“國際空間站”的十大研究成果

從遠(yuǎn)古時(shí)代開始，人類對宇宙的探索從未止步，不斷產(chǎn)生新的發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)造新的奇跡。與此同時(shí)，探索未知世界還為人類帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)財(cái)富、新的資源，并且催生一批先進(jìn)技術(shù)。在載人航天領(lǐng)域也是如此，由于“國際空間站”（ISS）的建設(shè)、運(yùn)行和發(fā)展，為人類帶來了一批新技術(shù)和新成果。2013年9月在北京舉辦的第64屆國際宇航大會上，美國航空航天局（NASA）“國際空間站”實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家朱莉·羅賓遜（Ju lie Robinson）博士回顧了“國際空間站”取得的一系列科學(xué)成就，并且總結(jié)了其中最重要的十大科學(xué)成就。

第十：通過飲食和鍛煉預(yù)防在太空中骨質(zhì)流失的發(fā)生

航天員在太空環(huán)境下會出現(xiàn)骨質(zhì)流失的現(xiàn)象，該問題在“國際空間站”的首飛任務(wù)中就被發(fā)現(xiàn)了。對于這個(gè)問題的研究從未間斷，并在近幾年達(dá)到了頂峰。在早期研究中，發(fā)現(xiàn)“國際空間站”航天員的骨密度流失率達(dá)到了每月1.5%。這個(gè)數(shù)據(jù)是非常驚人的，相當(dāng)于更年期女性1年的骨質(zhì)流失量。

早期“國際空間站”的研究人員在確定了流失率之后，發(fā)現(xiàn)鍛煉有助于緩解骨質(zhì)流失的程度。科學(xué)家們隨后開始尋找通過飲食和鍛煉預(yù)防骨質(zhì)流失的方法，并且不斷升級鍛煉的器械。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，通過一定周期的高強(qiáng)度阻力鍛煉，輔以一定劑量富含維他命D的配餐，在太空生活過的航天員返回地球時(shí)不會損失大量的骨密度，這是解決方案之一。這種方法出現(xiàn)在“雙子星座”任務(wù)之后，解決了人類在外太空長期生活的關(guān)鍵問題。

通過這項(xiàng)研究，我們能夠更好地理解，在日常生活中伴隨著人類的衰老，骨密度是如何發(fā)生變化的，以及如何避免由衰老引發(fā)的類似在太空這樣情況的發(fā)生。今后，當(dāng)婦女被診斷出患有骨質(zhì)疏松癥時(shí)，醫(yī)生就可以告訴她們：“不用緊張，保持樂觀的心情好好鍛煉，規(guī)范飲食就可以了。”雖然目前將“國際空間站”上的研究成果應(yīng)用在地球上的人類尚需時(shí)日，但這仍然是一項(xiàng)非常有前景的骨質(zhì)疏松癥解決方案。

第九：理解骨質(zhì)疏松癥的機(jī)理以開發(fā)新的治療藥物

“國際空間站”的第九項(xiàng)研究成果與第十項(xiàng)成果密切相關(guān)。AMGEN制藥公司在“國際空間站”上對小白鼠做了一系列實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)主要是研究空間環(huán)境對骨骼健康的影響，以及相關(guān)的治療藥物效果。這項(xiàng)研究被稱為商業(yè)生物測試模塊（CBTM），主要是驗(yàn)證骨保護(hù)素在微重力環(huán)境下對骨細(xì)胞骨基質(zhì)維持效果。研究結(jié)果顯示，經(jīng)過骨保護(hù)素治療的小白鼠，比未進(jìn)行任務(wù)保護(hù)的小白鼠，其骨吸收明顯降低。

目前，經(jīng)過空間環(huán)境驗(yàn)證過的骨保護(hù)素已經(jīng)研制出來了，并已進(jìn)入地面臨床試驗(yàn)階段，以便更好地了解這種藥物的特效。獲得的試驗(yàn)成果在數(shù)年前就應(yīng)用到了AMGEN公司的Prolia藥物上。

第八：將超光譜成像儀用于海岸成像和海洋保護(hù)

第八項(xiàng)研究成果是一項(xiàng)非常有價(jià)值的研究，因?yàn)樗怀隽恕皣H空間站”作為對地觀測平臺的重要性。在這項(xiàng)研究里，“國際空間站”上攜帶了一臺超光譜成像儀（H ICO），用于海岸成像和海洋保護(hù)。

超光譜成像儀收集從地球表面反射回來的光波，其特別之處在于能獲得上百譜帶，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了遙感衛(wèi)星，如“陸地衛(wèi)星”（Landsat）上攜帶的對地觀測設(shè)備所能吸收的8條不同譜帶。從這些數(shù)百個(gè)不同的譜帶獲得的信息和細(xì)節(jié)，是無法從一般的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)中得到的。

通過超光譜成像儀，可以辨別海域中的沉積物和葉綠素。葉綠素是藻類的標(biāo)志，說明其中有氮，即土壤中肥料的流失，這是判斷水質(zhì)量的重要標(biāo)志。在含沙的海灣，通常分辨二者是非常困難的，海洋遙感學(xué)專家稱之為“褐水”問題。

美國環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)（EPA）使用超光譜成像儀研發(fā)出一個(gè)概念驗(yàn)證模型，用來幫助模擬和保護(hù)水資源。該機(jī)構(gòu)研究人員通過搜集實(shí)時(shí)的觀測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，以獲得溶解的有機(jī)物質(zhì)和葉綠素。這使得他們開發(fā)出一個(gè)模型，最終得出的結(jié)論是藻類已經(jīng)大量繁殖，有可能對海洋生物造成威脅。

庚烷燃料燃燒及冷焰現(xiàn)象

第七：在電場環(huán)境下膠體自組裝，制作納米材料

在此之前，很多人不知道太空研究如何推動(dòng)納米技術(shù)的進(jìn)步，這項(xiàng)研究著眼于在電場環(huán)境下如何進(jìn)行膠體自組裝。膠體是懸浮在溶液中微小的顆粒，這在洗滌劑、藥物等家用產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品中是非常關(guān)鍵的。這里所述的膠體是一個(gè)獨(dú)特的類型，即磁流變（MR）液體，可以在電場中改變它的粘度，甚至在納米級改變它們的組裝方式。

“國際空間站”上的微重力可以延緩這些膠體混合物的運(yùn)動(dòng)，使得研究人員可以了解它們是如何相互作用的，然后利用這些知識來控制地面上的微小顆粒。由于重力的作用，納米粒子會沉淀得太快，因此這些實(shí)驗(yàn)沒辦法在地球上開展。

第六：發(fā)現(xiàn)冷焰燃燒新現(xiàn)象

冷焰燃燒是一個(gè)非常有趣的新名詞，因?yàn)樵诳茖W(xué)領(lǐng)域，炙熱火焰的溫度一般在上千度，而冷焰是在600～800℃范圍內(nèi)。在“國際空間站”，航天員利用一個(gè)名為“燃燒集成機(jī)架”（CIR）的設(shè)備用于燃燒燃料的液滴，就像微重力火焰熄滅試驗(yàn)。

在庚烷燃料燃燒及冷焰現(xiàn)象圖中，左為一個(gè)庚烷燃料燃燒的液滴，可以看出，它燃燒起來的球體并不像是蠟燭燃燒的火焰，因?yàn)樵谔罩袥]有密度或浮力驅(qū)動(dòng)對流，這意味著暖空氣不會像在地球上一樣上升，因此可以得到這種藍(lán)色的、球形的火焰。真正有趣的是在燃燒淬火之后發(fā)生的事。氧化作用停止后，火焰熄滅，然而在一段時(shí)間之后，研究人員發(fā)現(xiàn)了一點(diǎn)意外的殘光。就是這點(diǎn)殘光，比之前的燃燒溫度要低，這樣一個(gè)“冷焰”是前所未知的過程，因?yàn)樵诘厍蛏线@個(gè)過程發(fā)生得實(shí)在是太快了。目前，仍需對這種現(xiàn)象進(jìn)行大量的分析和建模，但這表示它對地面上實(shí)現(xiàn)高效燃燒有很大幫助，只是需要一些時(shí)間，未來我們就能看到它們的研究結(jié)出碩果。

第五：細(xì)菌病原體在太空變得更加致命的途徑

地面上的研究表明，一些細(xì)菌在進(jìn)入太空之后可能會變得更加致命，特別是沙門氏菌。在美國，沙門氏菌感染每年導(dǎo)致15000人住院，400人死亡。研究人員發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌確實(shí)在太空變得更易導(dǎo)致疾病。更重要的是，在微重力條件下，細(xì)菌的遺傳通道打開了，這個(gè)通道相當(dāng)于離子經(jīng)過培養(yǎng)基的培養(yǎng)。在美國航空航天局后續(xù)的航天生命和物理科學(xué)計(jì)劃的資助下，還對培養(yǎng)基中沒有離子介質(zhì)時(shí)觀察細(xì)菌的致命性是提高了還是降低了。

當(dāng)前，科學(xué)家們還在研究其他種類的細(xì)菌，試圖了解這是否是一個(gè)普遍現(xiàn)象。如果是的話，這項(xiàng)成果是否能夠應(yīng)用在地球上，是否能夠用來對抗疾病？

第四：4000萬名學(xué)生參與“國際空間站”的應(yīng)用和研究活動(dòng)且不斷增加

在科學(xué)領(lǐng)域，一旦一項(xiàng)研究成果發(fā)表出來，受其影響衍生的其他成果會呈指數(shù)級增長，這在教育領(lǐng)域也是一樣。“國際空間站”每年都激勵(lì)了成千上萬的學(xué)生從事與數(shù)學(xué)和科學(xué)相關(guān)的職業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年“國際空間站”的合作伙伴來自44個(gè)國家、25000個(gè)學(xué)校、280萬名教師和4310萬名學(xué)生。這些學(xué)生通過了解航天員在“國際空間站”的生活，通過演示操作受到鼓勵(lì)，激發(fā)他們參與相關(guān)教育計(jì)劃的興趣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有170萬名學(xué)生實(shí)際參與到科學(xué)領(lǐng)域中來，他們中的很多人有可能就是未來航天研究機(jī)構(gòu)和宇航公司的研究者。這是一項(xiàng)偉大的航天工程，鼓勵(lì)數(shù)以百萬的學(xué)生有志成為未來的航天科學(xué)家，因此該項(xiàng)成果被列入“國際空間站”的十大重要成果。

第三：阿爾法磁譜儀-2（AMS-2）實(shí)驗(yàn)在暗物質(zhì)觀測方面取得進(jìn)展

阿爾法磁譜儀-2是最復(fù)雜的測量宇宙射線的磁體。目前，最先進(jìn)的粒子物理探測器收集來自深空的顆粒，測量它們的能量，最重要的是確定它們的方向。粒子物理學(xué)家們認(rèn)為這是目前最佳的理論，并且試圖找到證據(jù)來驗(yàn)證它或者推翻它。一個(gè)新現(xiàn)象的出現(xiàn)，使得全世界的研究者都致力于研究暗物質(zhì)和反物質(zhì)，從而解決宇宙起源之謎。

諾貝爾獎(jiǎng)得主丁肇中博士總結(jié)了他的研究結(jié)果：觀測表明新現(xiàn)象確實(shí)存在，無論是從粒子物理學(xué)或是天體物理學(xué)的起源角度來看。實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合宇宙中暗物質(zhì)粒子碰撞湮滅產(chǎn)生正電子的理論，目前的研究還在繼續(xù)，未來有更多的疑團(tuán)有待揭開。

第二：機(jī)器人協(xié)助腦部手術(shù)

這項(xiàng)成果顯示，我們可以把應(yīng)用在空間站上的先進(jìn)技術(shù)用于地面上。機(jī)器人可以輔助外科醫(yī)生挽救患者的生命，使得腦腫瘤等疾病得以醫(yī)治。這項(xiàng)成果不僅是先進(jìn)航天技術(shù)的衍生品，而且使之能夠在地面上為人類所用，未來有可能挽救眾多的生命。

“國際空間站”上的機(jī)械臂技術(shù)由加拿大的麥德公司（MDA）研發(fā)，機(jī)械臂必須非常靈活才能順利完成一系列組裝和裝配工作，并且在面臨輻射的環(huán)境下繼續(xù)工作。這些特性使得這項(xiàng)技術(shù)能夠轉(zhuǎn)化為在地面上使用的，協(xié)助外科醫(yī)生完成手術(shù)操作。

第一：化療藥物新型靶向輸送方法目前正在用于乳腺癌臨床試驗(yàn)

這個(gè)新方法未來有可能改變?nèi)祟愔委熑橄侔┑耐緩健Ｖ赃@項(xiàng)成果列為十大成果之首，主要是因?yàn)槿橄侔?shí)在太可怕了，已經(jīng)奪走了成千上萬人的生命。

這項(xiàng)研究始于2002年，航天員佩吉·惠特森（Peggy W hitson）在“國際空間站”上第一次完成了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，將一定份量的化療藥物裝在微型膠囊里，并且找到一個(gè)新型的輸送方法。一些研究模型顯示，如果沒有重力的影響，裝有化療藥物的微型膠囊能夠更加簡單的直達(dá)腫瘤部位。但問題是在地面上很難做到空間站上的微重力環(huán)境。因此，科學(xué)家們未來5年的工作目標(biāo)是找到一種新的手段，在地面實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境下研制出數(shù)量和純度都滿足要求的微型膠囊，這些技術(shù)已經(jīng)授權(quán)給一家商業(yè)公司，可能還需要10年才能真正大規(guī)模付諸臨床治療。