中國首個太空科普教育品牌“天宮課堂”第一課，昨天下午15:40開始，神舟13號乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富在中國空間站核心艙內進行太空授課，吸引了億萬目光和期待。
眾所周知，在太空飛行的載人航天器內與地面有天壤之別，最顯著的特點是存在地面難以模擬的長期失重環境。在那里人人好像都會輕功，可以像游泳一樣隨意飄來飄去；航天員各個均能成為大力士，可毫不費力的舉起任何東西，甚至能輕松表演“一指禪”；他們的睡覺也不分上下，可以站著睡，也能倒立睡，高興時還可不固定睡袋，當一回“夜游神”；吃東西時也能像小鳥一樣，把食物放在空中后用嘴去接著吃……
隨著人類走向太空，未來，哺乳動物能在太空正常繁衍嗎？
為了回答這個疑惑，科學家們把小鼠早期胚胎帶上了太空。它能否在空間環境下正常分裂、發育？其發育過程與地面有哪些不同？
“我們以小鼠細胞胚胎為研究對象，對其進行培養并顯微實時跟蹤觀察，看它在微重力環境中能否繼續分裂到8個細胞、16個細胞……觀察在微重力情況下，哺乳動物胚胎能否和在地球上一樣正常發育。”中科院動物所研究員段恩奎說。
↑地面條件下胚胎發育圖像
未來人類能在太空繁衍？
空間微重力條件可引起顯著的人體生理變化，細胞水平的研究是認識其機制的重要環節. 微重力對生命活動的影響主要是由于重力變化后生物體內外的力學環境變化引起的，失重本身可能引起細胞組織結構的應力狀態變化，失重后流體行為的改變也可能造成物質交換條件的變化進而影響生物體的新陳代謝和生長. 從微重力下細胞生長與物質輸運條件依賴性的規律出發，以生物力學的視角探索上述問題，有助于理解重力對于生命活動的意義.
微生物學家、宇航員Kate Rubins在國際空間站測試干細胞。圖片來源：NASA
地球生命的整個演化歷史中，重力基本上是一個常量. 因此，生命體的所有結構、功能均已適應了這一物理條件. 空間探索活動把人類以及其他地球生物帶到了微重力環境下，重力成為變量. 一方面，失重本身可能引起細胞- 組織結構的應力狀態變化，可稱之為重力變化的直接作用；另一方面，失重后對流、沉降等行為的顯著改變可能造成物質交換的變化進而影響生命體的新陳代謝，可稱之為重力變化的間接作用. 盡管空間細胞生物學實驗已有一些先例，但在科學問題上，亟需探索上述兩種作用的區別與聯系，闡明微重力影響細胞生命活動的規律.
一、微重力下內皮細胞培養的物質輸運條件依賴研究. 在微重力環境下，利用輸送培養液的泵閥系統和培養器腔室結構設定和調控流動條件與物質交換條件，記錄細胞顯微觀察圖像，并通過收集細胞培養液上清，細胞在線分步化學固定以進行回地分析等手段，獲得不同物質輸運條件下的內皮細胞形態圖像數據、細胞葡萄糖及氧代謝數據、細胞骨架熒光染色數據、基質分泌數據以及增殖動力學數據. 擬解決的關鍵科學問題為：空間微重力環境下內皮細胞生長、代謝、結構重組及功能分泌等生物學過程對物質輸運條件依賴規律的認識.
二、 微重力下骨髓間充質干細胞分化的物質輸運條件依賴研究. 在微重力環境下，利用輸送培養液的泵閥系統和培養器腔室結構設定和調控流動條件與物質交換條件，記錄細胞顯微觀察圖像，并通過收集細胞培養液上清，細胞在線分步化學固定以進行回地分析等手段，獲得不同物質輸運條件下的骨髓間充質干細胞形態圖像數據、細胞葡萄糖及氧代謝數據、細胞骨架熒光染色數據、肝向分化數據. 擬解決的關鍵科學問題為：空間微重力環境下骨髓間充質干細胞代謝、結構重組、定向分化等生物學過程對物質輸運條件依賴規律的認識.
已進行的地面對比試驗結果包括：目前利用空間實驗裝置已進行了若干次地面對比試驗，分別檢測了細胞骨架結構、細胞代謝與分化等生物學指標，并測試了實驗裝置的工程控制參數. 細胞本身作為生命系統的基本層次，其結構和功能也是十分復雜的，在同樣控制條件下空間實驗可能會與地面實驗產生差別，如細胞的形態結構、代謝程度、增殖速率、分化功能等變化，需要經過多重對照實驗綜合分析來判斷其意義.
1. 高中畢業的我們知道，干細胞生物學是21世紀矚目的研究領域之一，是組織工程和再生醫學研究的上游學科。干細胞的重要功能是維持和控制細胞的再生能力,它具有自我更新復制能力和多分化潛能，它可分化為多種組織細胞類型。在空間生命科學領域，空間微重力效應是否影響干細胞增殖和分化？能否利用空間微重力獨特的條件開展干細胞大規模擴增和組織工程構建呢？這些問題是當下前沿和熱點的問題。
2. 實驗前期，中科院動物所段恩奎老師的團隊在1G和模擬微重力效應下，分別進行了小鼠胚胎干細胞增殖、分化特性研究。他們發現，在模擬微重力效應條件（RCCS）下，小鼠胚胎干細胞分化能力增強，并且更容易向內胚層和中胚層分化，并且已發現引起這種變化的關鍵基因和分子信號通路。但模擬微重力效應并不是真實的微重力條件，只有太空才能提供真實的微重力環境。所以利用外太空的實驗機會，去太空真實的微重力環境下研究下。
我們還可以借機看一下空間干細胞實驗在國際上的狀況：
案例1：
2015年NASA研究人員就首次報道了在STS-131飛行任務中進行的空間干細胞生長和組織再生方面的成果。NASA的研究結果表明，太空微重力環境影響了小鼠擬胚體（EB）在太空的分化能力，抑制了譜系分化基因的表達，但有意思的是，這些未分化的EB在地面條件下培養能夠進一步分化。
案例2：
最近，美國斯坦福大學細胞生物學家Arum Sharma在世界干細胞峰會上匯報了一項在國際空間站（ISS）上開展的干細胞向心肌分化的實驗。研究人員將干細胞送上ISS停留了1個月，平行的對照實驗則留在地球上培養。初步的結果顯示，分化的心肌細胞在太空飛行時呈現出略微不規律的節律，但返回地面后恢復了正常的跳動節律。
案例3：
加州大學洛馬林達大學移植免疫學家Mary Kearns Jonker利用一個定位器裝置進行微重力模擬實驗，通過將心臟祖細胞加載到該裝置通過不斷旋轉來使細胞減少重力。該研究小組已經發現，新生兒的心臟祖細胞似乎在這些微重力條件下能更好增殖且表現出分化跡象——回到更原始的非專門化狀態，而成年人的心臟祖細胞并沒有出現這些現象。在這些現象事實上，研究小組發現，微重力可以激活某些遺傳途徑，從而在受損組織再生時開始運作。
案例4：
中科院段恩奎教授的團隊此前在實踐十號（中國首個微重力實驗衛星，返回式的）上開展了太空環境下哺乳動物早期胚胎發育研究。研究不僅獲得了太空中小鼠早期胚胎發育的實時顯微攝影圖片，還首次觀察到哺乳動物2-細胞胚胎在太空微重力條件下能夠分裂并且發育到囊胚階段。研究已經取得了階段性的成果，在世界范圍內，首次完成太空環境下哺乳動物植入前胚胎發育的研究。
