北京时间7月24日14时22分，长征五号B遥三运载火箭携带问天实验舱发射升空。这将是我国空间站首次在有人驻留的情况下迎接航天器的来访。

作为我国空间站“三室两厅”的重要一室，问天实验舱主要面向空间生命科学研究，舱内配置了生命生态、生物技术和变重力等科学实验柜。其中，百分百“上海研制”的生命生态、生物技术科学实验系统将在未来十年承担问天舱空间生命科学实验的重头戏。

这两台实验柜在轨运行后，植物种子、幼苗、斑马鱼等动植物和实验细胞等，将开始太空中的“求生实验”。可根据地面指令自动供氧供水、与其他实验柜开展协同实验、在十年“服役”期间可不断升级……在地面上，中国科学院上海技术物理研究所的研制团队向记者详细解释了这两台实验柜的强大本领。

▲问天实验舱生命生态与生物技术实验系统试验队员在文昌航天发射场合影

营造百变生态，“小鱼缸”摸索太空生存参数

上海技物所空间生命科学仪器研制团队负责人张涛研究员已经在空间生命科学实验设备领域倾注了十多年的心血，而问天舱中配置的这两个实验系统，技术水平可谓达到团队研制的同类仪器的巅峰。

自动、可控、可更换，是研究团队追求的研制目标。“这样可以减轻航天员的操作难度和强度，也为十年间满足实验需求升级、方便维修，留下了足够的余地。”张涛告诉记者，目前我国空间站上的实验，需依靠航天员进行操作，“在专业的生物学家可以进驻空间站之前，我们要尽量通过仪器设计，使实验操作简单、方便”。

在微重力状态下，水并不会像地面上那样自动渗入土壤，而是形成圆球漂浮在空中。那么如何将水注入土壤，让植物吸收？植物蒸腾出的水汽又如何收集，使之可循环利用？生命生态实验系统中，此类难题比比皆是。

▲通用生物培养模块

为此，科研人员克服种种困难，使实验系统中的温度、湿度、光照、液体和气体组分等，都采用不同模块独立控制，除了自动注水之外，还可调节二氧化碳浓度、去除乙烯气体，甚至还能为一些实验单元提供不同的模拟重力环境。

生命生态科学实验系统主任设计师、上海技物所研究员郑伟波介绍，在天宫二号的生物实验中，他们就曾用300毫升水养活了拟南芥400天。这次，他们将在生命生态实验中搭建起一个由藻类、水草和斑马鱼组成的极简版小型水生生态系统，形成物质、能量的闭环循环。“这个小鱼缸内外布满了各种特制的传感器，科学家将由此摸索相关生态参数，为未来深空探测、月球、火星基地建立生态循环系统提供数据支持。”

▲小型受控生命生态模块

可“拎包入住”，打造精装修“细胞公寓”

在问天实验舱内，生物技术实验柜可算得一栋“细胞公寓”，里面的“精装修”实验单元，可同时支持72个实验单元、36种实验，完成从蛋白质、细胞，到组织、器官的多种实验。

“人类已经无法回到几十亿年前的原始地球环境中，去追溯生命种子产生的‘地外起源’环境，但微重力、强辐射的空间站环境，恰好为人类提供了一个原始地球的类似环境。”上海技物所电子学工程师丁昆说，尤其对于研究蛋白与核酸的共起源模型，重力加速度改变会否引起密码子与氨基酸对应关系的改变，空间站为这些科学研究提供了前所未有的特殊实验环境条件。

当然，这些前沿实验对空间科学仪器也提出了特殊的要求。比如，动物细胞只有细胞膜，没有细胞壁，不像植物细胞那样“坚强”，在空间实验中需要更多呵护；当多种实验溶液混合时，一定不能有气泡，不然就会对电化学传感器的信号采集有较强影响；实验会在短时间内产生大量数据，如何存储大容量科学数据在资源有限的空间站，也是一个难题。

▲生物技术科学实验系统

为此，研究团队在“细胞公寓”中精心安排了很多“酒店式服务”，无需劳烦航天员，就能对每个“房间”进行环境保障、精细观察、现场检测等操作。上海技物所结构工程师张寅告诉记者，航天员只需在实验前放入样品，实验结束后取出样品，这样就大大降低了航天员的在轨劳动强度。

为了能精细观察“细胞公寓”中各个实验单元中的“住户”，科研人员特地将一些地面实验室中体积较大的显微镜，如可见光荧光显微镜、激光共聚焦显微镜等，设计成“迷你版”复合型显微镜，装入实验柜中。

负责光学显微系统的生物技术科学实验系统副主任设计师、上海技物所副研究员孙浩透露，航天员只需为这些显微镜更换镜头和滤镜，它们就能自动巡检、对焦，找到细胞位置，并记录下一个个珍贵而关键的实验瞬间，“其技术指标与国际空间站的商用设备相当，但功能更强大，耗能也更少”。

严防微生物污染，给实验柜“做核酸”

新冠疫情以来，“做核酸”已是人们生活中的日常。在空间站里，为了防止有害微生物的污染，这两台实验柜也必须经常“做核酸”，预计一小时就能出结果。

航天器长期在轨有氧密闭运行，微生物污染是一个必须关注的问题。“在和平号空间站上，就曾发现了108种细菌和126种真菌，它们中有的可能会致病或引起中毒，有的则会腐蚀金属、降解高分子材料。”上海技物所副研究员、微生物检测模块主管设计师刘方武说，这些微生物既可能影响航天员健康，也会影响空间站硬件的稳定性，同时空间环境还可能诱发微生物变异，毒性可能增强，存在难以控制的风险。

▲微生物检测模块

国际空间站上采用的是在轨抗原、采集样本返回地面进行检测的方式。可否让检测变得更快捷？研究团队突破多项关键技术，为空间站设计出了可实现在轨原位、快速、自动化的微生物检测方法。

刘方武介绍，现阶段微生物检测主要针对生命科学实验系统内部环境，采用的方法主要有两种：一种是培养观察法，来确定是否有微生物污染、初步确定微生物种类；另一种是核酸扩增检测，类似于我们日常“做核酸”，航天员将采集样品手动加入微流控芯片中，通过自动处理，并用激光诱导荧光的强度，来判断是否含有特定的微生物及其含量多少。

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