[科普中国]-空间重力生物学

空间重力生物学概念叙述

研究生物进入宇宙空间后，重力因素(主要是失重)对生物影响的学科。

自从有生命以来，生物一直生活在地球表面引力环境中。在实现了人造卫星绕地球作轨道飞行后,才遇到较长时间的失重问题绕地球作轨道飞行引起失重是因为物体加速到第一宇宙速度(7.9公里/秒)时，所产生的惯性离心力与地球引力大小相等，方向相反，互相抵消，物体就失去重量，处于失重状态。实际上，由于惯性离心力与地球引力不能完全相等，因此严格地说，生物是处于微重力状态,即在零到千分之几 G的范围内波动。 ,a为作用于物体上的加速度，g为重力加速度。

空间重力生物学研究研究对象有细胞、去氧核糖核酸、细菌、高低等植物、小球藻、鱼和青蛙以及它们的卵、阿米巴、甲虫、寄生蜂、果蝇、乌龟、小白鼠、大白鼠、荷兰猪、狗、灵长目动物和人。

研究内容有植物生长的变化，生物遗传变化，代谢变化，动物各系统如心血管、血液和淋巴、肌肉和骨骼、内分泌、前庭、行为等的生理和病理变化。1

空间重力对生物的影响外形和生存率的变化在地球上生长的植物的根总是朝着重力作用的方向生长，称正向地性，而茎总是背着重力作用方向生长，称负向地性。这是由于植物内部有感觉重力的器官“平衡石”所致。细胞中的淀粉颗粒（可能还有高尔基氏体）就是一种“平衡石”。当植物种子处于横放位置发芽时，因受重力的影响，平衡石可以累积在根和茎细胞的最下部，刺激生长素从一个细胞输送到另一个细胞。它对茎细胞的作用是使下部细胞扩大较快，使上部细胞扩大较慢，于是茎就逐渐向上弯曲。对根来说，则相反，根的下部细胞扩大较慢，而上部细胞扩大较快，于是根就向下弯曲。当植物处于失重时，平衡石在细胞内处于均匀分布状态。如果在生物卫星中把植物种子的胚芽朝上下左右不同方向放置，则根、茎生长方向很不规则,长出的根长度差别也大（1～20毫米）。大部分植物在失重时，生长和发育过程加快，可增加产量，有一些作物则发育很慢。航天过程中，可以看到所有的小球藻生存率明显地低于对照组。对小球藻的影响除失重这一因素外，可能还与其他因素如温度、的作用有关系。可以认为，短期飞行，对小球藻细胞没有多大影响，但当飞行持续时间较长（如22天）或者作地球-月球-地球飞行，空间因素对小球藻的细胞发育是有影响的。失重对小麦苗正常生长影响很小，但发射时的震动可以使麦苗出现畸形。2

遗传物质的变化失重对细胞分裂和突变没有直接的影响。至于失重对微生物亚细胞结构的影响到目前为止还不清楚美国产的一种叫底的(Fundulus hote-roclitns)小鱼的卵，在失重时,孵化速度比通常慢些，在宇宙空间孵出的小鱼没有发现空间定向的破坏。失重时，果蝇雌性配子里不论是高或低的突变品系的隐性致死性突变发生频率比地面对照组有显著增加，同时低突变品系的果蝇精子细胞里的突变比高突变品系的果蝇精子要多。此外，航天中的早期和后期的雌果蝇幼虫的染色体隐性突变的频率也明显增加。还发现处于幼虫阶段的果蝇，航天后在Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ染色体之间易位有明显增加。寄生蜂在航天后也出现了明显的隐性致死性突变频率增加。航天后，小白鼠的骨髓和脾细胞染色体重新组合的次数明显增加，这种变化持续较长时间。小白鼠在飞行后细胞染色体重新组合的频率增加。小麦和豌豆在航天后染色体重新组合的频率也增加，小根的细胞染色体突变谱发生了变化。染色体的重新组合频率增加与航天时间长短的关系并不明显。失重能使紫鸭跖草的微形孢子出现畸形有丝分裂和细胞生长过程的破坏。正常的植物小根分生细胞大部分中期细胞核具有1～8个核仁，多数为4个，只有一个核仁的细胞为数不多,占0.39%，然而处于失重状态下的植物中期细胞核含有1～5个核仁，多数为3个,具有一个核仁的细胞数占5.62%。这说明失重促进核仁集聚形成染色体。3

代谢的变化失重下的大白鼠气体代谢明显低下。失重后再适应的第一天，水负荷没有什么变化。但在失重状态下的动物水负荷实验后,随着尿排出的Na(比处于人工重力条件下的和地面对照的动物排出的要多。在再适应的第二天给动物K(负荷,K(排出比处于人工重力条件下的要多，也比地面对照组多。大白鼠肾单位功能没有任何变化，电解质代谢的变化是机体代谢总变化的结果，首先是肌肉系统代谢的结果。狗经22天失重飞行，体重减轻，血清中总蛋白质量降低，白蛋白相对降低，血中胆固醇量增加。

内分泌系统的变化航行后返回地面5～7天内，大白鼠的肾上腺比对照组重量增加。肾上腺皮质酮浓度比对照组高，肾上腺皮层束状带细胞核容积增大，脂肪减少，这种变化是返回和着陆后急性应激反应的结果。此外，还发现改变儿茶酚胺合成速度的酶的活性比对照组高。4

心血管功能的变化失重初期，狗的心率有短时的加快（约加快30～40次/分）。这与进入失重前加速度作用有关，以后逐渐下降，但心率恢复到原来水平的时间相当于地面时的 3倍。对心率进行最大及最小参数比例的差异分析，可以看到失重时有的动物交感神经占优势，有的副交感神经占优势。血压在失重初期也升高约10～60毫米汞柱，以后逐渐下降。失重初期，心电图可出现R波和P波幅度增高，这可能与动物体位改变有关，以后随着副交感神经作用增强，R波和P波幅度也下降。在失重时，心脏的兴奋性和传导性功能没有非常重要的变化。还可看到经19.5天失重，心肌球蛋白、三磷酸腺苷酶的活性降低。肌浆蛋白的含量增加。

血液和淋巴系统的变化绕地球作轨道飞行时，大白鼠的红细胞数减少，骨髓里有两种巨核细胞：一种是正常型的巨核细胞，具有多液的结构，清楚的核和颗粒性细胞浆；另一种是萎缩性的细胞核和嗜酸性无结构的细胞浆。航天后5～11小时,不正常的巨核细胞数增加到总数的27%，而对照组不超过6%，经过25天,不正常的巨核细胞数接近正常。在自发性红细胞溶解速度方面，对照组平均血流速度每天为0.38%，而经19.5天航天后，则为每天1.1%。红细胞寿命对照组平均为 62.4天，而失重组为59天。经22天航天，狗和大白鼠的中性白细胞增多，淋巴球和嗜伊红白细胞减少。飞行后，大白鼠经2～3天，白细胞数恢复正常，而狗经30天还未完全恢复。大白鼠经19.5天航天后，在淋巴系统可以见到两种变化：第一种是胸腺和淋巴结里淋巴球破坏和脾脏出现嗜中性浸润现象；第二种是淋巴小囊萎缩，胸腺和淋巴结的皮层缩小。处于失重状态下的动物，咽腔里存在变型杆菌和在血清里免疫球蛋白的水平降低，说明机体预防疾病能力有某些变弱。

肌肉和骨骼系统的变化大白鼠经22天失重飞行，蝶状肌、腓肠肌、大腿四头肌、肩二头肌等重量都减轻，肌纤维变薄，细胞核增多，电子显微镜检查线粒体有变化，神经肌肉末稍也有变化。失重后第2天,后腿部肌肉组织的O2摄入量(ΔO2)和无机磷吸收量(ΔP)都较对照组和模拟舱组明显下降（下降40～50%），P/O2之比保持不变。失重后第26天,ΔO2和ΔP与对照组和模拟舱组比较，没有什么异常。以上结果说明失重时会引起肌肉细胞能量下降，但返回地面后过一段时间就可以恢复正常。由于失重所产生的功能负荷不足还表现在骨骼的变化上。失重时，大白鼠的大腿骨骨膜组成降低，海绵状部分变松软。在接近软骨极区的松质面积减少，骨组织矿物质形成减慢,钙代谢加强，骨硬度降低,机械强度下降30%。失重时,钙、磷、氮等物质排出量增加,人体氮的损失每天可达4.5克，六个月的失重可损失身体全部钙量的2%。

前庭功能的变化猫在失重时姿势反射消失。大白鼠在失重时从空中掉下来不会翻转。失重初期，动物不能正常行走和维持姿势。失重时，测量蛙的第八脑神经单个纤维电位变化，发现神经冲动的发放呈周期性。在失重的头24小时，神经冲动的发放率明显减少，以后又突然增加，如此反复，直至渐趋正常。没有疑问，失重时前庭器官在活动性方面5

中国有关研究和应用本项目属于空间医学与生物学领域，在国家863计划等15项基金资助下．开展了失重的生物学效应研究工作，并选择药物进行干预和利用失重环境进行组织工程研究。

干细胞率先系统研究了胚胎干细胞、骨髓间充质干细胞、脂肪间充质干细胞和心肌细胞、平滑肌细胞以及胰岛在失重条件下的培养和规模化扩增，阐明了不同干细胞和组织细胞在失重环境下生长和扩增的特点。首次应用体外模拟失重环境的生物反应器进行胚胎干细胞拟胚体的规模化扩增，并以胚胎干细胞诱导分化来源的心肌细胞为种子细胞，再造了与天然的心肌类似的组织工程化心肌组织；应用模拟失重条件下培养的胰岛和睾丸支持细胞复合体，进行糖尿病动物体内移植，取得良好的降糖效果。

肺组织蛋白组学率先采用国际公认的模拟失重模型进行肺组织蛋白组学分析，发现了17种差异蛋白质在失重所致肺组织损伤中发挥重要的作用，也证实核因子-κB、黏附分子-1、原癌基因C-fos参与了失重所致肺组织损伤；发现模拟失重后肺血管内皮细胞线粒体增生肿胀、通透性增加、细胞骨架解聚、凋亡过度、一氧化氮合成增多，证实血管内皮功能在模拟失重后肺动脉反应性改变中发挥着重要的作用；发现模拟失重后肺T淋巴细胞的免疫功能会受到抑制，细胞表面标志的激活及多种重要细胞因子分泌均会发生变化。

N-乙酰半胱氨酸首次应用N-乙酰半胱氨酸、银杏叶提取物和川芎嗪对失重所致肺组织损伤进行药物干预，发现N-乙酰半胱氨酸和银杏叶提取物能够明显对抗失重所致的肺组织细胞凋亡过度，川芎嗪能够显著抑制失重对原癌基因C-fos的诱导作用，对肺脏均具有保护作用；发现Nω-硝基-L-精氨酸甲酯可有效对抗失重后肺动脉收缩反应性降低；12-肉豆蔻酰-13-乙酸佛波酯可明显改善失重后肺T淋巴细胞功能受抑。

失重模型的笼具改良一种新型制作鼠尾悬吊模拟失重模型的笼具，具有结构简便、方便易用特点；建立了基于DSP和FPGA技术的空间实验细胞图像采集系统，具有高集成度、结构简单、高频在线采集特点，能够对细胞进行实时、在线、连续监测。

有关实验室2004年生命科学院获得国家“985工程”立项支持，投资3000万元开始建设“985工程”省部级创新平台––“空间生物技术实验室”。经三年的建设，该实验室于2007年获得首批国防科工委重点学科实验室，正式命名为“空间生物实验模拟技术重点实验室”。该实验室是目前国内高校中第一个专门从事空间生物学与生物技术研究的省部级重点实验室。

“空间生物实验模拟技术重点实验室”，以国家空间科学与技术领域需求为牵引，以空间环境（重力、辐射及磁场）地基模拟技术平台建设为支撑，以空间环境生物学效应基础研究为主体，以空间生物实验和航天员生命保障为应用，将生命科学基础学科与空间技术或工程学科交叉融合，将基础研究与应用研究相结合，将学科建设与平台建设和学院建设相结合，将科学研究与人才培养相结合，突出基础性、前瞻性、交叉性和创新性；本着“强化空间科学基础，发展空间技术应用，服务国家重大工程”的指导思想重点开展三个方面的研究：

“空间重力环境模拟技术及生物学效应研究”；包括空间重力生物学效应、空间生物大分子晶体生长、空间细胞与组织工程、空间骨丢失防护药物与器械、失重环境合成多孔生物医学材料等研究方面。

“空间重粒子辐射与重力复合模拟技术及生物学效应研究”；包括复合环境的分子细胞生物学效应、复合环境对模式生物的生物学效应、复合环境的防护药物等研究方面。处上方面还有其他研究内容。6