探讨重力水平对生命形态和功能的重要影响.doc

1、探究重力水平对生命形态和功能的重要影响关 键 词 ： 生 命 科 学 卫 星 ”;计 划 述 评“生 命 科 学 卫 星 ”(Lifesat)是 一 颗 不 载 人 的 再 入 式 卫 星 ， 可 重 复 使 角 ， 属NASA 和 国 际 空 间 生 命 科 学 共 同 体 共 用 。 其 上 将 带 有 大 量 的 生 物 样 品 ， 包 括 细 胞 和组 织 、 植 物 、 无 脊 椎 动 物 和 小 的 哺 乳 动 物 ， 目 的 是 了 解 空 间 环 境 (即 空 间 高 能 辐射 和 微 重 力 )对 生 物 系 统 的 影 响 。 样 品 放 在 卫 星 有 效 载 荷 舱 内

2、 。 该 卫 星 拟 用 德 尔 它 l号 火 箭 或 其 他 运 载 工 具 发 射 ， 它 将 按 进 行 空 间 辐 射 效 应 的 特 定 研 究 的 要 求 ， 发 射 到不 同 的 轨 道 上 。 该 卫 星 具 有 O、 1.59 的 人 工 重 力 能 力 ， 使 研 究 者 们 可 以 研 究 不 同重 力 水 平 对 生 命 形 态 和 功 能 的 重 要 影 响 。 其 设 计 的 性 能 参 数 见 表 1。虽 然 目 前 已 有 了 一 些 载 人 航 天 的 医 学 资 料 和 有 限 的 生 物 样 品 实 验 结 果 ， 但 仍 需暮 更 多 地 了 解 许 多

3、 航 天 因 素 对 生 物 系 统 的 影 响 。 有 些 问 题 还 知 道 得 很 少 ， 例 如 ， 空间 辐 射 对 生 物 系 统 损 害 到 什 么 程 度 、 后 果 如 何 、 改 善 的 方 法 等 。 另 外 ， 对 于 长 期 处于 变 化 的 重 力 状 态 下 的 生 物 效 应 也 还 没 有 进 行 全 面 的 探 测 。 设 计 生 命 科 学 卫 星 就 是要 回 答 这 些 重 要 的 问 题 ， 这 包 括 :零 重 力 在 细 胞 和 器 官 水 平 上 有 什 么 影 响 ?生 物 体 能 成 功 地 进 行 损 伤 修 复 、 再 生 和 生 长

4、吗 ?辐 射 和 微 重 力 效 应 之 间 是 否 存 在 某 种 关 系 ， 如 果 存 在 ， 那 么 是 什 么 关 系 ?o“19 之 间 的 小 重 力 对 生 物 系 统 有 什 么 影 响 ?是 否 存 在 重 力 影 响 的 阂 值 ?如 果 存 在 ， 对 各 种 不 同 的 系 统 (发 育 、 修 复 、 免 疫和 骨 骼 等 )这 个 阂 值 是 多 少 ?.如 何 使 目 前 的 和 计 划 中 的 地 面 基 础 研 究 能 很 好 地 代 表 在 空 间 发 现 的 影 响 ?计 划 的 由 来 和 历 史“生 命 科 学 卫 星 ”方 案 是 由 NASA 空

5、 间 科 学 和 应 用 署 生 命 科 学 部 于 1986 年 7月 提 出 的 ， 作 为 该 局 空 间 混 合 舰 队 战 略 的 一 部 分 ， 它 是 在 挑 战 者 号 航 天 飞 机 失 事 后立 项 的 。 但 从 历 史 上 看 ， 自 1960 年 以 来 ， 世 界 上 已 有 许 多 国 家 发 射 过 各 种 不 载 人的 卫 星 ， 包 括 NASA 于 60 年 代 末 发 射 的 3 颗 生 物 卫 星 。1987 年 ， NASA 成 立 了 国 际 Lifesat 科 学 工 作 组 (LSSWG)， 以 便 跟 踪 当 代 科学 的 发 展 。 198

6、7、 工 988 年 ， 由 艾 姆 斯 研 究 中 心 进 行 A 阶 段 研 究 ， 设 计 了 一 颗 直径 为 1.905m 的 卫 星 ， 这 比 原 方 案 减 小 了 一 点 ， 但 仍 能 满 足 许 多 科 学 要 求 。 在Lifesat 计 划 的 头 几 年 ， 有 几 个 用 户 要 求 进 行 各 种 学 科 的 观 察 ， 包 括 天 文 物 理 、 材 料加 工 和 工 艺 。 但 由 于 Lifesat 只 能 到 达 特 有 的 地 球 高 辐 射 轨 道 ， 并 将 生 物 样 品 完 整地 运 回 地 球 ， 以 便 进 行 详 细 检 查 ， 因 此

7、该 卫 星 计 划 仅 对 生 命 科 学 研 究 者 特 别 有 价 值 。1989 年 中 期 ， NASA 对 该 卫 星 进 行 了 B 阶 段 的 两 项 平 行 设 计 研 究 ， 分 别 由 国际 科 学 应 用 公 司 和 通 用 电 子 公 司 负 责 。 1989 年 ， NASA 接 受 了 总 统 的 一 项 指 示 ，研 究 重 返 月 球 ， 建 立 月 球 基 地 的 课 题 ， 这 被 看 作 是 载 人 火 星 飞 行 任 务 的 一 个 阶 段 性里 程 碑 。 为 了 确 定 美 国 如 何 完 成 这 些 目 标 ， 美 国 科 学 家 进 行 了 90

8、 天 研 究 ， 重 点在 于 确 定 具 有 像 生 命 科 学 卫 星 这 样 能 力 的 航 天 器 的 要 求 ， 以 便 为 更 长 期 的 飞 行 任 务进 行 关 键 的 预 先 研 究 。C 和 D 阶 段 研 究 的 实 施 期 限 自 1991 年 第 4 季 度 到 1994 年 第 3 季 度 ， 在 此 期间 要 将 B 阶 段 研 究 确 定 的 设 计 特 点 最 后 确 定 下 来 ， 选 择 承 包 商 ， 研 制 出 卫 星 。NASA 计 划 于 19 例 年 12 月 进 行 第 一 次 Lifesat 飞 行 。计 划 描 述Lifesat 计 划 有

9、 三 个 主 要 目 标 :第 一 ， 支 持 NASA 的 空 间 探 测 倡 议 ， 获 得 空 间环 境 的 初 步 数 据 ;第 二 ， 进 行 基 础 研 究 ， 包 括 生 物 系 统 受 到 哪 些 影 响 、 如 何 受 影 响 、这 些 影 响 如 何 随 连 续 太 空 暴 露 而 变 化 ， 此 外 ， 还 将 研 究 对 抗 措 施 ;第 三 ， 该 计 划将 加 强 NASA 与 其 他 国 际 空 间 生 物 学 计 划 之 间 的 合 作 。 Lifesat 计 划 的 实 施 分 为两 个 阶 段 :第 一 阶 段 目 标 是 为 空 间 探 测 倡 议 制 定

10、 有 关 载 人 航 天 危 险 和 载 人 航 天 器 设 计 标 准 。该 阶 段 基 本 上 同 等 地 强 调 研 究 辐 射 生 物 学 和 重 力 生 物 学 。 Lifesat 的 研 制 和 实 施已 纳 入 到 NASA 生 命 科 学 部 内 部 的 辐 射 /生 物 学 倡 议 (R/Bl)计 划 中 。 R/Bl 是 地 面基 础 研 究 和 航 天 因 素 研 究 两 者 的 结 合 。 为 了 有 效 地 发 挥 空 间 部 分 的 作 用 ， 必 须 进 行特 定 的 地 面 基 础 研 究 ， 以 便 更 好 地 了 解 重 离 子 与 生 物 系 统 的 相

11、互 作 用 ， 它 包 括 后 效应 、 基 础 机 理 、 生 物 医 学 对 抗 措 施 和 直 接 相 互 作 用 的 可 能 性 研 究 。这 一 阶 段 中 共 进 行 5 次 发 射 ， 第 1 次 和 第 5 次 发 射 各 部 署 一 颗 “生 命 科 学 卫星 ”， 其 余 各 次 发 射 每 次 部 署 两 颗 “生 命 科 学 卫 星 ”， 总 共 有 8 次 “生 命 科 学 卫 星 ”飞 行 任 务 。 这 一 阶 段 中 初 期 的 飞 行 任 务 将 使 用 普 通 /放 射 生 物 学 舱 ， 一 般 带 有 细 胞 、无 脊 椎 动 物 和 低 等 植 物 作

12、 为 生 物 样 品 。 欧 洲 空 间 局 (ESA)植 物 舱 (BotanyModule)也 可 能 在 这 一 阶 段 的 初 期 飞 行 。 小 哺 乳 动 物 可 能 在 第 一 阶 段 计 戈 J 后 期 飞 行 。 到1999 年 ， 作 为 地 面 和 飞 行 辐 射 研 究 的 结 果 ， 初 步 的 载 人 航 天 危 险 性 数 据 和 设 计 标 准(例 如 屏 蔽 、 仪 器 设 备 和 旋 转 速 率 )， 将 有 效 地 用 于 月 球 基 地 和 火 星 飞 行 任 务 的 定 义和 研 制 活 动 。第 二 阶 段 计 划 进 行 小 哺 乳 动 物 研 究

13、 ， 并 继 续 进 行 细 胞 /无 脊 椎 动 物 和 植 物 研究 。 还 可 能 包 括 灵 长 类 动 物 ， 这 取 决 于 需 要 和 科 学 上 的 用 途 。 在 这 一 长 期 计 划 中 ，飞 行 任 务 活 动 频 率 将 在 一 年 一 次 和 一 年 两 次 的 生 命 科 学 飞 行 任 务 之 间 交 替 进 行 。飞 行 器“生 命 科 学 卫 星 ”将 用 来 为 几 个 生 物 学 科 的 研 究 者 提 供 定 期 的 、 相 当 节 省 的 途 径进 入 空 间 环 境 ， 进 行 长 时 间 的 研 究 。 “生 命 科 学 卫 星 ”将 具 有 以

14、 下 能 力 :可 使用 多 种 一 次 性 运 载 工 具 发 射 ;作 为 一 个 无 人 的 自 由 飞 行 实 验 室 在 地 球 轨 道 上 工 作 ;能 独 立 地 再 入 地 球 大 气 层 ， 并 软 着 陆 在 新 墨 西 哥 州 白 沙 导 弹 发 射 场 ， 以 使 实 验 者尽 早 到 达 有 效 载 荷 着 陆 点 。一 次 飞 行 时 间 可 长 达 60 天 。 回 收 后 ， 对 其 进 行 迅 速 整 修 后 ， 能 再 携 带 新 的 有效 载 荷 飞 行 ， 它 可 飞 行 10 年 以 上 。 该 卫 星 能 进 行 三 轴 稳 定 ， 允 许 轨 道

15、上 平 衡 机 动和 精 确 的 离 轨 机 动 。 漂 浮 在 空 中 时 能 提 供 小 于 10“”g 的 轨 道 加 速 度 环 境 。 在 轨 道平 衡 机 动 期 间 ， 加 速 度 环 境 将 小 于 10 一 “g。 卫 星 通 过 旋 转 ， 可 给 有 效 载 荷 包 提 供O、 0.59 的 人 工 重 力 。“生 命 科 学 卫 星 ”设 计 得 很 坚 固 ， 易 于 维 护 ， 可 很 经 济 地 再 修 复 (某 些 分 系 统要 更 换 )。 修 复 后 ， 要 更 换 消 耗 性 部 分 ， 安 装 新 的 有 效 载 荷 舱 ， 然 后 进 行 鉴 定 。

16、回 收和 再 飞 行 之 间 的 时 间 应 尽 可 能 短 ， 大 约 60 天 左 右 。有 效 载 荷 舱 都 设 计 得 能 进 行 相 当 独 立 自 主 的 实 验 ， 很 少 需 要 地 面 指 令 ， 只 需 要有 限 的 遥 测 。 有 效 载 荷 舱 中 具 有 10 亿 比 特 的 成 批 数 据 储 存 能 力 ， 其 组 合 体 具 有 电源 和 热 控 制 ， 但 它 们 的 调 节 、 控 制 和 对 各 个 实 验 的 分 配 ， 则 由 各 有 效 载 荷 舱 承 担 。有 效 载 荷 舱 的 质 量 、 惯 性 性 质 和 重 心 将 被 控 制 在 可 接

17、 受 的 范 围 内 。 各 个 有 效 载 荷 舱均 有 专 门 的 研 究 范 围 ， 例 如 :普 通 生 物 学 舱 (GBM)装 有 带 低 级 生 命 形 式 、 动 物 和 植 物 样 品 的 仪 器 设 备 ， 将 能保 证 进 行 若 干 种 辐 射 和 重 力 生 物 学 研 究 。(c欧 空 局 微 重 力 植 物 学 设 备 可 支 持 多 达 18 个 植 物 栽 培 装 置 ， 内 部 带 有 1g控 制 离 心 机 。组 织 管 理该 项 计 划 具 有 坚 实 的 基 础 ， 其 后 盾 包 括 NASA、 工 业 和 国 际 合 作 机 构 。 “生命 科 学

18、 卫 星 ”科 学 工 作 组 由 NASA 总 部 管 理 。 生 命 科 学 计 划 和 R/Bl 生 命 科 学 卫 星 计 划 的 整 个 方 向 和 评 价 ， 由NASA 负 责 空 间 科 学 和 应 用 的 副 局 长 负 责 。 生 命 科 学 硬 件 研 制 和 所 有 生 命 科 学 实 验活 动 的 一 级 权 力 ， 由 生 命 科 学 部 主 任 负 责 ， 并 由 他 任 命 该 计 划 的 计 划 经 理 和 计 划 科学 家 。“生 命 科 学 卫 星 ”的 探 测 、 研 制 和 实 施 是 二 级 责 任 ， 它 隶 属 于 约 翰 逊 航 天 中 心 新

19、倡 议 办 公 室 。 约 翰 逊 航 天 中 心 还 是 它 的 辐 射 研 究 领 导 中 心 ， 其 设 在 空 间 和 生 命 科 学管 理 局 内 ， 负 责 确 定 整 个 放 射 生 物 学 实 验 计 划 ， 并 综 合 空 间 和 地 面 基 础 研 究 的 结 果 。发 射 服 务 由 哥 达 德 航 天 中 心 提 供 。 整 个 重 力 科 学 的 协 调 ， 以 及 与 动 物 保 障 硬 件 有 关的 研 制 、 试 验 和 有 效 载 荷 活 动 ， 由 艾 姆 斯 研 究 中 心 负 责 。 荃 少 有 5 个 国 际 机 构支 持 “生 命 科 学 卫 星 ”

20、计 划 ， 它 们 是 法 国 空 间 研 究 中 心 (CNES)、 日 本 宇 宙 开 发 事 业团 (NASDA)、 加 拿 大 航 天 局 (CSA)和 欧 洲 空 间 局 (ESA)。几 年 来 ， 这 些 机 构 在 国 际 生 命 科 学 卫 星 科 学 工 作 组 内 部 派 有 代 表 。 该 小 组 于1991 年 由 支 持 各 项 飞 行 任 务 的 研 究 者 工 作 组 和 由 国 际 代 表 组 成 的 指 导 委 员 会 (指导 和 协 调 整 个 工 作 )所 取 代 。结 论按 照 辐 射 /生 物 学 倡 议 ， “生 命 科 学 卫 星 ”将 为 科 学

21、 家 提 供 一 个 必 要 的 、 具 有 独特 能 力 的 飞 行 器 ， 它 收 集 有 关 的 科 学 资 料 ， 并 使 之 返 回 地 面 ， 这 些 资 料 将 加 强 对 生物 系 统 内 重 力 和 辐 射 作 用 过 程 的 了 解 。 该 星 所 获 得 的 空 间 对 生 命 影 响 的 数 据 ， 将 对空 间 探 测 倡 议 ， 对 计 划 中 的 月 球 和 火 星 飞 行 任 务 ， 具 有 很 大 的 价 值 。 NASA 将与 国 际 合 作 者 共 同 完 成 这 项 计 划 ， 他 们 分 担 生 命 科 学 卫 星 的 不 同 方 面 工 作 ， 并 提 供关 键 部 件 。