出品：科普中国
制作：中国科学院空间应用工程与技术中心清华大学纪家葵团队中国科普博览
监制：中国科学院计算机网络信息中心
据报道，日本科学家堀原彦团队的最新研究表明，存储在国际空间站上超过9个月的冷冻小鼠精子，虽然接受的辐射水平比地球高出100倍，但仍可产出健康的小鼠幼仔。由此表明，DNA损伤在受精后被修复，且对后代“无最终影响”。
之前已有研究证明，在失重的外太空环境中，生命体的生殖系统发生了一系列变化：植物开花不结果，生殖期延长；微生物中，酵母、芽孢杆菌等形态结构、细胞分化都发生了变化。
我们更有上过太空的实例证明，外太空环境确会对人类（尤其男性）的生殖系统造成严重损伤，但是随着地球上人口愈发饱和，外太空移民俨然大势所趋，既然小鼠的精子能够不受失重影响，那么人类未来是否也能在地球以外的地方繁衍生息？
这便需要我们研究微重力对人类生殖功能的影响，特别是研究其对干细胞的分化和生殖细胞成熟机制的影响了。
上个月刚刚成功发射的天舟一号，除了要与天宫二号交会对接、实施推进剂在轨补加，还要开展一系列空间科学实验和技术试验的任务。
而本次搭载的实验之一，由清华大学纪家葵团队负责的“太空微重力环境下定向分化人类胚胎干细胞为生殖细胞”实验，意义正在于此。
在微重力环境下，男女生殖系统有哪些变化？
图片来源网络
也许你听说过，选拔宇航员的条件之一，就是已经生育。
因为多项研究表明，失重环境可使男性睾丸的生理结构产生明显的变化，以致造成明显的病理性损伤，这严重影响了男性生殖功能。失重状态下，精子数量大量减少，活动率降低，影响正常生育功能。
另外，相关研究证明，失重对生殖系统的细胞水平和分子水平也造成明显影响。
目前，长时间的太空飞行及太空中的各种复杂因素对女性生殖系统影响的相关研究相对较少，一些模拟微重力条件下的人类及动物实验表明，失重及运动功能减弱对女性生殖系统造成了明显影响：下丘脑—垂体—卵巢轴系统发生了明显紊乱，卵巢功能受损，生育能力下降。
为了最大减少太空微重力环境可能对航天员的伤害，美国、前苏联/俄罗斯和欧洲空间局利用有人和无人飞船以及空间站、航天飞机等进行了大量的动物航天实验，为空间生物学提供了许多宝贵资料。
但有关空间微重力对人体生殖能力影响的研究尚处于初级阶段，研究结果尚不多，现有的结果主要是通过短期检测航天员生殖激素水平和生殖器官变化，从宏观上间接分析太空微重力对人类生殖健康的影响。
微重力下的干细胞分化机制研究：刚刚起步
小科普：
干细胞是一类具有自我复制能力（self-renewing）的多潜能细胞，是形成哺乳类动物的各组织器官的原始细胞。在一定条件下，它可以分化成多种功能细胞。具有再生各种组织器官和人体的潜在功能，医学界称为“万用细胞”。
图：干细胞
根据所处的发育阶段，干细胞可以分为胚胎干细胞（embryonic stem cell，ES细胞）和成体干细胞（somatic stem cell）。
这里提到的胚胎干细胞（ES）是一种高度未分化细胞。它具有发育的多能性，能分化出成体动物的所有组织和器官，包括生殖细胞。
由于航空飞行条件限制，在细胞和分子层面所做的干细胞分化研究工作还比较少。至今，绝大部分有关空间细胞生物学和分子生物学的研究是在微重力模型下进行的，在真实太空环境中研究人类胚胎干细胞的分化仍是空白。
虽然人类在空间生殖和空间细胞生物学领域做了部分工作，但目前研究仍停留在宏观水平，太空微重力对人类胚胎干细胞分化和人类生殖细胞形成的影响尚未涉及。
天舟一号上关于胚胎干细胞定向分化的研究
此次发射的天舟一号上所进行的实验是太空微重力环境下定向分化人类胚胎干细胞为生殖细胞。
实验的对象就是人类的胚胎干细胞，它使用的是美国James Thomson实验室的H9细胞系。工作人员将它改造为带有生殖细胞特异荧光标记的细胞系。选用它的原因主要是这个细胞能在形成生殖细胞时特异表达绿色荧光。
主要内容包括：
（1）太空微重力条件下诱导人胚胎干细胞为生殖细胞：
构建生殖细胞的特异性荧光报告载体及人胚胎干细胞为生殖细胞。将上述诱导分化体系送入航天器空间生物技术实验平台，依据分化目的为其定期更换含有不同诱导因子的培养基，在太空进行诱导分化实验，并利用明视野显微镜和荧光显微镜进行跟踪观察。
图：生殖细胞的荧光报告系统
（2）细胞形态学分析：
因为天舟一号不再返回地面，所以实验主要是根据所传输回地面的实时显微成像结果，观察各诱导体系内报告基因表达情况和细胞形态，与地面对照组比较，分析各类生殖细胞诱导效率和形态特征。
图：体外分化体系研究人生殖细胞发育
这项研究将建立体外分化体系研究人生殖细胞发育,克服太空生殖研究中人体生殖细胞取样困难的局限，对理解太空生活对人类生殖的影响、改善太空生育能力、实现空间移民和太空生育后代具备重大意义。
到目前为止，此次实验尚属首例，国际上还未报道在微重力下将人干细胞分化为生殖细胞。这是微重力环境下定向分化人类胚胎干细胞研究的一大步，也是人类太空移民的一小步，希望在不久的将来，人类能够在外太空创造新的文明不再是一架纸飞机，而是坚不可摧的宇宙飞船。
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