一门充满着“？”的科学：空间生物学

梦想成真

多少年来，浩瀚的太空给人类留下许多美好的想象，人们期望着有朝一日能够遨游寰宇。由于科学的发展，人类千百年来的梦想，终于成了现实。1961年4月12日，苏联宇航员尤里·加加林作为人类的第一个使者进入太空。不久，美国的约翰·格伦也进入了没有水也没有空气的黑暗宇宙旅行。1969年，美国实现了阿波罗登月计划，人类第一次实现了在月球表面的行走，并带回了月球表面的岩石标本。

1989年，在纪念人类登上月球20周年的活动中，当时的美国总统布什宣布了一项雄心勃勃的宇宙开发计划，其主要内容就是定居月球，登上火星。

经过三年的紧张研究，美国国家航空航天局（NASA）宣布已开始了一项安排周密的月球前哨计划。他们计划与日本、加拿大、原欧共体国家等进行合作，对月球表面进行勘察，寻找一个适合建造月球基地的地点。到20世纪末，美国将准备在月球上建立一个科学站，由科学工作者和宇航专家轮流在月球基地逗留三个月，以便从事地质考察、天文研究等各项科学工作，为今后在那里建立一座真正的综合基地打下基础。

人类定居月球的时间，看来不会太远了，人们已经在讨论在月球上购买土地或向太空移民的问题。美国的一位生物学博士说：向太空移民是一项一举两得的好事，既可以使得过于拥挤的人类得到另一块可以发展的乐土，又可让已经不起折腾的地球进行一次大休整。

太空有些什么特点

人类即将进入一个全新的世界，这是一个怎样的世界呢？让我们来读读一位曾三度乘航天飞机进入太空的美国宇航员的描述：

透过飞机的窗往外看，第一个反应就是无比惊叹，天空是漆黑漆黑的一片，一切景物都是这么的洁净，鲜明，没有丝毫模糊。然后，我看到了一层蓝色的屏罩：地球大气层。天啊！它可真小！包在里面的就是我们人类居住的地球。

这位宇航员的描述是眼睛的直觉，并不是宇宙空间的全部特点。科学家认为，宇宙空间的主要特征是微重力、高真空、重粒子辐射及超净环境。空间环境，首先是地心引力即重力下降，自离地两三百公里的上空开始，地心引力已接近于地面的百分之一以下，高度越高，重力越小，在数百公里以上的上空，已属于微重力的区域。空间环境其次的特点是空气极端稀薄，已接近真空。另外还有大量从太阳磁爆及核反应中释放出来的和其他来源的宇宙射线。由于高空中没有地面大气层的屏蔽，辐射量很大。

在这样一个环境中，生物的发育、生长会有些什么变化呢？人类应该怎样保护自己？又有哪些条件可以被利用来为人类造福？这些都是生物科学家和宇宙空间专家极感兴趣的课题，也是空间生物学要研究的问题。

颇有争议的“生物圈Ⅱ号”实验

人类在太空将如何生活呢？美国著名的物理学家杰治德·奥尼尔早在20世纪70年代初期便已提出，人类将来会住在一个面包形状的人造太空体上，那里有蓝天，有新鲜的空气，环境与地球基本相仿，每个太空体上大概有居民1万人以上，各自构成独立的社会政治体系。

为了实现这一设想，人类已开始了行动。有些实验是可以在地面上模拟进行的。美国科学家开展的“生物圈Ⅱ号”的实验就是一个很好的例证。

“生物圈Ⅱ号”是一个巨大的封闭式温室建筑，之所以称为“生物圈Ⅱ号”，是为了和我们居住生活的“生物圈Ⅰ号”——地球——相区别。它位于美国亚利桑那州的沙漠里，占地1.5万平方米，由得克萨斯州的亿万富翁爱德华·巴斯独自投资1.5亿美元建成。在这个建筑内，仿照地球的条件，设有大海、沙漠、热带草原、沼泽和热带雨林5个生态模拟环境，另外还有居住和农业等区域。

1991年9月26日至1993年9月26日，科学家小组在“生物圈Ⅱ号”中进行了长达两年的首次试验。在试验的初期，“生物圈Ⅱ号”不对公众开放，它成了一个神秘的领域，直到1993年中期，“生物圈Ⅱ号”的居民才同意接受摄影记者的采访，他们的生活秘密这才向世人公开。

第一期参加“生物圈Ⅱ号”实验的共有8位科学工作者，4男4女。他们与世隔绝，除了能源（阳光和电力）和信息来自“生物圈Ⅱ号”之外，圈内所需的空气、水以及食物均由“生物圈Ⅱ号”自行解决，它产生的废物也在圈内处理解决。“生物圈Ⅱ号”内种植有3800种植物，还饲养了一些家禽和家畜。这个与世隔绝的“生物圈Ⅱ号”可以说是一个模拟地球生态环境的“微型地球”。

“生物圈Ⅱ号”的“居民”的工作是从开垦土地、种植小麦和蔬菜开始的。由于种植各种作物需要时间，他们初期吃的食物是从外面带进去的。4个月后，他们种植的小麦有了收获，遂将其加工成面粉，烘制出面包。“生物圈Ⅱ号”的“居民”琳达过生日时的菜单中有蛋糕、西红柿、辣椒、洋葱、茄子、鸡肉、用羊奶制的乳酪、木瓜、无花果、香蕉、莴苣、洋白菜、米饭、咖啡、芹菜、南瓜等19个品种，这说明他们种植蔬菜的品种是多种多样的。只是为了避免污染圈内的空气，他们才未在蛋糕上插上点燃的生日蜡烛。

他们的农业生产并不一帆风顺，由于冬季日照时间短和病虫害的影响，他们的谷物减产。因此，在开始的6个月中，他们不得不减少粮食定量，每天摄取的热量仅为1800千卡，比规定的2500千卡少了不少，但由于采用了低热量、低脂肪、高营养的食物，对于他们的健康产生了很好的结果，他们的血压、血脂、血糖值比进入生物圈以前有了大幅度的降低，只是他们的体重也减轻了不少。

“生物圈Ⅱ号”在试验过程中遇到过一些困难，为了解决这些困难，不得不改变原来设定的封闭条件，这就使一些人对其科学性提出疑问。例如，在封闭实验开始后第二周，“生物圈居民”简小姐的手指受了伤，不得不离开生物圈“保外就医”，当她返回生物圈时，又被恩准带回不少物品。再拿空气来说，原设想圈内的空气应在整个生态环境中循环，即人吸入氧气，吐出二氧化碳，圈中绿色植物则通过光合作用吸收二氧化碳放出氧气。为了保险起见，圈中还安装有二氧化碳循环器来净化空气。到1991年12月，也就是“生物圈Ⅱ号”起动后3个多月，为了补充圈中泄漏的空气，“生物圈Ⅱ号”又从圈外补充了10%的空气。由于这些事件的发生，外界有人指责生物圈试验缺乏科学价值。

尽管有着争议，科学家还在继续进行着试验。1994年3月6日，“生物圈Ⅱ号”开始了第二期试验，来自美国、英国、加拿大、墨西哥和尼泊尔的5男2女共7位科学家开始了他们为期10个半月的“与世分隔”的生活。

为了重树“生物圈Ⅱ号”的科学可信度，这次试验在指导思想上作了引人注目的改变。这次实验的投资者——美国太空生物圈投资风险公司决定对“生物圈Ⅱ号”实行“门户开放”政策，允许科学家和一些参观者进入“生物圈Ⅱ号”作短期停留，“生物圈Ⅱ号”的常住居民也可以偶然走出圈外，这对于克服圈内居住的孤独感也是大有好处的。

在试验开始3个月之后，一名医生进入“生物圈Ⅱ号”，为7名常住居民上门看病。按计划还会有3名科学家进入圈内，进行短期科研工作。据透露，被允许进入“生物圈Ⅱ号”做客的，可能会有教师、技术专家、项目经理、环境专家甚至一些商界人士。他们在圈中可待上几周甚至几个月，但这些客人进入圈中之后，必须在圈内农场上干活，亲自品尝一下自己动手丰衣足食的甘苦。

“生物圈Ⅱ号”采取的开放政策受到一些原来对该项目持批评态度的科学家的认可。他们认为，这项政策增加了试验的透明度，有助于公众在更好地了解该试验的基础上对该试验的可信度作出自己的判断。

这类的模拟试验还只是开始，在地面上尚且会出现这么多的麻烦，日后进入太空之中，还不知有多少的困难、挫折甚至危险在等待着人类，这只能依靠人类自己艰苦的工作去不断解决、不断克服。

实验对象进入太空

现在，让我们把目光转向空中。空间生物学最好的试验场所当然应该是广大的宇宙，在那里，才可能“真刀真枪”地实干一番。最早的空间生物学实验是用探空火箭来进行的。科学家将狗、猴等动物接上各种监测仪器，放入火箭舱内，当火箭发射后，动物的各种生理指标（如心电、脑电等）通过监控仪器和无线电波发回地球，人们就获得了动物在空间的数据。

自从人造地球卫星进入太空之后，空间生物学的研究又向前跨了一步。人们可以将实验仪器和实验生物装在搭载舱内，通过无线电遥控或回收星体来获得数据。探空火箭在空中停留的时间很短，而人造卫星在空中可以停留很长时间，这样，人们就可以获得更多、更广泛、更详尽的实验结果。

让我们来看看1967年9月7日美国航天航空总署发射的“生物卫星2号”人造卫星进行试验的情况。专家们在有关辐射、失重和摆脱地球的周期性变化对生物影响的问题上，进行了13项引人入胜的实验。用来做实验的生物包括麦苗、胡椒属的植物、大变形虫、豹蛙卵、面粉甲虫、寄生蜂、紫露草、某些种类的细菌以及果蝇的幼虫和成虫。

为了能够准确地得出这些生物在空间中的变化情况，做实验时必须设有对照组进行比较，也就是说用同样两组的生物作为实验对象，一组放在人造卫星中升入太空，另一组在地球上进行同样条件（例如温度、湿度等）下的实验，这样就要求严格地控制实验条件。

“生物卫星2号”的实验结果表明：在太空中，胡椒属植物的叶子生长不正常，由于失去了地心引力，它们的叶子向下弯曲。失重对变形虫或蛙卵的生长发育好像不起什么作用，在宇宙空间由胚胎发育成的6只蝌蚪看上去与平常的蝌蚪一样完美无缺。在空间受辐照的面粉甲虫的翅膀上发现有些异常。在飞行过程中受到辐照的雌寄生蜂比受地面辐照的雌寄生蜂的寿命长得多。

“生物卫星2号”实验获得了一项引人注目的结果，即细菌在宇宙空间中比在地面上繁殖得快。对卫星上细菌数目的早期统计表明，它们比存在引力的地面上同类细菌的繁殖率高20%～30%。这个结果对于利用宇宙空间来进行发酵法生产产品显然是有指导意义的。但也必须考虑到，对于生物细胞，无论是细菌还是其他种属的细胞，都有很多共同之处。科学家认为，在失重的情况下，人体细胞的新陈代谢率会升高。如果确实是这样，在航程较长的宇宙飞船之中，就必须配备人造引力装置，否则，宇航员就必须携带药物以防止自己的身体细胞置换过快。

在这以后，美国又进行了“生物卫星3号”的实验，这颗卫星将一只名叫“伯尼”的猕猴送上了天空。这只猴子是从经过一年训练的10只猴子中选拔出来的，它头戴两只硬塑料头盔，里面镶嵌着各种仪器，以便监测它的脑电波，其他还安装有测量心率、血压、眼的活动和肌肉活动的仪器，所有的数据都通过无线电波送回地面。这次实验原定进行30天，不幸的是，“伯尼”在空中只活了8天半。尽管如此，实验仍然获得了有关“伯尼”在宇宙空间时大脑、心血管和新陈代谢功能等方面达10亿个信息单位的资料，其中有一项重要的发现是猴子身体的节律周期显然由正常的24小时转变为26小时，虽然光线的变化以及活动和取食的时间，都是按白昼和黑夜各为12小时的规律来安排的，但是到了飞行的第二天和第三天，猴子的身体节律就开始偏离了24小时的周期。对于这些现象，科学家无法解释，目前还在继续深入地研究。

科学家直接进入太空实验

载人宇宙飞船和航天飞机的出现，使得科学家有了在宇宙中的实验站，科学工作者和宇航员共同进入太空，在那里长期生活工作，这使空间生物学的研究得以大大拓宽它的领域。由于争夺空间不仅具有重要的军事意义，而且对于今后人类生存空间的扩展、对于某些新兴产业的出现具有潜在的价值，各个国家都很重视这方面的工作，美、俄、日、英、法、德、加等国都投入巨资，我国也在积极开展这方面的研究。

目前，空间生物学家主要在以下几个方面开展研究。

首先，研究空间环境对人类的影响，以便使更多的人能直接进行宇宙飞行和太空活动，这一研究属于宇宙医学的研究范围。人在微重力环境下的生存是首先提出的课题。人类在地球环境中的活动，锻炼了各种肌肉，在微重力环境中，大量的骨髓肌进入低活动的状态，长期的微重力会导致这些肌肉的萎缩。失重时，血液循环不需要克服地面的引力，因此心肌的负担减轻。从现有资料看，宇航员在空间生存期仅超过几个月，就开始出现肌肉萎缩的症状。人体本需要骨骼来克服重力以支撑人体的站立和运动，在失重条件下，骨骼的负担减轻，引起组成骨骼的重要成分钙的缺失。从美国和原苏联现有的研究结果看，宇航员在空间生活几周到两个月，尚不产生什么后果，但，如在空间长期生活一年左右，上述问题都会变得突出，当他们再返地面时，必须经过长时期的再适应过程。苏联宇航员尤里·罗曼年科在空间生活了300多天，返回地面时是自己步出飞船舱的。他能做到这点，是因为在宇宙飞船的舱中装有模拟地心引力的离心装置，在这种装置上他不断坚持运动锻炼，初步解决了较长期在微重力下生活的问题。

空间运动病几乎是所有宇航员都遭遇到的问题，它严重地影响他们充分利用有限的、宝贵的飞行时间从事各项研究。初步实验结果证明，空间运动病主要与前庭器官有关，目前还没有有效的防治办法来解决这一问题。

其次，研究生物学规律在空间中的变化。例如在微重力的条件下，从目前的报道来看，微生物的生长速度以数量级的差别增大，植物根部生长的向地性失去了方向，向各种方向随机生长，但是向日葵的头部依旧以24小时的节奏摆动，有些昆虫的生长发育和生殖能力在微重力条件下也有各种程度的变化。

再次，对宇宙射线的防护也是一个重要的研究内容。由于没有大气层的保护，各种宇宙射线将直接影响到进入太空的生物体，像太阳耀斑突发时引起的重离子辐射，也不是人造卫星或宇宙飞船防护层所能阻挡的。利用宇宙空间来筛选只有用空间辐射线才能引起的各种生物的突变材料，以培育新的作物，这也是空间辐射生物学的一个兴奋点。

另外，用X射线衍射法测定蛋白质的立体结构是分子生物学的重要研究技术。这个技术要求样品是足够大的蛋白质晶体，生长晶体是该项工作中最难的环节之一。在微重力条件下，干扰蛋白质单晶长大的因素（如结晶母液的对流，晶核的附壁等）基本消失，因而对晶体的长大有利。美国科学家已利用航天飞机在空间成功地生产了几个蛋白质单晶，并对其中个别的单晶测定了立体结构，这是空间基础生物科学的成就。

然后，空间生命科学的发展提出了建立空间产业的任务，不仅生物科学家，就是经济学家和政治学家都对此极感兴趣。空间药物生产将是一个可能最快进入商业阶段的重要领域。已经有一家西方公司投资几百万美元在研制一个重约4吨的“航天制药厂”，希望在近期内送入太空，而许多实验早已在航天飞船或航天飞机中进行。

空间制药主要是利用空间最主要的特征——微重力来制取一些在地面上难以制备和纯化、产值较高的、具有极显著经济效益的生物药物，如蛋白质类药物。在宇宙空间中，由于失重场不会产生由于物质密度差引起的上升和下降，也不存在热对流，因而对利用电泳技术（利用不同物质带有电荷不同，在电场中移动方向和速度也不同的原理，分离纯化某些难以分离的生物大分子的技术）进行混合物的分离和精制是大有益处的。1969年，美国航天航空总署着手研制了空间电泳装置，1975年，在阿波罗—联盟号联合飞行中进行了两组电泳试验，成功地进行了活细胞分离。淋巴细胞中的T-细胞和B-细胞在地面上难以分离，在该实验中分离却获得了成功。美国的“空间制药计划”利用自制的空间电泳装置进行了试验。1984年8月，“发现者”号航天飞机在第12次飞行时，麦道公司利用一台重达263千克的电泳装置进行了激素分离。苏联在“礼炮-6号”飞船上也进行了干扰素的纯化试验，在“礼炮-7号”上进行了人血清白蛋白和血红蛋白的分离实验。在“礼炮-7号”上进行的人参组织培养试验证明，人参在空间10天的生长量相当于地面30天的生长量。

结束语

在科学和技术日新月异发展的今天，空间生物学正以极快的速度在发展，经过数代人的努力，相信这一门充满着“？”的新兴学科将会为人类美好的明天描绘出绚丽的前景。从设想到雏形，再到完成体系，科学从来都是在“疑问——解决——再疑问——再解决”的循环中不断向前发展。科学正召唤一代有志青少年投身于新事业的开拓中去。科学等待着。