太空生物課

□ 沈羨云

生物課，這門在高考中分值比例較低的課程，不像英語、數(shù)學、物理那樣得到學校和學生們的重視。但是，生物學這門與生命現(xiàn)象密切相關(guān)的學科卻一直是促進人類文明進步的主要力量。在20世紀，生命科學的迅猛發(fā)展，使人類數(shù)千年來的許多夢想逐一實現(xiàn)：優(yōu)良植物的培育解決了人類吃飯的問題、轉(zhuǎn)基因食品擺上了普通百姓的餐桌、基因方法已經(jīng)開始挽救患者的生命、克隆技術(shù)的重大突破已復制出很多“克隆”動物——生命科學技術(shù)和應用的飛速發(fā)展逐漸超過了其他學科的發(fā)展。在21世紀，生命科學將成為自然科學的帶頭學科，生物產(chǎn)業(yè)將成為全社會的產(chǎn)業(yè)支柱。在這種形勢下，如何為新世紀培養(yǎng)生命科學技術(shù)的研究人員關(guān)系到未來社會文明的發(fā)展。生物課可以從小培養(yǎng)學生們對生物學的興趣、學會探索生物的奧秘和立志今后從事生物學的研究，因此，上好生物課，培養(yǎng)孩子們對生命科學研究的興趣是關(guān)系到未來生命科學發(fā)展的重要因素。

國際空間站第29宇航組指令長邁克·福薩姆在國際空間站上講授太空實驗課

在許多國家，包括中國在內(nèi)，已經(jīng)不再局限于地面的生物教學，而將生物教學的實驗開設(shè)到太空。在航天飛機和國際空間站上都有一些專門裝實驗設(shè)備的實驗架，它們就像“超市”中的貨物架一樣，可以將需要進行太空實驗的設(shè)備安裝在上面。要在這個實驗架上取得一席之地是非常不容易的。在太空進行實驗，將自己實驗設(shè)備放到實驗架上是世界各國科學家夢寐以求的事，他們需要費盡周折，才有可能獲得這個難得機會。但是，為了對學生進行航天知識教育，培養(yǎng)學生們進行太空科學研究的積極性，各個航天大國毫不吝嗇地在這些實驗架上留下了一些小小的空間，供學生進行各種學科的學習和實驗，其中，進行最多的實驗是與生物有關(guān)的實驗，其中包括為學生開設(shè)的“太空生物課”。

漫長而艱巨的備課過程

要上一堂太空生物課可不像地面生物課那樣簡單，地面生物課的主角是生物老師，他們按照教學提綱的內(nèi)容備課，最多準備一些課堂演示教具和學生實驗用具就行了，接受教育的也只是他們所任課的學生，老師只要幾天的時間就可以準備好一堂生物課教學。可是，進行一次太空生物課教學，不僅要牽動很多人和單位，還要花費幾年的備課時間，受教育者是成千上萬的老師和學生。

國際空間站上的商用生物實驗裝置

太空教師上天前要接受長達數(shù)年的培訓

太空教師團隊，中間為第一位太空老師芭芭拉·摩根

太空生菜養(yǎng)植培養(yǎng)皿

首先，在幾年前就要根據(jù)教育目的和航天飛行條件、通過千挑萬選確定一堂“太空生物課”的教學內(nèi)容，將生物課的內(nèi)容列入太空計劃。然后，就開始為一堂“太空生物課”忙碌了，其中包括準備飛行中實驗條件和設(shè)備，確定和培訓地面教師和學生等工作。為了準備飛行中的實驗條件和設(shè)備，需要牽涉很多部門和研究單位，還要很多工程和科研人員來“加盟”，關(guān)于這方面的問題在此就不詳細敘說了，下面就談?wù)劷處熀蛯W生需要做的工作吧！

不同內(nèi)容“太空生物課”參加的學校和教師不同，也不是每個學校都有資格進行“太空生物課”教學。在確定進行某個內(nèi)容的“太空生物課”時，主辦單位，例如美航宇局和歐空局就要“張貼告示”，在所屬國，甚至國外征求參加此次活動的學校。當然，愿意參加“太空生物課”教學活動的學校非常多，主辦單位將按照制定的標準，就像挑選航天員那樣從這些學校中“左挑右選”，“層層過濾”，最后經(jīng)過綜合評定，才決定可參加此活動的學校。也有一些“太空生物課”是那些對航天實驗有著“奇思異想”生物老師，將自己的想法申報給主辦單位，得到他們的批準后，為學校爭取來的。被挑選上學校的教師和學生會感到十分榮幸，立即為上好這次“太空生物課”進行積極的準備工作。

要上好“太空生物課”，首先是挑選教師了。身為“太空生物課”的教師，不僅要有豐富的教學經(jīng)驗，還必須對航天實驗感興趣。對于這些生物老師來說，進行這樣的生物課教學也是第一次，他們即沒有這方面的理論知識，也沒有教學經(jīng)驗。因此，主辦方的首要任務(wù)是培訓教師。 為了準備每堂“太空生物課”，要召開多次教師培訓研討會。在研討會上，主辦方向教師們介紹太空的特殊環(huán)境、這些環(huán)境對生物的影響、地面和太空生物生長發(fā)育的基本原理和在這兩種環(huán)境下生物生長的差異，同時回顧和放映以前在太空進行的有關(guān)實驗，教會他們?nèi)绾芜M行太空生物實驗的操作。最后，在研討會上還要分發(fā)有關(guān)的地面實驗設(shè)備、教學材料。

“太空生物課”中的學生也不再是純粹的受教育者，而是太空生物實驗的主角，他們的年齡差異很大，從幼兒園的娃娃到12年級的學生都有權(quán)成為太空生物實驗的“研究員”。在進行太空實驗前，老師將自己在培訓班中獲得的知識傳授給學生們，放映有關(guān)太空實驗錄像以增強他們的感官知識，并分發(fā)實驗材料和教會他們?nèi)邕M行實驗。在根據(jù)他們的年齡為他們量身定制的“太空生物”課中，他們像真正的研究員一樣，參與“太空生物課”實驗的設(shè)計、操作、觀察實驗、進行結(jié)果分析和總結(jié)。每次“太空生物課”的內(nèi)容和得到的結(jié)果，都會編寫到今后太空教育的課本中，作為向更多學生傳授航天知識的教學課本。

國際空間站的航天員將苗圃園放到商用生物處理裝置里

國際空間站運行在地球上空380多千米的軌道上

在美國航宇局面向青少年的太空課程中，卡通人物“唱”主角

三堂“太空生物課”

在航天飛機和國際空間站上進行過多次的“太空生物課”教學活動，在此僅介紹一項在國際空間站“商用生物實驗裝置”上開設(shè)的三堂“太空生物課”。這個裝置是安放在國際空間站美國“命運”號實驗艙的實驗“貨架”上，它重32千克，體積51厘米 x 28厘米 x 46厘米，就像一個醫(yī)院用的急救箱。別小看這個箱子，它是美國生物服務(wù)公司專門為國際空間站實驗研制的，具有溫度可控范圍廣(4℃～37℃)、配有數(shù)據(jù)和圖像遙測系統(tǒng)可以遙控操作、放入不同容器可自動地進行多種生物實驗（例如，蛋白質(zhì)結(jié)晶、昆蟲行為、植物生長、卵的孵化、細胞培養(yǎng)等）等特點。在這個裝置中進行第一項任務(wù)的優(yōu)先權(quán)就讓位給學生，針對不同年齡的學生，開設(shè)了三堂“太空生物課”。這三堂“太空生物課”是一系列美國1年級～12年級太空教學計劃的一部分，由美國科羅拉多州博耳德大學的空間技術(shù)生物服務(wù)部提出，該計劃通過國際空間站下傳數(shù)據(jù)和影像，經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)直接傳輸?shù)浇淌遥瑸閷W生們提供學習太空知識的機會，此計劃規(guī)定每學年中要進行多次小型的太空教育實驗。為了配合這些實驗，主辦方還出版了國家標準的基礎(chǔ)課程教材，包括教師備課手冊、學生課本、課堂補充實驗教學課本，以確保參與的學生盡可能地從中獲得更多的知識。

國際空間站種子實驗

美麗的秀麗隱桿線蟲

國際空間站上的生菜種植

學生們在上植物課時，老師首先會傳授有關(guān)種子發(fā)芽生長的知識，會告訴學生們植物的生長過程是受一些環(huán)境因素影響的，其中包括光照、溫度、土壤水分、空氣濕度和重力。對于前幾種影響因素學生很容易理解，只要在地面種植一些植物就可以了。對于重力的影響，似乎也沒有什么問題，因為地面植物的根總是朝下生長的（稱之為向重性），莖和葉卻總是朝向光（向光性）。如果沒有重力，植物的生長會發(fā)生什么變化呢？在地面上是無法回答這個的，在地球上任何地方都有重力，在進行太空植物實驗前，連科學家也不知道。為了使學生們了解重力對植物生長的影響，在國際空間站“商用生物實驗裝置”中進行的第一項實驗就是“國際空間站種子實驗”，這個裝置配有8個容器，可進行不同的實驗。其中有一個叫孵卵器的容器是專門為學生進行生物課學習用的小培育室，學生們可以將小植物和動物放到里面，觀察它們在太空微重力環(huán)境下的生長和發(fā)育。

“國際空間站種子實驗”是專門為三年級小學生開設(shè)的，希望通過這節(jié)課，使小學生了解在沒有重力情況下植物生長的特點和過程，培養(yǎng)他們對生物研究的興趣。這次上天的種子只有4粒：兩粒蘿卜籽，兩粒苜蓿籽。為了減輕飛行中航天員的負擔，工程師們?yōu)閷W生設(shè)計了一個十分巧妙的裝置，可以不用航天員操作，自動地進行實驗，航天員的任務(wù)只是在航天飛機與國際空間站對接后，將發(fā)芽用的小容器實驗裝置轉(zhuǎn)移到國際空間站的商用生物處理裝置上。實驗裝置是這樣的：種子是種植在一個被稱為苗圃園的實驗裝置里，苗圃園有4個像玻璃管一樣的小容器，容器的下半部分充滿了供植物生長的植物凝膠，這些植物凝膠足以供給種子兩個星期發(fā)芽和生長需要的水分和養(yǎng)分。植物凝膠的上方是一個4個倒掛的、稱之為點播器的圓柱形小尖錐，每個點播器上有兩個洞，種子就藏在這個小洞里。正式實驗前，小尖圓錐位于植物凝膠的上方，使種子處于干燥狀態(tài)，不會發(fā)芽。在進行太空實驗時，小圓錐下落，它的尖頭穿透植物凝膠上面的覆蓋膜，整個小圓錐落到植物凝膠里，種子獲得水和養(yǎng)分1-2天后就開始發(fā)芽了。這個裝置里還有小的發(fā)光二極管燈可以提供植物生長需要的光源。裝置里的小型攝像機將種子發(fā)芽和幼苗生長全過程拍攝下來，通過互聯(lián)網(wǎng)（網(wǎng)址：http://www.ncsu.edu/project/agronauts）將有關(guān)的實驗數(shù)據(jù)和拍攝的圖像發(fā)送給地面參加實驗的學生們。學生們在地面的教室里進行同樣的實驗，因為可以自己進行操作，種子發(fā)芽的裝置就簡單多了，用的是一個裝有植物凝膠得普通培養(yǎng)皿。學生們每天比較上天種子和教室中種子發(fā)芽的時間、莖和根生長的方向、莖和根長的長度，還將這些指標畫成曲線圖，這樣一目了然地就可以看出上天種子和地面種子的差別，得出重力對它們有多大影響的結(jié)論了。

太空線蟲實驗

家蠶實驗

太空種子發(fā)芽實驗的苗圃園

學生實驗用的培養(yǎng)皿

這項實驗的教學對象是6年級～9年級的中學生，上天的是一種名叫秀麗隱桿的線蟲。說起線蟲，人們的腦海中立即會浮起令人作嘔的蛔蟲和其他有害人體的線蟲，但秀麗隱桿線蟲例外，它是一種可以獨立生存的線蟲，即不靠寄生生活，也不會使其他生物致病。它們生活在土壤中，以微生物和腐爛的生物碎片為食，被稱為“自由線蟲”。這種線蟲的個頭很小，成蟲才長1.5毫米，只有在顯微鏡下，才能清楚地看清它的“廬山真面目”。正如它的名字一樣，秀麗隱桿線蟲是一種名副其實的美麗生物：它通體透明，對稱的身體猶如少女般纖細柔滑，在顯微鏡下宛如春風楊柳般地輕輕擺動；身體中充滿體液，可以一覽無余地看到每一塊肌肉的收縮與松弛，并隱隱地散發(fā)出夢幻般的光芒；觀察它進食時，可以清楚地看到細菌被一口吞下后通過整個消化系統(tǒng)的過程，就像在看舞臺上鮮活的戲劇。秀麗隱桿線蟲因其壽命周期短、廉價易培養(yǎng)、子代數(shù)目多、細胞數(shù)目簡單、遺傳背景清楚等優(yōu)點成為實驗研究的優(yōu)秀“模特兒”，也成為太空實驗的“寵兒”，曾多次上天，為航天醫(yī)學研究做出貢獻。這次實驗也被“看中”，作為“太空生物學”教學實驗的“模特兒”，目的是讓學生們研究太空微重力和輻射環(huán)境對秀麗隱桿線蟲生長、發(fā)育及其后代的影響。

在國際空間站第14宇航組～15宇航組駐守國際空間站期間，實現(xiàn)了這堂生物課教學。該實驗使用了兩種類型的秀麗隱桿線蟲，第一種是在自然環(huán)境下生長的野生型線蟲，利用它們進行微重力對線蟲生長發(fā)育和后代影響的研究；第二種是均衡型線蟲，這種類型的線蟲可以出現(xiàn)突變，但不會出現(xiàn)致死性突變，主要研究太空輻射對它們的影響。每種線蟲都分成兩組：地面對照組和太空實驗組，比較兩組的差別就可以了解太空微重力和輻射的影響。

太空豌豆種植

太空的兩種線蟲先放在一個有培養(yǎng)基和無菌的氣體交換容器中，然后放到商用生物實驗裝置中，為了保證它們可以持續(xù)地繁衍，一個月左右這個裝置會自動地將它們轉(zhuǎn)移到新的居所。太空線蟲的生長情況，被裝置中的攝像機拍攝下來，通過互聯(lián)網(wǎng)及時地傳給地面的學生。在進行太空實驗的同一天，地面的學生也開始進行對照組實驗。學生們仔細觀察和記錄了這兩組線蟲的生長過程和繁殖后代的情況，比較兩組的不同就可以了解太空生長環(huán)境對小蠕蟲的影響。在這個實驗周期結(jié)束的時候，學生們將他們的結(jié)果上傳到互聯(lián)網(wǎng)，與參與這個計劃其他學生的研究結(jié)果進行比較。一旦實驗完成，整個計劃將會被存檔，并且通過他們教室內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)給其它教育家提供有用資料。

繁忙的空間實驗室

太空種植的水蘿卜

秀麗隱桿線蟲是個“短命”的動物，在實驗室20℃的條件下，僅能活2周～3周，從出生到性成熟僅3天半，在國際空間站6個月的飛行中就繁殖了20代，因此很適合進行太空飛行對動物后代影響的研究。學生們比較的結(jié)果是太空飛行組和地面對照組差別不大，得出的初步看法是6個月的飛行對秀麗隱桿線蟲生長發(fā)育和后代影響不大，但還需要進一步細致研究和觀察更長時間飛行的影響，才能得出準確的結(jié)論。

太空環(huán)境對種子的影響

在未來的星際飛行中，航天員將長期生活在太空，或生活在其它星球上，航天員不能像以前那樣依賴于他們的“地球母親”供給食品了，他們必須自力更生地解決吃飯問題，必須在航天器或其它星球上種植植物和養(yǎng)殖動物來填飽自己的肚子。在這種情況下，帶來的一個很大問題是太空輻射，太空輻射會不會引起種子的變異而影響植物的生長發(fā)育呢？這是科學家們一直在探討的問題。國際空間站是研究這個問題的好地方，種子可以長時間地放到空間站站上，接受太空輻射的作用。利用國際空間站這個獨特的環(huán)境，也為學生們開設(shè)了一堂“太空環(huán)境對種子影響”的生物課實驗。

實驗是這樣安排的：將蘭花、馬拉西亞紅檀木及花梨木樹種帶到國際空間站上，這些種子暴露于為期約6個月的太空環(huán)境里，地面也準備了同樣的種子作為對照組。當這些太空種子被送回地球后，進行了不同的分配：蘭花種子與對照組的種子種在實驗室中，而“上天”和地面對照組的馬拉西亞紅檀木種子被分給馬來西亞的學生，讓他們種植，通過觀察、分析，地面種子和“上天”種子發(fā)芽、生長和后代的影響，就可以了解6個月的太空環(huán)境對種子本身有何影響了。

“太空生物課”的影響面十分廣，例如，線蟲實驗就有5000多名美國6年級～9年級的中學生和幾千名馬來西亞的學生參與。這些學生實驗的情況和影像都被編成航天青少年教育的課本，影響更多的學生。“太空生物課” 加深了學生們對生物基礎(chǔ)理論知識的了解，而且激發(fā)了他們對進行生物學研究的興趣和能力，其中很多學生很可能成為未來的生物學家。不僅如此，科學家們對學生實驗的結(jié)果也十分感興趣，一些學生實驗其實也是他們科學實驗的一部分，學生們不僅自己學到更多的知識，而且也直接為太空生物學的研究作出貢獻。

國際空間站第23宇航組的美國航天員T.J. Creamer正在打理種植工作