中科院格致论道讲坛

用一颗豆芽菜如何研究太空微重力？ | 微重力科学家王育人

12 Oct 2016

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出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛导语：重力，是太空区别于地球环境的一个重要区别，人类要走向深空必须要了解太空中微重力对生命的影响。在SELF讲坛上王育人却不谈太空，从一颗豆芽菜讲起，“植物的根是如何感知重力的？力是怎么施加的，施加在了谁身上，谁用了力学信号给了化学信号传导刺激生长素分布不一样，又是怎么样让它改变的？” 一花一世界，一颗不起眼的“豆芽”却蕴藏着重大的科学问题，王育人说一个科学研究的过程是辛苦的，它需要一步步地追踪，而不是简单地回答一个问题。---专家介绍---王育人中国科学院力学研究所研究员中国科学院微重力重点实验室主任实践十号卫星科学应用系统主任设计师重力大家都不陌生，地球上的任何物体都受到重力的作用，它的存在甚至比空气还要普遍，苹果在重力作用下会落地，钢笔可以用来写字，不需要担心稍一用力就变成宇宙中的一粒尘埃……这都是重力作用下事物存在的比如法则。但是，你是否想过假如重力消失会怎么样呢？大家脑子里首先出现的场景应该就是所有东西都漂浮在空中，电影《星际旅行》中就有这样的场景，在没有重力的作用下，宇航员多漂浮在空中。那么除了漂浮在空中，在没有重力的情况下还会有哪些事情发生呢？今天我们就一起走进微重力的世界，一起来看看微重力下的生存法则。---一个常识引发的猜想---这是一棵古树，古树下面有个根，盘根错节、深入大地，一个常识性的现象就是它的根长在地底下，而且会越长越深，那么，这个根为什么长在地底下而且还要越长越深呢？或者说是什么让它向地下长的呢？这个问题并不难，因为根扎得越深就越能够吸收营养，长得也就越茂盛。这个答案无可厚非，都是为了生存嘛，但是，如果深入思考，又会发现另一个问题。有时候，树根往下的时候会遇到贫瘠层，但是它还是能够穿过去，然后找到底下最有营养的一个部分。我们举例来说，这是小苗，这是树根，那么通过科学家的研究，树的根部，它好像知道重力在哪，就像我们一样，它好像也能感知到重力在哪，它知道这个作用对它来说是很关键的。因为只有这样猜想，才能解释它不断扎入到地下的行为。实际上，关于这个问题在科学界是一个很大的科学问题。一个著名的美籍华裔科学家他叫冯媛甄，是生物力学的创始人之一，他基本上可以算是生物力学之父，关于这个问题他给出了一个叫做“淀粉体平衡体假说”，之所以称为假说，是因为很多的问题还没有被证实。我们来看看他是怎么认识这个问题的。根尖部为什么会知道重力的方向呢？他是从细胞里面看这个问题的，如果我们把根尖细胞单独一个事例搞出来它就会这样子，那么除了细胞质、细胞核外，还有一些细胞器，这个细胞器里面这几个白色的球就代表它的淀粉粒，代表它的淀粉体，它实际上是什么样的东西呢？就跟我们吃的土豆差不多，形状差不多，但大小差了很多。这个淀粉体只有十几个微米的整合大小，整个细胞根据不同的植物会有几十个微米和上百个微米左右。那么这个东西也会随着细胞的转动而转动，因为它重，所以它总是会在底部沉积的，那么沉积这个过程就给它产生一个重力的信号，这个假说实际上是认为它的沉积和运动过程让细胞感觉到了重力的方向，然后传递给整个植物，然后发生了后面的生化反应，使得这个植物的根尖不断向地心的方向去发展，这样的解释比较合理，但只能称之为假说，如果写科幻小说足矣，但科研不行。---从假说到实验验证---前面的“淀粉体平衡体假说”可以称为猜想，作为科学研究必须要有验证的过程。在这个假说里，其实中间的过程非常复杂，从力学刺激信号到施加信号，然后到了整个化学传导、生物传导，它是一个很复杂的过程。首先我们要回答一个问题，这力学刺激信号怎么变成生化信号，我们知道根本身是弯曲的，但如果它始终能确定重力方向，怎么会弯曲呢？所以我们说应该是先有一个信号刺激，最后这边和那边有一个生长素的东西，它的浓度分布不是一样的，浓度越浓的地方，那么它就要抑制它的成长，浓度越小的地方，生长就快。你想，这边生长的快那个东西不就弯过来了嘛。事实确实是这样子的，但是从力学信号的刺激一直到它的生长过程，这中间到底发生了什么呢？关于这个问题是怎么解决的呢？我们可以设计一个实验。我们用了一个模式性的植物拟南芥，长得和豆芽菜差不多，这是它的根部，花是透明的，我们把它的根尖部用显微镜放大就这样一级一级往下放，里头这是它的根尖部分，里头红色的部分是他的一个细胞，那么一个细胞里的淀粉粒我们也能看到。我们用活体的拟南芥的植物来做实验，怎么来做这个实验呢？大家普通就可以想到，我们怎么研究重力对它的影响呢？根突然倒过来，显微镜在它的底下，突然倒过来的时候，这个重力还是在这个方向，但是根生长的方向还是改变了，这个淀粉粒也会在里面运动，那么我们也会知道这个运动过程对它的生长过程的一个影响。实际上是这样子，垂直的时候它是这样子，它的小柱细胞大家是可以看到的，这就是我们刚才讲到的一个过程；那么当我们把它水平放过来的时候，那么可以看到细胞体里头淀粉粒的运动。这是我们研究的过程中照下来的一系列的照片，这是分成四个(kaole),这几个字代表什么意思呢？这种我们拿了四种东西去做，一个是拟南芥，本身是野生型；还有一个是给它做了个let be处理，就是加了一种化学物质，让植物细胞里头有所谓的微丝，就跟人的头发一样，它就把微丝起到一种解拒的作用，就像人的头发似的，它能把它三开；还有一种（狄思万）处理，就是能把它弄成一粟一粟的，不是散开，是它的反作用；还有一种(let li)加微丝处理，用四种对比组来看它里头淀粉粒的运动过程。从这个里头0秒、50秒、150秒、250秒、350秒、450秒可以看到整个淀粉粒的运动规律，通过对比可以直接看到它们之间的运动过程是不一样的。我们实际上通过照片把它的运动轨迹照上，录制分析出来，这个时候可以看出有个显著的特征，我们每一种颜色实际上代表了淀粉粒的一个颗粒，这五种颜色代表了五个颗粒，这五个颗粒从整体的效果可以看到，野生是这个样子的，这个呢，是把里头的微丝给它聚合了以后，这种是把它的混合散开以后，这种是这样子的，混合状态是这样的，也就是说它每一个降落的轨迹都是一样的，至少从这个里面看，这个每一个淀粉粒在局部的地方运动，就像有一个牢笼一样，把它给圈住一样，这个自由一点，这个就更自由了，这是不同的过程。我们把它进一步分析，那么我们不光会看到每一个不一样，他们之间还有协同作用，所谓协同作用，就说每个颗粒以这个之间的运动、这个之间的运动互相感知、互相协调，互相协同这样一个机制，这就是“集体协同运动”，这样我们对比这几种不同类型的，野生型、狄思万、let be，野生型不受牢笼控制，也就是说没有一个笼子来控制里头颗粒的运动；狄思万受笼子的控制很强，让它的颗粒不运动；对let be处理的呢？是很弱的作用。下面科学研究的是加了很多东西后会出现所谓的“牢笼效应”？回到原来的问题上，力是怎么施加的，施加在哪？施加在谁的身上，谁又把这个力学信号变成化学信号，导致生长素分布的不一样，又是怎样让它改变的这样一个问题。好，我们来看这几张图片，大家可以看到这是一个野生型的细胞，细胞里有绿色的云彩一样的东西，实际上这就是我刚才所说的微丝的结构，这是经过染色的细胞，那么这个是在显微镜下直接看到的细胞，这个里头是有淀粉粒的，同样一个细胞能是看到淀粉粒的，那你把这两个东西的找点合成到一起，可以看到淀粉粒是围绕到微丝的周围的，证明刚才运动不一样，是受到了微丝的阻碍产生的，突变以后就会有明显的差别，像这样子都聚集在一起，再去看合成的照片你会发现这个东西是强束缚住了。两个过程中我们可以看到你去改变微丝分布的情况，然后淀粉体颗粒运动的情况是不一样的，这个不一样往下面走是怎么样刺激生长素不一样的呢？所以说，我们还做了另外一个实验，我们把野生型，经过处理以后同样的拟南芥的根，你就看到明显的红色是生长素的分布，随着时间的变化，没有处理和处理的是有偏距的，这就从另外一个层面证明了刚才的过程。到这我们研究的故事还没有完，在这里想表达的一个意思是，科学研究的过程还是蛮辛苦的，要一步一步去追踪的，而不是简单回答一个问题。向我们看科幻小说和网上很多的东西，我现在也会浏览一下科幻小说，我就会和我的孩子交流一下，发现完全没有办法交流，我说你这种思维的方式就没法去弄了，完全是发散式的思维，科学研究还是需要一步一步来的。刚才研究了细胞里头的东西，也就是拟南芥豆芽菜，研究半天似懂非懂的东西，那到底有影响吗？有，大家可以看到这是野生型的豆芽菜还是四列，从0小时到24小时，如果大家刚才注意到了，我们的一个蜘蛛从这颠到这，观察时间都几秒，几十秒之内，这个就论小时了，论小时是看根的弯曲的程度，我们可以看到这四列弯曲程度是不一样的。对于这个事情，我们又做了一个统计学分析，分析弯曲角度随时间的变化和淀粉粒在细胞里的沉降随时间的变化，我们发现两者是有很强的依赖关系，也就是说淀粉粒控制了整个根的弯曲过程。最后一个简单地结论，实际上就是说，重力的刺激的感受位点是细胞的底部附近，而不是细胞内的平均效应，也就是说淀粉粒在沉降，微丝在阻碍它运动，但是并不是它和微丝的作用产生力学信号，而是它沉降到底部，和底部相互作用产生了信号。第二个，重力的感知程度与力学刺激的强度是相关的，重力信号的感受器很可能是内置信号的感知网啊，而不是微丝，时间上的一个强关联性，那么刚才的工作是运用到微流电技术这个技术室首次应用到细胞里头运动的定量学的一个研究，实际上它是一种光学观察，通过数学分析，这样一个办法来给大家做的，也就是说，现在的生物学从原来的非定量化的观察类的东西逐渐走到定量化的时代，也就是像数学一样严谨了，现在物理、化学都朝数学方向发展，生物学也在发展，这也是生物学的发展之一。---微重力有何神奇？---说完了非常枯燥的科研过程，我们来说点有趣的事，就是四月份发射的“实践十号”科学实验卫星，这里面一共有十九项载荷的任务，也包括了生物的研究任务、基础物理的研究任务，也包括了燃烧的和材料科学的研究任务。目标是研究在太空微重力的一个环境下各种物理化学在这个过程中怎么变化，人类始终要完成升空的探测，就像美国人一样，我们国家也会买入登月计划这样，向火星去探测，向更远的深空去探测，如果里头的科学规律如果不了解的话，实际上你是无法实现这个过程的，也就是微重力研究的大概的领域，这是蜡烛、火焰、液滴的，一个蜡烛的火苗在地上是椭圆形，空间是这样的，有人知道为什么？实际上，是对流的问题，在地上温度越高的东西，也就是越轻或者密度越小，它就会往上升，温度低的空气又往下降，就有一些对流产生，火焰的燃烧形状到了空间没有轻和重，没有轻重各个方向就是一致的了，多么圆润，它就会成为这样一个情况，这是空间实验需要包涵的，那么我们国家在以前就进入空间实验了，比如我们已经搭载过和平号空间站，这是神舟四号飞船，这里头我们有很多的科研任务，未来我们国家也会有我们自己的空间站，美国的NASA有国际空间站，我们国家空间站将在2022年上天，我们也会有自己的空间实验基地，未来空间探索的活动会越拉越多，随着我们国家的强大，那么最后一句话，随着微重力的发展，科学家们有办法让人类的步伐迈入太空！内容来源于中国科普博览SELF格致论道讲坛，转载请注明出处。登陆“SELF格致论道”官方网站、关注微信公众号“SELF格致论道讲坛”获取更多信息。本期视频也将陆续在中国科普博览上推出，敬请关注。更多合作与SELF工作组[email protected]联系。

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