太空中的“完美水球”

  你有没有看过中国航天员王亚平在太空授课时演示的那个神奇实验？一滴水被挤出来后，并没有落向地面，而是安静地悬浮在空中。往里不断注水，它就变得又大又圆，像一颗晶莹剔透的水晶球。这个看似简单的现象，其实蕴含着深刻的科学道理。

  在地球上，液滴的形态受到重力的强烈影响，水龙头滴下的水滴会被拉长成泪滴形，荷叶上的露珠是扁平的，窗玻璃上的雨滴滑落时形状更是千奇百怪。但当液滴来到中国空间站的微重力环境中，重力退居幕后，液滴自身的性质，尤其是表面张力就成为主导因素。表面张力像一件液滴表面的“紧身衣”，让液滴尽可能收缩表面积，呈现出近乎完美的球形。

  更重要的是，当重力被削弱后，许多平时被重力掩盖的物理规律会变得更加清晰。表面张力、界面作用、分子扩散等过程被“放大”了。热流体不再明显上升，重的东西不再沉降，蜡烛火焰的形状也会改变。这种变化不仅关乎流体力学，还深刻影响着物质聚集和组装的基本规律——甚至与我们的生命健康息息相关。

  细胞里的“隐形液滴”

  让我们把视角从空间站的水球，缩小到人体细胞内部。在细胞里，存在着大量肉眼看不见的微小液滴，尺度仅在十纳米到微米之间。它们不是水滴，而是由蛋白质、RNA等生物大分子聚集形成的液滴状结构，科学家称之为“无膜细胞器”。这是近十年来生命科学最重要的发现之一。

  过去，教科书告诉我们细胞器都有膜包裹，像细胞里的一个个小房间。但科学家发现，核仁、应激颗粒、神经元突触后致密区等结构并没有膜，却能将生物大分子聚集在一起，形成相对独立的功能区域。这背后的原理，与水和油不相溶的“液液相分离”如出一辙。这些液滴能按需形成、用完就散，参与神经信号传导、代谢调控、细胞分裂等重要生命活动。

  然而，一旦这些蛋白质液滴的力学性质发生变化——从流动的液态逐渐变成胶体，甚至固化成纤维状沉积，就可能丧失正常功能，并与疾病密切相关。阿尔茨海默症就是一个典型例子：tau蛋白和Aβ蛋白原本在神经元中发挥着重要作用，但在病理状态下，它们可能变得固化，形成不可逆的纤维沉积，破坏神经元的结构和功能。从具有功能的动态结构，变成难以清除的病态沉积——这就是许多神经退行性疾病发生发展的关键环节。

  把实验搬上空间站

  那么问题来了：太空微重力环境会不会改变这些蛋白质液滴的状态？如果变了，会不会影响宇航员的健康？事实上，长期在轨驻留的宇航员确实会出现骨质流失、肌肉萎缩、神经系统异常、肝脏代谢紊乱等变化——比如肝细胞内会聚集大量脂肪，形成类似脂肪肝的症状。微重力究竟如何改变健康？这正是科学家们迫切想要回答的问题。

  为了寻找答案，中国科学院力学研究所的科研团队专门研制了空间生物大分子相分离样品单元，通过载人飞船和货运飞船将其送上中国空间站。过去，国际同行只能将样品冷冻保存，等半年到一年后返回地面再检查最终状态，严重限制了对力学演化规律的探索。而中国空间站作为国家太空实验室，目前已具备在轨长期原位拍摄能力，能够连续观察这些蛋白质液滴从形成、生长、合并到聚集的全过程。

  实验结果令人振奏：在微重力下，许多液滴会逐渐长大合并，形成比地面上更大的液滴，还出现了地面实验中完全观测不到的聚集和团簇结构。这些差异证明，微重力确实改变了蛋白质在流体中的聚集规律。今年5月入轨的神舟二十三号乘组，也在协助开展活细胞内的相分离实验，更直接地探究微重力对蛋白质液滴和脂质代谢的影响。

  从太空实验到太空制药

  这些研究的意义远不止于探索生命奥秘。许多蛋白质药物本身就由蛋白质或mRNA构成——比如新冠疫情期间部分核酸疫苗的有效成分，就是由磷脂包裹的mRNA小液滴。微重力环境有助于建立更均匀的三维体系，改变相变和分子组装方式，调控流动和传质规律，从而有可能制造出结构更规则、均匀性更好、生物活性更高的药物。

  从科学实验到真正的“太空药物工厂”，还有很长的路要走。但随着可复用火箭、返回式飞行器等商业航天技术的快速发展，空间实验正从极为稀缺的科研资源，逐步走向更常规的工程平台。探索太空，不是为了远离人间，而是为了更好地理解生命、改善健康——天造地用，守护人间。

  （本文来自中国科学院力学研究所研究员关东石在“科普中国说｜解锁新动能破界向未来”直播中的主报告，光明网记者肖春芳整理）