一项“不可能完成”的任务，中国科学家做到了
随着人类探索太空的深入，未来人类能否在太空正常生活、繁衍后代？空间微重力和辐射等特殊环境会不会对生殖造成不良影响？迄今为止，没有人能够明确回答这些问题。
为了解开这些疑惑，4月6日发射的我国实践十号返回式科学实验卫星把6000余枚小鼠早期胚胎带上了太空。它们能否像在地球一样正常发育？人们对此充满期待。
正在在轨运行的我国“实践十号”卫星把5000枚小鼠早期胚胎带上太空。通过特殊显微镜，我国科学家成功观测到小鼠胚胎从二细胞在太空中成功发育成囊胚的全过程。这是世界首次证明哺乳动物胚胎细胞可在微重力高辐射条件下分裂发育。
据新华社4月17日报道，经过数天的太空旅行，实践十号上传来好消息：小鼠早期胚胎在太空中顺利完成从2细胞到囊胚的全程发育。这是世界上第一次实现哺乳动物胚胎在太空发育。
“对哺乳动物早期胚胎在太空发育的研究迄今只有三次尝试。”这项实验的负责人、中科院动物研究所研究员段恩奎说。
第一次是20年前。1996年，美国哥伦比亚航天飞机将49枚小鼠2细胞胚胎送上太空，结果无一发育；此后国外再无进行此类实验。
第二次是10年前。2006年，段恩奎领导的团队利用我国实践八号育种卫星留轨舱，开展了小鼠4细胞期胚胎太空发育实验，首次获取了太空中的小鼠胚胎图片，但遗憾的是它们在太空未能完成发育。
第三次就是实践十号任务。“这十年来我们没有放弃，这一次终于成功了，在世界上第一次证明了哺乳动物早期胚胎在太空微重力条件下，完全可以发育到囊胚阶段。”段恩奎说。
为了实现这一科学目标，科学家们完成了“不可能完成”的任务：中科院上海技术物理所研究员张涛领导的胚胎培养载荷研究团队将地面上一个庞大复杂的胚胎实验室浓缩成了一个微波炉大小的培养箱和一个电控箱，且使其具有密闭培养、自动搜索识别显微成像、遥控固定、图像下传等功能。
正在在轨运行的我国“实践十号”卫星把5000枚小鼠早期胚胎带上太空。通过特殊显微镜，我国科学家成功观测到小鼠胚胎从二细胞在太空中成功发育成囊胚的全过程。这是世界首次证明哺乳动物胚胎细胞可在微重力高辐射条件下分裂发育。
十年来，科学家们深入分析研究，对太空胚胎培养方法和固定技术进行了多方面的研究和改进。
“比如，我们科学团队与西北农林科技大学马保华教授合作研发了胚胎密闭培养体系，研制了适用于太空胚胎培养的特殊培养液，开发了进行大量早期胚胎冷冻、解冻的新技术，以前一次能冷冻1到10个胚胎，现在能一次冷冻50到100个左右。”段恩奎说。
此外，科学家们还研制出了适合太空遥操作的胚胎固定技术，反复研究筛选出了培养单元中胚胎培养液的最佳比例，探索出胚胎固定时最佳的固定液流速……
在实践十号上，安放小鼠胚胎的装置在19个载荷中属于最受关爱和特殊照顾的“宠儿”。
“它在发射前8小时最后一个装上卫星，以最大程度缩短在地面停留的时间；在转运及装载过程中要求不能断电超过20分钟，以保证它的状态，事实上仅断电了12分钟。另外发射前4小时要进行一次自动搜索显微成像。”段恩奎介绍。
进行发育实验的小鼠胚胎被分为4个单元，每个单元内有150个左右胚胎，卫星入轨后每4小时照相一次，记录它们的状态，直到96小时为止。“在72小时左右，2细胞胚胎就发育到囊胚，和地面上时间基本一致。”段恩奎说。
据介绍，发育成囊胚的胚胎如果没有及时在母体子宫着床，就会慢慢死去，所以这些小鼠胚胎无法回到地球继续生长发育。“如果将来有机会短时间就能回收这些胚胎，比如3天，也许就可以及时将它们植入母体，看能不能生下健康的小鼠，那将是更重大的突破。”段恩奎说。
除了用于发育实验，还有一部分胚胎在装星后72小时要在太空中被注入固定液，固定一定的阶段后，随返回舱回归地球，用于完成此次实验的另一个科学目标——探讨太空环境对胚胎发育影响的作用机制。
“希望这些小鼠胚胎能安全度过回归地球的艰难旅程，我们将立刻把它们运回实验室进行全方位分析研究，与地面对照实验结果比对，分析胚胎形态变化，进行基因蛋白监测，筛选出影响太空哺乳动物早期胚胎发育的相关基因。”段恩奎说。
“我们希望能为未来人类太空活动中生殖健康提供科学依据。”段恩奎说。
他同时指出，人类能否在太空繁衍等谜团需要通过一系列严格的科学实验来一步一步解开，哺乳动物早期胚胎能够在太空实现发育只是解开人类太空繁衍众多谜团的第一步。
“这次实验的成功标志着人类空间探索中的一个重要里程碑，是小鼠胚胎发育的一小步，却是整个人类繁殖技术的一次巨大飞跃，”美国斯坦福大学的薛人望教授告诉中国日报。薛人望说，除了用于未来进一步研究人类在太空中的繁殖技术以外，本次试验中研发的胚胎密闭培养体系还可用于为来自发展中国家的不孕不育夫妇提供试管婴儿的服务，因为这些国家的人们难以获得那些高精尖的胚胎培养仪器。以色列特拉维夫大学的生物医学工程教授David Elad告诉中国日报，本次实验的成功不仅是辅助生殖技术的一次飞跃，在科学上也是一项卓越的成就。
“从2-细胞胚到胚囊这个发育阶段，对于胚胎的成功着床和之后胎儿的发育是至关重要的。在这个阶段，胚胎会完成大量的遗传转化，这些转化既受生物起源的影响，也受环境因素的影响。在以往对人的体外受精研究中，仍有许多胚胎最终无法发育成囊胚。而在太空微重力条件下，不进行人工干涉就能完成2-细胞胚到胚囊的整个发育过程，反映出研究团队对早期生殖过程中各种生物因素的深刻理解以及对尖端技术的高水平应用，”David说。
“这项具有里程碑意义的发现是段恩奎教授及其团队在过去十年间不懈努力、辛勤耕耘的结果，”加拿大UBC大学医学院副院长Peter C.K. Leung教授告诉中国日报。他表示，这项成果不仅影响巨大，而且对于拓展繁殖生物学的新前沿以及促进人类健康福祉均有深远意义。
实践十号主要的科学目标是利用太空中微重力等特殊环境，开展涉及微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学、空间辐射效应、重力生物效应、空间生物技术6大领域的19项科学实验，研究在微重力条件和空间辐射条件下物质运动及生命活动的规律。该卫星总设计寿命15天，届时将利用返回式卫星技术按预定程序返回地球。卫星返回后，科学家将对发育了的小鼠胚胎进行进一步的实验分析。
【延伸阅读】“实践十号”为何搭载小鼠细胞去太空
——专家解读定量研究辐射对基因组稳定性的影响
4月6日凌晨升空的实践十号返回式科学实验卫星，搭载了一项科学实验：空间辐射对基因组的作用和遗传效应研究。这项研究通过三种对比实验来研究空间辐射对基因组的影响。
中科院生物物理所杭海英研究员的一项实验就在实践十号卫星上。他正期待着几天以后返回地面的小鼠细胞能带给他期望的结果。11日晚，杭海英接受了科技日报记者的独家专访。
“空间环境中的高放射性辐射和微重力是人类空间活动面临的两个有害因素，必须对其作出客观评估，并据此寻找到恰当的应对方法才能保证人类长期空间活动的顺利进行。”杭海英一语道破了其实验的最终目的。他和团队设计了太空实验，以哺乳动物的细胞为样本，定量研究空间辐射对基因组稳定性的改变情况，为将来开发更灵敏的空间辐射生物学效应检测方法奠定基础，并为太空辐射的风险和防护研究提供新的基础数据和检测手段。
实践十号卫星在轨模拟图，不需要太阳能板。图片来源：中国科学院科学传播局
杭海英团队的科学实验是要通过三种对比开展研究。
第一种对比。卫星上携带了小鼠的细胞，这些细胞分为两类，一类是正常的小鼠细胞，一类是有缺陷的小鼠细胞。杭海英说，这些有缺陷的细胞就是基因组不稳定、容易受损伤的细胞。团队希望通过正常细胞和有缺陷细胞在太空环境下改变的对比，了解微重力和高辐射环境对细胞的影响情况。
第二种对比。将两组小鼠细胞受微重力和高辐射影响的时间分别选定为一天和五天，对比两种情况下的影响情况。在此前，杭海英在地面上做模拟实验发现，在一天的微重力环境下，细胞损伤极大，但在五天的微重力环境下，细胞的损伤并不是累加的，它反而有了一个缓慢的恢复过程。团队想通过小鼠细胞的太空微重力之行，查验一下模拟条件下的实验是否准确。“如果结论与地面上是一致的，那么将来就可以考虑，让航天员在细胞损伤较大的第一天通过药物预防，而之后则不需天天补药。”杭海英说。
第三种对比。在太空微重力环境下做小鼠细胞实验，在地面上也做相应实验，从对两者的分析中找出微重力和辐射环境对小鼠细胞的影响，研究地面模拟环境下基因组稳定性改变的机制，从而深入探讨空间环境对细胞基因组稳定性的影响及其机制。
杭海英认为“空间辐射对基因组的作用和遗传效应研究”是一项创新性的研究。他说：“关于高辐射对生命的伤害早已有定论，但是在微重力和高辐射双重条件下，二者对生命的损害是简单叠加的吗？或者是超叠加的？我们希望通过实验得出结论，希望发现差异表达的基因，并对此基因做进一步的功能验证，以获取新的空间辐射敏感标志生物分子。”
