斑馬魚與金魚藻共存于培養(yǎng)液中。受訪者供圖

我國首次在軌建立的空間自循環(huán)水生生態(tài)系統(tǒng)。中國科學院供圖

地面匹配實驗中所示6條斑馬魚。中國科學院供圖

2024年6月7日凌晨4時47分，中國科學院空間應用工程與技術中心有效載荷運控大廳休息區(qū)屏幕。水生生態(tài)系統(tǒng)在軌任務結束前，科研人員凌晨仍然堅守在崗位上，站好最后一班崗。受訪者供圖

斑馬魚胚胎發(fā)育過程示意圖。中國科學院供圖

中國科學院空間應用工程與技術中心有效載荷運控大廳有一塊巨幅屏幕，當中國科學院水生生物研究所水生生物學2024級博士研究生古沛凡第一次站在它面前時，感覺自己很渺小。她在等待監(jiān)視屏幕中傳來神舟十八號載人飛船的畫面，那里能夠清晰地看到一個容積為1.2升的小魚缸，里面有她與師姐張憲園親手挑選的4條斑馬魚與4克金魚藻。

在連上信號的那一刻，古沛凡看到金魚藻莖葉舒展，微微擺動，運行系統(tǒng)中余留的空氣形成一個圓形的氣泡，斑馬魚圍繞它靈動地游動著，旋轉輕啄。

“我心里設想過很多遍情形，都不如那一瞬的驚艷?！惫排娣舱f，金魚藻完美發(fā)揮了作用，斑馬魚得到充足的氧氣供應，因此可以怡然自得地“探索”太空。

在近日舉行的中國空間站空間應用系統(tǒng)科學與應用進展情況介紹會上，中國科學院水生生物研究所研究員王高鴻在空間先進水生生態(tài)系統(tǒng)關鍵技術研究進展報告中表示，2024年4月-6月，包含4條斑馬魚和4克金魚藻的空間先進水生生保系統(tǒng)，隨神舟十八號載人飛船成功發(fā)射升空并進入中國空間站，在空間站穩(wěn)定運行了43天，實現(xiàn)了在軌產卵。

王高鴻表示，這是我國首次在軌建立空間自循環(huán)水生生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)了中國在空間培養(yǎng)脊椎動物的突破，創(chuàng)造了國際上迄今為止水生生態(tài)系統(tǒng)空間運行的最長時間。

不少網友將這4條“上天”的斑馬魚稱為“魚航員”，并圍繞它們提出了諸多問題，比如為什么要帶斑馬魚和金魚藻上天？它們是否能夠更好地在太空環(huán)境中存活？“魚航員”背后的“養(yǎng)魚人”有怎樣的故事？

為什么是斑馬魚

中國科學院水生生物研究所水生生物學博士研究生張憲園負責挑選斑馬魚的相關工作，“斑馬魚作為脊椎動物的模式生物，其基因組信息和人類有高達70%以上的相似性”。

張憲園告訴中青報·中青網記者，斑馬魚具有體型較小、輕盈，游泳運動行為較容易監(jiān)測等特征，它的胚胎發(fā)育過程跟人體相似，在卵發(fā)育過程中斑馬魚會形成一個卵黃囊，再由卵黃囊形成各種器官，包括腸道、甲狀腺等與人體高度相似的器官。

“將斑馬魚作為與人類相似的實驗動物來研究，有利于更好地了解航天員在太空中出現(xiàn)的一些特殊生理反應和身體的異?，F(xiàn)象?！蓖醺啉櫿f。

王高鴻也是張憲園的指導老師，在他看來，研究斑馬魚有助于更好地研究航天員因為上太空而出現(xiàn)的骨質疏松、肌肉萎縮、心血管疾病等問題。

同時，張憲園認為，對斑馬魚及其生命保障系統(tǒng)的研究，有利于為航天員將來的長期飛行提供動物性蛋白等物資供應，也能讓太空中的廢水得以循環(huán)利用。

“相比于小白鼠，培養(yǎng)斑馬魚作為空間實驗動物簡單易行，在很小的體積內就可以實現(xiàn)，另外人類90%以上的疾病都可以在斑馬魚中找到模型進行研究，所以在生物學研究中，斑馬魚的地位僅次于小白鼠?！蓖醺啉櫿f。

事實上，日本、德國之前都做過“帶魚上太空”的相關研究，日本選擇的是帶青鳉魚、斑馬魚上太空。王高鴻說，日本選擇直接用太空艙中的空氣注入魚缸，當魚產生排泄時，日本宇航員會采取過濾和換水等操作，而我國則選擇讓排泄物成為金魚藻的養(yǎng)分，從而實現(xiàn)了物質循環(huán)。

在送魚上太空之前，我國還曾送線蟲、藻類、水泡螺等生物上太空。王高鴻記得，上次送生物上太空是2011年的神舟八號，距2024年神舟十八號的發(fā)射已有10多年了。他介紹，從2021年將斑馬魚有關項目立項到現(xiàn)在，研究的進展很快，科學家對斑馬魚生態(tài)系統(tǒng)內溶解氧的變化規(guī)律已了如指掌，當氧氣不足時，科學家只要合理控制燈光，就能在合適的范圍內維持系統(tǒng)平衡。

除了斑馬魚，在眾多水生生物中，金魚藻的選擇也是眾望所歸。王高鴻回憶，之前研究員曾嘗試藍藻、小球藻、衣藻等多種藻類植物，但都沒有金魚藻穩(wěn)定。

“微藻長得特別快，很容易將營養(yǎng)耗盡，從而破壞生態(tài)系統(tǒng)的平衡，在多次實驗比較下我們選擇了生長穩(wěn)定、容易控制的金魚藻。”王高鴻說。而實驗中的金魚藻也不負所托，實驗數(shù)據(jù)顯示，金魚藻所在的系統(tǒng)能夠做到1小時內將溶氧值從每升5毫克升高到每升7毫克，表現(xiàn)出很強的光合作用活性。

要養(yǎng)魚，先“種草”

2023年2月，古沛凡過完春節(jié)返回中國科學院水生生物研究所。當她路過藻房，不經意的一眼，便被培養(yǎng)箱中的金魚藻吸引了，從此便開始了與金魚藻的故事。

“我只知道這是我們實驗室非常重要的藻，它在培養(yǎng)箱里的樣子特別漂亮。”古沛凡承認自己對一顆藻“心動”了。但那時的她沒想到，日后自己不光培養(yǎng)了金魚藻，還能讓它“上天”。

同年5月，古沛凡在王高鴻的指導下加入了斑馬魚的項目，她開始跟著師姐張憲園學習如何養(yǎng)藻。剛開始她會試著拿一些莖葉較粗、葉子短小的金魚藻做實驗，她發(fā)現(xiàn)這種金魚藻的產氧效果并不好，可能得七八個小時才能達到斑馬魚需要的溶氧值。

“培養(yǎng)基是影響金魚藻生長形態(tài)的主要原因。”古沛凡換了莖葉較細的金魚藻后發(fā)現(xiàn)，溶氧值半小時便達標了。于是她開始更換原來的培養(yǎng)基，以便培養(yǎng)莖葉較細的金魚藻。

下一步便是進行匹配實驗，這是一項“操心活兒”。匹配實驗是指要想實現(xiàn)最終成功發(fā)射，需要在前期做大量地面實驗，“我們把地面實驗叫作地面匹配實驗，要做到除了失重條件和太空不同，其余的條件和太空上保持一致”。

“實驗最難的不在步驟，在于操心?！惫排娣不貞?，在2023年11月金魚藻的放氧值等因素穩(wěn)定之前，她度過了一段很“不安生”的日子。

為了找出影響金魚藻放氧的所有因素，古沛凡必須長時間盯著培養(yǎng)基，不停觀測數(shù)據(jù)和金魚藻的狀況，如果金魚藻放氧值不穩(wěn)定，她就會將整個系統(tǒng)關閉，將培養(yǎng)基里的東西全部倒掉，重新滅菌后“重啟”培養(yǎng)基，之前繁瑣的步驟都需要重新來一遍。

這占用了她不少業(yè)余時間。平時周末以及過年回家，她都會通過培養(yǎng)基上的設備進行遠程監(jiān)控。

讓古沛凡印象最深刻的是，她的舍友在完成一次重要考試后，古沛凡為她買來蛋糕慶祝時，通過手機看到培養(yǎng)基監(jiān)控數(shù)據(jù)出了問題。

“我的心情頓時很緊張。”古沛凡說，那次培養(yǎng)基已經穩(wěn)定運行了20天，如果出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況便又要推倒重來，20天的指標也會無效。

在陪舍友吹完蠟燭后，古沛凡趕到實驗室，直到凌晨才返回宿舍。

魚要“上天”，情緒需穩(wěn)定

金魚藻的莖葉分粗細，而斑馬魚也分為“i魚”和“e魚”，張憲園在挑選時的任務便是排除那些“特別i”和“特別e”的魚，留下“情緒穩(wěn)定”、各項檢測指標合格的斑馬魚。

張憲園在前期也會考慮水生生態(tài)系統(tǒng)的平衡問題——保證藻的產氧量和魚的耗氧量，比如藻在兩個小時內產生了每升兩毫克的氧氣，剛好能夠被魚在兩小時內吸收，這樣才能讓整個系統(tǒng)達到一個平衡。

“要上太空的魚，挑選過程非常嚴格?！睆垜棃@說。

2024年4月1日，張憲園帶著200條提前4個月孵化的小斑馬魚，來到酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，開始篩選最能適應環(huán)境、狀態(tài)最穩(wěn)定的斑馬魚。

篩選一條能“上天”的“魚航員”要幾步？張憲園表示，首先根據(jù)實驗標準，選出雌魚、雄魚各40條，體型要保持在3-5厘米之間。同時還要看排便率、吃食率，觀察這些斑馬魚10分鐘內吃食的速度，吃得快證明食量好、更健康。

第二次篩選主要觀察的是運動情況，通過對魚進行“敲打刺激”來測試它們的靈敏度。在一秒之內反應過來、游向一邊的斑馬魚會被選出。靈敏度高，代表它們更健康。

篩選還包括觀察魚的情緒。張憲園發(fā)現(xiàn)，在挑選兩條雄魚、兩條雌魚組成培養(yǎng)系統(tǒng)時，魚的性格便更明顯地體現(xiàn)出來。比如，一組培養(yǎng)系統(tǒng)中的雄魚攻擊性強，在剛適應培養(yǎng)系統(tǒng)后，便搶占了它認為的最佳位置，伺機撕咬其他3條魚。

“運動量太大、太活潑，或者太焦慮、太孤僻的魚，都會被排除?！睆垜棃@表示，有些魚運動量大、耗氧量高，便會消耗金魚藻制造的氧氣，容易引起窒息；反之，有些魚運動量太小，和其他魚放在一起后，會一直躲在角落，這些魚往往會出現(xiàn)一些精神問題，不運動也會導致抵抗力、免疫力下降，同時膽小的雄性斑馬魚，相比于活潑好動的魚來說，更不易受精。

“其實斑馬魚和人挺相似，有些孤僻、心情低悶的人，不太容易和別的人交流?！睆垜棃@說。

經過層層選拔，張憲園選出3組培養(yǎng)系統(tǒng)，每組包含4條魚，她陷入了糾結。直到神舟十八號發(fā)射當天早上，上太空的培養(yǎng)系統(tǒng)才被確定下來。

“上天”后的“魚航員”經歷了什么？張憲園說，斑馬魚對外界的環(huán)境感知力強，能夠感知到微重力環(huán)境，同時由于發(fā)射前一天整晚沒有開燈，到太空之后一開燈，光的刺激和環(huán)境的刺激讓魚“激動”了，“當時能看到4條魚都在培養(yǎng)系統(tǒng)里亂竄，同時由于重力流失，魚的肚皮朝上，后期穩(wěn)定下來，便能和平共存了”。

在太空“旅行”的中后期，張憲園發(fā)現(xiàn)斑馬魚出現(xiàn)“肌無力”的狀態(tài)，它們的擺尾顯得“軟塌塌”，雌魚的癥狀較明顯一些。

從“火柴盒”到“兩瓶水”

王高鴻在接到任務時，被告知帶上太空的斑馬魚實驗用品重量不能超過10公斤，這可給他出了個難題。

上太空的魚缸與普通魚缸不同，它包括配件、魚食、備用氧氣、取水樣的空間、魚卵收集器等多種物品。

“這不是相當于在螺螄殼里做道場嗎？”王高鴻說，如今的科技條件已經比之前進步太多，他感慨，之前在神舟二號上做實驗，魚缸容積只有120毫升左右，相當于一個火柴盒的大小，現(xiàn)在的容積是1.2升，與之前相比擴大了10倍。

斑馬魚上太空后，由于環(huán)境刺激，第三天便產下了魚卵，但回收后王高鴻發(fā)現(xiàn)這些魚卵并沒有受精?！斑@意味著它不會分裂，不能稱之為胚胎，只是卵子?！蓖醺啉櫿f，雖然結果并不如意，但此次“魚航員”上天能夠存活40多天，讓完整的生態(tài)系統(tǒng)得到驗證，已經是較大的突破和收獲。

2024年4月25日，伴隨著神舟十八號成功發(fā)射，斑馬魚項目負責人的心也懸了起來。

如果出現(xiàn)問題怎么辦？在斑馬魚上太空的43天里，負責魚缸制作的中國科學院上海技術物理研究所的技術人員與王高鴻等人一起關注，輪流值班觀察培養(yǎng)系統(tǒng)的狀態(tài)，以確保系統(tǒng)在太空中穩(wěn)定運行。

他們是24小時“兩班倒”，古沛凡白天、晚上的班都值過，她在值班時的設備對面，是一扇方形的小窗戶，值夜班時她經常在那里看到月亮與日出。

“我在看神舟十八號發(fā)射的時候許了一個愿望，就是斑馬魚培養(yǎng)系統(tǒng)一定要穩(wěn)定運行。”古沛凡說。當時她的心情激動、緊張，當項目如期運行、完成后，古沛凡松了一口氣。她看神舟十九號發(fā)射時，又許下“身體健康、平平安安”等愿望。

“其實我一直覺得自己是個很平凡、很普通的人，沒想到能夠參與這么重大的項目，貢獻自己的力量，我很自豪、很開心?！惫排娣舱f。她希望，未來可以繼續(xù)從事這方面的工作。

（原載于《中國青年報》?2025-01-27?05版）