重力条件下的生存，是研究得极多的问题，从美国与苏联现有的研究结果看，宇航员与载荷员在空间生活几周到一，两个月，当不至于产生什么后果，但是在空间长期生活（如一年左右）后，上述问题都变成了突出的问题，当他们再返地面时，需耍有长时间的再适应过程，最近苏联宇航员尤里•罗曼年科在空同生活了300多天，返回地面时是自已步出卫星舱的，他能做到这点是因为在舱中有摸拟地心引力的离心装置，在这种装置中他不断竖持运动锻炼，初步解决了较长期在微重力下生活的问题，空间科学家锊经讨论过开辟新天疆的可能性与必要性，认为随着空间某些新产业的建立，将来有必要建立太空村，目前美，苏都在研究栽人飞往火星的计划，这种种计划都必需解决人在失重下长期生活的问题。

5、空间运动病的防治。空间运动病几乎是所有宇航员都遭遇到的问題，它严重影响宇航员和载荷专家充分利用有限而宝贵的空间飞行时间从事微重力研究，初步的研究说明，空间运动病主要与前庭器官有关，目前还没有有效的防治方法，许多人想引入瑜珈术和气功来训练宇航员的适应能力。

6、对时差的适应是也一个十分重要的课题。生物体内各种变化都有二十四小时昼夜节律，这是在地球环境中经多少亿年强迫适应的结果，随着交通手段的改善，人们对时差的适应有重要的军事的和非军事的意义，是一个十分重要的课题，人造卫星的节律是另一种表现形式，许多人造卫星都是一，二个小时昼夜变換一次，人在这种环境中的生活节律与地面完全不同，从有些报道看，生活节律只靠明暗光的变化以楔拟昼夜变化还不能全部解决问題,对空间节律的研究,除了空间生物学的意义外，对地面时差适应的研究可以起很大的作用。

7、微重力条件下的生物学规律，寻找对人类有用的现象。美国曾详细地测定了几十种动物器官在微重力条件下的各种生化指标的变化，从现有的报道看，生化指标的变化並不明显，但进一步的比较依旧在继续之中。

—系列生物学规律在微重力条件下的表现是人类渴望了解的研究课题，美、苏两国就此进行了大量的研究，西欧与日本近年来也都编制并着手进行这方面的工作，从微生物，藻类，植物，昆虫，鱼，到哺乳类动物，都有系统的报道，有趣的是，从目前的报道看，（1）在微重力条件下，微生物的生长速度以数量级的差别增大；（2）植物根部生长的向地性失去了方向，向各种方向随机生长，但是向日葵的头部依旧以二十四小时的节奏摆动；（3）有些昆虫的生长发育和生殖能力在微重力条件下也有各种程度的变化，而昆虫又是研究节律问題的很好材料，微重力生物学家结合地面的研究工作，研究了许多种生物在空间的规律，企图从中探索对人类有用的现象，开发新的生产园地。

8、宇宙辐射的影响，以培育新的生物。空间各种宇宙射线的性质有一部分与地面很不一样，太阳璀斑突发的重粒子辐射也不是人造卫星防护层所能阻挡的，对宇宙射线的防护是一个重要的方面。利用这些射线来筛选只有用空间辐射线才能引起的各种生物的突变材料，以培有新的作物，这些是空间辐射生物学的两个兴奋的问题，是近年来开始受到重视的一个方面。

9、微重力条件下的蛋白质晶体生长。用X-射线衍射法测定蛋白质的立体结构，是分子生物学的重要研究技术，近年来在蛋白质分子设计中能提供重要的数据，方法的基本要求是要有足够大的蛋白质单晶，这也是地面工作中最难的环节，微重力条件下干扰蛋白质单晶长大的因素如结晶母液的对流，晶核的附壁等因素基本消失，因此对晶体的长大有利，美国科学家已利用航天飞机在空间成功地生长了几个蛋白质单晶，并对其中个别的单晶测出了它的立体结构，这是空间基础生物科学的重要成就。

10、空间产业的建立和发展，如空间制药和空间生物技术。近代生物学的研究以其快速转向应用领域为特征，生物技术的发展是说明这一特征的最好例证，空间生命科学的发展提出了建立空间产业的任务，在这一点上，美国和苏联，及其它开展空间科学研空的国家中都讨论得非常热闹，有趣的是经济学家和政治家对空间产业的預测要比科学家更乐观，空间制药工业是他们努力宜传的一个内容，认为是大有希望的产业，空间制药和药物学的研究原则上并不局限于生命科学的范畴，但至今兴奋点非常集中的是一些与生物技术紧密相关的课题，例如微生物工程和细胞工程在空间特异性等，特别是各种蛋白质（包括酶）及多肽等生物体本身内含的，又有特殊药效的物质的分离纯化，已进行了大量的探索研究，利用微重力下液体因温差而引起的对流基本消失这一特性，设计成功了自由相连续流动电泳仪，说明有很好的纯化效果，美国由于有航天飞机的条件，已开始利用连续电泳仪作酶的商业性生产的尝试，如何评价空间药物生产和研究的当前价值还有分歧，但它美好的远景是大多数人都一致肯定的，问题在于要有一个良好的规划。

11、空间科学仪器的设计和生产。随着空间科学的发展，加拿大，美国及其他国家都有一些企业从事空间科学仪器的设计和生产，由于空间往返的严酷条件粕空间停留的特殊环境，这些仪器都有其特殊的要求，如抗震，耐温度变化，抗强辐射等，由于各国规划的空间工作体制不同，如宇航员是否长期在空间停留有不同的计划，而宇航员的空间停留时间对仪器及设备的自动化要求是不同的，但多数都需要自动化和遥控，这些仪器因此而非常昂贵。

12、微重力生命科学的展望。为了空间实验及试生产的方便，苏联与美国已开始建立空间实验室及空间站，作为一种长期存在的空间工作环境，这对微重力生命科学的发展将有重要的作用。

我国近年来航天事业发展迅速，已经利用返地卫星进行了初步的科学研究，在当前国际航天事业迅速发展的背景下，我们有可能，也有必要开展微重力生命科学和空间生物技术的研究，以便在国际的合作与竞争中争得我们应有的一席之地，在开辟天疆与开展空间新兴产业中作出中华民族应有的贡献。

摘编自鲁子贤在《生命科学前沿的研究：1998年全国生命科学前沿学术研讨会论文集》.

1、当前组织工程面临的困难

器官移植由于来源有限，同时还产生严重的伦理学和法学问题，因而促使人类积极寻求取代同种异体移植和异种移植的替代方法。

组织工程技术已经使人们具备通过体外细胞三维培养获得组织工程化器官的可行性，这种组织工程化器官可望为器官移植患者提供适宜的供体来源。而且，这些人工组织还用于生物组织的放射损伤（SchwachGfer，1990),进行性耐药发生机制（Kerbel等，1994)以及与肿瘤浸润相关的表型改变（Schuster等，1994)等方面研究。因此，具有广泛的应用性和巨大的医学需求。

当然，组织工程技术还存在一些技术问题，目前难以解决。例如：

（1）多细胞团的培养。对于这些多细胞团是向装配复杂三维组织替代物跨出的第一步，但仍然受细胞团大小，营养物质和氧的扩散限制。当细胞团直径大于1mm时，活细胞团中会包含一个缺氧的坏死中心(Sutherland等,1986)。

（2）利用生物支架，将悬浮的单细胞装配和分化成不同人工组织。例如，用聚乳酸纤维构成可吸收聚合物支架可充当细胞种植的基质（Cima等，1991)。支架降解后，三维细胞构建形成新组织和新器官，比如皮肤、软骨、血管、胆囊和心脏瓣膜（Langer和Vacanti, 1995；Shinoka 等，1997, 1998; Atala, 1,998; Niklason 和Langer, 1997; Mayer 等，1997)。　主要问题之一是如何更好地产生功能性？例如，如何达到足以替换器官的大小，或如何实现适应体外科学研究，如药物效应，毒性，氧扩散等。

（3）应用生物反应器。传统的搅拌式生物反应器会存在高剪切力而损伤细胞和抑制组织分化等缺点。降低搅拌速度和增加介质黏度，虽然会部分地降低细胞的流体动力学损伤（Moreira等，1995〉；然而，在这种条件下形成的聚集体仍然存在坏死区。

2、太空中的组织构建

20多年以来，人们已经知道，在太空中微重力作用下，单细胞会发生细胞形态和功能的改变 (Montgomery 等，1978; Claassen 和Spooner, 1994) ，这种变化对于多数细胞而言是有利的。

根据Cogoli 和Cogoli-Greuter 的报 道（1998)，已有多达25种不同细胞在太空中得到试验。早期研究报告指出，在太空中细胞 悬液易于聚集且产生更大的密度（Lorenzi等，1995）。细胞间相互作用增强的一个原因可能是微重力诱导了细胞黏附分子，胞外基质蛋白及其相应的受体发生组织特异性的上调作用。

同样，空间实验室的研究指出，微重力条件下人真皮成纤维细胞的胶原合成明显增加（Seitzei等，1995)。然而就整个动物试验而言，反应存在着差异且与激素和其他生理因子分泌有关(Backup 等，1994; Lelkes 等，1994，Davidson 等，1999)。对于有些培养的细胞，在模拟微重力环境的RWV生物反应器中，某些“黏性蛋白”比 如胶原，表达上调（Lelkes等，1998)，表明在太空中长途飞行是有益的。

实际上，当嗜铬 细胞瘤细胞PC12在太空中培养并连续传代10周以上，细胞的聚集程度和增殖能力比在地 面上的对照组明显加快（Unsworth和Lelkes, 1998)。通过测定细胞代谢和增殖活性，发 现其葡萄糖消耗率大约是地面培养的5倍（图14-1)。

类似地，观察到太空中形成了大块状 细胞聚集体，而在地面静态条件下未形成这种大块状细胞聚集体（Unsworth和Lelkes， 1998)。这些结果尽管是初步的，但表明空间环境有利于PC12细胞生成神经或神经内分泌 组织替代物。对这些细胞的进一步培养可产生更大或更加分化的类器官，而在地面上相应的 培养物只能保持在lg左右。

然而对于其他细胞，微重力对它们的影响会是不利的，比如骨、软骨或肌肉，空间 移行可能会产生更差的结果。这一假说在通往火星的航天飞行中得到部分验证。其中一个结果是，软骨构建在太空飞行4个月后其力学特性比地面上的对照组差（Freed等， 1997)。此结果反应了微重力对细胞合成、分泌和装配糖胺聚糖和其他胞外基质蛋白存在着直接的消极影响，与已知的太空飞行对骨和软骨的负面影响结论一致（Boming， 1992)。另一方面，在地面上培养软骨的优势可能反应了力学载荷对工程化构建分化的影响（Freed 等，1997)。

总而言之，在空间进行的培养未必对每一种细胞产生功能化组织替代物都有利。生命和微重 力科学应用研究室（OLMSA）微重力研究所（MRD）的细胞培养生物技术课題组将细胞放 在太空中进行微重力培养；发现与地面上微重力培养相比较，细胞的聚积和分泌活性均增强 了（Jessup等，1996)。总之，资料表明广泛应用空间工厂生产医学或科学上有用的组织替代物必须相当谨慎，其结果可能有很强的细胞特异性。

摘编自：（美）R·P·兰扎（Robert P. Lanza），（美）R·兰格（Robert Langer），（美）J·瓦康提（Joseph Vacanti）主编；杨志明等译.组织工程原理  原著第2版.北京：化学工业出版社,2006.01.

微重力条件对晶体生长过程的影响主要表现在以下几个方面^[2] ：

（1）通过抑制对流，大大降低晶体生长过程中的偏析。

（2）微承力条件下可实现无坩堝熔炼。

（3）利用微重力条件可进行晶体定向结晶过程控制。

（4）微取力条件可抑制重力引起的分相问题，进行难混熔合金的熔炼及结晶，获得均匀的复相组织。

因此，利用微重力环境，可以制备出通常条件下难以获得的新晶体材料。

用于模拟微重力环境的常用设备和装置如下^[5] ：

在分子水平上，重力是弱作用力，它比氢原子中静电力小10⁴⁰倍，比氢分子中电磁力小10³⁵倍。因此，由分子间作用力所决定的性质估计和重力无关。但若没有其它作用力与重力平衡，则在存 在大质量时，重力会起主要作用。那么重力究竟在哪些方面起重要影响呢？

美国微重力研究委员会1992年公布了到2000年的微重力研究战略，其中提到了下述7个方面：

(1)重力作为流体中对流的驱动力  因温度和组分的不均匀而产生的密度差，使静止状态的流体发生对流，导致热量传递和质量输运。在地面上原子或分子的对流比因布朗运动引起的漫迁移大1个数量级。

(2)重力作为相分离的驱动力  对于某些热力学体系，存在共存相，其化学势等同，但密度有差别，在重力作用下，经过长时间后会发生沉淀，导致相分离。

(3)重力作为决定流体自然表面形态的力  在热力学平衡或 近平衡系统中，流体表面或界面形态决定于力的平衡。比如气泡、液滴和浮区的形状主要受重力支配。

(4)临界现象  在临界点附近，流体的压缩率非常大，流体在 自身重量下分层。因此，对于任何有限体积流体热力学参虽的测 量，实际测出的是不同密度流体的平均性质而不是临界点的真实 性质。这种重力对实验所施加的基本限制，只有在微重力环境下 才能得到抑制。

(5)在存在极弱键合力的系统——生命系统  生命系统中生 物大分子的键合力极弱，重力扮演重要作用。比如蛋白质晶体的 结晶、生物细胞的融合等。

(6)存在极大质量和梃长时间的系统  比如：广义相对论和 引力波。

微重力流体物理是微重力科学的重要领域，它是微重力应用和工程的基础，人类空间探索过程中的许多难题的解决需要借助于流体物理的研究。

微重力流体物理大体上可分为三个主要部分，即微重力环境中简单流体的对流和扩散、多相流、和复杂流体运动。

具有液汽或液／液界面的流体体系普遍地存在于自然科学和工程应用中，研究热毛细对流的规律，对于空间材料加工、生物技术、燃烧等过程中热毛纫对流控制都有重要意义，并对地面电子装置的热控制，食品加工过程，化学工程微电子机械系统(删s)，薄膜等小尺度的流动问题也有指导作用。

微重力环境中流体的晃动、流体的运动与固体结构的相互辊合是航天工程中经常遇到的问题。对微重力环境中简单流体的传热和传质过程，人们主要研究毛细系统中临界现象和浸润现象，热毛细对流的转换过程和振荡机理，液浦热毛纫迁移和相互作用规律等方面。流体管理研究也是微重力工程中的重要课题。

微重力气／液两相流动与传热研究的主要对象包括两相流动的流型、沸腾与冷凝传热、混合与分离等现象，对我国载人航天技术(如航天器热与流体管理系统、空间站与深空探测器等大型航天器动力系统、载人航天器环控生保系统以及空间材料制备与空间生物技术实验等)的发展有直接的应用价值。在微重力环境中，重力作用被极大地抑制甚至完全消除，更能凸显气、液、固相问的传递机制，便于更深刻地揭示其流动与传热机理。借助于微重力气液两相流动与传热的深入研究，对我国实现能源战略需求和地面常重力环境中的石油、化工、制造等相关技术开发与应用也有重要指导意义。

复杂流体是一种分散体系，它指的是具有一种或几种分散相的物质体系，也有人称之为软物质。在重力条件下，复杂流体的许多行为会受对流、沉降、分层等干扰，而微重力条件则有助于研究在地面上被重力作用所掩盖的过程，特别是分子间的相互作用力。微重力复杂流体研究包括；胶体的聚集和相变研究：恳浮液和乳状液的稳定性研究：复杂等离子体的结晶研究；气溶胶的稳定性和聚集行为研究：对颗粒体系本征运动行为的研究；临界点现象的研究；以及材料制备、石油开采和生物流体的相关问题研究。

随着人类深空探测活动的展开，对不同重力场中分散体系物质的操作与输运的要求，以及对其运动规律认知的需求十分迫切。空间科学实验不仅能够使我们获得新的科学知识，而且其科学成果对于地面材料及器件制备工艺的创新具有重要指导意义。对复杂流动现象的研究在材料设计中起到了切实的作用，如对复杂流体自组织现象的研究成果已经应用于纳米结构材料和器件的研制。（胡文瑞）

（李世荣，马连生主编.现代数学和力学（MMM-Ⅺ）.兰州：兰州大学出版社,2009.07.）

一、微重力对材料加工的影响

在微重力(太空失重)下液态金属具有以下特点：

1）液态金属中因重力引起的对流几乎消失。

2〉液态金厲中由于不同物质密度差引起的下沉、上浮以及分层偏析现象几乎消失。

3）液体表面张力和润湿作用变得突出。

4）可在高真空条件下凝固，在距地球表面500km的太空轨道飞行器上，真空度可达 到1333.22^-8 Pa在如此高真空下，可排除金属材料中的气体，制取高纯度材料。

5)可在液态急冷条件下凝固。在轨道飞行器的向阳一面有很高的温度，而在其背阴 面却有极低的温度（－200℃）,由此可实现液态金属的快速凝固。

二、微重力（太空失重）下的材料加工

1、非晶、微晶材料加工。在空间微重力条件下，可实现 无容器的悬浮熔炼，消除坩埚壁对液态金属的污染，避免非均质形核，实现深过冷，获得非晶、微晶材料。

2、金属基复合材料。在太空失重条件下，可使金属基体和加人的金属氧化物颗粒或短纤维混合均匀，如用TiC与镍复 合，其硬度可比地面制作的高两倍，强度由1.3GPa提高到 4GPa_。

3、偏晶合金材料。Pb-Al合金在液态658℃以上时形成两 个相，这是由于密度相差太大所致。但是，在微重力条件下，则得到混合均匀的组织。美国宇航局（NASA)已在微重力条件下制出Pb-Al合金，用于发动机防振轴承。

4、多孔泡沫材料。在空间微重力条件下，在液态金属中 引入气体或发泡物质，在凝固过程中不易上浮，从而均匀分布在凝固后的金属中。例如，在地面上向铝合金液体中通入0.3 ~ 0.5Pa压力的氢气，快速凝固，然后在太空失重的条件下重熔并缓慢冷却，结果在铝合金中形成均勻的气泡，密度只有原来铝合 金的1/3。

4、磁性材料。通过空间悬浮熔炼和定向凝固，由于纯净度 提高，使材料的磁性得到明显改善。例如，在空间实验室制作的秘一锰铋共晶磁性合金，其固有的矫顽力接近其理论值的97%。

5、新型金属成形工艺。利用液态金属在微重力下的特殊 性质，可开发新型金属成形工艺，制作出新型制品。

（1）扩展铸造工艺。将液态金属送至特制的铸型表面，通过液体的润湿使其扩展到铸型的表面和弯曲处，待冷却后，可在第 一层金属表面涂挂第二层金属，由此可制作不同材料、任意形 状、任意层次、多层结构的精密复合材料铸件，这种铸件具有耐磨、耐蚀等优异的力学性能和物理化学性能。

（2）皮壳铸造工艺。在精密铸件的表面涂以10 ~ 100um的壳 层，然后在微重力条件下重熔和凝固，以改善材料的组织结构和 力学性能，这种工艺特别适用于涡轮叶片。

（3）空间拉拔成形工艺。在地面上生产金属丝、金属箔和金 属板材，通常需要轧制和拉拔工艺；在微重力条件下，利用液体 金属表面张力和内聚力的特殊性质，可把液体金属直接拉制成细金属丝或薄带而不会中断。这些制品的组织均匀、厚度和直径尺寸也很均勻，在功能元件方面有广泛的用途。

（4）空间钎焊工艺。在空间进行的焊接试验表明，空间钎焊 工艺远优于地面，它具有异乎寻常的间隙充填能力，这与微重力条件下润湿和毛细管现象的加剧有密切关系。

（马幼平等编著.金属凝固原理及技术.冶金工业出版社,2008.5.）