空間植物科學(xué)與技術(shù)

何雨珂

【摘 要】在上世紀(jì)80年代中后期，在“八六三”計劃的支持下，我國就開始有計劃地進(jìn)行空間植物科學(xué)與技術(shù)的研究。其中有地面模擬研究，也有空間搭載試驗(yàn)；有高等植物，也有低等植物；有休眠狀態(tài)的植物種子，也有生命活躍的植物細(xì)胞、組織和苗；有植物科學(xué)問題的研究，也有植物生物技術(shù)的探索。

【關(guān)鍵詞】空間植物；科學(xué)與技術(shù)

至今，我國空間植物試驗(yàn)的搭載工具主要有探空氣球和落艙、返地衛(wèi)星、載人飛船等。已明顯地觀察到植物在空間所發(fā)生的遺傳變異，形態(tài)、生理和代謝上的變化。為什么要開展空間植物生物學(xué)的研究，現(xiàn)作如下介紹：

一、40所年前的預(yù)料

1960年3月22日，時任中國科學(xué)院植物生理研究所副所長、中國科學(xué)院學(xué)部委員（院士）的殷宏章先生在文匯報上發(fā)表了一篇主標(biāo)題為“人造小世界”，副標(biāo)題為“送植物和高等生物上天的設(shè)想”的文章。文章發(fā)表的第二年，即1961年，原蘇聯(lián)宇航員加加林成為世界上翱翔太空第一人。殷宏章先生在文章中寫道：“人們到宇宙中去，首先要解決糧食問題”，“比食物更重要的是氧氣，人們一時一刻都離不開它”。食物和氧氣是人類生存所必需的條件，在宇宙空間如何能滿足人類的要求？殷宏章先生認(rèn)為“植物倒能解決這個問題，我們都知道，綠色植物在陽光下，能把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物和氧氣。這樣正好相互補(bǔ)償，植物利用人們排出來的二氧化碳、水和排泄物制成食物和氧氣，再供給人們用，構(gòu)成一個自給自足的“小世界”。

但是，殷宏章先生也看到“制造一個循環(huán)完整的小世界，很不簡單，中間有些環(huán)節(jié)必須調(diào)劑或通過加工來銜接，也許還不能只用兩種生物成分，如何保持它們間的比例，必需先研究解決”。40多年以來，空間科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的事實(shí)無可置疑地表明殷先生在預(yù)見科學(xué)技術(shù)發(fā)展上的敏銳性。空間科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展大體上可以分為三個階段：第一階段是空地往返，標(biāo)志是航天飛機(jī)；第二階段是占領(lǐng)近地軌道空間，標(biāo)志是空間站；第三階段是在空間人類永久性活動，標(biāo)志是建立受控生態(tài)生命支持系統(tǒng)（CELSS）。空間生命科學(xué)和生物技術(shù)的總目標(biāo)是：一要開發(fā)利用近地軌道空間微重力資源造福人類；二要建立CELSS，提高人在空間的自主能力和擁有長期生存的條件。

二、新世紀(jì)的規(guī)劃

在空間生命科學(xué)與技術(shù)研究領(lǐng)域中植物生物學(xué)研究的位置和主要方面。特別要強(qiáng)調(diào)的是必須利用微重力條件去研究和解決的十分重大的科學(xué)與技術(shù)問題。

第一優(yōu)先方面，如有：（1）先進(jìn)生命支持系統(tǒng)（和部分重力生態(tài)學(xué)），其中重力生態(tài)學(xué)強(qiáng)調(diào)空間飛行環(huán)境如何影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、進(jìn)化或穩(wěn)定性，它們會關(guān)系到航天飛機(jī)和星球的居住；（2）比較生物學(xué)，強(qiáng)調(diào)長期受到變重力和其它相關(guān)空間因素對動物和植物正常的生理、代謝和生活的影響，并在不同的生物體間進(jìn)行比較；（3）細(xì)胞和分子生物學(xué)（分子結(jié)構(gòu)與相互作用，細(xì)胞科學(xué)與組織工程），強(qiáng)調(diào)變重力和其它空間有關(guān)作用因子如何直接和間接地影響細(xì)胞的基礎(chǔ)功能和特性，如機(jī)械力感受、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因調(diào)節(jié)和表達(dá)、蛋白質(zhì)組、整合蛋白的功能和結(jié)構(gòu)、細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)和功能等等。

第二優(yōu)先方面，如有：發(fā)育生物學(xué)，強(qiáng)調(diào)在正常發(fā)育和功能中重力的作用，重力和其它空間環(huán)境如何影響生物體的繁殖，對后代影響的機(jī)制，特別是涉及重力感受和響應(yīng)的系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的發(fā)育。

第三優(yōu)先方面，如有：（1）生物技術(shù)（商業(yè)項(xiàng)目），商業(yè)空間中心（commercial space center）和藥業(yè)界建立了持續(xù)的合作研究；（2）結(jié)構(gòu)生物學(xué)，強(qiáng)調(diào)生物大分子蛋白質(zhì)晶體生長的微力學(xué)，控制晶體質(zhì)量的因素，發(fā)展獲得科學(xué)上有意義的高分辨率晶體的技術(shù)。

第四優(yōu)先方面，如有：（1）進(jìn)化生物學(xué)，強(qiáng)調(diào)地球生物體進(jìn)入新的空間環(huán)境的能力，在地球生物進(jìn)化中重力的作用；（2）農(nóng)業(yè)商業(yè)（AGRIBUSINESS，商業(yè)項(xiàng)目），探索在微重力條件下的植物研究，檢驗(yàn)缺乏重力時植物的結(jié)構(gòu)。在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域增加植物學(xué)的知識，在應(yīng)用領(lǐng)域增加如植物藥物開發(fā)的知識等。

從上述不同等級的優(yōu)先方面，可以看到許多研究的內(nèi)容是與植物、植物生理學(xué)或植物生物學(xué)關(guān)的。當(dāng)這些影響得到認(rèn)識時，人們才能可靠地發(fā)展以植物為本的氣體再生系統(tǒng)，為長期的空間探索服務(wù)。初步研究證明，在空間站微重力對小麥的生長速率和干物質(zhì)沒有影響。小麥每天的光合作用速率，葉子對二氧化碳濃度和光強(qiáng)的響應(yīng)與有重力條件下沒有區(qū)別。也就是說，微重力對發(fā)育中的小麥光合作用水平和蒸騰速率都沒有影響。根據(jù)NASA網(wǎng)公布的資料，在2003年1月發(fā)射的STS-107航天飛機(jī)上帶有80個試驗(yàn)。在“地球上不能做的科學(xué)研究”一文中，列舉了其中8個特別有意義的生物學(xué)和物理學(xué)的試驗(yàn)。8個實(shí)驗(yàn)中有3個是與植物有關(guān)的，2個涉及基礎(chǔ)植物生物學(xué)，1個與植物生物技術(shù)有關(guān)。令人痛惜的是，這架航天飛機(jī)在空間飛行十多天后返回地球時墜毀。

三、空間植物的商業(yè)性研究

空間科學(xué)技術(shù)的研究從一開始起就有其應(yīng)用的目的，而且隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為達(dá)到應(yīng)用目標(biāo)的具體領(lǐng)域和項(xiàng)目也越來越明顯。一種是在空間的直接應(yīng)用，另一種是促進(jìn)或帶動地面的應(yīng)用。在NASA的商業(yè)性應(yīng)用研究中提到的就有生物技術(shù)和農(nóng)業(yè)商業(yè)（agribusiness）。相對于農(nóng)業(yè)（agriculture）來說，農(nóng)業(yè)商業(yè)可能意味著不僅僅是一種栽培性的和傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)活動，還有更廣泛的和現(xiàn)代的商業(yè)和經(jīng)營性的含意，其產(chǎn)品也不僅僅是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中的食物這一產(chǎn)品。空間生物技術(shù)的研究包括植物來源的藥物，提高抗體的生產(chǎn)率，蛋白質(zhì)晶體生長，生物材料和藥物微膠囊等。美國有一個從空間研究到商業(yè)化開發(fā)的項(xiàng)目——新型復(fù)方藥物膠囊釋放系統(tǒng)（newencapsulated multiple drug delivery system），此種新型藥物釋放系統(tǒng)稱為多層微膠囊（multilayeredmicrocapsules）。

為了生產(chǎn)此類產(chǎn)品已經(jīng)建立了微重力膠囊加工系統(tǒng)，包括材料分散器和液體混合器。實(shí)驗(yàn)證明，地面生成的微膠囊直徑很少有大于20μm的，而空間生產(chǎn)的微膠囊的直徑可達(dá)20～300μm。微重力條件下生產(chǎn)的微膠囊比地面生產(chǎn)的一般可大4～10倍，裝藥量多20%～400%，裝藥量可占整個微膠囊體積的80%。這種微膠囊也僅能在微重力條件下生產(chǎn)。美國計劃從2002～2016年間的前5年中開發(fā)2個新的藥物，并且生物藥物生產(chǎn)成本要有所降低；最后5年要有10個產(chǎn)品能進(jìn)入市場。農(nóng)業(yè)商業(yè)涉及改善植物發(fā)育問題，如通過研究木質(zhì)素的形成提高木制品質(zhì)量和食物的安全性等。

根據(jù)NASA網(wǎng)公布的計劃和研究資料，從2002年開始的以后15年內(nèi)，美國計劃前5年通過微重力條件下植物木質(zhì)素的研究以改進(jìn)紙漿加工。FDA在國際空間站（ISS）曾研究過轉(zhuǎn)基因作物，在航天飛機(jī)STS-95（1998）和STS-101（2000）飛行中進(jìn)行了2次大豆的基因轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。在STS-107（2003）飛行中進(jìn)行DNA的小麥花粉粒轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。1998年，在航天飛機(jī)STS-95上用微量固相提取技術(shù)研究小型玫瑰的精油成分，并獲得了成分上有差異的精油。花所產(chǎn)生的香味與原來完全不同，新的玫瑰“精油”已摻入到一種香水中。在STS-107飛行中，他們計劃送玫瑰和亞洲水稻兩種花進(jìn)入軌道，希望能產(chǎn)生前所未有的氣味。隨后的5年，他們計劃開發(fā)轉(zhuǎn)基因作物新品種，在農(nóng)業(yè)和藥物方面希望有3個或更多改良的植物品種用于生產(chǎn)。

四、結(jié)論

綜上所述，目前，人們正利用模式植物擬南芥在生物培養(yǎng)系統(tǒng)中檢驗(yàn)此種技術(shù)。由于人們對生物藥物/營養(yǎng)品越來越注意，也帶動了植物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的研究。現(xiàn)在，美國威斯康星空間自動化和機(jī)器人中心發(fā)展了一種精細(xì)的生物反應(yīng)器（state ofthe art），可保證多種環(huán)境因子的優(yōu)化組合，這為細(xì)胞培養(yǎng)提供了一個理想的條件，可能會有助于提高產(chǎn)率。

【參考文獻(xiàn)】

[1]胡廣，楊怡雯，王麗嫻，李雅，胡紹慶，江俊浩.植物景觀對杭州佛寺園林空間結(jié)構(gòu)影響的定量分析[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2018，40（05）：545-552.