1、访空间植物学家刘存德“地球承载力的底线“ 是人们最为关注的问题,人口,环境,粮食,能源和资源等一系列危机,使地球这一封闭系统的稳定性正在逐步下降.一个有限的地球,不能满足无限增长的人口需求.有人估计,再过1540 年,世界人口的重量将等于地球的重量.解决的办法就是开拓人类生存空间.向地外空间找出路,移民地外星球.而今,载人航天,空间站,登月计划,火星开发人类正一步步朝着理想的家园迈进.近年来,载人航天,特别是正在建造中的国际空间站,使空间生命科学和空间生物技术领域的研究异常活跃.在太空生活对于人类的身体健康和延续后代有何影响? 长期,远距离飞行过程中,怎样才能在飞行器上自己供应食物,空气和饮水
2、?怎样才能保障人进入太空正常生活和工作? 都将是科学在这样的重力环境中有效地工作.另外系统还要能耐受火星表面经常性的沙尘暴,应具有抗沙尘污染的能力.(5)大大减轻整个系统的重量,同时要改进分系统的设计,进一步减少对消耗品的消耗量.(6)火星舱外活动航天服要能适合于不同国家和民族的航天员的身材.7.加强航天工效学的研究航天工效学是航天医学工程的重要组成部分.航天工效学的主要任务是提供一种有利于航天员工作与生活的环境,以便提高航天员在长期航天中完成任务的能力,最终目的是确保飞行任务的成功.航天工效学通过各种技术,措施和手段对人(即航天员), 系统(包括载人航天器,月球或火星基地等)和环境( 包括地
3、球轨道环境,行星际空间环境,月球或火星表面环境等)进行整合,以实现其目标和任务.21 世纪航天工效学的发展可分为三个阶段:第一阶段是研究在为期一年的飞行中的工效学问题:第二阶段是研究飞往火星和返回地球过程中的工效学问题;第三阶段是研究在火星表面长期工作与生活中遇到的工效学问题.具体的研究方向是:(1)建立人的感知系统的数学模型.(2)研究航天中航天员的认知工效问题,包括建立航天员认知工作负荷的模型,对人一自动化界面的评估等.(3)研究航天员在微重力和低重力条件下的体力和劳动能力,研究对航天员在长期飞行中工效进行监测的技术,研究保证航天员完成各种任务和安全的措施.(4)研究火星飞船和火星基地的适
4、居性问题,最大限度地为航天员提供舒适的生活环境.保证航天员的身心健康.结束语航天医学工程是一门医学与工程相结合的综合性学科.它随着载人航天的产生而产生.随着载人航天的发展而发展.20 世纪实现载人地球轨道飞行,最大的挑战是工程技术问题;21 世纪实现人类的火星飞行,最大的挑战是航天医学工程问题.人是载人航天系统中最重要的成分,又是最脆弱的成分,要在飞往火星的征途中保证人的安全,健康和工作效率,其困难和复杂程度,是载人航天史上前所未有的.21 世纪载人航天技术将出现一个飞跃,航天医学工程也将出现一个飞跃.(中国航天)2002 年第 10 期 )2003.3 科技文荤 29家们为太空开发所要解决的
5、问题.我国的科学家也在积极为载人飞行做着各种准备.在近期的一次空间科学研讨会上,有幸结识我国在空间进行植物试验的第一人原中科院植物研究所研究员刘存德.她向我介绍了空间植物学领域的一些情况.石刁柏干种子我国首次植物上太空现年已是七十多岁的刘教授,提起当年为第一次卫星搭载植物飞行试验而奔波的经历,依然非常兴奋.1987 年,得知我国卫星已进入返回式试验阶段,一贯对新事物赋予热情的刘教授建议,利用这一条件做一些植物的太空飞行试验,这或许将是又一个新的科研目标.刘教授讲,植物在地面所进行的科学试验已有相当长的时间,但到太空上去做植物试验,我们还从来没有过.最初的搭载试验受到各种限制,刘教授就一步步地迁
6、就,她说:“ 只要让我的东西上去,什么条件我都答应.“体积不能过大就改小;不能给一个培养植物幼苗的空间就用种子;实物不能有水汽就再改用干种子.这样多次退让,协商之后,一个自成密封体系,经过反复严密包裹的石刁柏干种子终于随卫星搭载上了太空.种子上了太空,刘教授却像挂念远行的亲人一样牵挂着她的那几粒石刁柏种子.7 天后,卫星载着石刁柏种子返回地面.由于干种子水分含量少,对环境的忍耐力高,刘教授拿到的这些种子没有任何改变.第一次的太空植物飞行试验也以这样的结果告竣.但是.随着这些石刁柏种子的太空飞行,我国真正意义上的空间植物科学研究就此展开,各种萌发期的种子,幼苗的太空未来的月球农业30 科技文萃
7、2003.3实验,为探索植物在空间环境下的生长提供了实验依据.十多年来,我国已 8次成功利用返回式卫星,5 次利用高空气球先后将工程细胞,藻类,水稻,小麦,芦笋,玉米,大麦,棉花,谷子,大豆,绿豆,豌豆,红小豆,黄瓜,人参,白莲,辣椒等 51 种作物 300 多品种及幼苗搭载升空,在科学卫星距地面枷一 4OO 千米高空飞行 5 天,气球在 304o 千米高空飞行 8 小时,取得了较好的试验效果.从种子到种子俄美合作试验成功据刘教授讲,国外早期以低等植物为对象的研究较多,随后比较多的研究高等植物幼苗对空间环境的反应,包括在整体,组织,细胞和分子水平不同层次上的广泛研究.80年代初又把注意力转到对
8、植物个体发育全过程的研究.苏联曾以模型植物拟南芥为对象,进行过从种子到种子全过程的太空种植实验.1994 年以来,俄罗斯,后来又与美国宇航局合作先后在“和平“号轨道站上多次进行了小麦从种子到种子全周期的太空实验.在与地球的同样生长周期内,他们选用墨西哥超矮化小麦为试验品种,这种小麦仅2 卜 30cra 高 ,在 90crE 面积上生长 97 天,获得 150 个麦穗.生物学家在实验室对太空小麦分析发现,太空小麦的品质与普通小麦没有差别.唯一不理想的是,太空小麦产量比较低,每个麦穗上结的麦粒不多.刘教授分析,这可能与封闭的太空舱缺少地面开放系统相关条件而影响了授粉过程.因此,改善太空舱的环境和选
9、择优良的植物品种是空问植物学研究的课题.目前,美国,日本的科学家正在联合攻关,拟将甘薯作为未来的太空作物,种在航天器中,供宇航员食用.甘薯之所以得此宠幸,是因为它营养丰富,另外甘薯适应性强,易栽易活,产量高,只需一小段蔓茎,一小块切片,甚至一片薯叶,就能生根成活,种植在航天器内既能补充舱内氧气 j 形成了一个小小的生态循环密闭环境,还能供宇航员可生熟吃的新鲜自产食品.美国肯尼迪太空研究中心的特殊实验室里,以水代土种植土豆的液体栽培法的结果表明,土豆植株产生的氧气足够 1 个宇航员使用.土豆和甘薯一样可为宇航员提供食物和能量.科学家还收集了土豆叶子排放的“纯水 “,用它制成饮用水可供宇航员饮用.
10、种子上太空会怎样植物在地球上经历了亿万年的演化,地球环境决定了它们的形态,行为,生理功能和繁殖能力.然而,太空环境远不同于地球,特别是微重力环境是地球上没有的.刘教授说.他们曾将浸泡 4 小时的石刁柏种子放在卫星舱内进行飞行 15 天的试验,返回地面后观察到,在太空生长的根和幼芽生长的都没有一定的方向,这是失重引起的反应.而失重还可能影响植物细胞的形态,分化和分裂过程.另外,飞行器中的植物还会因发射和返回地球时短暂的加速度,振动和冲击受到影响.目前,飞行器虽然是一个密闭的,气压维持在 O.8_1 大气压的设备;外壳有防腐蚀材料构成,但是,现有任何材料都无法防止高能重粒子的穿透.已经证明,飞行器
11、中搭载飞行的种子,约有 1O%可被重粒子击中,引起染色体严重损伤.为什么经过太空飞行的种子能产生优秀的后代? 种子在太空中发生变化的机理又是怎样?国内外科学家已逐步认识到空间环境对植物材料具有明显诱变作用.但是,人类现有认识还无法解释空间微重力环境,强宇宙辐射等哪些因子是给植物育种工作提供了特殊“温床 “.为此,自 20 世纪 90 年代初,NASA 制定 199 卜 2015 年空间生命科学试验规划时,将重力植物学研究作为空间生命科学的首选课题;日本,德国等也非常重视植物重力适应性的研究.重力植物学研究已成为空间植物学长期研究的重点.为植物营造适宜的太空环境可以说,所有空间植物学的研究都是为
12、了永久太空飞行和今后建立月球和火星基地,需种植供基地人员生活的农作物.NASA 对经济合理性所作的估计认为,人类在太空停留 2.6 年以上,由太空生长的植物提供食品是合算的.时至今日,空间植物学研究仅停留在对少数几种植物在太空进行了长期生长或完成了个体发育的全过程的试验研究;人类上天的生命保障系统全部都是物理,化学系统,也就是带氧,带水,带食品.据估计,卫星每增加一千克载荷的经济花费约 1 万美元,如此昂贵的运输费用,是当今空问生命科学研究最大的动力.刘教授讲,即使从较长远的时间考虑,全部由植物代替来改善密封舱里的受控环境几乎不太可能,它会需要很大的空间种植植物才能提供足够的氧气和食物.但由植物部分解决氧气,食品和水分的供给是可能的.另外,若有一些植物,开上一朵鲜花这对长途旅行的宇航员心理上也将是一种慰藉.全世界的科学家都认识到,在密封舱里对高等植物栽培的研究会是一项长期的课题.由于在太空有太多意想不到的因素会对植物产生影响.例如,水在太空不能以液体形式存在,而是以水汽或水滴的形式漂浮在培养室中,植物如何吸收到这种形式存在的水;又如,失重环境下,根可能伸出培养介质以外生长,茎,叶也不按特定方位生长.这些涉及到
