2022年12月31日，中國空間站正式宣告全面建成。兩年間，中國空間站已在軌實施180余項科學與應用項目，上行科學與應用任務近兩噸實驗模塊、單元及樣品等科學物資，下行空間科學實驗樣品近百種，獲取科學數據超過265TB。
經國內百位院士、千余位專家的多年論證，空間應用系統制定了包括空間生命科學與人體研究、微重力物理科學、空間天文與地球科學、空間新技術與應用4個領域，32個研究主題的空間站應用研究體系。
基于“動態征集、動態實施”的原則，中國空間站每年都會發布項目指南，征集高水平的科研項目。
各領域科學團隊深度挖掘諸多領域方向，著力攻克系列重大科學命題，產出了系列原創性、前沿性、創新性的進展與成果，累計發表500多篇高水平SCI論文，獲得150多項專利，部分成果已實現轉移轉化與推廣應用，顯著推動了我國空間科學與應用快速發展。
兩年來涌現的成果背后，則是眾多科學家多年的準備和耕耘。
太空的種子，在地球上結出果
早在2002年，中國科學院分子植物科學卓越創新中心（以下簡稱分子植物卓越中心）研究員鄭慧瓊課題組就開始試圖解答“微重力條件下，不同光周期途徑如何調控開花”這一問題。
從神舟四號到實踐八號，一直到天宮空間站，團隊開展了從空間細胞融合到模式植物全生命周期培養的系列實驗。
團隊成員、分子植物卓越中心實驗師王麗華介紹，團隊以模式植物擬南芥和水稻為主要研究對象，聚焦3個方面：分析比較微重力在植物開花過程中的作用；獲取微重力調控植物開花的分子基礎與關鍵基因的表達變化；解析長期空間微重力條件下植物開花基因表達的調控網絡機制在植物對空間環境適應性中的作用機理。
“利用在軌實時圖像和返回的擬南芥實驗材料，我們獲得了不同開花時間的擬南芥響應微重力的生長發育表型數據和天地比對轉錄組數據。”王麗華表示。這為深入解析植物如何通過調整開花時間來適應空間微重力環境下的分子機理提供了新視角，同時也為人為控制空間植物的開花時間、構建具有強大空間環境適應能力的植物品種、提高空間植物的產量和品質開辟了新途徑。
同時，團隊在水稻中發現，影響光合作用效率和種植密度的重要性狀之一——葉片夾角在微重力條件下異常增大。他們首次在空間站中實現了水稻水稻從種子到種子的全生命周期培養。
王麗華補充：“再生稻是在原種植水稻收割后再生的二茬水稻，我們首次在空間微重力條件下完成了水稻再生，獲得了有活力的再生稻種子。這意味著，一次種植可以多次收獲，從而提高空間利用率，也為未來空間生命生態生保系統利用水稻進行糧食生產提供了新思路。”
值得一提的是，空間站收獲的水稻種子活力正常，育性良好。團隊已經將空間站水稻種子進行了大田擴繁，并獲得了第三代種子，相關研究及數據統計工作正在進行。
1.2升的生態系統，不簡單
2024年4月25日，2雌2雄共4尾斑馬魚從200尾精挑細選出來的同類中“脫穎而出”，“乘坐”神舟十八號入駐中國空間站，這也是中國空間站第一次迎來水生動物。
除了3名宇航員，與這4尾斑馬魚相伴的，還有4克水生植物金魚藻。斑馬魚和金魚藻在一個1.2升大小的特殊裝置中，組成一個獨特的二元密閉生態系統。裝置巧妙地分為兩部分：一側是700毫升魚室，另一側是500毫升植物培養間，中間被一塊擋板隔開，而密布的小孔則確保了水中成分在兩者間自由流通。
作為模式生物中少有的水生脊椎動物，斑馬魚是此次任務擔當“魚航員”角色的不二之選。
而確定金魚藻，則很是費了一番精力。“我們前期嘗試了藍藻、小球藻、各種水生植物等，最后發現金魚藻的各項指標是最好的。”中國科學院水生生物研究所研究員王高鴻解釋，“我們的目的是建立一個相對穩定的水生生態系統物質循環系統，因此要求植物既能夠容易存活，同時也不會急劇生長而造成類似富營養污染下‘水華’現象。”
在空間站的43天時光里，斑馬魚和金魚藻果然“相處融洽”。金魚藻光合作用產生的氧氣讓斑馬魚能夠順暢呼吸，同時能夠吸收水中的氨離子，避免水質惡化；而斑馬魚的代謝物則能夠為金魚藻所用。它們相互之間既是生產者又是消費者，組成一個看起來很小很簡單，但實際上內部復雜的科學實驗體系。
這套裝置也配備有一整套“直播”系統，地面的科研人員能實時看到斑馬魚和金魚藻的狀態，并了解水中各項環境指標的數據。
“我們的實驗最初計劃運行30天，最終在太空中成功運行了43天，超出了預期目標。”王高鴻介紹。期間處于性成熟周期的斑馬魚順利產卵，還觀察到腹背顛倒游泳、旋轉運動、轉圈等定向行為的異常現象。金魚藻在實驗期間也有明顯生長，生物量估計增加了1.5倍左右。
2024年11月4日，“太空養魚”的回收水樣、魚卵等樣品跟隨神舟十八號航天員乘組返回了地球，王高鴻團隊目前正在對樣品水化學和微生物宏基因組研究，分析空間環境下水生生態系統物質循環與微生物演替相關機制。
新的研究藍圖也正在規劃中。“未來我們將充分利用現有水生生保系統平臺，聯合我國的相關斑馬魚研究團隊研究開展太空環境下斑馬魚配子發生與跨代遺傳、骨丟失、肌肉萎縮、內分泌紊亂、免疫和營養代謝研究。”王高鴻說道，“我們也將繼續關注生保系統的可持續發展，開展太空環境下金魚藻基因組表觀遺傳修飾及空間環境下代謝活動和基因表達等適應機制研究。”
沒有重力時，骨骼肌“擺爛”的秘密
人體內有600多塊骨骼肌，約占體重的40%，對維持人體正常生理功能及代謝的穩態至關重要。如肥胖、糖尿病等代謝性疾病，與衰老相關的肌萎縮等肌少癥，都與骨骼肌異常相關。
而骨骼肌“擺爛”是太空微重力環境下重要的生理變化之一。航天員在太空中執行任務時，每天需要至少運動2小時才能緩解肌肉萎縮帶來的不良影響。同時，航天員返回地面時，他們的骨骼肌往往會遭受重力帶來的損傷，不得不坐在椅子上被抬下來。
基于空間站實驗艙中的“生物技術實驗柜”和“手套箱及低溫存儲柜”功能，中國科學院上海營養與健康研究所（以下簡稱營養與健康所）研究員應浩帶領團隊，聚焦“空間微重力環境對骨骼肌影響的生物學基礎”，開展相關空間科學實驗研究。
團隊成員、營養與健康所副研究員李俞瑩介紹：“我們希望通過在軌細胞的實時觀測以及回收樣本的檢測，從分子細胞水平揭示空間微重力環境導致骨骼肌萎縮的生物學機制，及其對機體代謝產生的間接作用。”
2022年11月，細胞樣品隨天舟5上行，利用生物技術實驗柜成功實現了小鼠骨骼肌細胞的在軌培養和分化，觀察到了細胞融合和肌管形成等現象，并首次在軌檢測到微重力環境下肌細胞的自噬現象，收集了真實微重力條件下的肌細胞樣品和相應的培養液。
完成在軌實驗后，樣品于2023年6月由神舟15載人飛船返回艙帶回地面。應浩團隊立即開始了后續的實驗，迄今已取得系列科學發現，包括在國際上首次發現空間微重力環境影響骨骼肌細胞自噬的規律、發現空間微重力環境通過影響自噬導致肌萎縮的可能機制及潛在分子靶標。
值得一提的是，航天員身上由微重力環境造成的肌萎縮現象，與地面人群衰老、長期臥床等產生的生理病理改變，有很多相似之處。
“這些發現不僅可以針對性地改善航天員的健康狀況，還可將研究成果推廣應用于地面的肌少癥患者及長期臥床病人，為對抗肌肉萎縮問題提供新的解決方案。”李俞瑩表示。
材料長不好，送天上試試
銦硒（InSe）半導體晶體是一種具有柔性的半導體材料，不僅具有傳統半導體材料優異的物理性能，而且可像金屬一樣進行塑性變形和機械加工，為未來新型電子器件設計及應用提供了一條新途徑。
然而，在現有條件下，制備出滿足應用要求的InSe晶體仍面臨巨大挑戰。即便科學家經過反復優化生長條件，所得到的InSe晶體仍含有極高的缺陷密度，這對半導體器件的性能和材料應用造成了嚴重影響。
空間環境相關的微重力條件，則為半導體材料制備和相關機理研究提供了獨特的平臺和條件。“以非接觸效應為例，在空間站微重力的條件下，晶體材料和石英坩堝之間可以形成間隙，避免熔體和容器直接接觸，進而消除應力對材料生長的影響。”中國科學院上海硅酸鹽所（以下簡稱上海硅酸鹽所）研究員劉學超解釋。
劉學超團隊負責了中國空間站中無容器科學實驗柜和高溫材料科學實驗柜的研制工作。
2022年10月31日，高溫材料科學實驗柜隨夢天艙成功發射入軌時，其內存放著首批科學實驗樣品。200余天后，包括InSe晶體在內的部分樣品跟隨神舟十五號航天員返回地球。
劉學超介紹：“InSe半導體晶體是在中國空間站高溫材料科學實驗柜進行的一個材料實驗，在軌實驗時間為70個小時，順利完成了生長實驗，獲得了完整的晶體樣品。”
同時，團隊在上海硅酸鹽所的實驗室里配備了一套空間站高溫材料實驗柜的“鏡像系統”，即除了重力不同之外，其他條件完全一致，在其內開展InSe樣品的地面匹配實驗。
空間站實驗樣品移交后，劉學超團隊與上海電機學院教授金敏團隊首先仔細檢查了下行樣品的外觀，再進一步檢測表征了其結構、組分、物相、性能等，并與地面匹配實驗樣品作鏡像對比。
他們欣喜地發現，在微重力下成功實現了高質量InSe生長。空間InSe晶體具有近乎完美的In-Se六方晶格，晶體位錯缺陷密度大幅降低，晶格條紋清晰規則，晶格損傷或明顯的原子空位極低，由該晶體制備的器件性能也得到了大幅提升。
此外，還有一些意外發現。劉學超舉例說道：“在太空微重力環境制備的材料，似乎變胖了。我們觀察到，InSe晶體的晶格參數變大，說明晶體結構可能發生了膨脹現象。”
未來，除了用更多不同實驗方法分析已有材料的特性，劉學超團隊也計劃開展微重力生長摻雜InSe晶體及性能研究、附加旋轉磁場生長InSe晶體及性能調控研究、摻雜InSe空間/地面晶體質量對比及半導體器件研究等工作，一些前期的匹配實驗正在進行。
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