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小鼠胚胎太空历险记:探索人类将来在太空中生息繁衍

2016-05-05 08:05:53太空胚胎南都科学
尽管人类早在1961年已实现进入太空梦想,但何时能在太空安居乐业仍是未知数。在微重力、高辐射的环境里,人类能够正常生息繁衍吗?







   发射前4小时的2细胞小鼠胚胎。

   发射后80小时的小鼠胚胎。

   4月3日,胚胎培养研究团队在酒泉卫星发射场实验室(左侧为段恩奎带领的科学系统团队,右侧为张涛带领的硬件研制团队)。受访者供图

尽管人类早在1961年已实现进入太空梦想,但何时能在太空安居乐业仍是未知数。在微重力、高辐射的环境里,人类能够正常生息繁衍吗?问题悬而未决,但中国科学家们最近取得重要进展:通过中国首颗返回式微重力科学实验卫星“实践十号”,他们把6000多枚小鼠早期胚胎送进太空,并首次证明哺乳动物胚胎可以在太空中发育。

时隔十年的胚胎太空之旅

4月5日深夜,酒泉卫星发射中心。再过8个小时,实践十号就要带着19项空间科学实验任务奔赴太空。其中,由中科院动物研究所研究员段恩奎、中科院上海技术物理研究所研究员张涛及各自团队负责的“微重力条件下哺乳胚胎早期发育研究”,此时开始紧张的装星工作。科学家们要把载有6000多枚小鼠早期胚胎的培养箱组装好,并安置在卫星回收舱内。

这是继1996年美国国家航空航天局实验未取得结果后,人类第三次尝试将哺乳动物的早期胚胎送上太空。时间在整个实验中扮演着至关重要的角色:胚胎是从2细胞发育成4细胞,再发育成8细胞、16细胞,直到最后的囊胚。在发射前8小时作为最后一个载荷装上卫星,是为了最大程度地缩短小鼠胚胎在地面停留时间,确保它们在太空中完成从2细胞胚胎发育到囊胚的全过程。

为了这个机会,段恩奎已经等待十年。2006年,他曾带领研究团队将小鼠2细胞胚胎送上实践八号卫星。那次,科学家们虽然在世界上首次看到小鼠胚胎在太空的图像,但实验被段恩奎视为“失败”———由于发射前32小时就被安置到卫星上,很多胚胎在地面已经发育,“我们没有获得胚胎在太空发育的证据。”

一个月后,段恩奎在德国柏林一次学术交流会上,见到实践八号、实践十号总设计师唐伯昶,当面向其请求:希望实践十号上的胚胎培养载荷能在发射前8小时装星,这是项目设计的关键环节之一。唐伯昶回复说“会积极争取”。

而实践十号另一位关键人物———中国科学院院士、实践十号首席科学家胡文瑞对项目予以极大支持。他告诉段恩奎及其团队:“你们放开手脚去大胆尝试,要敢于挑战不可能。”其后十年,在胡文瑞、唐伯昶争取、坚持下,经历近百次会议的论证、讨论、检查,发射前8小时装星的方案尘埃落定。

在此期间,段恩奎带领中科院干细胞与生殖生物学国家重点实验室团队、西北农林科技大学教授马保华合作,重点完成5项创新和技术改进,研制出适用于太空实验的胚胎密闭培养体系。“比如我们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。胚胎培养箱终于按计划装上实践十号。进行发育实验的小鼠胚胎被分别装载于4个培养单元,每个单元内约有150-200个胚胎。为了记录它们的状态,每4小时要显微成像一次,从卫星发射前8小时起,直到发射后96小时为止。实践十号经过地面测控站时,就会将图像数据传回地面。

在72小时左右,科学家们如愿以偿看到期待的图像:2细胞胚胎发育到囊胚,与地面上时间基本一致。这是世界上首次证明哺乳动物胚胎细胞可以在太空微重力条件下分裂发育。“这十年来我们没有放弃,这一次终于成功了。”回想起当时情景,段恩奎难掩激动。

既要“养得活”又要“看得清”

有人做过比喻,在卫星上增加1公斤的重量,就要付出1公斤黄金的成本。地面上的胚胎培养实验可以在庞大实验室完成,但卫星上的空间、供电资源有限,必须创新设计思路。该项目空间实验装置研制负责人张涛带领其团队将地面实验室“浓缩”成具有显微摄影、实时捕获、自动聚焦、适时下传和样品遥操作等功能的胚胎培养箱,体积如同小型微波炉,重量只有17公斤。

在卫星上做发育实验首先要保证胚胎“养得活”,涉及到温度、气体、液体等方面条件控制。以温度为例,胚胎的敏感性很高,必须保持在36 .5℃(±0 .5℃)的环境中。“地面实验室没有资源上的约束,设备可以做得非常复杂,我们不行。”张涛说,为了在有限资源下达到精确目标温度,科研人员做了很多特殊设计,实现对胚胎储存液、培养液的分区局部温控。在地面上做起来并不复杂的观测工作,到太空也是不小的挑战。每个培养单元内的直径只有牙签根那样粗,可容纳不到2毫升左右的液体,装150-200个左右的胚胎,要找到胚胎非常困难。

微重力的影响也必须纳入考量。通常情况下,胚胎会被放在培养皿或载玻片上观察。而在卫星上,培养单元虽然是固定住的,但胚胎立体分布于培养液之中,它们可能会在微重力条件下出现悬浮或粘连。显微镜要自动搜索并找到这些直径只有60-80微米的胚胎,难度非常大。为此,科学家们在4个培养单元上留出非常小的观察孔。移动精度达微米级的显微镜,通过二维移动完成工作:一维是平移,即在4个工位上切换,逐个对不同的培养单元进行观察;一维是在垂直方向上调焦,从而在不同的深度上寻找识别胚胎。

而且,还涉及到自动搜索与捕获识别的算法设计。“要把人的认知转换成自动识别的算法存在计算机里,让它去计算、比较。每次显微成像会有几百张图像,显微镜会选择其中最清晰的一张下传。要找得到,成像方法要不断改进。还要看得清,要在96小时内把胚胎发育的过程都看明白。”张涛说。

由于部分胚胎在装星后72小时要被注入固定液,胚胎培养箱还需要具备液体交换的功能。在地面上,科研人员一般是在显微镜下将胚胎由一个培养皿中移到另一个装有固定液的器皿中进行胚胎固定,卫星上显然没有这样的条件。张涛及其团队研制精巧的液体通路,让培养液、固定液能在微重力条件下进行置换,废弃的培养液可以进入原来储存固定液的空间,两种液体既不会混合,又不会产生多余空间。“数百个零件要临时安装,时间紧,要求高,压力大。”张涛说,生物实验装置有特殊性,要尽可能缩短地面时间,“卫星发射时间是不能改的,你做不好就要出问题。”

为此,科研人员把安装时间精确到分钟,每做完一件事,要在时间表上打钩。卫星回收时也是如此,拆解工作必须非常安全、迅速准确,既不能出错,又要保证样品没污染,对科研人员的体能也提出极高要求。

解开人类太空繁衍谜团的第一步

4月18日,实践十号回收舱成功降落,段恩奎及其团队立刻把小鼠胚胎运回实验室。接下来,他们要开展全方位研究工作,包括将太空与地面对照组的实验结果进行比对,分析胚胎的形态变化,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。

不过,由于没有及时在母体子宫着床,这些经过太空历险的胚胎已经无法继续发育成真正的小鼠。段恩奎说,如果将来有机会短时间回收胚胎,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,将是更重大的突破。

其实,太空繁衍问题困扰人类已久。1979年,苏联在“Cosm os 1129”任务中将雌雄小鼠送进太空,期待它们能够繁育下一代。这是人类首次试图在太空中繁衍哺乳动物,但结果并不成功。1996年进行小鼠胚胎太空发育实验失败后,N A SA通过“发现号”航天飞机向国际空间站运送6只小鼠。历经91天的任务,3只活下来并重返地球。不幸的是,科学家们发现这些小鼠体内的精子数量锐减了90%.而在2001年,N A SA甚至将一对宇航员夫妇送上空间站,但他们也未能完成太空受孕任务。研究人员未能找出女性宇航员不能受孕的原因,他们得到的确切结论就是太空受孕非常困难。100天后,这对夫妇返回地面,实验也被尘封。

目前,N A SA正与日本宇宙航空研究开发机构(JA X A )合作,将冷冻的小鼠胚胎在国际空间站内保存两年,之后把它们带回地球,植入代孕老鼠体内,以观察太空辐射环境带来的影响。

此次中国科学家实现哺乳动物胚胎在太空中的首次发育,也吸引了世界各国注意。美国堪萨斯大学教授约瑟夫·塔什在接受媒体采访时表示,弄清楚发育胚胎的比例,以及其中有多少是健康、正常的胚胎非常重要。从现在曝光的图像来看,胚胎发育情况并不统一,“跟地面对照组相比,如果只有很小一部分胚胎在太空正常发育了,就会引起太空环境对胚胎发育也许有影响的担忧。”

段恩奎强调,证明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。更详细研究结果还需相关论文发表后再进行说明。届时,中国科学家有望阐述太空环境下哺乳动物早期生命活动的规律,为人类将来在太空中的生息繁衍提供科学依据。

出品:南方都市报科学新闻工作室

主持:陈养凯 采写:南都见习记者冯群星