基本介紹
- 中文名：空間重力生物學
- 外文名：space gravitational biology
- 屬於：空間醫學與生物學領域
- 分支歸類：是空間生物學的分支
- 別稱：微重力生物學
空間重力生物學概念敘述,空間重力生物學研究,研究對象,研究內容,空間重力對生物的影響,外形和生存率的變化,遺傳物質的變化,代謝的變化,內分泌系統的變化,心血管功能的變化,血液和淋巴系統的變化,肌肉和骨骼系統的變化,前庭功能的變化,中國有關研究和套用,幹細胞,肺組織蛋白組學,N-乙醯半胱氨酸,失重模型的籠具,有關實驗室,
空間重力生物學概念敘述
研究生物進入宇宙空間後，重力因素(主要是失重)對生物影響的學科。
自從有生命以來，生物一直生活在地球表面引力環境中。在實現了人造衛星繞地球作軌道飛行後,才遇到較長時間的失重問題繞地球作軌道飛行引起失重是因為物體加速到第一宇宙速度(7.9公里/秒)時，所產生的慣性離心力與地球引力大小相等，方向相反，互相抵消，物體就失去重量，處於失重狀態。實際上，由於慣性離心力與地球引力不能完全相等，因此嚴格地說，生物是處於微重力狀態,即在零到千分之幾 G的範圍內波動。
,a為作用於物體上的加速度，g為重力加速度。
空間重力生物學研究
研究對象
有細胞、去氧核糖核酸、細菌、高低等植物、小球藻、魚和青蛙以及它們的卵、阿米巴、甲蟲、寄生蜂、果蠅、烏龜、小白鼠、大白鼠、荷蘭豬、狗、靈長目動物和人。
研究內容
有植物生長的變化，生物遺傳變化，代謝變化，動物各系統如心血管、血液和淋巴、肌肉和骨骼、內分泌、前庭、行為等的生理和病理變化。
空間重力對生物的影響
外形和生存率的變化
在地球上生長的植物的根總是朝著重力作用的方向生長，稱正向地性，而莖總是背著重力作用方向生長，稱負向地性。這是由於植物內部有感覺重力的器官“平衡石”所致。細胞中的澱粉顆粒（可能還有高爾基氏體）就是一種“平衡石”。當植物種子處於橫放位置發芽時，因受重力的影響，平衡石可以累積在根和莖細胞的最下部，刺激生長素從一個細胞輸送到另一個細胞。它對莖細胞的作用是使下部細胞擴大較快，使上部細胞擴大較慢，於是莖就逐漸向上彎曲。對根來說，則相反，根的下部細胞擴大較慢，而上部細胞擴大較快，於是根就向下彎曲。當植物處於失重時，平衡石在細胞內處於均勻分布狀態。如果在生物衛星中把植物種子的胚芽朝上下左右不同方向放置，則根、莖生長方向很不規則,長出的根長度差別也大（1～20毫米）。大部分植物在失重時，生長和發育過程加快，可增加產量，有一些作物則發育很慢。航天過程中，可以看到所有的小球藻生存率明顯地低於對照組。對小球藻的影響除失重這一因素外，可能還與其他因素如溫度、的作用有關係。可以認為，短期飛行，對小球藻細胞沒有多大影響，但當飛行持續時間較長（如22天）或者作地球-月球-地球飛行，空間因素對小球藻的細胞發育是有影響的。失重對小麥苗正常生長影響很小，但發射時的震動可以使麥苗出現畸形。
遺傳物質的變化
失重對細胞分裂和突變沒有直接的影響。至於失重對微生物亞細胞結構的影響到目前為止還不清楚美國產的一種叫底的(Fundulus hote-roclitns)小魚的卵，在失重時,孵化速度比通常慢些，在宇宙空間孵出的小魚沒有發現空間定向的破壞。失重時，果蠅雌性配子裡不論是高或低的突變品系的隱性致死性突變發生頻率比地面對照組有顯著增加，同時低突變品系的果蠅精子細胞里的突變比高突變品系的果蠅精子要多。此外，航天中的早期和後期的雌果蠅幼蟲的染色體隱性突變的頻率也明顯增加。還發現處於幼蟲階段的果蠅，航天后在Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ染色體之間易位有明顯增加。寄生蜂在航天后也出現了明顯的隱性致死性突變頻率增加。航天后，小白鼠的骨髓和脾細胞染色體重新組合的次數明顯增加，這種變化持續較長時間。小白鼠在飛行後細胞染色體重新組合的頻率增加。小麥和豌豆在航天后染色體重新組合的頻率也增加，小根的細胞染色體突變譜發生了變化。染色體的重新組合頻率增加與航天時間長短的關係並不明顯。失重能使紫鴨跖草的微形孢子出現畸形有絲分裂和細胞生長過程的破壞。正常的植物小根分生細胞大部分中期細胞核具有1～8個核仁，多數為4個，只有一個核仁的細胞為數不多,占0.39%，然而處於失重狀態下的植物中期細胞核含有1～5個核仁，多數為3個,具有一個核仁的細胞數占5.62%。這說明失重促進核仁集聚形成染色體。
代謝的變化
失重下的大白鼠氣體代謝明顯低下。失重後再適應的第一天，水負荷沒有什麼變化。但在失重狀態下的動物水負荷實驗後,隨著尿排出的Na(比處於人工重力條件下的和地面對照的動物排出的要多。在再適應的第二天給動物K(負荷,K(排出比處於人工重力條件下的要多，也比地面對照組多。大白鼠腎單位功能沒有任何變化，電解質代謝的變化是機體代謝總變化的結果，首先是肌肉系統代謝的結果。狗經22天失重飛行，體重減輕，血清中總蛋白質量降低，白蛋白相對降低，血中膽固醇量增加。
內分泌系統的變化
航行後返回地面5～7天內，大白鼠的腎上腺比對照組重量增加。腎上腺皮質酮濃度比對照組高，腎上腺皮層束狀帶細胞核容積增大，脂肪減少，這種變化是返回和著陸後急性應激反應的結果。此外，還發現改變兒茶酚胺合成速度的酶的活性比對照組高。
心血管功能的變化
失重初期，狗的心率有短時的加快（約加快30～40次/分）。這與進入失重前加速度作用有關，以後逐漸下降，但心率恢復到原來水平的時間相當於地面時的 3倍。對心率進行最大及最小參數比例的差異分析，可以看到失重時有的動物交感神經占優勢，有的副交感神經占優勢。血壓在失重初期也升高約10～60毫米汞柱，以後逐漸下降。失重初期，心電圖可出現R波和P波幅度增高，這可能與動物體位改變有關，以後隨著副交感神經作用增強，R波和P波幅度也下降。在失重時，心臟的興奮性和傳導性功能沒有非常重要的變化。還可看到經19.5天失重，心肌球蛋白、三磷酸腺苷酶的活性降低。肌漿蛋白的含量增加。
血液和淋巴系統的變化
繞地球作軌道飛行時，大白鼠的紅細胞數減少，骨髓里有兩種巨核細胞：一種是正常型的巨核細胞，具有多液的結構，清楚的核和顆粒性細胞漿；另一種是萎縮性的細胞核和嗜酸性無結構的細胞漿。航天后5～11小時,不正常的巨核細胞數增加到總數的27%，而對照組不超過6%，經過25天,不正常的巨核細胞數接近正常。在自發性紅細胞溶解速度方面，對照組平均血流速度每天為0.38%，而經19.5天航天后，則為每天1.1%。紅細胞壽命對照組平均為 62.4天，而失重組為59天。經22天航天，狗和大白鼠的中性白細胞增多，淋巴球和嗜伊紅白細胞減少。飛行後，大白鼠經2～3天，白細胞數恢復正常，而狗經30天還未完全恢復。大白鼠經19.5天航天后，在淋巴系統可以見到兩種變化：第一種是胸腺和淋巴結里淋巴球破壞和脾臟出現嗜中性浸潤現象；第二種是淋巴小囊萎縮，胸腺和淋巴結的皮層縮小。處於失重狀態下的動物，咽腔里存在變型桿菌和在血清里免疫球蛋白的水平降低，說明機體預防疾病能力有某些變弱。
肌肉和骨骼系統的變化
大白鼠經22天失重飛行，蝶狀肌、腓腸肌、大腿四頭肌、肩二頭肌等重量都減輕，肌纖維變薄，細胞核增多，電子顯微鏡檢查線粒體有變化，神經肌肉末稍也有變化。失重後第2天,後腿部肌肉組織的O2攝入量(ΔO2)和無機磷吸收量(ΔP)都較對照組和模擬艙組明顯下降（下降40～50%），P/O2之比保持不變。失重後第26天,ΔO2和ΔP與對照組和模擬艙組比較，沒有什麼異常。以上結果說明失重時會引起肌肉細胞能量下降，但返回地面後過一段時間就可以恢復正常。由於失重所產生的功能負荷不足還表現在骨骼的變化上。失重時，大白鼠的大腿骨骨膜組成降低，海綿狀部分變鬆軟。在接近軟骨極區的松質面積減少，骨組織礦物質形成減慢,鈣代謝加強，骨硬度降低,機械強度下降30%。失重時,鈣、磷、氮等物質排出量增加,人體氮的損失每天可達4.5克，六個月的失重可損失身體全部鈣量的2%。
前庭功能的變化
貓在失重時姿勢反射消失。大白鼠在失重時從空中掉下來不會翻轉。失重初期，動物不能正常行走和維持姿勢。失重時，測量蛙的第八腦神經單個纖維電位變化，發現神經衝動的發放呈周期性。在失重的頭24小時，神經衝動的發放率明顯減少，以後又突然增加，如此反覆，直至漸趨正常。沒有疑問，失重時前庭器官在活動性方面
中國有關研究和套用
本項目屬於空間醫學與生物學領域，在國家863計畫等15項基金資助下．開展了失重的生物學效應研究工作，並選擇藥物進行干預和利用失重環境進行組織工程研究。
幹細胞
率先系統研究了胚胎幹細胞、骨髓間充質幹細胞、脂肪間充質幹細胞和心肌細胞、平滑肌細胞以及胰島在失重條件下的培養和規模化擴增，闡明了不同幹細胞和組織細胞在失重環境下生長和擴增的特點。首次套用體外模擬失重環境的生物反應器進行胚胎幹細胞擬胚體的規模化擴增，並以胚胎幹細胞誘導分化來源的心肌細胞為種子細胞，再造了與天然的心肌類似的組織工程化心肌組織；套用模擬失重條件下培養的胰島和睪丸支持細胞複合體，進行糖尿病動物體內移植，取得良好的降糖效果。
肺組織蛋白組學
率先採用國際公認的模擬失重模型進行肺組織蛋白組學分析，發現了17種差異蛋白質在失重所致肺組織損傷中發揮重要的作用，也證實核因子-κB、黏附分子-1、原癌基因C-fos參與了失重所致肺組織損傷；發現模擬失重後肺血管內皮細胞線粒體增生腫脹、通透性增加、細胞骨架解聚、凋亡過度、一氧化氮合成增多，證實血管內皮功能在模擬失重後肺動脈反應性改變中發揮著重要的作用；發現模擬失重後肺T淋巴細胞的免疫功能會受到抑制，細胞表面標誌的激活及多種重要細胞因子分泌均會發生變化。
N-乙醯半胱氨酸
首次套用N-乙醯半胱氨酸、銀杏葉提取物和川芎嗪對失重所致肺組織損傷進行藥物干預，發現N-乙醯半胱氨酸和銀杏葉提取物能夠明顯對抗失重所致的肺組織細胞凋亡過度，川芎嗪能夠顯著抑制失重對原癌基因C-fos的誘導作用，對肺臟均具有保護作用；發現Nω-硝基-L-精氨酸甲酯可有效對抗失重後肺動脈收縮反應性降低；12-肉豆蔻醯-13-乙酸佛波酯可明顯改善失重後肺T淋巴細胞功能受抑。
失重模型的籠具
改良一種新型製作鼠尾懸吊模擬失重模型的籠具，具有結構簡便、方便易用特點；建立了基於DSP和FPGA技術的空間實驗細胞圖像採集系統，具有高集成度、結構簡單、高頻線上採集特點，能夠對細胞進行實時、線上、連續監測。
有關實驗室
2004年生命科學院獲得國家“985工程”立項支持，投資3000萬元開始建設“985工程”省部級創新平台––“空間生物技術實驗室”。經三年的建設，該實驗室於2007年獲得首批國防科工委重點學科實驗室，正式命名為“空間生物實驗模擬技術重點實驗室”。該實驗室是目前國內高校中第一個專門從事空間生物學與生物技術研究的省部級重點實驗室。
