“新天工開物”：太空生命科學儀器助力深空探索

　　日前，“新天工開物——科技成就發佈會”空間科學專場在國家科技傳播中心舉行，其中“太空生命科學儀器”的發佈備受矚目。

　　中國科學院院士趙國屏在成就推介時指出：“中國科學院上海技術物理研究所自主研製了不同類型的空間生命科學儀器，成功應用於依託載人空間站、空間實驗室、神舟載人飛船、天舟貨運飛船和返回式科學實驗衛星等開展的生命科學和生物技術研究中。”

　　太空種菜、養魚、做細胞實驗……隨著我國航太科技與科學儀器的發展進步，這些看似科幻的場景，正逐漸照進現實。

　　從“黑盒子”到“太空實驗室”——空間生命科學的中國跨越

　　空間生命科學，是人類探索生命與宇宙奧秘的前沿陣地。它主要聚焦三大方向：對生命起源的探索研究、對地球生物在太空生存可行性的驗證，以及對地外生命的搜尋。然而，太空並非友善的實驗室。微重力、強輻射、高真空、極端溫差——這些極端環境對地球生命體與實驗設備都提出了嚴峻挑戰。

　　早期，空間生命科學研究大多依賴單一的“黑盒子”式實驗裝置。這類裝置功能有限、適應性差，難以支援系統化的綜合科學研究。

　　面對這一困境，中國科學院上海技術物理研究所率先取得突破，創新性地構建了“任務前地面倣真驗證+任務中空間監控調整+任務後地面比對分析”的天地孿生比對驗證為範式以“生命支援+原位觀測+精細操控”為核心技術鏈的高功能密度整合一體化的實驗平臺，實現了在航太器嚴苛資源約束下開展系統化空間生命科學研究的目標。

　　2022年7月24日，問天實驗艙成功入軌，我國自主研發的“生物技術科學實驗系統”與“生命生態科學實驗系統”正式部署，填補了國內空間生命科學研究實驗系統的空白。標誌著中國空間生命科學研究實現了從“簡單單項實驗”向“複雜系統研究”的跨越。

　　“我們已經在空間站上構建了基本實驗架構，包括生物技術實驗系統與生命生態實驗系統。”中國科學院上海技術物理研究所二級研究員、博士生導師張濤介紹稱：“這兩套系統具備持續更新升級能力，可以支援更多生命科學實驗。隨著生命科學研究發展快速進行技術更新，並具備升級拓展的能力。”

　　據悉，該系統自發射入軌以來已支援完成了40余項空間生命科學任務，成為“生命科學領域的重要突破”和“國家級空間生命科學實驗室的重要組成部分”。

　　技術整合與系統攻堅——越過太空生命實驗的“三重門”

　　實際上，要打造一套空間生命科學實驗系統，並不是簡單地將生命科學實驗室從地球“搬”上太空。

　　由於航太器的資源極為有限——空間狹小、功耗嚴苛、發射環境劇烈振動，每一項都是難以跨越的“攔路虎”。而生命科學實驗本身，又對無菌、溫控、氣體環境等有著近乎苛刻的要求。這就決定了，必須通過複雜的技術整合與系統設計，來構建起適應太空探索實際的實驗儀器系統。

　　張濤表示，太空生命科學儀器系統的三大核心技術鏈，即“密閉生命支援”、“智慧原位觀測”、“自動精準操控”，其背後體現了上海技術物理研究所在科研攻堅時跨過的三重“門檻”。

　　生命支援，是第一道難關。不同生物樣本的需求千差萬別：植物需要光照與營養液，細胞渴望恒溫與無菌，昆蟲依賴穩定氣氛比例。團隊通過跨學科協作，與生物學家反覆溝通，為每一種生物“量身定制”生存方案。“我們要熟悉每種生物的習性，它們接觸的材料必須無毒無害、環境必須潔凈。符合生物學要求的生命支援系統，正是需要克服的一大難題。”張濤在採訪中坦言。

　　原位觀測，是第二道門檻。在地面，科學家可以隨時取出樣本進行觀察；在太空，一切必須在密閉容器中自動完成。為此，項目團隊開發了多模態顯微成像系統，整合了明場、熒光與鐳射共聚焦等功能模態，並賦予其“自主搜索”的能力。通過智慧演算法，顯微鏡能在微米精度下自動搜索並定位懸浮在液體中的細胞，將其圖像回傳地面，由科學家遠端確認觀測目標。

　　精細操控，是第三重挑戰。在微重力環境下，氣體液體行為與地面差異很大。例如，細胞培養中的換液操作，在地面靠離心與傾倒即可完成，在太空卻需完全依賴機械自動化。團隊通過流體倣真與結構創新，設計出“緩慢推注擴散”式液體交換系統，以新液緩慢推動舊液，既完成更換，又避免損傷樣本。“每一個動作都要靠程式控制，儘量減少誤差。”張濤強調。

　　面對航太器空間與資源的約束，團隊提出“通用平臺+個性化單元”的設計理念。將顯微鏡、溫控、氣體控制等作為共用資源集中設計，而將不同實驗的個性化需求設計在外形結構標準化的實驗單元中。這種“共性集約、個性分離”的模式，在很大程度上優化了空間實驗資源。

　　目前位於空間站問天艙裏的“生物技術實驗系統”和“生命生態實驗系統”，正是在這一設計理念下完成，並成為國家級太空生物實驗室的核心組成部分。趙國屏院士評價其“為發現生命科學新現象、獲得生命規律新認知、發展新型生物技術等研究提供了技術途徑和解決方案。”

　　“實幹見物”書寫中國空間生命科學儀器新答卷

　　從“黑盒子”到“太空實驗室”，從單一實驗到系統平臺，中國空間生命科學儀器走過了一條從無到有、從弱到強的攀登之路。在問天艙的靜謐空間中，水稻抽穗、魚兒遊弋、細胞增殖——這些地球上司空見慣的生命圖景，在太空中成為科學的奇跡

　　自空間站問天艙入軌以來，科研人員持續運用相關係統進行空間生命科學的探索實驗，取得了令人矚目的科學成果：在國際上率先實現水稻“從種子到種子”全生命週期空間培養，為未來太空糧食作物種植提供了重要依據；創建43天密閉“魚—藻”水生生態系統，打破德國16天的世界紀錄，為構建長期太空生態迴圈奠定了基礎；構建國際首個“微重力—亞磁”複合環境實驗平臺，成功實現果蠅在軌傳代繁殖實驗。

　　一項項成果的取得，離不開太空生命科學儀器的堅實支撐。上海技物所團隊秉持“實幹見物”的務實精神，通過從方法論到裝備的全方位技術創新，成功完成了打造太空生命科學儀器系統的艱巨任務。

　　該團隊在生物再生生命保障、長期生態穩定性控制、微重力-亞磁複合環境構建、多模態自主顯微成像整合等多個領域進行了系統性的技術創新，實現並推動了空間特殊環境和航太器嚴苛工程約束條件下，空間生命科學前沿探索和系統研究的發展。

　　正如張濤所言：“仰望星空，我們的征途是星辰大海，但每一步都必須腳踏實地。”隨著我國空間站進入常態化運營，載人登月計劃穩步推進，更多的空間生命科學實驗將陸續展開，為深空探測、外星拓殖等領域生命科學研究積累技術基礎。

　　未來，無論是在月球基地還是火星營地，這些從太空中孕育的技術與知識，有望成為人類文明延續的重要支撐。而在這條通往星海的道路上，中國科學儀器研究人員正在用“實幹見物”的精神，書寫著屬於自己的“新天工開物”。