太空驗室——國際空間站上的實驗工作

國際空間站配備了多種設施用于空間生物學實驗。其中，哥倫布艙內有專門的生物實驗室，包括培養箱、顯微鏡等。星辰服務艙和哥倫布艙的外表面設有暴露設施。空間站還配備生長室和動物棲息地，可維持和監測微生物、動物等長達 180 天。這些單位包括各種培養室、生物技術樣本溫度控制器、歐洲模塊化栽培系統等。

此外，還有用于生物處理的 NASA 商業通用生物處理裝置，以及用于冷凍儲存和運輸樣本的冰柜。手套箱提供封閉工作空間，離心機提供人造重力。盡管離心機住宿設施原本為飛行而設計，但項目被取消，使研究界失去了相關機會。

哥倫布艙內有專門的生物實驗室。這種由歐空局開發的雙層機架用于對微生物、細胞、組織培養物、小型植物和小型無脊椎動物進行空間生物學實驗。BioLab包括培養箱、顯微鏡和分光光度計。兩臺離心機提供人造重力。它還配有手套箱以及冷卻器和冷凍裝置的組合。BioLab的日本對應物是Saibo（意思是“活細胞”）實驗架，它由一個超凈工作臺、一個帶顯微鏡的手套箱以及一個細胞生物學實驗設施（配有培養箱、離心機和監測大氣氣體的傳感器）組成。（圖1.1）。

星辰服務艙和哥倫布艙的外表面設有暴露設施，允許將實驗短期和長期暴露在太空條件和太陽紫外線輻射下。Expose設施可容納照片處理、光生物學和外太空生物學實驗。

國際空間站還配備了獨立控制溫度、光照和大氣成分的生長室和動物棲息地。它們能夠維持和監測微生物、動物、水生以及植物細胞和組織培養長達180天。水生棲息地可容納小型淡水生物，用于支持卵生成研究，以便在所有生命階段進行檢查。動物棲息地最多可容納六只老鼠或十幾只老鼠。這些棲息地與容納懷孕小鼠及其后代（從出生到斷奶）的另一個隔間兼容。植物單元能夠在生長和發育的各個階段支撐不同高度的植物標本。昆蟲棲息地支持果蠅和其他昆蟲進行多代研究和輻射生物學。蛋孵化器支持小型爬行動物和鳥類蛋在孵化前的孵化和發育。

這些單位包括：

（a）NASA高級生物研究系統（ABRS）有兩個培養室，用于培養各種生物有機體，包括植物、微生物和小型節肢動物（昆蟲和蜘蛛）。

（b）生物技術樣本溫度控制器(BSTC)可以在微重力下生長和維持哺乳動物細胞培養物。

（c）歐洲模塊化栽培系統（EMCS）正用于多代實驗和研究重力對種子和植物以及蠕蟲和果蠅等其他小生物體早期發育和生長的影響。

（d）CSA的Eosteo骨培養系統為骨細胞在微重力下生長提供了合適的條件。

（e）日本宇宙探索機構（JAXA）水生棲息地（AQH）擁有兩個水族館、自動喂食系統、產生晝夜循環的LED燈以及用于觀察的CCD攝像機，能夠在太空中用小型淡水進行各種繁殖實驗魚，例如青鳉魚或斑馬魚。

（f）ASI和NASA開發的小鼠抽屜系統(MDS)用于研究哺乳動物胚胎發育的器官功能。使用MDS進行的研究類似于人類研究計劃，但可以更好地關注微觀層面。

（g）最后，LADA溫室用于在國際空間站俄羅斯部分種植植物。自2002年啟動以來，它支持了一系列基礎植物生物學和太空農業實驗，種植了多代甜豌豆、小麥、西紅柿和生菜（供機組人員享用！）。

生物加工：

NASA商業通用生物處理裝置(CGBA)提供可編程、精確的溫度控制（從冷儲存到可定制的培養箱），可用于各種生物學研究，例如蛋白質晶體生長、小昆蟲棲息地、植物發育、抗生素-產生細菌和細胞培養研究。

ESA還使用蛋白質結晶診斷設施(PCDF)通過動態光散射(DLS)、馬赫-曾德干涉測量(MZI)和經典顯微鏡等非侵入式光學技術來研究蛋白質晶體生長條件。了解晶體如何在純擴散條件下生長有助于確定設置，以使有機晶體盡可能。然后，這些晶體在地球或船上進行保存和分析，以推斷蛋白質的三維形狀。

冰柜：

冰柜可以冷凍儲存和運輸在國際空間站收集的樣本，以便稍后返回地球。共有三臺ESA建造、NASA操作的冷凍機，稱為國際空間站負八十度實驗室冷凍機(MELFI)，每臺冷凍機可容納175L的樣品，儲存溫度范圍從+4°C到低至-80°C。NASA通用實驗室主動低溫國際空間站設備冰箱(GLACIER)還可用作在軌超冷冷凍機（低至-165°C），容量為11.4L。這些冷凍機具有特殊的“阻尼”機制，可確保該微重力水平不受人類或機器活動的干擾。較小的設備體積為4.2L，溫度范圍為-20°C至48.5°C，可用作冷凍柜、冰箱或培養箱。Kriogem-3M是一款俄羅斯冷藏培養箱，用于存放生物樣本。

手套箱：

定期采樣是自動進行的或由船上工作人員進行的，以確保剩余材料不受干擾。采樣顯然是經過仔細計劃和最小化的，以防止振動和其他不需要的重力。手套箱提供了一個封閉的工作空間，用于進行實驗和處理研究生物體。它們為國際空間站上的液體、燃燒和危險材料的實驗提供了安全殼和安全的研究環境（圖1.2）。

手套箱(MSG)確保危險物質不會漂浮在機艙周圍。機組人員通過配備堅固密封手套的端口進入工作區域。視頻系統和數據下行鏈路允許從地面控制封閉的實驗。便攜式手套箱（PGB）是一種較小的手套箱，可以在國際空間站周圍運輸，并用于為任何實驗室模塊中的實驗提供兩級密封。通過將PGB放置在較大體積的MSG內，甚至可以實現三級遏制。

離心機：

上述設施內設有數臺機載離心機。這些離心機為微重力實驗提供1g控制。然而，國際空間站上缺少的空間生物學工具是多功能離心機，它能夠探索10-6至1g之間的重力水平范圍，以便研究某些現象的重力閾值。這個多重力研究設施將有助于確定人類人造重力的參數。

離心機住宿設施（CAF）最初是為在國際空間站上飛行而設計的。盡管飛行模型已建成并準備發射，但該項目被取消。該NASA-JAXA設施可以提供10-6至2g的人造重力。為細胞、簡單生物體、植物和動物提供了合適的培養箱和生長室。一些棲息地通過安裝在直徑2.5米的離心機上，具有高達2g的可選重力水平的實驗能力。其他棲息地配備了內部離心機，

它提供了從0.01到1.5g的可選重力水平。應該為長期暴露在微重力下的空間生物學研究提供的機會。不幸的是，研究界永遠失去了CAF本來可以提供的機會。

圖 1.1 一名宇航員在國際空間站基博實驗室的賽博架上進行生物實驗

圖 1.2 一名宇航員在國際空間站哥倫布實驗室的微重力科學手套箱(MSG)內進行生物學實驗