1．空间生命科学与生物技术概述

空间生命科学是随着人类空间探索活动，特别是载人空间探索而产生和发展的新兴交叉学科，是空间科学的一个重要的分支学科，主要内容包括：开展地球生物体在空间特殊环境下的生命现象及其活动规律的基础研究；开展利用空间特殊环境空间生物技术和转化应用基础研究；开展支撑载人空间探索活动的应用研究；开展地外生命探索和宇宙生命起源的探索性研究的交叉学科，以及支撑空间生命科学研究的特殊方法和相关技术研究。空间生命科学是伴随人类航天活动而产生与发展起来的新兴学科，它具有支撑航天、载人航天可持续发展和深化认知生命现象，补充和丰富知识体系的双重目的，其主要科学意义是：

（1）为航天与载人航天可持续发展，提供基础理论与技术支持

（2）深化认知生命现象，补充和丰富知识体系

（3）面对地球人类，提高人类的生活质量和健康水平

（4）培育人才，提升全民素质，实现民族振兴，国富民兴的战略意义

2．我国空间生命科学与生物技术发展概况

1964年7月19日，中国第一枚生物试验火箭“T-7A(S1)”发射成功，发射高度约 70公里，实现了中国空间生命科学史零的突破，“T-7A(S1)”的生物舱内载2只固定大白鼠、2只活动大白鼠、4只小白鼠和12支生物样品试管，大、小白鼠全部健康返回地面。1965年6月1日与6月5日，分别发射了第二枚与第三枚“T-7A(S1)”生物试验火箭，并再度获得成功。这两次试验，各发射大白鼠4只(2只固定，2只活动)、小白鼠10只、生物试管10支。其结果，重复并验证了第一枚火箭的成功。第三枚“T-7A(S1)”火箭在飞行过程中的心电遥测，曾有一段时间干扰比较大，其他时间记录尚好。在回收现场，发现有包括大白鼠在内的部分实验动物死亡。但飞行过程中遥测心电信号证实，死亡与飞行本身无关，系因回收延迟，回收舱较长时间受阳光曝晒所致。

1966年于7月15日和7月28日，又接连发射了两枚“T-7A(S2)”火箭，发射高度68-70公里，飞行时间20多分钟，进一步获得进化程度更高的哺乳动物(狗)的生物火箭试验的成功。“T-7A(S2)”火箭由“T-7A”气象火箭的运载工具和特殊的棒锤状生物Ⅱ型箭头组合而成。为了发射体型更大的高等动物(狗)的需要，在“T-7A”基础上，做了比“T-7A(S1)”更多的重要改进。两次发射的生物舱分别乘载雌性小狗“小豹”与“珊珊”，小狗均健康地返回地面。此外，每次还载有4只大白鼠与12支生物样品试管。

1968年，我国建立了航天医学工程研究所，开始了系统的空间人体科学研究。在二十世纪70年代，在“曙光”号任务中，正式开始了以空间健康问题为目标的空间人体科学基础研究，主要研究了超重对心血管神经系统的调节作用。

1960年代提出用植物的光合作用来闭合生保系统的空气更新和食品的回路，水生所为海军试验成功实现了1人在封闭系统内由小球藻供氧生活1d的水生生物系统。1980’s 确定了光合生物在生物再生式生保系统不可替代的地位，在1990’s 实现9种藻类和2种鞭毛虫的共培养，获得良好的空间培养物。

1988年在我国返回式卫星上，用德国INTOSPACE公司发展的管式空间蛋白质结晶技术（COSIMA）进行了空间蛋白质结晶实验，对微重力条件下生长蛋白质晶体做了初次尝试。

我国自二十世纪80年代以来，我国科学工作者先后22次利用返回式卫星和神舟飞船搭载植物种子，先后在小麦、水稻、大豆、棉花、番茄、苜蓿等多种作物上培育出优异新品系获得了大量特异性十分突出的作物新种质、新材料。

1992年成功地利用我国研制的空间蛋白质晶体生长装置，在空间第一次试验成功，长晶成功率达50%以上。1992年和1994年利用返回式卫星进行了两次空间蛋白质结晶实验。1995年，我国科学家利用美国的航天飞机开展了液-液扩散法的蛋白质晶体生长实验。2002年和2011年在神舟三号、神舟八号飞船上进行了两次二十余种蛋白质的结晶实验。实验硬件和技术方面也从跟踪模仿到发展到自主研制阶段。SZ-3使用了自主研制的双温双控蛋白质结晶装置，而SZ-8则使用了自主研制的创新性无源浸入式通用毛细管结晶室。

1994年，动物研究所上海技术物理研究所合作研制的动态细胞培养系统（DCCS）成功地进行了卫星搭载试验。90年代后期，失重生理效应的研究从早期的现象观察发展为深入的机制探讨。2003 年 10 月，我国“神舟五号”载人飞船发射的圆满成功显示出我国载人航天工程向前迈出了一大步。随后，我国先后进行“神舟六号”、“神舟七号”和“神舟九号”载人航天，从原来一名航天员发展到三名航天员，并且中国首位女航天员刘洋顺利飞天。

“神舟六号”开展以航天员本身作为生理试验的对象。科研人员在两名航天员身上装上各种各样的传感器来记录其在空间飞行期间新陈代谢的情况，感受人体失重的感觉，考验人体在空间环境的忍耐性，以及采集水、气供应和生活垃圾排泄等数据。获得人在失重环境下的运动规律、力的表现特性等数据，为设计空间站提供重要依据。

“神舟九号”开展了10项人体科学实验包括，航天飞行对前庭眼动、心血管及脑高级功能影响研究；失重生理效应防护的细胞学机制研究；空间骨质流失防护技术研究；有害气体采集与分析；航天员在轨质量测量；失重条件下扑热息痛的药代动力学研究；航天员睡眠清醒生物周期节律监测。2010年9月，我国空间站任务正式启动，标志着我国载人航天工程即将实现从中短期飞行到长期在轨驻留的突破。

神舟飞船系列搭载一系列生命科学实验项目，是我国空间生命科学有飞跃性的发展。2002年“神舟四号”飞船“空间细胞电融合”，分别实验了烟草“革新一号”原生质体和黄花烟草脱液泡原生质体的空间融合和小鼠骨髓瘤细胞与淋巴B细胞的空间融合实验，获得了融合细胞并测定了空间微重力条件细胞的融合率，以及烟草融合细胞再生植株的能力。

2006年“实践八号”返回式卫星留轨舱“空间密闭生态系统中高等植物生长发育研究” 获得了从种子萌发，幼苗生长到开花各个阶段的实时图像数据。为了解空间环境中高等植物营养生长，花芽的分化，生殖器官形成等重要生理过程提供了新依据。

2011年“神舟八号” 飞船上，利用德方研制的通用生物培养箱，中德双方开展了四大领域的17项科学实验。四大领域涉及基础空间生物学、空间生物技术、先进生命支持系统基础生物学,以及空间辐射生物学等科学研究问题，17项科学实验项目中包括中方10项，德方6项，中德合作1项。

90年以后的研究主要集中在五个方面：1、空间蛋白质晶体生长技术和结构生物学；2、空间细胞和组织培养技术（包括空间生物力学与工程）；3、空间细胞电融合技术；4、空间生物大分子分离（空间电泳）技术；5、空间生物学效应等。前一阶段的研究以探索技术问题为主，兼以发展研究方法，考验空间硬件的可靠性和实用性，为今后的科学和技术创新研究奠定基础。

 

3. 我国空间生命科学与生物技术主要研究成果

3.1 蛋白质及其它生物大分子晶体生长

生命体是由蛋白质、核酸等生物大分子组装成的一架精密高效的机器，甚至一个细胞器、一群蛋白质就是一台精巧的分子/纳米机器，它们协同工作完成着各种各样的生理功能。继人类基因组研究之后，结构基因组/蛋白质组研究成为生命科学的研究重点，很多蛋白质因为得不到高质量的单晶体而难以深入研究其功能。生长高质量蛋白质晶体，通过X-射线衍射获得蛋白质分子的精细结构，可以揭示其生物学功能（正常生理作用、致病机制、药效或副作用）与分子结构的关系。因而对分子药物设计具有直接的作用，对仿生生物技术也具有重要意义。空间的微重力环境能够为蛋白质晶体提供比地面更加理想的生长环境：在地面实施蛋白质晶体生长时，由于蛋白质分子扩散较慢，在溶液中的蛋白质晶体周围将形成溶质贫乏层，在重力的诱导下进一步产生溶质自然对流。对流破坏了晶体生长环境的稳定性，增加了杂质接近晶体表面的机会，破坏蛋白质分子的水合层。另外，较重的蛋白质晶体会产生沉降、碰撞和堆积粘连等，均使晶体质量下降。在空间的微重力环境下，对流和沉降将会得到有效抑制，晶体生长环境更稳定，溶液的近程有序更强，蛋白质分子的水合（溶剂化）程度增加，贫乏层的过滤净化作用得到有效发挥，晶体的碰撞和粘连很少发生，器壁效应得到有效抑制，因此可以生长出尺寸更大、质量更高的蛋白质晶体，从而为获得更精细的分子结构进而更确切的结构与功能关系（药物构效关系）奠定基础。经过30 年研究，空间蛋白质结晶已经发展成为最重要的空间生物技术之一，是当前国际空间站ISS 上重要的研究内容。利用ISS、美国的航天飞机、前苏联的“和平号”空间站和飞船、我国的神舟飞船和科学实验卫星等航天器，美国、日本、欧盟、俄罗斯、加拿大等国的研究人员开展了数百次的空间实验研究，获得了近30 种蛋白质、核酸、病毒等的晶体结构。我国在该领域的研究几乎与国外同步，由中国科学院生物物理研究所主持，在分子组装机制和实验方法技术等方面取得了创新性的研究成果。

 

（1）神舟二号/三号飞船蛋白质结晶研究结果  

a）首次对空间和地面晶体进行深入的结构比较研究，并获得正确结果。

对空间和地面晶体进行了深入的质量分析和比较，是本项研究的一项重要内容。其中，对空间和地面晶体进行结构比较研究是最重要的研究。应用1994年在我国返回式卫星上生长的两种蛋白质晶体，通过比较和分析测定的空间晶体和地面对照晶体的结构，首次发现用空间蛋白质晶体计算的电子密度图含更多结构细节。随后被与国外同行合作研究所证实。这不但具体地证明了空间生长的蛋白质晶体比地面晶体质量高，而且表明微重力下生长的蛋白质晶体具有改进的结合水结构。这两种蛋白质晶体的结构研究还提示，溶剂含量高的蛋白质晶体中结合水结构改进情况更明显。这一差异可能为空间蛋白质结晶样品的选择提供理性原则。

b）首次利用空间实验结果，开展系统的液－液扩散结晶的数值研究。

溶液中的溶质传输差异是造成重力对晶体生长影响的主要原因。液－液扩散结晶方法又是空间生长蛋白质晶体的较有前途的结晶方法。针对1995年用美国的装置在航天飞机上未能获得好的尝试结果，我们对液－液扩散结晶开展了首次系统性数值研究。通过对成核前的溶质扩散数值模拟研究，获得了决定该种结晶方法成功率的一些规律。这解释了用美国的装置在航天飞机上未能获得好结果的原因，而且还被凝胶结晶实验所证实。在神舟3号飞船进行的模型蛋白结晶实验，进一步证实这些规律在微重力条件下是存在的，而且也清楚地展示了凝胶结晶的优缺点。这些研究都为发展相关技术和设计成功率高的空间蛋白质结晶实验打下了基础。对液－液扩散结晶法成核后的溶质扩散数值模拟研究，首次展示了对解释微重力改进蛋白质结晶非常重要的生长晶体周围的溶质贫乏层。

c）相关蛋白质晶体结构研究获得显著进展。

对细胞生长和繁殖非常重要的人表皮生长因子开展了深入研究。通过对结晶方法和条件的不断探索，首次生长出质量较高的晶体，进而首次测定了该蛋白质的晶体结构，其结果发表在影响因子较高的JBC国际刊物上。该结构表明，其显著的构象柔性是生长晶体困难的主要原因，因而可能是研究微重力对蛋白质结晶作用的候选对象。共有来自国内外近十个研究单位的16种蛋白质参加了这次空间蛋白质结晶实验。这些蛋白质执行各种各样生物功能，其研究具有较重要理论意义或药物设计前景。出晶率高达70%以上，并获得了五种质量较好的蛋白质晶体，成功率达到国际先进水平；通过对蛋白质晶体的质量检测，发现至少有三种蛋白质晶体的衍射能力超过已发表的数据。

细胞色素b5空间生长的晶体        细胞色素b5地面生长的晶体

 

人脱氢异雄酮磺基转移酶

                           大肠杆菌PEP羧基激酶
 （2） 神舟八号（SZ-8）飞船蛋白质结晶研究结果

在神舟八号飞船上，我国利用德国提供的空间生物培养箱Simbox 和自主研制的新型无源浸入式通用毛细管结晶室，选取国内外具有重要生物学意义或应用前景的14 种蛋白质样品，开展了生物大分子组装研究科学实验。空间实验结晶率为85%，优于地面的78%和神舟三号的75%，利用空间和地面生长的4 种蛋白质晶体收取完整同步辐射衍射数据12 套。主要创新性成果有：

a) 国际上首次研制出无源浸入式毛细管结晶室，新结晶室具有不同结晶方法通用、无源、轻小便携、高通量、模块化、微用液量、晶体保护措施好等优点；

b) 研究获得0.116 纳米分辨率空间溶菌酶晶体，为迄今空间实验最好结果；地面生长0.146 纳米分辨率痢疾杆菌四磷酸二腺苷酶晶体，是国际最好结果；

c) 首次发现微重力环境改变痢疾杆菌四磷酸二腺苷酶分子组装方式现象：分子从常规的二聚体方式变为特殊的四聚体组装方式；

d) 建立抑制自然对流效果更显著的毛细管汽相扩散结晶方法，颠覆了“液/液扩散法更适于空间实验”的传统观点；

e) 建立科学可靠的空间实验流程和操作细则。无源便携的浸入式通用空间生物大分子结晶室的优越性得到了实际空间实验的验证，开辟了液/液扩散法之外的又一有效实验方法——汽相扩散法，该方法将空间微重力的优越性与生物学家地面实验的主流方法（汽相扩散法，而不是液/液扩散法）有效地结合到一起，从而为拓展该项空间生物技术奠定了坚实的技术基础。进一步地，作为下一代空间站实验平台的技术核心，为我国未来空间站面向全球提供商业化科研和开发技术服务创造了可能。硬件所具有的高通量、无源、轻便等特性将显著降低开展该项空间生物技术的成本，以及硬件优良的晶体回收减震保护措施，可靠高效的实验流程与操作细则，都将为我国的该类硬件赋予国际竞争力。新的实验方法技术既适用于空间实验，也适用于地面实验室实验。经过适当的简化和易用性改进，毛细管方法可望获得结构实验室的广泛应用。空间和地面实验研究所取得的良好实验结果，如采用汽相扩散法在空间生长的溶菌酶晶体得到高分辨的衍射数据和分子结构，采用液/液扩散法在地面生长的痢疾杆菌四磷酸二腺苷酶晶体较高分辨的衍射数据和分子结构，均为更深入研究它们的生物学功能、生物分子机器的组装规律以及相关药物开发提供了必需的和精确的分子结构信息。简而言之，该项研究的成果将产生一定的直接经济效益和重大的社会效益，尤其是国际影响力——作为我国综合国力的科技水平的有效展示。

3.2 空间细胞电融合仪

细胞融合是细胞工程的重要方法之一，植物细胞可通过体细胞融合克服远缘杂交不孕性培育新品种，动物细胞可通过产生特定抗体的B淋巴细胞和骨髓瘤细胞融合获得用于生产单克隆抗体的杂交瘤细胞。地面细胞融合实验中，由于重力引起的细胞沉淀和热对流干扰了细胞膜的紧密接触，大大限制了异源细胞配对和细胞融合效率的提高。而空间微重力环境中，重力沉降趋于消失，为提高细胞融合效率创造了前所未有的条件和特别的机会，在这种条件下实施细胞融合，可以获得比较理想的实验结果。与化学诱导融合和生物诱导融合相比，电融合具有较大的技术优势：可以用显微镜跟踪观察细胞融合过程；融合过程在细胞群体中同步进行；高效无毒、简便易行、通用性强，易于实施遥控，更适合于应用于空间实验。因此，对空间细胞电融合技术的研究具有非常重要的实际意义，研究空间微重力条件对细胞电融合效率、生物样品的活性及相关的细胞电融合参数的影响，将为开展空间生物加工和空间制药技术的研究奠定技术基础。

细胞电融合仪是进行空间细胞电融合的实验装置。1992年我国空间细胞电融合技术研究开始起步，细胞电融合仪被列为921-2空间生命科学分系统的研制项目。1995年起，上海技术物理所根据细胞电融合实验的要求和高空气球落舱搭载试验的技术条件，研制了一台适合于落舱搭载的细胞电融合仪，1998年，该仪器成功实施了中德合作的高空气球落舱(MIKROBA)搭载试验，验证了实验方法，为寻找最佳电融合实验参数和船载装置设计提供了依据。该仪器及其高空气球搭载试验的成功，在国际上首次成功实现了在一套装置中同时进行动物细胞和植物细胞的空间电融合实验，为我国的空间生物实验技术积累了宝贵的经验，为我国进一步开展空间生物加工和空间制药领域的技术研究创造了良好的条件。

2002年12月29日至2003年1月5日，细胞电融合仪在神舟四号飞船上成功进行了空间细胞电融合实验，生物学初步测定已经确认可获得具有重要研究价值的实验结果，标志着我国掌握了空间细胞融合等技术，为我国空间实验室和空间站生命科学仪器的发展奠定了技术基础。

 

空间细胞电融合仪实物

“神舟四号”飞船空间细胞电融合仪及其空间飞行实验的圆满完成，首次在外层空间成功实现了在同一套装置内同时完成动物细胞和植物细胞的保存、换液、融合和培养全过程实验, 标志着我国已突破并掌握了空间细胞保存、空间细胞换液、空间细胞电融合、数据实时传输和无菌培养等关键技术；表明实验装置设计合理，能够适应空间环境和飞船总体对硬件的各项技术要求和约束条件，各项性能技术指标能够满足空间细胞电融合所需要的生物实验环境和条件，可以作为重要的空间生物技术实验装置和手段，其关键技术研究和重要部件研制为我国空间实验室和空间站生命科学仪器的发展奠定了技术基础。本次空间飞行实验验证了有关的实验方法，确定了融合实验参数，技术研究和实验方法具有独创性，取得的成果属国内首创，到达国际先进水平。空间细胞电融合仪及其空间飞行实验为我国进一步开展空间生物加工和空间制药领域的技术研究建立了良好的基础。空间细胞电融合仪首次在外层空间成功实现了在同一套装置内同时完成动物细胞和植物细胞的保存、换液、融合和培养全过程实验，其关键技术研究和重要部件研制为我国空间实验室和空间站生命科学实验与技术探索了新方法，为我国进一步开展空间生物加工和空间制药领域的技术研究建立了良好的基础。

3.3 空间生物大分子和细胞的分离纯化

       空间生物大分子和细胞的分离纯化项目主要由两部分组成：即科学研究部分和硬件部分。硬件应根据科学研究的要求设计和研制空间电泳仪（受一定重量、体积和功耗限制）。科学研究部分定义为空间生物大分子和细胞的分离纯化，更具体为蛋白质和细胞的分离纯化，寄望于有助于若干年后的空间药物生产。

电泳是生物材料分离纯化的主要手段之一，其基本原理就是利用不同材料的混合溶液中荷电粒子在外加电场作用下迁移率的不同来实现分离的。在地面上由于重力的作用，分离过程中会出现沉降和对流现象，大大降低了分离的纯度和产量，应用受到很大的限制，致使地基电泳只适用于分析和微量制备。进入航天时代以来，美、德等国已经利用空间微重力环境来消除重力引起的对流和沉淀，改善连续自由流电泳的分辨率，提高它的制备能力，使之成为空间生物材料制备和空间制药的重要途径。

空间电泳仪是空间生物材科加工（空间制药）中的关键设备之一，也是空间生命科学研究的重要装置。空间电泳仪是921应用系统空间生命科学分系统生物大分子和细胞分离纯化子系统的一个载荷，按计划安排在神舟4号飞船上进行空间电泳分离实验。其任务是通过装在返回舱内的电泳仪载荷，用连续自由流电泳技术，对细胞色素C和牛血红两种标准（模式）蛋白进行电泳分离实验；目的是研究微重力对电泳分离的影响，验证电泳仪的空间运行能力，通过飞试取得经验，为我国空间电泳研究的发展和未来的生物材料加工及空间制药奠定基础。

空间电泳仪实物

 

我国首次空间电泳分离实验用的电泳仪具有自己的特色，装在神舟4号飞船返回舱进行空间电泳分离实验的空间电泳仪，是一种小型、低功率、程控操作的连续自由流电泳分离系统，每套电泳仪产品包括电泳仪装置和电控箱两件设备。电泳仪本身是一种涉及生物、光、机、电、热和流体等多学科、多种技术交叉的复杂系统。由于提供的资源有限，以及设备的运行、样品的投入和分离产物的收集都要在无人操作的严酷条件下进行，难度较大。国外虽早已进行空间电泳飞行实验，但其设备的具体结构，关键技术的有用资料都是不公开，不介绍的。因此，电泳仪的研制是在没有现成资料可以借鉴、可以引进的条件下，按照我国的国情，独立自主地研制出来的。具体表现在：

(1)突破多项关键技术。如：所采用的在线光电检测技术，膜式气液分离技术，大流量比多通道驱动泵技术(已取得实用新型专利)和单向阀收集器技术都是在无现成技术可借鉴的情况下独立决定、采用和研制出来的，可以说是我们自己的创造，未见国外报道过的，而且通过飞行试验证明是完全可行的。

(2)对分离过程采用在线光检，同时又对分离结果采用产物回收进行检测，两种方法判断分离结果，互相印证、互为备份确保飞行试验取得有用结果，这也未看到国外有此报道；

(3)体积小、功耗低。整个装置的重量只有25公斤，功耗27瓦，如此小型的、程控运行的空间电泳仪取得飞行试验成功，证实了空间电泳分离效果优于地面，尚未见国外有报道。

 

                                                                                                                                          

3.4、空间细胞培养

细胞是构成有机体的基本单位, 同时又是代谢和发挥功能以及遗传的基本单位, 从而构成了一切有机体生长和发育的基础。不断完善空间细胞培养相关验证试验以及地面模拟试验，进而从分子细胞水平探究空间特殊环境给人体的各系统、器官乃至每个细胞带来广泛而复杂的不利影响的根本原因，已经成为空间生命科学研究的重要手段之一。为了保证空间细胞培养过程的稳态进行，具备空间环境适应性的高集成化细胞培养系统已成为探索空间生命科学领域的关键设备。 在进行空间细胞培养系统设计时，除满足细胞培养系统的基本要求以外，还应克服在真实空间环境中实验研究耗费巨大、搭载时间有限、负载体积有限、操作空间有限、微重力、强辐射等难题，需综合考虑系统的传质特性、传热特性、力学特性、集成性、可操作性等。同时为满足细胞生长状态以及运动情况等物理变化的全过程实时动态监测的要求，具备空间搭载条件的可见光显微成像系统也是必备工具，从而能更好地为某些特殊现象的解释提供重要的参考依据。

空间细胞反应器是我国自行研制的、适用于我国载人航天工程“神舟三号”无人飞船的空间细胞培养的试验装置。其目标是用于研究具有制药前景的动植物细胞的空间培养方法,以及微重力对细胞生长、增殖、代谢、合成和分泌生物活性物质等的影响，为未来的空间制药开展基础性研究。

本次空间细胞生物反应器的研制首次引入了空间细胞固定装置，空间细胞的固定效果很好，固定后细胞图象比较清晰。首次获得了微重力下细胞形态的第一手资料，看到了空间细胞生长的真实状况，取得零的突破。

a） 第一次获得了有关微重力对细胞基因表达影响的在基因组水平的分析结果。在所测定的8465个基因中，有456个基因的表达受到影响。其中表达上调的基因有224个，表达下调的基因有232个。涉及蛋白质合成的基因有18个。

b） 第一次获得了有关微重力对细胞蛋白表达影响的在蛋白质组水平的分析结果。

c） 首次引入了空间细胞固定装置，空间细胞的固定效果很好，固定后细胞图象比较清晰。首次获得了微重力下细胞形态的第一手资料，看到了空间细胞生长的真实状况，取得零的突破。

d） 选用的4种细胞样品除一种有相关研究外，其它3种均为国际上首次上天样品，其中两种为我国自行研制的采用细胞融合方法产生的工程细胞。说明空间试验的新颖性。

e） NK细胞对肿瘤靶细胞的杀伤力虽较地面为低，但仍有一定的杀伤力（当效靶比为5：1时，空间细胞毒作用为32％，地面为45％）。说明空间特殊的物理环境对免疫细胞的杀伤功能有一定影响，从细胞水平证明了宇航员的免疫功能在进入空间后会有所低下。

空间细胞生物反应器的研制和成功应用标志着我国空间生命科学实验技术与装置在空间细胞培养实验过程与条件的动态控制方面取得了突破性进展，为今后在我国空间实验室和空间站开展空间生命科学研究和应用积累了宝贵的工程经验，同时也奠定了坚实的技术基础，为该项技术的进一步发展和该应用领域的进一步拓展，展示了广阔的前景。实验获取的科学成果为开展空间生物医学研究、制药及商业应用等方面提供了极具价值的科学依据，具有潜在的社会经济意义。

 

3.5 植物细胞微重力效应的转录组学和蛋白质组学研究

过去几十年的空间飞行实验研究显示：微重力可以在个体、器官、组织、细胞、基因表达等多种水平上对植物产生影响。微重力对植物整体的影响主要体现在植物的向重性和生长变化。植物对重力作用有两种截然不同的反应：向重性（重力依赖性形态发生）和重力抗性。在植物向重性中重力作为形态建成的信号。植物种子发生自发的形态变化，称作自发形态建成。自发形态建成包括生长方向的变化和在腹背方向发生弯曲，自发的弯曲是由器官背腹两面细胞壁的延伸能力不同而引起的，来自于本身固有的结构各向异性。重力抗性是植物的一种抗重力的反应。为了抵抗重力，植物通过改变细胞壁代谢和细胞壁生长环境来改变细胞壁的特性，特别是改变pH值，增强细胞壁的坚固性构建结实的主体结构。在向重力性反应中，一般认为重力由平衡细胞中的淀粉体来感知，而重力抗性则由质膜上的动力受体感知。在太空微重力环境下，植物不受上述调控，会由于细胞壁的松弛发生自发的形态建成和细胞延长，这些变化可能会产生新的植物形态。在过去的几十年中，已经测定了太空环境下许多植物器官的生长速率，在太空微重力环境下，植物多种器官的生长速率有所上升，但一些器官的生长速率则不变，甚至出现下降，这种矛盾可能是由于植物器官、年龄和生长因素的差异引起的。此外，除微重力环境，太空植物培养条件也存在许多差异。植物向重性研究已成为空间生命科学中的研究热点。美国航空航天局(NASA)在空间生物学和医学21世纪的研究战略中, 就将植物向重性及其机理研究列为首选课题。国外一些发达国家较早地在空间微重力环境中从形态、生理方面开展对植物的研究，取得许多有价值的成果，其中以拟南芥和小麦的空间飞行实验最为著名。这两种植物都在空间环境中完成了从种子到种子的生活史，与1g对照相比较，在微重力条件下生长的植株矮小，光合作用减弱，结籽率下降，许多后代种子不能正常萌发。随着生物学研究手段的不断发展，人们已从分子水平阐述了Ca2+、CaM、IP3、ROS等分子参与了植物重力信号的转导。

（1）植物细胞微重力效应的转录组研究  

我国在已有工作的基础上有所突破。在选材方面，选用了既是重要的粮食作物，又是植物生物学研究中重要的模式生物水稻作为空间实验的生物样品。这是为了既方便理论研究，又为今后将研究成果更直接的用于农业或受控生保系统中。其次设计了在空间实时固定生物样品，这虽然增加了硬件的研制难度，但是可以避免样品在返回和在回到地面后不同重力加速度的影响。成果创新如下:

a)、空间培养水稻细胞的形态学研究。通过细胞显微观察，发现微重力条件下细胞的形态发生明显变化，这种差异也存在激素和无激素细胞之间。我们将通过地面模拟微重力实验或向重性实验来进一步验证该实验结果，并结合表达谱芯片的结果，对微重力条件下细胞形态结构的变化机制、以及两种细胞之间的差异进行分析和研究。

b)、空间培养水稻细胞的转录组学研究。通过基因芯片分析，我们得到了一系列由微重力刺激引起的和细胞生长、代谢、转录等相关的基因。运用生物信息学手段，对这些基因功能进行分析。挑选在受微重力影响的基因共表达网络中的关键基因，进行过表达或者敲除实验，以研究其机制，在资源允许的条件下，通过本课题以后进一步承担的如实践十号科学实验卫星项目进一步试验，以更好的研究它们在微重力应答反应中的的机制。

          

水稻表达谱芯片分析差异基因细胞功能分类情况

（2） 水稻响应微重力变化的蛋白质组研究

采用蛋白质组学的研究手段，比较研究水稻愈伤组织细胞受空间微重力效应而引起的蛋白质组的表达变化，分析参与微重力信号响应的蛋白质。从蛋白质组水平研究了植物细胞对空间效应和微重力效应的响应，发现了427个蛋白差异表达蛋白，在空间和地面样品表达比较中发生1.5倍以上变化，有317个蛋白在空间离心机和空间样品比较显示为差异表达蛋白，有158个蛋白在空间离心机和地面样品比较中显示为差异表达蛋白。这些蛋白的变化分别反映了微重力和空间的叠加效应，微重力效应以及空间效应。微重力效应体现在参与蛋白质定位和信号转导尤其是生长素信号转导的蛋白以及与细胞膜结合的囊泡相关蛋白表达发生变化，以适应微重力的环境。单独的空间效应引起的蛋白表达变化较小，并且差异表达蛋白没有明显地被富集到GO term或者KEGG pathway，但是空间效应和微重力效应的叠加效果，明显增加了差异表达蛋白的数量，说明叠加效果给植物细胞带来更强的刺激。 从细胞学和蛋白质组学角度研究了水稻愈伤组织细胞对空间微重力效应的应答。获得了几百个空间微重力调控的差异表达蛋白， 这些蛋白在功能上与细胞膜结合、囊泡、核酸损伤修复、生长素信号转导密切相关。这些差异表达蛋白/基因的发现有助于我们构建空间微重力效应调控植物基因表达网络的构建，对植物细胞响应空间微重力效应有更加深入的理解。

3.6 植物细胞骨架作用的分子生物学基础研究

植物对地球上一切生命活动来说都是至关重要的，人类营养除少部分来源动物外，约90%的能量和80%的蛋白质需求都是靠植物供给，而动物的生命也是以植物为营养基础的。随着载人航天技术的迅猛发展和人类对宇宙探索的不懈追求，宇航员将会长期离开地球环境，生活于太空环境之中，因此，建立一个适合人类生存需要的空间生命生态支持系统已成为载人航天发展必须要解决的关键问题。如何在空间生命生态支持系统中培养出大量的正常生长发育植物，为宇航员提供食物、氧气和净化水是关键之中的关键。目前在空间已进行了多次的植物生长试验表明：微重力环境中，植物生长失去了重力引导、向重力性消失，不仅表现为根茎的无定向生长，而且还出现开花与代谢活动异常、发育迟缓，结实率很低，但是，微重力环境对植物生长影响的分子机理仍然不清楚。要在太空条件下成功地利用植物生产粮食与蔬菜等尚需解决包括重力在内的诸多与植物生长发育有关的环境因子的影响问题。

    空间微重力环境可通过影响植物细胞对微重力信号的感知、传导与响应过程来调控植物的生长和发育。因此，了解植物细胞感知微重力的生物学规律，有助于全面揭示微重力环境在植物生长和发育过程中的真正作用和植物对微重力环境响应的本质。

大量的空间飞行实验结果表明，微重力对动植物细胞的影响是多方面，包括:生理学水平（生长、分化、凋亡、粘附和运动等），在遗传水平（DNA和RNA）和生物化学水平(蛋白质)水平。蛋白质是细胞功能赖以生存的各种代谢和调控途径的主要执行者，蛋白质是细胞响应微重力环境最重要的环节。大量的空间微重力和地面模拟微重力的实验均表明微重力影响到细胞骨架的结构、细胞的分化和繁殖（细胞周期的调控）、细胞凋亡和抗逆反应等，其中，细胞骨架蛋白是最先受到微重力影响的蛋白质。在空间微重力条件下微丝骨架结构发生改变和蛋白表达增加，而微管蛋白质分子自组装发生了改变。

“植物细胞骨架作用的分子生物学基础研究”课题是国家载人航天中德合作科学实验专项任务之一，空间飞行实验是在中德合作通用生物培养箱中进行的。这次在“神舟八号”上进行的拟南芥愈伤组织响应微重力的细胞骨架蛋白质组研究，是首次针对植物细胞骨架蛋白质组响应空间微重力的研究。本项目的研究思路是围绕科学目标，利用“神舟八号”中德合作通用生物培养箱，通过比较空间微重力，空间1g对照以及地面对照细胞对微重力环境的反应，获得拟南芥愈伤组织的细胞响应空间微重力的细胞骨架蛋白质组数据，为阐明细胞骨架在植物细胞对重力信号刺激中作用的分子机制提供依据，在植物对重力信号响应的蛋白质组研究领域达到国际先进水平。

“神舟八号”空间飞行实验的示意图

 “神舟八号”实验是国际上首次在较长时间（5-14天培养，后RNAlater固定）空间微重力条件下进行的植物蛋白质组实验。在中德通用培养箱中有七项植物和植物细胞培养实验，主要的研究内容集中与植物细胞响应空间微重力的基因组和蛋白质组研究，但各个研究的侧重点和研究内容各不相同，其中水稻蛋白质组分别侧重于光合作用蛋白质和细胞壁蛋白质，而本研究侧重于细胞骨架蛋白质组研究，而在空间培养了14天固定和部分返回的不固定样品，可以很好反应细胞骨架蛋白质组对空间微重力的适应性反应和返回地面后的恢复情况。另外，细胞骨架由于在细胞间信号传导，定向生长、极性建立和环境刺激感知都有重要的作用，因此，本课题的研究内容不仅是本领域的研究前沿，而且，随着人类空间探索的深入开展，在未来的空间生命科学（包括植物、动物和人类）研究中细胞骨架对微重力响应的作用机理内容将会愈加重要。

国内外相同或类似课题的研究情况进行比较

        

新发现如下：

（1）       空间微重力条件下愈伤组织的分生中心显著增多，分生中心是体细胞胚胎发生的起始，该发现对了解重力在植物细胞再生机理提供了新的证据。再生是植物适应环境的普遍机制，也是农业生产上作物无性繁殖的基础。

图 空间微重力对愈伤组织细胞分裂与发育的影响。MC: Mitosis Center，分生中心。

 

（2）       空间微重力导致细胞程序性死亡加剧，说明微重力环境对于植物细胞来说是一个逆境，空间环境中气体对流减少也可能是细胞程序性死亡的重要原因。

空间微重力对细胞生长与程序性死亡的作用

3.7 高等植物在空间的代谢生物学研究

光合作用是地球上最重要的化学反应之一，它利用太阳能将二氧化碳和水等合成有机物，并释放氧气，为几乎所有的生命活动提供物质和能量。利用光合作用在太空进行光生物转化，为宇航员提供食品和氧气，建立受控生态生命保障系统（CELSS），对于我国载人深空探测、建立外星球基地等长远空间规划具有重要意义，有助于中国在太空竞争中获得有利地位。受控生态生命保障系统所涉及的研究和技术被NASA和ESA列为空间生物学领域中处于最优先支持的方向。它将为人类未来长时间、远距离的太空活动和外太空移民提供基本的生命保障。高等植物是CELSS的重要组成部分，在空间环境下保持高水平的光合作用效率是提高植物生产力，保证CELSS健康运行的基础。为此需要深入研究光合作用及其他代谢过程对微重力等空间环境的响应机制。

微重力等空间环境对植物生长是逆境条件，是影响太空植物光合作用效率的重要因素。适应地球重力条件下的植物能否在空间环境下维持高水平的光合作用效率，是CELSS成败的关键。研究植物的光合系统对空间环境的响应机理，也是空间植物学研究的重要课题。国内外有关空间植物光合作用的研究十分有限，且多为地面模拟研究，较少空间飞行实验。目前少量的研究主要集中在空间植物生长发育、植物一般光合生理测定等，研究手段以生理生化分析为主，少数空间飞行植物样品蛋白质分析研究也很不全面，未从组学角度全面研究空间环境对植物蛋白质表达的影响，更缺乏将蛋白质表达与光合生理活性充分结合的分析研究

在前人研究的基础上，针对上述研究的局限性，课题综合研究了空间飞行及地面对照样品的生长发育、光合膜结构以及光合生理活性，着重分析了光系统I和光系统II的功能与活性，并采用iTRAQ技术首次研究了空间飞行后高等植物幼苗的蛋白质表达谱。结合回转器模拟微重力效应实验，深入研究了微重力等空间环境对水稻幼苗光合膜系统结构与功能以及其他代谢过程的影响，提出了空间环境下光合活性损伤的可能机制，探讨了植物光合系统对微重力等空间环境因素的损伤和适应机制。以光合作用蛋白组学研究为切入点，研究空间环境下光合系统能量的吸收、转化、过剩能量的耗散及光系统损伤修复等机制，探寻提高植物空间条件下光合作用效率和生物量的有效途径，将为建立中国自主创新的CELSS系统提供理论依据，具有先进性和前沿性。

 通过本项任务的实施，我们完善了自身的植物光合作用以及空间植物学的研究技术及研究水平，并将iTRAQ等最新技术应用到研究中，促进了研究工作的进展。在研究过程中，我们在植物体、组织、细胞、分子不同水平对实验样品进行综合研究，将蛋白质组学研究与光合生理、生长发育研究相结合，促进了研究工作的开展。通过系统地参加地面研究和空间飞行实验，积累了空间生物学研究经验。这些都会对今后的空间生物学研究工作起到促进作用。

3.8 微生物的生长发育和代谢功能

生物圈的维持和演化过程需要包括动物、植物、微生物等构成的生态系统的参与，微生物是维持生态系统稳定的主动力。在空间环境中，特别是在人类进行长期空间飞行或地外居留所必需的生命支持系统中，微生物的生长发育和代谢功能，是空间生命科学研究需要搞清楚的基本理论问题。随着载人航天技术的飞跃式发展，空间微生物学的研究逐渐成为空间生命科学研究的重要领域，目前国内外空间微生物学研究主要集中在空间微重力生物学效应、空间辐射生物学效应及育种、受控生态生命支持系统等基础和应用研究领域。

目前国外做了大量的宏观和微观研究。链霉菌和枯草芽胞杆菌均为丰产活性物质的革兰氏阳性细菌，其基因组可塑性较强。链霉菌是产生天然生物活性物质的主要微生物资源，迄今所发现的20,000余种微生物来源的生物活性物质中，近50%是由链霉菌产生的；枯草芽孢杆菌则产生多种酶类和抗菌肽类物质。不仅如此，它们特有的生命周期和形态学特性也是研究微生物发育分化的良好材料。20世纪80年代我国科学人员开始在返回式科学卫星搭载各种微生物，其中搭载赤霉素产生菌生成赤霉素产量比地面对照提高10% 以上；搭载庆大霉素生产菌，使庆大霉素产量提高27%~37%，搭载莫能霉素(monensin) 生产菌肉桂地霉素菌，从存活菌落中筛选出抑菌活性明显提高的2个菌株；搭载圈卷产色链霉菌（Streptomyces ansochromogenus），使NIKKO 霉素效价提高13%~18%，NIKKO 霉素X组分和Z组分亦有所提高，这种变化与形态发育分化表征有相关性。2004年通过搭载试验研究了空间环境对13株微生物生物学特性的影响，发现链霉菌的发育分化提前，孢子丝发育提前于地面对照情况。这说明了空间环境因素对链霉菌的发育分化产生了促进作用。

综上所述，空间微重力环境对微生物的发育分化、次级代谢等生命过程具有促进或抑制效应，而这些效应可能与微生物基因组的遗传不稳定性密切相关。因此，研究微生物的空间微重力效应及其机制，特别是影响微生物发育分化、次级代谢的生物学效应机制具有重要的理论和现实意义；同时，在利用空间微重力环境资源进一步开发有应用价值的微生物活性物质方面具有创新性与前瞻性。本项目选择有重要科学研究意义和应用前景的微生物--链霉菌，在细胞和分子水平研究该类微生物在空间环境条件下的生长、发育分化、初级和次级代谢等生命过程，以及与枯草芽孢杆菌的互作关系。

本研究主要在链霉菌航天搭载试验、基因芯片表达谱分析、生理生化分析、细胞形态与结构表型观察方面取得了相关进展：

 a) 通过神八飞船航天搭载，从搭载样品中筛选到天蓝色链霉菌A3(2)菌落形态及性状特殊的菌株5株；筛选到链霉菌Strain C菌落形态及性状特殊的菌株3株，其中Strain C白色突变株无孢子产生，其抗菌活性最强。

b) 扫描及透射电镜观察表明：空间微重力环境促进链霉菌的生长发育（细胞形态及结构）。空间微重力环境下，链霉菌的生长发育明显加快。其中菌落形态及孢子色素，气丝丰茂程度，孢子丝断裂的程度以及细胞内部结构（低密度白色结构物质）存在较大差别。

 c）空间微重力条件下，空间微重力影响链霉菌的生物活性物质（链霉素）的产生。与链霉菌实时共培养的枯草芽孢杆菌的数量明显减少，说明空间微重力条件下链霉菌菌株的抗菌活性明显增强，回收样品地面测活试验进一步验证了这一结论。

d) 空间微重力同时也影响链霉菌的遗传不稳定性，表现为促进了细胞DNA非同源重组修复过程，即非同源末端连接途径（NHEJ），明显促进介导该途径相关连接酶基因的转录。

e) 空间微重力对链霉菌初级代谢基因的转录具有不同层次的影响；促进膨胀压调节基因簇相关基因的转录。

通过上述研究工作，基本上确定了链霉菌对空间微重力较为敏感的遗传不稳定性（DNA损伤修复）、发育分化及次级代谢基因（簇），接着利用电镜（SEM、TEM）及光镜的显微观察也进一步确定了链霉菌在空间微重力条件下的表型特征(菌落形态及表面色素、气丝丰茂程度、孢子丝断裂的程度及细胞内部结构)，以及链霉菌的在空间微重力环境下的抗菌活性变化及与链霉菌实时共培养的枯草芽孢杆菌的数量差异等。同时也利用RT-qPCR对试验结果中部分重要差异基因进行了验证。最后，结合基因芯片试验结果，形态及细胞表型观察以后后期的实验验证，将进一步深入分析及探讨链霉菌感知、传导、响应及适应空间微重力环境的分子机制。

本课题主要着重研究微生物（链霉菌）的空间微重力效应，通过空间飞行试验及地面模拟微重力试验表明：空间微重力影响链霉菌的生长发育、遗传以及次级代谢活动。微重力对链霉菌的孢子的影响较为显著，促进孢子的成熟，表现在孢子色素的提前形成及产物的积累。可见链霉菌主要通过以孢子的提前形成以适应外界的胁迫环境，从而以延续自身的繁殖。另外，微重力促进链霉菌DNA损伤的修复过程并影响链霉菌的次级代谢。

3.9 空间辐射与微重力协同生物学效应研究

随着空间生物学领域研究的深入，人们认识到空间环境不同于地面，具有强辐射、微重力、弱磁场、高真空、无昼夜变化、超净环境、温差大等特征。其中，空间辐射和微重力是空间环境中具有强生物学效应的两个重要因素。空间辐射对于人体健康的影响主要体现在以下几个方面：细胞死亡、突变发生、染色体畸变、发育畸形，并与癌症的发生和衰老有关。微重力可以引起骨质疏松、肌肉萎缩、心血管功能异常等。因此，对于空间辐射的损伤机制、与微重力的生物学效应关系、两者如何影响生物体的正常生命活动等成为研究者进行空间科学研究的首要任务，主要研究内容如下。

1）应用模式生物进行空间辐射和微重力的研究概况

目前为止，虽然研究人员可以通过对宇航员进行测定而获得一些简单的基本数据，但是这些信息非常有限，因此，很多实验室选用不同的模式生物作为实验材料模拟空间辐射进行研究，模式生物主要涉及动物、植物和微生物三大方面，包括小鼠、大鼠、拟南芥、番茄、大豆、水稻、细菌、酵母等。通常利用植物和微生物来研究辐射对生长、发育、致畸性和致死率方面的影响；利用小鼠来研究辐射因素或微重力所导致的白内障患病机率、癌症发生和骨质减轻等。这些研究通常在地面模拟条件中进行，其研究结果还需要大量的空间飞行研究加以印证。

2）采用线虫进行空间生物学的研究进展

自1975年至今，线虫已经成功进行数次空间飞行，这与其对空间环境良好的耐受性密切相关。线虫的基因组小而清晰，生命周期短，特别是某些基因网络与控制人类的生长、代谢和发育相关基因具有较高的同源性等特点。可以说，线虫是挖掘空间辐射和微重力对人类的基因表达、蛋白的加工、细胞信号传导等影响的理想的模式材料。

大连海事大学环境系统生物学研究所承担的“空间辐射与微重力的协同生物学效应研究”主要通过对生物样品（线虫）进行空间搭载处理后，从不同的生物学水平系统研究空间辐射环境和微重力环境对生物样品的影响，为空间环境下生物损伤和遗传变异等提供理论基础。

a).空间辐射和微重力影响线虫基因表达水平，可以引起DNA损伤修复相关基因表达发生明显变化。

b).空间辐射和微重力对线虫microRNA表达谱有影响，引起microRNA表达水平的变化，并且对辐射和微重力处理有不同的特异性表达差异。对应的靶基因功能分析和信号通路分析发现，除了涉及到线虫运动和DNA相关的功能外，还涉及神经迁移、分化，离子转运及生长发育等不同方面。

c).肌肉缺陷型基因能够响应空间微重力环境，能够在不同的空间环境条件下对基因组及miRNA表达水平产生明显的影响；缺陷型基因的缺失可能导致线虫对微重力的敏感性下降，改变DNA损伤及修复的相关基因的表达，从而影响了微重力对DNA损伤修复的作用。

以上的前期工作结果，为进一步开展对空间辐射和微重力影响dauer期线虫DNA损伤修复相关基因表达变化的分子机制的研究奠定了稳定的基础。

3.10 受控生态生命支持系统

受控生态生命保障系统（Controlled Ecological Life Support System, CELSS）是应人类拓展地球生存空间，在长时间的空间飞行和星际居留时，为满足航天员自给自足的需求而提出的。在受控生态生命保障系统的研制规划上，各国均立足于首先在地基进行初步实验，积累数据，再扩展为可载人系统。我国的航天事业起步较晚，但在我国科学工作者的努力下已获得了飞速发展。早在60年代，中科院上海植物生理研究所殷宏章院士就曾提出过利用植物的光合作用来闭合生保系统的空气更新和碳(食品)的回路。60年代后期，中科院水生生物研究所黎尚豪院士领导的队伍完成了建立小球藻产氧提供封闭装置中人和兔在隔离条件下生存的实验任务。在封闭系统的研究方面，初步探讨了以光合自养的微藻和异养的水生生物为基础的受控封闭系统(CAES)。研究空间环境对水生生物二元生命封闭系统结构和功能的影响。并且中国的研究是在真实微重力下，实时遥测到的数据，因此是全球第一个见诸报道的BLS实验。除中科院水生所外，宇航员训练中心和北航也初步开展了一些简单的封闭系统食物生产和封闭系统控制方面的研究。

神州八号上构建了一个简单的封闭水生生态系统，选定纤细裸藻为氧气供给者，水泡螺为消费者，通过研究系统中氧气的消耗，食物的供给以及废物的处理关系，逐渐摸索出了一套适合于长期空间飞行的封闭系统，形成了气体、食物和废物的循环回路。系统总全过程不足60ml，成功运行17.5天，被国际同行评价为目前最小的迷你封闭生态系统。其与同类研究比较有如下优点：

a).是目前为止体积最小的封闭生态系统。本项目构建的封闭生态系统体积仅不足60ml，而目前唯一见诸报道的封闭生态系统CEBAS体积达到40L，即使是CEBAS的迷你单元体积也达到4.5L。

b).是运行时间最长封闭生态系统。本系统在神州八号上运行17.5天，而CEBAS最长的运行时间为12天。空间运行时间越长，系统稳定性越难以实现，研制困难程度越高。

c).是物种密度最大的生态系统

受控生态生命支持系统(CELSS)是长期持续地利用和开发空间的基础，动物作为CELSS组成部分，在维持CELSS物质的转化效率和持续发展具有重要作用，因此研究微重力条件下的动物个体如何感受、传导及响应微重力的机理，不仅可以阐明空间环境中生物的特有生命现象，而且可以优化生物在太空中的最佳生存方式，对于宇航员的健康保护也具有很好促进作用。

2011年11月我国成功进行了SZ-8无人飞船系统的发射，在这次飞行任务中应用系统承担中德合作项目，即利用德国SIMBOX硬件和我国的飞船系统进行国际合作空间生命科学研究。该任务利用模式生物秀丽线虫为材料，通过空间和地面的对比试验分析，研究其在空间飞行条件下的生长、发育规律、代谢生理及其调控机制；同时结合空间化学固定及低温保存、回收后实验室采取荧光显微镜、电子显微镜观察并结合RT-PCR或基因表达芯片等手段对线虫的空间行为学、代谢和发育进行研究，为实现我国自主的CELSS提供动物学上的基本参数。主要创新如下：

a). 本研究完成了动物样品的在线固定保存，防止了回收过程对样品的影响，后续获得的样品进行了多角度的深入研究，相关研究在国际同行尚无报道。

b).本项任务利用德国SIMBOX硬件结合我国的飞船系统开展实验，实现了生物样品的空间固定并设立了空间离心机对照，在相关领域尚无出现过类似报道，是国际先进的研究成果，具有很好的创新性，提升了我国的空间生物学研究水平。

c).与对照比较，在微重力处理下，肌肉组织中细胞凋亡类似细胞数大量增加，证实在微重力诱导肌肉组织发生细胞凋亡，有可能是肌肉萎缩的一个原因。

4. 我国空间生命科学与生物技术主要研究成果统计

我国空间生命科学与生物技术完成和承担的空间实验内容主要如下表所示，

 

完成和正在承担的空间飞行实验列表（不完全统计）

 

实验发表论文、专利、以及会议成果如下：

发表论文SCI占比

 

我国在空间生命科学各个领域的杂志都有成果发表，其中英文SCI 文章发表占到了62%，发表情况如下表所示，

 

 

发表期刊影响因子较高的有 “Plant Cell”(IF 9.338)、“J. Biol. Chem.” (IF 4.573)等，主要发表的空间生命科学方面的杂志如下表所示

 

综上所述，我国在空间生命科学与生物技术领域已取得一系列成果。在蛋白结晶方面成果比较显著，国际上首次研制出无源浸入式毛细管结晶室，研究获得迄今最高分辨率空间溶菌酶晶体及国际最好结果痢疾杆菌四磷酸二腺苷酶晶体，建立了抑制自然对流效果更显著的毛细管汽相扩散结晶方法并建立了科学可靠的空间实验流程和操作细则，作为下一代空间站实验平台的技术核心，为我国未来空间站面向全球提供商业化科研和开发技术服务创造了可能。植物细胞响应微重力变化的转录组学和蛋白质组学研究得到了一系列由微重力刺激引起的和细胞生长、代谢、转录等相关的基因，并蛋白质组水平研究了植物细胞对空间效应和微重力效应的响应，有助于我们构建空间微重力效应调控植物基因表达网络的构建，更加深入了解空间微重力效应。高等植物和微生物的空间代谢方面取得了一系列初步进展，在空间的代谢生物学研究探讨了植物光合系统对微重力等空间环境因素的损伤和适应机制；空间微生物学方面通过空间飞行试验及地面模拟微重力试验研究了空间微重力影响链霉菌的生长发育、遗传以及次级代谢活动。空间辐射生物学方面，从不同的生物学水平系统研究了辐射环境和微重力环境对生物样品的影响，为空间环境下生物损伤和遗传变异等提供理论基础。我国受控生态生命支持系统方面的显著成果是，神州八号上构建了一个简单的封闭水生生态系统，是目前为止体积最小、运行时间最长、物种密度最大的生态系统。空间生命科学实验技术方面，空间细胞电融合仪、空间电泳仪以及空间细胞反应器已经获得了较为成熟的实验结果，为下一步空间站科学实验提供了技术基础和设施。