本文内容来自北京市科学技术协会主办、北京科学中心承办、北京科技报社协办的首都科学讲堂。讲堂每周邀请院士专家开讲，传播科学知识、科学方法，弘扬科学精神、科学文化，促使公众全面、正确理解科学。
4月16日，神舟十三号飞行乘组的航天员们已经顺利回家，但“天宫课堂”中那些有趣的科学实验仍然深深地印刻在我们的脑海之中。4月24日是第七个“中国航天日”，让我们一起了解：太空中还做过哪些酷炫的科学实验？这些实验为啥要“上天”？它们和人类探索浩渺宇宙又有什么联系？
本期首都科学讲堂邀请中国科学院空间应用工程与技术中心研究员张伟，带领我们在太空中“观天测地”，展望未来航天技术发展，点亮心中的科学梦想。
主讲嘉宾：
张伟
中国科学院空间应用工程与技术中心研究员
▲奇妙的太空科学实验（上）
▲奇妙的太空科学实验（下）
有趣的太空生物研究在人类航天员进入太空前，曾经把很多动物送进太空，来试验人类是不是能够适应太空的环境。
年，美国把猴子Albert二世送到了亚轨道（距地面km左右），但是不幸的是，返回途中降落伞没有打开，这只猴子牺牲了。年，苏联把流浪狗Laika送到了地球轨道上（距地面公里的空域），进入轨道后，Laika受到了惊吓，加之中暑，它在轨道上就去世了。年，美国又把黑猩猩哈姆送入太空，它在地球轨道上待了16分钟后安全返回，据说回来后立刻啃起了苹果。既然黑猩猩在太空中能够安然无恙，那么推测人类进入太空也没有问题。这些太空动物们为人类进入太空奠定了很好的实验基础。在国际空间站上，科学家们也进行了大量的动物研究。年，科学家把只线虫带到了国际空间站，观察它对微重力的适应性。线虫是一种太空的模式生物，寿命比较短，但生长速度非常快，体积非常小，便于观察。研究表明，这些软体动物对微重力的适应性非常好，而且它的虫卵能够在太空顺利地成长，它们甚至在空间站繁殖了12代。所以，在空间站新的研究规划中，就包括在把线虫放到舱外的辐射生物学实验，观察在宇宙线辐射下线虫会发生什么变化。年，日本把一个养着青腑鱼的水族箱送到了太空中，青腑鱼通体透明，繁殖力强。通过研究它在太空中骨骼的退化和肌肉萎缩等症状，可以反推到人类在太空中会出现的情况。年，科学家把一种铺道蚁送到了太空中。通过蚂蚁要研究什么？首先是研究它们找食物的路径和地面有没有不同。其次是蚂蚁交互频率在太空有没有变化。研究发现蚂蚁在太空因为失重状态，造成了交互困难——触角很难相互碰到，从而影响到它们对找路的决策和判断。我们通过对蚂蚁在太空中的研究，从它们身上学习，为人工智能提供新的思路。当然，在太空中研究最多的动物还是小鼠。为什么是小鼠？首先小鼠基因和人类基因重叠性高达78.5%，作为体型最小的哺乳动物之一，小鼠的组织器官结构、细胞功能和人类都非常相似。同时我们对小鼠也进行了完整的基因组测序，而且基因编辑、基因改造的手段也非常成熟，因此回到地面以后，可以根据小鼠的太空实验结果对细胞、组织、器官、神经等领域分别进行深入研究。比如根据研究发现，小鼠在太空中脾脏缩小了，质量降低了18%-28%。同时，在微重力下，血小板在伤口愈合过程中功能下降了,这代表如果在太空中小鼠出现伤口，伤口将变得难以愈合。在太空中飞行，小鼠的大脑血流量升高，导致颅内压升高，有可能引起视力障碍。这些对人类也是一个非常重要的警示作用，我们可能得提前学会应对这种情况。刚才谈到了动物，人类在太空中同样进行了大量的植物研究。在太空中，植物从分子水平到细胞，到整体，到亲子代的遗传都发生了很多变化。单从细胞水平来说，它的淀粉含量会下降，线粒体会增大，叶绿素含量也会下降，所以我们要研究这些变化，尤其是研究植物对重力的感知和反应，包括重力如何影响植物的生长、发育、开花、代谢这些方面。同时，我们也要研究太空环境中植物和微生物相互作用和地球上相比有没有什么变化。如果人类想要在太空长期生存，就需要在太空中获取粮食蔬菜，以满足人的基本需求。我们的航天育种实验，就是通过把种子放在舱外，经过辐射照射之后来判断它是不是会基因突变，突变以后筛选出好的种子再进一步种植改良。科学家在天宫二号空间实验室中，对水稻从种子开始，进行了一个长周期的培养。发现在微重力下，水稻的水分代谢非常活跃，变得更容易“出汗”了。另外，在太空中生物钟的调控下（空间站围绕着地球是一个半小时一圈），植物的生物钟变得紊乱，生长周期明显减慢。对于在太空中种菜，实际上人类已经开展了大量研究。年，国际空间站种植西葫芦、西红柿，年，又种了生菜，在太空中就直接做成蔬菜沙拉来吃，所以未来可能通过在太空中种植更多的菜，让航天员在太空中生存实现一定程度上的自给自足。在太空中，人体需要面对更多的问题，比如重力场的问题：失重状态下，人体会出现骨丢失、肌肉萎缩、视力受到影响等状况。空间站辐射环境下，人体认知功能会受到影响。隔离封闭状况下，人体的心理状态和情绪以及压力水平也会受到影响，甚至会导致其他方面的疾病。所以，我们在太空中进行了大量的人体研究。以骨丢失为例，即人在太空生活一个月，会造成1%-2%的骨丢失，主要是钙的流失。我们这就可以理解航天员返回地球时，为什么需要人抬着出来。因为航天生活会造成骨丢失和肌肉萎缩，所以站立有一定困难。同时在太空生存一个月以上，免疫力会下降，心血管也会失常，视力也会受到一定影响。所以，我们要对航天员进行定期监测，包括对心血管健康、人体干细胞的功能进行分析和研究等。同时用核磁共振，对航天员大脑进行扫描，来研究空间对大脑结构的影响。当然心理研究也是一个长期持续的过程。航天员长期处在幽闭空间，可能会出现焦虑、抑郁、健忘、失眠等各种症状，所以选拔航天员，对于心理健康标准要求还是非常高的。对于人体研究，美国做过一个非常有意思的实验。一对双胞胎，哥哥“上天”近十个月，弟弟留在地面，开展长期研究对比。研究发现，哥哥在太空中端粒体大概延长了14.5%，端粒体延长意味着人的寿命将变得更长。但等哥哥回到地面生活了几个月后，端粒体又回到了原来的状态。另外还发现，哥哥的认知能力下降了。因为太空中长期的低剂量辐射，可能会影响认知能力。包括颅压升高导致视神经综合征。同时还有一些应激反应和炎症。不过，所有这些大部分症状，经过六个月的地面生活之后都回到了原来的状态。重力掩盖下的物质运动在失重条件下，都会发生什么？这些现象中又有什么规律？
在太空中，重力并没有完全消失。空间站可以长期运行十年，靠的就是这种没有完全消失的重力——微重力。微重力条件下，首先是浮力对流大大减小，热交换消失，让太空中喝开水变成了一件比较困难的事。其次是沉淀和分层基本消失，油和水，沙子和水，这些物质都可以很好地混合在一起。第三个微重力效应是压力梯度极大减小了。什么是压力梯度？游泳的时候，我们往水下潜时会发现，胸部受到的压力越来越大。在太空当中，这种本应该越来越大的压力是保持不变的。微重力下浮力对流消失，出现表面张力驱动的Marangoni对流。微重力条件下，燃烧过程也会发生一些本质的变化。比如日本航天局在太空做了一个燃烧实验：在地面实验时，呈现的泪滴状的火焰，由于空气补充得及时，温度也更高；而在空间站中，它变成一种扩散驱动的燃烧状态，空气对流的速度变慢了，温度也比较低。物质能不能在空间当中进行充分燃烧，这个议题科学家也进行了大量的研究。研究发现了太空中特殊的冷焰现象。空间站把碳氢化合物——一种混合的燃料进行了燃烧。后来发现，火焰熄灭之后，混合燃料仍然在进行一些低温燃烧，我们就把它叫冷焰。冷焰的燃烧温度只是地面燃烧温度的1/3，产生更少的污染。我们希望能利用这个技术提高燃油机的效率，减少污染排放，这也是国际空间站十大进展之一。在微重力条件下我们还要进行材料的制备，在材料制备方面会有什么不同？首先，微重力环境下浮力对流消失了，表面张力引起的Marangoni对流出现了。同时，晶体生长受到一个扩散的控制。另外就是在太空当中，由于是多种混合金属，可以更好地融合，所以，在太空当中做合金的制备更加容易，而且在太空中可以更好地进行材料无容器加工。比如在太空进行生物医学材料的研究，做耐辐射的合成肌肉。日本核电站出事故以后，机器人一进去就无法工作了，因为辐射实在太强了。这种耐辐射的合成肌肉除了耐受强辐射，还能够耐受极端温度（零下摄氏度到零上摄氏度）。这种合成肌肉可以用来武装机器人，未来到环境恶劣的月球上执行任务。科学家们在太空中也研制了一些科学实验柜，用来进行超冷原子物理的实验。地面上由于重力作用，囚禁原子的势阱（力场中势位能最小及附近的区域）会倾斜，原子就“跑”了，原子团容易发生扩散，我们需要把原子团保持在囚禁的状态就很难达到。而在太空微重力环境下，原子团得以维持较长时间，我们可以利用这些特性来做量子新物态的研究，未来设计和研发量子计算机。同时在太空中，我们要开发下一代的冷原子钟。例如在天宫二号中，我国科学家就设计了一个空间冷原子钟实验，来得到极高精度的时间频率信号。天宫二号这个冷原子钟铷钟，实现了迄今为止国际上最高水平的、最高稳定度的一个空间冷原子钟，大概是0万年误差小于1秒。由于在微重力作用的条件下，激光冷却的效率比地面高了，同时稳定度也比地面提高了4倍，得到了国际上的广泛