澎湃新闻:在地面上,如何模拟种子在太空中的情况?
郑慧琼:在地面可以模拟一部分的效应,但是地面的重力毕竟还是不能消除,所以无论如何模拟,差别肯定还是有。但是我们的项目因为是探讨"微重力条件下高等植物开花调控的分子机理",所以抓住了"重力"的要素着重模拟一个有别于一般地面植物生长的环境。
为什么抓住重力的要素?我们知道,地面的重力总是指向地心的,植物生长也是依赖于重力的这个指向,比如树,枝干总是朝上长,如果植物不小心倒了,茎干还会弯过来、直立起来,这就是重力的作用。植物生长素的分布也与重力有关,微重力条件下,可能树木主干和侧枝的粗细的差别会较小。重力其实对我们生命是很重要的。
中国科学院分子植物科学卓越创新中心,种子在模拟器中旋转。澎湃新闻记者 邹佳雯 图
我们现在的模拟场景,就是让植物保持旋转。因为植物的器官感受重力,是有一个时间阈值的,相当于如果有些东西太快、速度超过阈值后我们的眼睛会看不到一样。在一定的时间内让它不停地转向,植物的器官就会感受不到重力的方向,相当于没有重力。这在某种程度上会像在太空一样,它方向乱了,就不能朝一个方向长了。
上千颗备选水稻种子,像"选美"那样一点点筛
澎湃新闻:为了在太空做这项实验,在地面做了哪些准备工作?尤其是水稻这方面。
郑慧琼:我们这个项目虽然立项是2021年,但具体其实从2015年就启动在做。
首先讲选种子,要选在一个这么小的空间生长的品种,我们对这个品种的水稻也要进行各方面的了解,包括它的生长、遗传背景等等。
然后就是选具体选水稻种子,多少颗我数不清了,上千颗备选是有的,我们的科研人员把种子放到显微镜下一点点筛,集中看了好多天,"选美"一样。他们很有经验,能看出种子是不是健康、饱满、有活力、有光泽,事实上,我们这次选来上天的种子确实100%萌发了,水稻种子加起来18颗,拟南芥种子有近百颗。
还有加水,因为重力,地面的水总是沉在土的下面,天上水不一定,多了怕淹死,少了又不够,水跟土之间的关系又如何,都要经过很多的试验,最后才能找到一个确切的量。好在目前实验单元的运作还是正常的。
还有土、营养液、种植方式,以及模拟太空的生长环境,还须研究人工环境怎么布置,包括选什么样的光、气体,都是在地面做了多年充足的研究。研究完,还要对接硬件专家,通过生态柜把这一套都打造呈现出来,包括要从力学的角度,考虑到这一套系统要安全升空的情况。这一套全部打造出来以后,我们要做大量地面模拟太空的匹配实验,确保地面的先成功,于是也要反复修改数据和成品。所以这真的是一个综合工程。
另外今年上海疫情,也给我们的科研进度带来一定的挑战。因为问天实验舱一开始是横着"装箱"的,我们要赶在6月12日问天实验舱转成竖的之前,把所有实验品装进去。到了海南的发射基地,我们还要做一些准备工作,比如给种子消毒。所以眼看到了5月份,心里还是挺着急的,好在我们所里经过与各级有关部门充分的沟通协调,派了一辆装满试验设备的SUV车,带着我们的种子,2天开到了海南,期间没下过高速。后来我们又向海南那边的科研院所、学校借了很多设备,保证及时完成了规范科学的装舱任务。
最后到了发射那天,我看着火箭和实验舱的震动很大,喷火呼呼呼的,就很担心那小种子,会不会掉到土里或者别的地方去,所幸它们安全地上天发芽了。
澎湃新闻:您自己是何时参与到太空生命科学研究的项目的?对于未来的工作有什么展望?
郑慧琼:1992年1月,中国政府批准载人航天工程正式上马,我们单位从那时就参与工作了。我自己是1996年从所里博士毕业,跟着国家载人航天工程空间生命科学分系统的主任设计师刘承宪先生做"空间细胞电融合"项目,之后因刘先生患癌接手主持。2002年底,项目在神舟四号上取得圆满成功,中国的太空植物研究,就是这样从细胞融合开始的。2003年,刘先生不幸逝世。
那时候中国还是无人飞船,在太空飞的时间也比较短,所以对我们整个植物学展开实验,局限非常大。后来到2016年天宫二号,中国第一个真正意义上的太空实验室,当时拟南芥和水稻由神舟十一号运至天宫二号开展培养实验,6个月就完成了我国首次"从种子到种子"高等植物全周期培养实验。
那次的环境比现在的还差一些,如无法为水稻和拟南芥适配不同的温度。但那次把拟南芥的材料拿回来,研究首次发现了微重力条件下植物寿命比地面对照组植物寿命极大地延长,这往前进了一大步。
这次实验舱的条件,无疑又前进一步,给我们创造了一个条件,让水稻可以自由选择它喜欢的温度,奠定了我们科研的基础,我们也基于之前的研究,做了更多植物基因方面的设计。我们现在还在等待第一代的水稻从种子到种子的全生命周期。但我想,即使我们这次拿到了水稻的种子,也不能保证它在天上经过了几代之后,能否稳定地生长,所以势必要在更大的时间和空间中,继续探索。
我估计去火星的话,也是不久以后的事情,但是人类上去要活下来,所以需要有空间可持续的粮食生产。就目前来说,有待研究的还有很多,宇宙太大了,还是太超出我们目前的认知范围。但人类对自身有很强的认识的欲望,在好奇心的驱动下,必然会走出去。