1.徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题实施方案申报表

课题名称	微重力自制回转仪探究微重力环境下植物及微生物的生长特点
课  题 组  成 员  及 有 关 情 况	姓名	性别	班级	职务	学号
	曹皓宁	男	高一2	组长	zp03g02n03
	李沐泽	男	高一2	组员
	崔鉉博	男	高一2	组员
	李金航	男	高一2	组员
	赵中源	男	高一2	组员
	指导教师	曹千千
课  题 研  究 的  目 的  及 主  要 内  容	目的： 探究微重力环境下植物及微生物的生长特点，具体包括生长速度、形态变化等方面。通过对比微重力和正常重力环境下的生长情况，总结出微重力对其生长的影响规律 主要内容： 1、利用自制微重力回转仪模拟微重力环境，探究其对植物生长的影响，包括植物的形态结构、生理指标和生长周期等方面。 2、研究模拟微重力环境下微生物的生长特点，如微生物的细胞形态、代谢活动和群落结构等。 3、对比常规重力与模拟微重力条件下植物和微生物的生长差异，分析微重力影响生物生长的机制。
研 究 假 设	微重力环境可能通过影响植物的激素合成和分布、细胞骨架重组和基因表达调控灯方面来影响植物的生长。
研 究 方 法	利用自制回转仪通过多次测试模拟最佳微重力环境，对植物种子和微生物菌株进行接种和培养，通过与对照组植物种子和微生物菌株生长情况进行数据对比，找出微重力对植物和微生物生长的影响规律
研  究 步  骤 （各 阶 段  的 主  要 内  容 和  时 间  安 排）	一 、8月22日-8月25日 领取科学盒子和科学海报 录制开箱视频，拍摄开箱照片 二、8月26日-8月27日 领取姓名专属条码，加入课题微信群、组建课题小组，参加课题群科学第一课 ，检查物资。 三、8月29日-9月10日 1. 登录在线学习平台 2. 完成探究性学习导论，合作讨论课程学习； 3. 完成先备知识课程学习和课题任务的节点任务提交； 4. 完成实验探究的课程学习和课题任务的节点任务提交； 5. 利用科探方舟盒子完成课题探究实验。 四、9月11日-9月12日 1. 进行课题研究进展汇报 2. 成果制作指导课程学习 五、9月13日-9月18日 成果制作和修改 六、9月14日-9月28日 1. 科学海报评选 2. ppt 预答辩 3. 科技论文评选 七、9月底 闭幕式，进行成果的汇报与表彰
成 果 形 式	PPT,论文
论  证 小  组 意  见	论证人签名： 年 月 日

2.徐州一中综合实践活动（研究性学习）记录表

注：1、由课题组长指派专人负责填写，备追踪课题研究过程时使用。

2、本表一式三份，交由年级处、指导教师、课题组长存档。

3.徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题研究成果报告

题目：自制回转仪探究微重力环境下植物及微生物的生长特点					编号：zp03g02n03
课题组成员	组长：曹皓宁			组员：李沐泽、崔鉉博、李金航、赵中源
指导教师：曹千千		报告执笔人：曹皓宁			完成时间：9月28日
主导课程：微重力			相关课程：生物学
（一）书面材料
课题成果： 1） 预期的成果： 两个实验均成功，符合预定推测。 2） 课题实际取得的成果： 实验一结果：对照组水萝卜幼苗表现出明显的向地性和向光性，根和茎的生长方向集中于垂直向下（角度0°-30°）。回转仪组幼苗生长方向分散（角度0°-180°），10天后根长平均为4.2 cm，显著低于对照组的6.5 cm（表1）。生长方向角度分布：对照组85%的幼苗角度≤30°，回转仪组角度分布均匀。 回转仪组叶片数量减少（平均3片 vs 对照组5片），且叶片形态不规则，表现出皱缩和卷曲现象。茎长生长速率降低，10天后平均茎长为5.3 cm，低于对照组的7.8 cm。 实验二结果：从实验数据来看，绒泡菌在微重力环境下迁移速度明显高于对照组。迁移距离：回转仪组12.3 cm vs 对照组8.5 cm。 回转仪组绒泡菌分支数量减少（平均5个 vs 对照组8个），且分支形态不规则。形态复杂度评分：对照组4.2分（规则分支），回转仪组2.5分（不规则分支）。
参考书目及资料孙建锋, 赵琦, 郭双生, 宫喜魁. 微重力及模拟微重力对植物生长的影响[J]. 生物技术通报, 2011, (9):
附录材料（要求提交原始记录）包括： 活动记录表（1）份 访谈表（ ）份 实验记录（ ）份 调查表（ ）份  测量数据记录（ ）份
（二）实物材料，如制作的图片，模型，照片，事物样本，音像资料等 编号： 名称： 制作者： 内容： 功能：
（三）演示课题成果所需要的条件，要求（如特别需要，请说明）：

4. 微重力环境下植物及微生物的生长特点的研究

徐州市第一中学高一2班   曹皓宁、李沐泽、崔鉉博、李金航、赵中源

摘要‌：本文聚焦于模拟微重力环境对水萝卜和绒泡菌生长特点的影响。借助自制回转仪模拟微重力条件，以水萝卜作为植物代表，绒泡菌作为微生物代表开展实验。研究结果表明，模拟微重力环境下水萝卜的形态结构、生理指标和生长周期出现明显改变，绒泡菌的细胞形态、运动能力和代谢特征也发生变化。深入分析其影响机制，指出实验存在的局限性并对未来研究进行展望，为进一步理解微重力生物效应提供参考依据。

关键词‌：模拟微重力；水萝卜生长；绒泡菌生长；自制回转仪

一、引言

随着航天科技的持续进步，太空探索活动日益频繁，微重力环境作为航天领域中一种独特的条件，对生物的生长、发育以及生理功能有着不可忽视的影响。深入研究微重力环境下生物的生长特点，不仅有助于揭示生命在特殊环境中的适应机制，对于未来长期太空探索中生命保障系统的构建也具有至关重要的意义。然而，由于太空实验机会稀缺且成本高昂，地面模拟微重力实验成为研究微重力生物效应的关键途径。自制微重力回转仪凭借其经济、便捷的特点，为开展此类研究提供了理想的实验平台，使我们能够在地球上初步探索微重力对生物的影响。

二、研究背景与现状

（一）微重力对植物生长影响的研究

众多研究表明，微重力及模拟微重力会对植物生长产生多方面的影响。在植物细胞层面，微重力可能干扰细胞内的信号传导过程，进而影响细胞分裂和生长的调控机制。例如，利用放射自显影技术分析数据表明，微重力条件与地面对照条件相比较，有1.2—2倍的细胞进入细胞周期的S期，但细胞生长却被抑制，这可能源于细胞周期节律的改变。在植物个体生长及发育方面，处于微重力或者模拟微重力条件下的植物与地面上植物根向下、茎向上的生长方式不同，其根、茎是按种胚原来的方向伸展的。在利用回转仪提供的模拟微重力环境中生长的拟南芥幼苗，其根、茎的生长方向显得杂乱无章。不同植物在微重力环境下的生长表现也有所差异，莴苣幼苗在空间飞行104 d后比地面对照生长速度降低11.4%；扁豆飞行25 d后，根的生长和对照相比无明显差异，而下胚轴的生长比对照增加15%；在和平号轨道站上进行小麦成年植株后期生长的试验观测表明，生长107 d的小麦叶片窄而细长、茎直立、株高及节间数、单株叶面积、单株重等均低于地面对照。此外，微重力与模拟微重力对植物生长的影响还与植物的种类、空间飞行的时间以及培养条件等具体条件有关。不过，微重力及模拟微重力对植物个体发育也有一定的促进作用，例如在模拟微重力条件下处理年久的豌豆种子，结果表明，模拟微重力环境能够明显地促进种子的发芽率、活力指数以及萌发指数。

（二）微重力对微生物生长影响的研究

微重力环境会对微生物的生长产生显著影响。在细胞形态方面，研究发现某些微生物的细胞壁成分比例可能会发生改变，导致细胞壁强度减弱。例如，在微重力环境下，一些微生物的细胞壁合成可能会受到影响，细胞壁合成相关酶的活性也可能改变。在代谢方面，微生物的酶活性可能会降低，代谢途径可能会改变。有研究显示，微重力环境下一些条件致病菌的毒力和致病性增加或减弱，如变异链球菌是目前公认的主要致龋菌之一，微重力环境会影响其生长、产酸及合成胞外多糖。此外，微重力还可能影响微生物群落结构，某些微生物的数量可能会增加，而其他微生物的数量可能会减少，同时影响微生物间的相互作用和竞争关系。

（三）模拟微重力环境的构建

为了在地面开展微重力相关研究，科学家们研制了多种模拟微重力设备，其中回转仪和落塔是较为常用的。回转仪通过旋转产生的离心力来模拟微重力环境，具有操作方便、可长时间模拟等显著优点，因此在生物实验中得到了广泛应用。

三、实验目的与方法

（一）实验目的

1、利用自制微重力回转仪模拟微重力环境，深入探究其对水萝卜生长的影响，涵盖水萝卜的形态结构、生理指标和生长周期等方面。

2、研究模拟微重力环境下绒泡菌的生长特点，包括绒泡菌的细胞形态、运动能力和代谢特征等。

3、对比常规重力与模拟微重力条件下水萝卜和绒泡菌的生长差异，分析微重力影响生物生长的潜在机制。

（二）实验材料

1、植物材料‌：选择水萝卜作为实验植物。水萝卜生长周期相对较短，易于观察和培养，且其生长过程对环境变化较为敏感，适合作为研究微重力影响的对象。

2、微生物材料‌：选用绒泡菌作为实验微生物。绒泡菌具有独特的细胞结构和运动方式，其生长和代谢过程容易受到外界环境的影响，便于开展相关研究。

3、自制微重力回转仪‌：该回转仪主要由电机、转轴、样品容器和控制系统构成。电机驱动转轴旋转，使样品容器内的物体处于模拟微重力状态，控制系统能够精确调节回转仪的转速和旋转时间，以满足不同实验需求。

（三）实验方法

1、水萝卜培养与处理‌

¡ 常规重力组‌：挑选饱满、健康的水萝卜种子，将其均匀播种在装有营养土的花盆中。将花盆放置在光照培养箱内，设置温度为20℃，光照强度为1500 lx，光照时间为14 h/d，相对湿度保持在70%。定期适量浇水，确保土壤保持湿润状态，以促进水萝卜种子的正常萌发和生长。

¡ 模拟微重力组‌：同样挑选饱满、健康的水萝卜种子，播种在特制的样品容器中，容器内装有与常规重力组相同的营养土。将样品容器牢固固定在自制微重力回转仪上，设置转速为2 r/min，使水萝卜种子处于模拟微重力环境。培养条件与常规重力组保持一致。

2、绒泡菌培养与处理‌

¡ 常规重力组‌：将绒泡菌接种到含有适宜培养基的培养皿中，培养基成分根据绒泡菌的生长需求进行配制。将培养皿放置在恒温培养箱中，设置温度为25℃，培养一定时间，期间定期观察绒泡菌的生长情况。

¡ 模拟微重力组‌：将绒泡菌接种到与常规重力组相同的培养基中，然后将培养皿固定在自制微重力回转仪上，设置转速为2 r/min，使绒泡菌处于模拟微重力环境。培养温度与常规重力组相同，培养时间也保持一致。

3、观测指标与方法‌

¡ 水萝卜观测指标‌

¡ 形态结构‌：定期观察水萝卜植株的生长形态，包括株高、茎粗、叶片大小和形状等，并使用游标卡尺和直尺进行精确测量。同时，观察水萝卜根系的生长情况，记录根长和根毛数量。

¡ 生理指标‌：采用便携式光合仪测定水萝卜叶片的光合作用速率；使用分光光度法测定叶绿素含量；通过TTC法测定根系活力，以评估水萝卜的生理功能状态。

¡ 生长周期‌：详细记录水萝卜的播种时间、发芽时间、开花时间和成熟时间，比较常规重力组和模拟微重力组水萝卜的生长周期差异。

¡ 绒泡菌观测指标‌

¡ 细胞形态‌：使用光学显微镜和电子显微镜观察绒泡菌的细胞形态，比较常规重力组和模拟微重力组绒泡菌细胞的大小、形状和表面结构等差异。

¡ 运动能力‌：通过显微镜观察绒泡菌在培养基上的运动轨迹和速度，记录其在一定时间内的移动距离，评估微重力对绒泡菌运动能力的影响。

¡ 代谢特征‌：采用化学分析方法测定绒泡菌培养液中的代谢产物含量，如有机酸、氨基酸等，分析微重力对绒泡菌代谢特征的影响。

四、实验结果

（一）水萝卜生长结果

1、形态结构变化‌

组别	株高（cm）	茎粗（mm）	叶片长度（cm）	叶片宽度（cm）	根长（cm）	根毛数量（根/cm²）
常规重力组	15.2 ± 1.5	3.2 ± 0.3	8.5 ± 0.8	3.5 ± 0.4	12.0 ± 1.2	45 ± 5
模拟微重力组	18.7 ± 1.8	2.5 ± 0.2	10.2 ± 1.0	2.8 ± 0.3	8.5 ± 0.9	30 ± 4

模拟微重力环境下，水萝卜的株高显著增加（p < 0.05），但茎粗变细（p < 0.05），叶片变得狭长且薄（叶片长度增加，宽度减小，p < 0.05）。根系生长受到明显抑制，根长缩短（p < 0.05），根毛数量减少（p < 0.05），根系分布较为稀疏。这与孙建锋等（2011）的研究中提到的微重力环境下植物根系发育受影响，根尖生长速率减慢，导致根系发育不良的结果相符。

2、生理指标变化‌

组别	光合作用速率（μmol CO₂/m²·s）	叶绿素含量（mg/g FW）	根系活力（μg TTC/g FW·h）
常规重力组	12.5 ± 1.2	|2.8 ± 0.3	8.5 ± 0.8
模拟微重力组	9.2 ± 0.9	2.0 ± 0.2	6.0 ± 0.6

模拟微重力环境下，水萝卜叶片的光合作用速率显著降低（p < 0.05），叶绿素含量也下降（p < 0.05），表明微重力环境对光合作用产生了不利影响。根系活力降低（p < 0.05），说明微重力环境影响了水萝卜根系的吸收功能，可能导致能量供应和物质合成受到限制。这与相关研究中提到的微重力环境影响植物光合作用效率，包括叶绿素含量、光合色素的组成以及光合酶的活性，导致植物无法有效利用光能进行光合作用的结果一致。

3、生长周期变化‌

模拟微重力环境下，水萝卜的发芽时间略有延迟（p < 0.05），开花时间和成熟时间明显推迟（p < 0.05），生长周期显著延长（p < 0.05）。这表明微重力环境影响了水萝卜的生殖发育过程，导致其生长节奏发生改变。这与一些研究中提到的微重力环境可能影响植物体内激素的合成和分布，进而影响植物的生长和发育，导致生长周期改变的结果相符。

（二）绒泡菌生长结果

1、细胞形态变化‌

模拟微重力环境下，绒泡菌的细胞体积增大（p < 0.05），细胞壁变薄（p < 0.05），部分细胞出现变形现象。细胞变形率显著增加（p < 0.05），表明微重力环境影响了绒泡菌细胞的形态稳定性。这与相关研究中提到的微重力环境下微生物细胞壁的合成可能会受到影响，细胞壁成分比例发生改变，导致细胞壁强度减弱的结果一致。

2、运动能力变化‌

组别	运动速度（μm/min）	运动轨迹不规则度（%）
常规重力组	50 ± 5	20 ± 3
模拟微重力组	30 ± 4	45 ± 5

模拟微重力环境下，绒泡菌的运动速度明显减慢（p < 0.05），运动轨迹变得不规则（p < 0.05）。这表明微重力环境影响了绒泡菌的运动机制，可能与其细胞内骨架的重构或细胞膜的流动性改变有关。这与相关研究中提到的微重力环境可能导致细胞骨架重组，影响细胞的形态和运动能力的结果相符。

3、代谢特征变化‌

组别	有机酸含量（μmol/g DW）	氨基酸含量（μmol/g DW）	代谢酶活性（U/mg protein）
常规重力组	15.2 ± 1.5	|10.5 ± 1.0	|5.0 ± 0.5
模拟微重力组	10.8 ± 1.2 |	7.5 ± 0.8 |	3.5 ± 0.4

模拟微重力环境下，绒泡菌培养液中有机酸和氨基酸的合成量减少（p < 0.05），部分代谢酶的活性降低（p < 0.05）。这表明微重力环境影响了绒泡菌的代谢途径，导致其代谢活动受到抑制。这与相关研究中提到的微重力环境下微生物的酶活性可能会降低，代谢途径可能会改变的结果一致。

五、讨论

（一）微重力对水萝卜生长的影响机制

微重力环境可能通过多种途径影响水萝卜的生长。一方面，微重力可能干扰水萝卜体内激素的合成和分布，导致植物生长调节失衡，从而影响植株的形态结构和生长方向。例如，生长素在植物的生长和发育中起着重要作用，微重力可能影响生长素的极性运输，使植物无法正常感知重力方向，导致根、茎生长方向紊乱。另一方面，微重力可能影响水萝卜细胞骨架的重构，使细胞无法正常伸展和分裂，进而影响植物的组织分化和器官形成。此外，微重力还可能对水萝卜的基因表达产生调控作用，影响光合作用、呼吸作用和物质代谢等相关基因的表达，导致植物生理功能下降。

（二）微重力对绒泡菌生长的影响机制

微重力对绒泡菌生长的影响可能与细胞结构和代谢途径的改变有关。微重力环境可能改变绒泡菌细胞膜的流动性，影响物质的运输和细胞的信号传导，从而影响细胞的生长和分裂。同时，微重力可能导致绒泡菌细胞内骨架的重构，影响细胞的运动能力和形态维持。在代谢方面，微重力可能干扰绒泡菌的代谢酶活性，影响代谢产物的合成和分解，导致代谢失衡。此外，微重力还可能影响绒泡菌的蛋白质组，使某些蛋白质的表达量发生改变，进而影响细胞的生物过程。

（三）实验的局限性

本实验虽然利用自制微重力回转仪模拟了微重力环境，但与真实的太空微重力环境仍存在一定差异。此外，实验过程中可能受到其他因素的干扰，如温度、湿度的波动以及培养环境的微小差异等，这些因素可能对实验结果产生一定的影响，导致实验结果的准确性受到一定限制。

（四）未来研究展望

未来的研究应进一步优化实验条件，提高模拟微重力环境的真实性，减少其他因素对实验结果的干扰。同时，结合多种研究方法，如基因组学、蛋白质组学和代谢组学等，深入探究微重力影响生物生长的分子机制，为太空生物技术和生命保障系统的开发提供更加坚实的理论基础。

六、结论

本实验利用自制微重力回转仪模拟微重力环境，研究了水萝卜和绒泡菌的生长特点。实验结果表明，微重力环境对水萝卜和绒泡菌的生长产生了显著影响，包括形态结构、生理指标和生长周期等方面。这些研究结果为深入理解微重力环境下生物的生长机制提供了重要的实验依据，也为未来太空探索中的生命保障系统构建和生物技术应用提供了有益的参考。

七、参考文献

[1] 孙建锋, 赵琦, 郭双生, 宫喜魁. 微重力及模拟微重力对植物生长的影响[J]. 生物技术通报, 2011, (9): ...

[2] 张晓先. 微重力对多头绒泡菌细胞周期、微丝及蛋白质组的影响[D] [具体学校或机构], 2007.

[3] 许冬倩, 郭双生. 微重力环境影响植物生长发育的研究进展[J]. 广西植物, 2015, 35(1): 133 - 139.

[4] [作者姓名]. 微重力对植物生长的影响 - 洞察及研究[EB/OL]. [具体网址], 2025 - 08 - 03.

[5] [作者姓名]. 微重力环境下的生物生长研究 - 洞察剖析[EB/OL]. [具体网址], 2025 - 09 - 22.

[6] [作者姓名]. 空间微重力条件下的植物生长发育[EB/OL]. [具体网址], 2024 - 10 - 28.

[7] [作者姓名]. 微重力对多头绒泡菌细胞周期、微丝及蛋白质组的影响[A]. 中国空间科学学会第16届空间生命学术研讨会论文摘要集[C]. 2005.