什么是空间生物学的微重力

‘壹’ 宇宙生物学的介绍

早年称为宇宙生物学(Cosmobiology)，近年改称空间生物学(Space Biology)或空间生命科学(Space Life Science)。是在宇宙进化的框架下研究生命起源进化及分布的新兴学科。自然界的全部宏观和微观秩序，都是在重力作用下建立的，地球上一切物质的内在结构和外在位置关系，无一不受重力的影响。一切生命的起源、发展、进化和消亡，都是在地球重力场中进行的，重力对生命活动及生物发育、成长和机体功能有重要影响，经过亿万年的进化过程，已适应了地面环境，重力对地球上的生命起着支配作用，它已渗透到我们的思维之中，要想摆脱重力是很困难的。一旦重力消失，处于微重力环境下时，生物体包括动物、植物、微生物和人的正常生长发育过程，生理和心理状态，将会发生哪些变化，将如何生存和繁衍，如何利用微重力环境造福人类，就成了微重力生物学的主要研究内容。在空间除了微重力环境之外，还有辐射效应等作用，因此，宇宙生物学也称为空间生物学。

‘贰’ 什么是微重力场

微重力为失重状态下物体受到的重力.
正常的重力场就是近地面的物体受到的吸引力的空间
就像磁场一样是一种非接触力

所以微重力场就是相对于地球来说远离地面的环境下或失重状态下物体受到重力的空间

‘叁’ 天舟一号：微重力环境下胚胎干细胞生存命运有何不同

编者按：

即将发射的天舟一号，除了要与天宫二号交会对接、实施推进剂在轨补加，还要开展一系列空间科学实验和技术试验的任务。

中国科学院空间应用工程与技术中心是载人航天工程空间应用系统的总体单位，代表中国科学院抓总负责载人航天空间科学与应用任务的规划、实施及成果产出与推广，具体承担工程研制的组织管理，系统设计、集成、测试，可靠性保障，在轨技术支持，有效载荷运控管理，数据获取及应用成果的推广服务等系统技术支持、支撑、保障、服务工作。

在此特别感谢中国科学院空间应用工程与技术中心的支持！

4月中下旬，我国首艘货运飞船天舟一号将发射，并将与天宫二号对接。

已经进入良好运转状态的天宫二号，是我国打造的第一个空间实验室。而天舟一号虽然是货运飞船，但仍然搭载了不少科学实验。其中一项就是中国科学院动物所段恩奎团队负责的“微重力环境下胚胎干细胞培养实验”项目。

干细胞生物学是21世纪瞩目的研究领域之一，是组织工程和再生医学研究的上游学科。干细胞的重要功能是维持和控制细胞的再生能力,它具有自我更新复制能力和多分化潜能，它可分化为多种组织细胞类型。

空间微重力效应是否影响干细胞增殖和分化？能否利用空间微重力独特的条件开展干细胞大规模扩增和组织工程构建呢？这些问题是目前空间生物学研究的前沿和热点的问题。

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‘肆’ 微重力和失重有什么区别

在宇宙空间不存在绝对的失重状态。微重力是指受到的重力作用很小，但仍然受到不同方向、不同大小的引力作用，如人造地球卫星，就仍然受到来自地球、月球、太阳的引力作用，其中来自地球的引力作用最强，所以卫星依然围绕地球运转，其受力是平抛运动的惯性力和地球引力的矢量合成。即使是旅行者号探测器，在向太阳系外运行的过程中，也受到来自太阳和附近大行星的引力作用。而失重是指完全不受力的作用，完全依靠自身的惯性力运动，这在充满物质的太空中是不可能的。

‘伍’ 微重力和高真空是什么意思

微重力是指物体所受重力水平很小的时候的一种状态。高真空是指压力很小的一种状态。它们两个都是可以量化的。

微重力环境是指在重力的作用下，系统的表观重量远小于其实际重量的环境。

由于太空和地球表面环境有很大的不同，地球表面为1G重力环境，而太空处于真空状态。在太空生活与工作的航天员，由于要长期处于这种微重力环境，吃、穿、住、行等都要适应这种状态。

传统意义上的高真空是指的以上所说，但是真正意义上的真空是不存在的，因为就目前人类的科学技术来说人类是不可能制造绝对真空环境的，因为无论人类应用怎样的高科技都不能把一个容器抽的达到什么都没有。容器本身也会由于扩散现象导致无法达到绝对真空状态。

(5)什么是空间生物学的微重力扩展阅读：

在“真空”中，声音因为没有介质而无法传递，但电磁波的传递却不受真空的影响。事实上，在真空技术里，真空系针对大气而言，一特定空间内部之部份物质被排出，使其压力小于一个标准大气压。

真空常用帕斯卡或托尔做为压力的单位。目前在自然环境里，只有外太空堪称最接近真空的空间。

在地面获得微重力（mg）的手段主要有落塔或落井（（1~10)s的mg时间，（10e-4~10e-6）g的mg水平）、抛物线飞行的飞机（20s左右的mg时间，10e-2左右的mg水平）以及各种空间飞行器(数天~数年的mg时间，10e-4g的mg水平）。

高真空技术应用范围很广，主要应用一下几个方面：

1、原子能工业：核燃料元件制造。

2、理化机器工业：电子显微镜、表面分析仪器、质量分析仪器、粒子加速器。

3、金属材料工业 ：金属蒸镏、钢化脱气、真空感应熔炼、真空电弧熔炼、电子束焊接、真空热处理、真空渗碳、离子氮化、碳氦共渗、真空烧结、真空制粉、真空纳米金属制粉。

4、电子电器工业：电子管、真空开关、蒸镀、真空浸渍、真空气相干燥。

‘陆’ 我们经常听说在空间站中物体是失重的,但又说有微重力,微重力是怎样产生的.

征服宇宙是人类永恒的梦想.随着国际空间站的建成,太空假期也成了最前卫的旅程.但在你做一切准备之前,首先来学习一个名词：微重力状态.
当一切物体在进行航天飞行时,它们的重量都不见了,这种现象称为“失重”.其实完全失重是一种理想的情况,在实际的航天飞行中,航天器除受引力作用外,不时还会受到一些非引力的外力作用.例如,在地球附近有残余大气的阻力,太阳光的压力,进入有大气的行星时也有大气对它的作用力.根据牛顿第二定律,力对物体作用的结果,是使物体获得加速度.航天器在引力场中飞行时,受到的非引力的力一般都很小,产生的加速度也很小.这种非引力加速度通常只有地面重力加速度的万分之一或更小.
为了与正常的重力对比,我们就把这种微加速度现象叫做“微重力”.其实,航天器即使只受到引力作用,它的内部实际上也存在微重力,这是因为航天器不是一个质点,而是一个具有一定尺寸的物体.
失重现象看到或知道的人不少,但是微重力环境是一种很有价值的资源,知道的人可能就不多了.众所周知,在地球上,任何物体都受到重力作用,生产过程、物理现象、化学变化、生命生理活动都不可避免地要受到重力的影响.如在地球上,重力给材料加工制造带来许多不良影响,如重的沉在下面,轻的浮在上面,使材料质地不匀,产生分层现象.又如,加温时,冷暖空气因为比重不同会产生对流,因而难以生产出高质量的晶体.
但在空间站,在航天飞机和人造卫星等航天器的微重力环境中,生产过程和生命活动都不受重力影响（或影响甚微）,这样就能够生产出地球上无法生产的新材料、新产品,培育出地球上没有的新物种.例如,在微重力状态下,没有重的下沉、轻的上浮现
象和冷热空气的对流,因而可生产出质地均匀纯净的新材料、晶体和新药物；在微重力状态下,冶炼不需要容器,因而可避免高温冶炼给材料带来杂质和污染；在微重力状态下,液态重金属的表面张力很大,因而能够生产出非常标准的球体如滚珠等；微重力状态对生物的生长发育有明显的促进作用,能培育出优良物种.

‘柒’ 怎么理解诱人的微重力资源

虽然浩瀚无边的太空令人生畏，但它又有丰富的自然资源有待开发。利用空间运行的微重力现象可以完成地面上难以完成或根本做不到的事情。目前，微重力科学研究主要分为三个领域，分别为微重力物理学、微重力材料科学和微重力生命科学。

（1）微重力物理学

微重力材料学的基础是微重力物理学，在空间进行材料科学研究和材料的加工制造以及生物学的研究都必须以微重力的基本物理规律为指导。到目前为止，可归纳出如下微重力条件下的基本物理规律：

①自然对流现象基本消失。在这种情况下液体表面温度和物质成分的差别成为引起某种对流现象的主要原因，其扩散过程成为物质传递的主要过程。

②在液体中由于物质密度的差异引起的沉浮和分层现象消失。在地面条件下，液体中重的成分沉入底部，轻的物质浮在上面是司空见惯的现象，而在微重力条件下这种现象就见不到了。

③液体的表面张力显得特别重要和突出。物质的浸润现象和毛细现象加剧。例如液体在无容器的情况下聚成球形浮在舱中，利用毛细材料的毛细现象可制成各种有用的液体储存和运输装置。

④流体没有静压力。在微重力环境中，作用在一个物体上的力与地球环境下完全不同，物体在空间可以随意停留，液体中的气泡可以集聚在一起，固体与液体交界可以完全润湿。

⑤燃烧现象也与地面大不相同。在微重力条件下，火焰的形状发生变化，火焰不是像在地球上的舌形，而是球形，火焰的面积变大。由于空气中的氧只有通过扩散才能向燃烧区补充供给，燃烧的速率比地球上要慢得多。如果通过扩散而不能补充氧气时，火焰就将自行熄灭。

（2）微重力空间环境中的加工

资料表明，空间加工和生产新材料的活动是近些年进行最多的生产活动。人们已经在太空对电子技术使用的半导体材料、用于输送电力的超导材料以及电子计算机应用的磁性材料、记忆材料和遥感测量用的红外敏感材料等进行生产加工，对地面条件下难以混合的合金材料、金属、泡沫多孔材料和复合材料等的研究也已经得到了意想不到的结果。

（3）微重力环境的生物和生命科学

众所周知，地球上的生物都是在重力环境中发育、成长的。所以，重力对生物的生命活动现象有重要的影响。

微重力环境的生物学主要是研究微重力条件以及空间辐射单因素或复合因素对生物正常功能的影响，从而可以开辟一条新的揭示生物机理本质的途径。目前，科学家在载人航天器上对包括动物和植物在内的多种生物进行了实验研究，证明绝大多数情况下，由微重力条件返回到重力条件时，生物又进入正常的发育轨道上来，其中发生遗传变异的只有少量的生物。也就是说虽然生物在微重力环境中的机体变化有可逆性，但生物的遗传特征将不一定再有可逆性。人们对在微重力环境中生存的生物体遗传性研究产生了广泛的兴趣。

此外，微重力不但对生物生长过程有影响，而且还对生物机体形状和功能有影响。地面上的植物一般将80％的能量用于茎的生长；而在微重力条件下温室中生长的植物茎很短小，但叶子更加繁茂，果实更为丰硕。

知识点

空间生命科学

空间生命科学是研究宇宙空间特殊环境因素（如真空、高温、低温、失重和宇宙辐射等）作用下的生命现象及其规律的学科。广义地说，它包括空间生物学、空间生理学、空间医学和空间生物工程学等。它属于空间科学和生命科学的边缘学科，也是空间科学领域内最新形成的一个分支学科。

‘捌’ 空间生命科学的基本概述

研究宇宙空间环境中的生命现象及其规律的学科。属空间科学和生命科学的边缘学科。20世纪40～50年
代，人类进入高空气球和生物火箭试验阶段，即利用气球和火箭进行空间生物学试验，探索、研究在地球高层大气中的宇宙辐射、失重、加速度、噪声和振动等条件下的生物效应。60年代是生物卫星和载人飞船的试验、研究阶段，载人航天的实现，使研究从理论性探讨进入实践阶段，为了保障人在空间环境中的生命安全，促进了空间医学、空间生理学、空间心理学和空间医学工程的发展，同时积累了人在宇宙空间活动的必要知识。70年代开始，进入了建立空间站和对行星进行实测的阶段，使得人们能长期在宇宙空间环境中正常活动。在空间时代，人类和生物在宇宙空间中的活动成为现实，从而产生了相应的研究领域——空间生命科学。 人类要想在宇宙空间中长期生存，对宇宙空间进行开发，就需要研究解决一系列空间生命课题。如失重、真空、宇宙辐射、高温（或低温）等宇宙环境因素对生命过程的影响。30多年来的探测、研究表明，失重
对生物系统的作用机理主要表现为生理适应反应，失重在生命过程的不同水平上产生不同的影响。宇宙辐射对生物机体有很大影响，必须通过各种实验测出不同类型宇宙辐射的生物学效应。生物的种类、机能状态、组织、部位和细胞种类和分裂周期状态等对辐射有不同的效应。高真空和极端温度对空间生命的生存有直接作用，是空间生物学研究的主要对象。人在宇宙空间长期活动造成的生理变化也是生命科学研究的重要课题。 空间生命科学的发展与空间技术的进步密切相关。它的研究历史大致可分为：高空气球和生物火箭试验阶
段，生物卫星和载人飞船的研究阶段，空间站和行星探测阶段。高空气球和生物火箭试验阶段，大约从第二次世界大战结束（1945）到50年代末。此阶段的主要特点是大量使用气球和火箭进行空间生物学实验，研究在宇宙辐射、失重、加速度、噪声和振动等条件下的生物效应，为下一阶段的载人航天飞行作技术准备。图为携带小狗“莱卡”的苏联卫星2号。 主要研究宇宙空间环境因素，如失重、宇宙辐射、真空、高温（或低温）等对生命过程的影响。宇宙辐射
的生物效应，是指宇宙辐射对活机体的影响。它不仅在理论上，而且在载人航天实践上也有重要意义。尤其在长期载人航天中，重粒子的累积效应及其对神经元的损伤作用特别值得注意。高真空和极端温度对空间生命的生存有直接作用，也是载人航天中不可忽视的环境因素，因而都属于环境生物学研究的对象。研究宇宙空间环境中各种因素影响生物体功能的一般规律性的学科。重力生物学和等已从空间环境生物学中分化出去，成为独立的分支学科。空间环境生物学的主要内容包括宇宙辐射生物效应、高（低）温生物效应、真空生物效应、应激、复合效应等。宇宙空间主要有两种辐射，即粒子辐射和太阳电磁辐射。通常又将辐射粒子分成轻核和重核。轻核包括氢原子核（质子）和氦原子核（粒子），重核指原子序数大于2的元素的原子核。和中的粒子，大部分属于轻核，重核的数量较少。 简单生物对高、低温的反应的一般特点是：①在一次相对高的温度作用后微生物仍能生长，但重复多次相同的高温作用，会引起微生物的死亡；②温度很低能够抑制微生物的繁殖，但如结合细胞脱水，则可延长其生存；③温度缓慢下降时，某些细菌会在－5℃下生长，如快速从30℃下降至0℃，则会引起一些细菌的死亡；④低温下细胞干燥，不会使整个细胞群完全死亡，其死亡率随细胞种类不同而不同；⑤微生物因温度变化引起周期性发展的复苏状态，对其随后的代谢能力、生长以及繁殖没有影响。除以上一般反应外，低温（－75～－273℃）有以下特殊生物效应：①不少细菌、酵母菌、霉菌、藻类、原虫、蠕虫、昆虫和人类的精子，以及部分高等植物的种子，能够经受－190℃低温的作用；②一些细菌在
接近绝对零度（－273℃）的条件下，仍能生存，显示它们对极端温度环境的特别稳定性；③地球上的微生物在很低温度的宇宙空间或行星上没有死亡的事实表明，宇宙间的低温没有杀菌作用；④企鹅和北极熊等动物所以能在－20～－50℃的环境中生活，是因为这些恒温动物即使在上述环境中仍能产生大量热量，保持其生长和繁殖等生理功能的正常进行。高温也有其特殊生物效应。生物对高温的耐受力差异很大。生活在南极地带2℃水中的鱼，会在6℃水中死亡；大多数无芽胞的细菌将在60℃条件下10分钟内失去生命力，而带有芽胞的细菌在干燥消毒时，通常在150～160℃下尚能承受30分钟，在120℃下高压消毒1小时便会死亡。一般来说，温度愈高，细胞死亡愈快；细胞所含水分愈少或愈能经受干燥的不良条件，则愈能耐受高温。微生物对高温的抵抗力受许多因素的影响。这些因素包括：细胞总数、细胞发育阶段、培养基成分、细胞含水量及静水压等等。低温和高温的上述效应对行星的检疫、飞船的消毒均具有一定的指导意义。 主要研究空间失重因素对生物的影响，这是载人航天中遇到的重要课题。30多年来的空间生命科学研究表
明，失重在生命过程的不同水平上产生不同的影响。已初步证明失重环境中动植物细胞的代谢水平和发育生长过程有一定的变化，但较为轻微，结果也不太一致。普遍认为，重力因素主要影响较高水平的机体功能、较复杂的器官和系统以及整体活动。在适应地球重力场过程中发展起来的骨骼肌肉系统、心血管系统、尤其是中枢神经系统和大脑功能受到严重而持久的影响。研究生物进入宇宙空间后，重力因素（主要是失重）对生物影响的学科。自从有生命以来，生物一直生活在地球表面引力环境中。在实现了人造卫星绕地球作轨道飞行后，才遇到较长时间的失重问题绕地球作轨道飞行引起失重是因为物体加速到第一宇宙速度（7.9公里/秒）时，所产生的惯性离心力与地球引力大小相等，方向相反，互相抵消，物体就失去重量，处于失重状态。实际上，由于惯性离心力与地球引力不能完全相等，因此严格地说，生物是处于微重力状态，即在零到千分之几G的范围内波动。 失重下的大白鼠气体代谢明显低下。失重后再适应的第一天，水负荷没有什么变化。但在失重状态下的动物水负荷实验后，随着尿排出的Na（比处于人工重力条件下的和地面对照的动物排出的要多。在再适应的第二天给动物K（负荷，K（排出比处于人工重力条件下的要多，也比地面对照组多。大白鼠肾单位功能没有任何变化，电解质代谢的变化是机体代谢总变化的结果，首先是肌肉系统代谢的结果。狗经22天失重飞行，体重减轻，血清中总蛋白质量降低，白蛋白相对降低，血中胆固醇量增加。航行后返回地面5～7天内，大白鼠的肾上腺比对照组重量增加。肾上腺皮质酮浓度比对照组高，肾上腺皮
层束状带细胞核容积增大，脂肪减少，这种变化是返回和着陆后急性应激反应的结果。此外，还发现改变儿茶酚胺合成速度的酶的活性比对照组高。失重初期，狗的心率有短时的加快（约加快30～40次/分）。这与进入失重前加速度作用有关，以后逐渐下降，但心率恢复到原来水平的时间相当于地面时的3倍。对心率进行最大及最小参数比例的差异分析，可以看到失重时有的动物交感神经占优势，有的副交感神经占优势。血压在失重初期也升高约10～60毫米汞柱，以后逐渐下降。失重初期，心电图可出现R波和P波幅度增高，这可能与动物体位改变有关，以后随着副交感神经作用增强，R波和P波幅度也下降。在失重时，心脏的兴奋性和传导性功能没有非常重要的变化。还可看到经19.5天失重，心肌球蛋白、三磷酸腺苷酶的活性降低。肌浆蛋白的含量增加。 大白鼠经22天失重飞行，蝶状肌、腓肠肌、大腿四头肌、肩二头肌等重量都减轻，肌纤维变薄，细胞核增多，电子显微镜检查线粒体有变化，神经肌肉末稍也有变化。失重后第2天，后腿部肌肉组织的O2摄入量（ΔO2）和无机磷吸收量（ΔP）都较对照组和模拟舱组明显下降（下降40～50%），P/O2之比保持不变。失重后第26天，ΔO2和ΔP与对照组和模拟舱组比较，没有什么异常。以上结果说明失重时会引起肌肉细胞能量下降，但返回地面后过一段时间就可以恢复正常。由于失重所产生的功能负荷不足还表现在骨骼的变化上。失重时，大白鼠的大腿骨骨膜组成降低，海绵状部分变松软。在接近软骨极区的松质面积减少，骨组织矿物质形成减慢，钙代谢加强，骨硬度降低，机械强度下降30%。失重时，钙、磷、氮等物质排出量增加，人体氮的损失每天可达4.5克，六个月的失重可损失身体全部钙量的2%。猫在失重时姿势反射消失。大白鼠在失重时从空中掉下来不会翻转。失重初期，动物不能正常行走和维持姿势。失重时，测量蛙的第八脑神经单个纤维电位变化，发现神经冲动的发放呈周期性。在失重的头24小时，神经冲动的发放率明显减少，以后又突然增加，如此反复，直至渐趋正常。没有疑问，失重时前庭器官在活动性方面是有变化的，但经过100小时以后，可以慢慢地调节到正常状态。