2016年4月6日凌晨1时38分，我国第一个专用的微重力实验卫星实践十号在酒泉卫星发射中心升空。在12天的太空旅程中，实践十号一共要完成19项有关微重力科学和空间生命科学的实验。其中，最受关注的实验项目之一便是观察小鼠早期胚胎在空间微重力和辐射等特殊环境下是否能够正常生殖。
4月18日，实践十号返回式卫星回收舱顺利回归。好消息也随之传来：小鼠早期胚胎在太空中顺利完成从２细胞到囊胚的全程发育。据悉，这是世界上第一次实现哺乳动物胚胎在太空发育。
小鼠胚胎微重力发育 史上两次尝试均失败
在实践十号的19项实验项目中，最受人瞩目的就是实践十号卫星科学应用系统副总师、中科院动物所研究员段恩奎等主导的于地面实时观测小鼠胚胎太空发育过程的微重力条件下哺乳动物早期胚胎发育研究。
据“实践十号”的首席科学家、中科院院士胡文瑞介绍，该研究将展示哺乳动物早期胚胎在太空环境下的发育情况，揭示太空环境下哺乳动物早期生命活动规律，为保障人类太空活动中生殖发育健康提供科学依据。
记者了解到，早在1996年，美国NASA曾在哥伦比亚号航天飞机上搭载了49枚小鼠2细胞胚胎，但等卫星回收后再观察，发现这些胚胎没有一个发育，此后国外没有再进行此类实验。
而在2006年，中国的实践八号卫星在主要完成航天育种实验的同时，顺带加上了段恩奎团队设计的小鼠胚胎发育的实验。当时的目标之一是建立一套太空的胚胎成像系统，争取看到胚胎在天上的情况；二是争取让小鼠胚胎在太空中发育。结果第一目标完成，照片顺利地传回地面，但第二目标未能实现。段恩奎认为，失败的原因之一是，小鼠胚胎是发射前32小时安置到卫星上的。在这32小时里，2细胞的胚胎还没上天就已经开始发育了。
实践十号：最佳的微重力实验环境
何谓“微重力”？说白了，就是失重。我们普通人对于失重的最明显体现便是游乐场里的过山车等带来的体感，或者电梯下行过程中也会造成某种程度的失重。
对微重力科学研究来说，长时间的高微重力水平是进行研究的一个基本要求。在这个环境中，浮力对流、重力沉降以及分层、静压力基本消失。但是让“力”消失并不是那么简单。以往，实现微重力环境可以在地面或者空中实现：北京中关村北四环以南建有中科院微重力实验室的百米微重力实验落塔，实验载荷从顶部做自由落体运动，但是毕竟高度有限，自由下落提供的微重力环境只能持续约3.6秒，而且每天只能进行2次实验。日本建造过全球最大的落井，其微重力持续时间也不到10秒。美俄等国家都拥有专用的微重力实验飞机，飞机在空中进行抛物线飞行，机舱内产生失重环境，根据飞行路径设计的不同，微重力环境可以持续20秒到30秒。但上述的微重力环境都不足以实现长期的微重力实验。
虽然有很多航天器在太空轨道运行，但并不能真正为一些“微重力”实验提供合适的实验环境，包括航天员在舱内一般性移动引起的过载、空间站进行轨道维持的过载、飞船对接产生的过载等，都会产生重力影响。此外，空间站自身体积已经十分庞大，再加上有巨大的太阳能板，也会对微重力实验造成影响。
相比于其它航天器，在轨飞行的实践十号微重力条件非常好：首先是它是无人飞行器，没有太空对接和人类活动的干扰；其次是它使用化学电池，有巨大的太阳能电池帆板，不需要展开太阳翼，造成的过载很小。因此它能利用轨道微重力环境进行19项空间微重力科学和生命科学实验，其中8项在留轨舱进行，11项在回收舱进行。
此外，它的机动性很高。就实践十号而言，可以根据科学实验的具体要求，直到发射前几个小时才将实验设备安装就位，尽可能缩短实验样品（特别是生物实验样品）在常规重力环境下的生长时间。
另外，微重力实验也并不是在天上呆的时间越长越好的，实验完成之后，对结果的分析必须在地面上进行。返回式卫星可以及时将样品送回到地面，这样的灵活机动性是空间站不具备的一大优势。
实践十号卫星发射重量小于3600千克，使用长征二号丁火箭发射，但它的返回舱可以携带高达600千克的载荷返回地面，对比50千克下行能力的神舟飞船，实践十号返回式科学卫星成本低微重力水平高，具有独特的工程和科学价值。
迷你培养箱+密闭培养体系使胚胎终于在太空发育
本月17日，研究团队在内蒙古乌兰察布市宣布，首次在太空中实现小鼠的胚胎发育，并在全球第一次于地面上看到了小鼠胚胎在太空发育的清晰照片。
这一结果令段恩奎兴奋不已，“为了这次实验，研究人员历经10年，用了几万枚胚胎做了上百次的实验。与10年前的太空实验相比，这次在技术上又有巨大进步。”
段恩奎介绍，要将地面上胚胎培养实验室搬到天上，就必须创新胚胎培养箱的设计思路，制造“迷你型”培养箱和电测箱。“我们的合作伙伴中科院上海技物所张涛研究员领导的团队硬是将一个庞大的地面实验室‘浓缩’为17公斤、只有小型微波炉大小的空间胚胎培养箱，并且具有显微摄影、实时捕获、自动聚焦、实时下传和样品遥控操作的固定功能，这是仪器研制的重大创新。”段恩奎说
此外还要避免携带庞大的CO2培养箱和混合气体钢瓶上天，段恩奎说这就必须研制出适用于太空研究的胚胎密闭培养体系，包括特殊的培养液、固定液、培养和固定技术，“我们与干细胞与生殖生物学国家重点实验室团队和西北农林科技大学马保华教授合作，重点完成了5项重要创新和技术改进，才保证了这次实践十号搭载的2细胞胚胎在太空可以发育。”而且以前一次能冷冻1到10个胚胎，现在能一次冷冻50到100个左右。
在卫星上天10几小时后，从发回的照片上，研究人员发现小鼠细胞开始分裂，发育过程就此开始。2细胞到4细胞，再到8细胞、16细胞。到60小时前后，有些已经发育成囊胚。
在实践十号上，安放小鼠胚胎的装置在19个载荷中属于最受保护对象。“它在发射前8小时最后一个装上卫星，以最大程度缩短在地面停留的时间；在转运及装载过程中要求不能断电超过20分钟，以保证它的状态，事实上仅断电了12分钟。另外发射前4小时要进行一次自动搜素显微成像。”段恩奎介绍。
进行发育实验的小鼠胚胎被分为4个单元，每个单元内有150个左右胚胎，卫星入轨后每4小时照相一次，记录它们的状态，直到96小时为止。“在72小时左右，2细胞胚胎就发育到囊胚，和地面上时间基本一致。”段恩奎说。
据介绍，发育成囊胚的胚胎如果没有及时在母体子宫着床，就会慢慢死去，所以这些小鼠胚胎无法回到地球继续生长发育。“如果将来有机会短时间就能回收这些胚胎，比如3天，也许就可以及时将它们植入母体，看能不能生下健康的小鼠，那将是更重大的突破。”段恩奎说。
“我们希望能为未来人类太空活动中生殖健康提供科学依据。”段恩奎说，人类能否在太空繁衍等谜团需要通过一系列严格的科学实验来一步一步解开，哺乳动物早期胚胎能够在太空实现发育只是解开人类太空繁衍众多谜团的第一步。
▉解密
微重力环境下物质与生命都有特殊规律
我们人类的绝大多数活动都在恒定的重力环境下进行，那么微重力的环境下进行实验的价值何在？实践十号卫星工程科学应用系统总师、中国科学院微重力重点实验室副主任康琦表示，在太空微重力环境下物质运动以及生命活动有很多特殊的规律，而实践十号卫星中所搭载的科学实验项目正是充分利用微重力环境的这些特殊性来开展科学实验。
据悉，实践十号进行的微重力科学研究，包括基础性研究和应用性研究，并带有鲜明的中国特色，例如“微重力下煤燃烧及其污染物生成特性研究”就是要利用微重力环境，揭示中国典型煤种的单个颗粒和煤粉颗粒群在流动解耦、传热传质各向同性理想状态下的着火、燃烧和污染物生成的基本规律，准确获得地面无法得到的一些基础数据，发展更完善的煤燃烧理论和模型；“微重力条件下石油组分热扩散特性的研究”将有可能改良人类目前的原油分布预测精度；“微重力条件下非金属材料燃烧特性的研究”则要观察微重力条件下材料着火的规律，并与重力条件下的燃烧进行对比，从而推动中国建立自己的航天防火规范。
康琦介绍，以实践十号科学实验项目中有关煤的燃烧实验为例，人类之所以要在太空中开展这种主要在地面应用的实验项目，是因为在地面进行的煤燃烧是一个多因素作用的结果，特别是浮力对流掩盖了许多燃烧的基本过程，而在太空中我们把重力因素排除之后，其燃烧机制和特点及物性参数的测量会发生怎样的改变，这些研究成果对于提高地面煤燃烧的效率是非常有指导意义的。
还有其中关于胶体和液晶的实验项目——胶体有序排列及新型材料研究。据中国科学院微重力重点实验室主任、实践十号卫星科学应用系统主任设计师王育人介绍，本次实验任务主要研究在空间中的胶体液滴蒸发过程和液晶相的形成过程。
由于在地面研究胶体体系有序—无序转变的过程中，会受到重力沉降、浮力对流等因素的影响，从而掩盖了其相变（物体形态之间的转变）过程中的物理本质。
日常生活中人们能看到许多胶体，如牛奶、烟雾等。胶体有很多独特的性质，但更特殊的性质在于它们的“自觉性”，即胶体的自组装能力：只在本身粒子的相互作用下，就能自然地聚集在一起，形成一种稳定的结构性排列，而无需外力干预。通常只要温度、光照等外部环境因素发生变化，胶体就会作出反应而发生这种自组装，因此它更容易形成大面积的有序结构。比如牛奶、水泥等的凝固。
但是由于在地面上胶体颗粒会受到重力沉降的影响或者是浮力对流的干扰，在这些影响下，人类无法准确认识其自组装行为的本质规律。而这些在微重力环境下，一切将迎刃而解。
除此之外，实践十号空间生命科学实验项目中，有关植物、动物以及现在医学界的研究热点——造血干细胞及胚胎发育的研究，对于未来空间科学的发展也具有深远的意义，比如人类在太空中进行长期的驻留、甚至是进行太空旅行、太空迁移，这些科学实验项目将提供关键性的科学依据。
(作者：王腾腾，南方日报驻京记者）【来源：南方日报】
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