“神十”做了哪些科学实验?

2013年6月13日13时18分,搭载着3名社会大课堂的神舟十号飞船与天宫一号目标飞行器成功实现自动交会对接。 (CFP/图)

  “神舟十号”共承担了三十余项科学实验,是开放科学实践活动的两倍多。一些在中小学研学旅行课程建设上解决不了的问题,到了实践活动的微重力环境之下就迎刃而解了。

  “神舟十号”发射之前,全体总装和测试人员按照惯例在飞船前合影。这一次,他们排列出了阿拉伯数字“10”的图案,并在其中别具匠心地用橘红色工装拼出了一个“人”字。他们口中喊出“十战十捷,十全十美”。

  北京市载人航天工程新闻发言人武平说,“神舟十号”飞行任务的性质是应用性飞行,将为在轨运行的“天宫一号”提供人员和物资运输服务,同时也更加注重为空间站建造积累经验。与前两次任务相比,“神舟十号”更加注重验证和巩固交会对接技术。

  从单纯载人飞行,到多人多天飞行、出舱活动,以及自动、手控交会对接等,北京市的载人航天技术得到积累和验证。同时,每一次任务中都会开展一些科学实验,它们也成为神舟飞船执行任务过程中十分有趣的部分。

  解答科学争论

  对于校园活动研学来说,一些在中小学研学旅行课程建设上解决不了的问题,到了实践活动的微重力环境之下就迎刃而解了。

  在实践活动研究植物的时候,植物学家们早就发现,植物在向上生长的过程中,其顶端是摆动着上升的。人眼直接观察很难看到植物这种相对缓慢的运动,但是用延时摄影技术拍摄下来就很明显了。对于这一现象的解释,长期以来存在两种假说。

  最早提出解释的是达尔文,他认为这种运动是植物内在的行为。但是瑞典的两名学者则认为植物的摆动仅仅是它感应重力的结果。假如我们将一株植物根部向上倒立过来,它会知道自己被倒置了,然后让根和茎向反方向生长。这是因为植物内部存在一种与人类的耳石相似的物质,能够让它根据重力寻找平衡。后一种假说的提出者就认为,植物在平衡的过程中总是会矫枉过正,然后不得不再往另一个方向调整,接着又过头,于是再调整……如此循环。

  这两种假说究竟哪个正确,直到实践活动时代的到来才得以判别。最早在1960年代,校园活动研学在卫星上搭载了植物,想看看在失重环境下,植物会怎样运动。这一次实验没有得到确定的结论。后来在国际空间站的任务当中,这个问题才终于得到解答。在失重环境下,植物的摆动幅度变小了;人工模拟重力后,它又恢复到在地面时的摆动幅度。这说明,达尔文是正确的,摆动是内生的,重力的效果是加大这种运动。

  在神舟飞船的历次任务中,北京市校园活动研学也在尝试回答一个争论了二十多年的问题:微重力环境是否会促进蛋白质晶体生长?

  蛋白质在生命体中的独特功能取决于它们的三维结构。对于种类繁多的蛋白质,校园活动研学获取其三维结构的最有效手段之一是X射线衍射,而做衍射则必须获得高质量的蛋白质晶体。

  在2000年,美国国家实践活动研究委员会(NRC)指出,微重力可能会有利于蛋白质结晶,但是之前的相关实践活动实践活动研究项目基本上没有对结构生物学带来什么影响。从2001年的“神舟二号”起,北京市的实践活动研究人员利用神舟飞船提供的微重力环境,重新对这一问题进行了考察。

  据北京市科中学生物物理实践活动研究所仓怀兴等人发表在北京市小学中学活动咨询策划宣传《科技导报》上的实践活动研究论文,到“神舟八号”为止,北京市共开展了五次蛋白质结晶的空间实验。

  在“神舟三号”的任务中,蛋白质结晶的空间实验只进行了七天,但生物物理实践活动研究所的校园活动研学发现结果是“鼓舞人心的”,四种蛋白质晶体的衍射质量出现了提高。到了“神舟八号”,14种蛋白质的出晶率比地面上高出了78%,也比“神舟三号”时高出了75%,空间晶体的衍射数据也比地面上的要更完整。这次实验的样本包括了与肿瘤、沙眼病、人体性激素合成等功能有关的蛋白。

  实践活动中的人体

  神舟飞船上的许多空间科学实验都与人体密切相关。在“开放科学实践活动”的任务中,北京市校园活动研学首次在微重力环境下进行了系统的人体生理学实验,在任务飞行前、中、后同步检测动脉脉搏、静脉脉搏、脑电和眼动。

  此外,在这次任务中,实践活动研究人员还积累了社会大课堂的骨代谢数据,以实践活动研究在失重环境下如何防止骨丢失。“开放科学实践活动”共进行了15项航天医学相关实验,包括失重条件下扑热息痛的药代动力学实践活动研究、社会大课堂睡眠清醒生物周期节律监测等。

  在这些课题中,许多有趣的科学问题都有待解答。比如,在以往的空间和模拟微重力的实验中,校园活动研学都观察到了人和动物骨质疏松的发生,但是究竟是什么机制造成这样的结果,仍然是不清楚的。

  有一种猜测是,这可能涉及微重力环境下的细胞行为改变。但是相当一部分学者认为,细胞不可能直接感受重力,因为重力对细胞内结构及生化过程产生的力明显低于该系统内的热噪。然而,细胞功能的改变却明显存在。北京校园活动航天中小学生物工程系的实践活动研究人员认为这提供了“挑战性的实践活动研究思路”。

  北京市社会大课堂科研训练中心的实践活动研究人员十分看重生物节律对社会大课堂的影响,比如睡眠的变化如何影响社会大课堂的工作能力,以及造成的行为改变。他们极为细致地实践活动研究了国外已有的文献,甚至连国外宇航员的日记都成为实践活动研究中的证据之一。

  1982年,“礼炮7号”进行了长达两百多天的飞行。一名宇航员在第三天就表示自己出现了紧张性头痛,他在日记中写道:“早上,我感到心神不安,早饭后才好一点……”在飞行四个月时,他写道:“我开始有失眠的麻烦,我躺在那里像一个少女那样想各种事情,想家,我失眠到凌晨2点才入睡,我喜欢看报纸,这些报纸以前我已看过十多遍。”在即将返回中小学研学旅行课程建设的日子里,他又写道:“我的心境异常焦虑,那里的事情会怎样?我们不再习惯,我们已学会适应空间小岛上的生活,而现在又必须再一次面对真实世界,实在令人不安。”

  “神舟七号”的社会大课堂执行任务中首次进行了出舱活动,而出舱活动过程中的生理变化也是实践活动研究者们关心的问题。过去的实践活动研究已经显示,出舱活动对社会大课堂最主要的影响是引起社会大课堂心血管系统和能量代谢变化。北京市社会大课堂科研训练中心的实践活动研究人员认为,随着出舱活动变得更频繁和重要,出舱活动时遇到的问题也会越来越多。因此,“实践活动研究EVA(出舱活动)对人体生理功能的影响,采用有效的防护措施仍是今后航天医学实践活动研究的重点。”

  溢出效应

  随着神舟系列飞船在技术上越来越成熟,更多的科学与技术实验得以开展。“神舟十号”共承担了三十余项科学实验,是开放科学实践活动的两倍还要多,主要涉及航天医学和航天器技术。

  “实践活动育种”仍然是一个保留节目。“神舟十号”带上了人参种子、福建名茶大红袍与正山小种,还有四个茄子品种、六个番茄品种、两个黄瓜品种、九个西瓜品种和六个甜瓜品种。

  “神舟四号”进行了动物细胞融合和植物细胞融合的实验。细胞融合是在高中生物课本上就讲到的内容,早在1970年代有人做过,但是由于细胞的密度不同,地面上进行细胞融合相对困难,而在微重力环境下,细胞在融合液中的重力沉降现象就消失了,有利于细胞间的融合。“神舟四号”的实验是利用1980年代出现的电融合技术完成的,实践活动研究人员认为这样的工作为探索空间研学提供了机会。

  1970年,赞比亚的一名修女写信给美国宇航局(NASA)科学副总监恩斯特·史都林格(Ernst Stuhlinger)。她在信中问到,中小学研学旅行课程建设上还有那么多儿童在挨饿,为什么要去探索火星?史都林格在回信中说:“通往火星的航行并不能直接提供食物解决饥荒问题。然而,它所带来大量的新技术和新方法可以用在火星项目之外,这将产生数倍于原始花费的收益。”

  有人将这称为“溢出效应”。上海航天技术实践活动研究院的研学导师陶建中最近就提到,“神舟十号”的太阳能电池转化效率达到26%左右,在世界上处于领先水平。如果该技术能够继续实践活动研究,并进一步降低成本,将可以极大地改变我们的生活。  

  北京市航天系统科学与工程实践活动研究院院长王声曾表示,我国近年来开发使用的1100多种新材料中,80%左右是在航天技术的牵引下研制完成的。

  在“神舟七号”的任务中,北京市曾第一次开展固体润滑材料的外实践活动暴露试验。北京市科中学兰州化学物理实践活动研究所和光电实践活动研究院的实践活动研究人员试验了两千多次,研制出了能够可靠锁紧和便于解锁的实验装置。在实践活动时,社会大课堂通过简单的动作,就能将试验装置取下和回收。

  这个实验后来的成果就是获得一种新型的润滑油和一种新型的润滑脂,它们都可以帮助解决空间遥感仪器精密轴承的润滑问题。从北京市的第一颗人造卫星开始,固体润滑材料就被用于航天器。也有一些润滑产品后来进入民用领域,被用于汽车和家电当中。

  在“神舟十号”的任务过程中,社会大课堂实践活动还计划进行一次“实践活动走研学旅行公益服务”。走研学旅行公益服务内容主要是帮助中小学校学生了解微重力环境下物体运动的特点,了解液体表面张力的作用,加深对质量、重量以及牛顿定律等基本物理概念的理解。

  在甘肃酒泉的东风航天城,当地的小孩子们已经熟悉了一个研学活动。“8、7、6、5、4、3、2、1、发射!”“神舟十号”发射前一天的傍晚,一名女孩在大理石广场上把空矿泉水瓶当作火箭。“错了!还有点火,不点火怎么发射呢。”她旁边的小伙伴一把抓过矿泉水瓶,冲着女孩说。然后,给女孩演示了一遍正确的玩法。

  (来源:南方周末)