自制回转器探究微重力环境下生物的生长特点

Investigating the Growth Characteristics of Organisms in a Microgravity Environment Using a Self-Made Clinostat

学    校：  徐州市第一中学

班    级：   高一（13）班  

组    长：      郭奕鑫    

组    员：  马乐涵、孔奕婷

指导老师：      李可邢    

徐州市第一中学

二〇二六年二月

1. 课题背景

1.1 中科院微型实验室“科探方舟”

“科探方舟”（课题研究项目），是徐州一中与中科院合作，中科院京区科协牵头设计的品牌科学产品。“科探方舟”以探究性科学实验装置为支柱，在专业探究课程专家的指导下完成“小课题研究”，帮助同学们涵养科学精神、提高科学素养。

“科探方舟”是一个探究性的教学集成包，相当于一个微型的实验室，其中包含了生命科学领域、天文航天领域、智能检测与控制领域、工程技术领域和资源环境领域等十个不同方向的课题，都是基于当下、基于生活和生产实践、基于同学们所见所闻所思所想，是真问题，课题具有前瞻性和鲜明的目的性和计划性。

主要目的在于培养学生的创新思维、合作精神、沟通能力，以此提高科学素养。高中是培养学生创新思维的黄金时期，而小课题研究又是一项缜密的科学实验活动，应该让同学们从高中开始，就养成像科学家一样思维的习惯。通过自主学习、动手实验、成果汇报和答辩的形式，达到开阔视野、启迪灵感、增强创新意识和动手实践能力，提高综合科学素养，为将来成为未来社会急需的创新型人才打下基础。

1.2 课题简介

随着航天科技的进步与人类深空探测步伐的加快，空间生命科学研究日益重要，长期空间任务中生物再生生命支持系统的构建成为关键课题。然而，真实的太空实验机会珍贵且成本高昂。为此，本课题利用自制回转器模拟月球、冥王星及谷神星等不同天体的微重力环境——通过旋转产生的离心力抵消地球重力——探究重力变化对两类典型生物生长特性的影响，旨在揭示微重力对生物体的作用机制。

本课题同时探究微重力对动物性细胞（刚丝绒泡菌）智能行为与植物（水萝卜种子）早期发育的差异影响。实验发现，微重力环境对两种生物的生长均产生显著抑制效应：绒泡菌的扩展能力与路径寻找效率随重力减小而降低，甚至完全丧失觅食能力；水萝卜种子的萌发率、根茎长度及生物量亦呈现相同下降趋势，向地性反应明显减弱。研究表明，绒泡菌的行为可能比植物生长对重力变化更为敏感。该课题为中学生参与空间生物学研究提供了实践案例，以低成本模拟实验探索前沿科学问题，为未来空间农业与深空探索中生物再生生命支持系统积累了有价值的实验数据。

2. 实验过程

2.1 实验之初

从兴趣萌芽到真正动手，我们的“自制回转器探究微重力环境下生物的生长特点”课题研究之路，可谓一波三折。最初，仅是出于对太空生命科学的好奇，没想到真正的挑战才刚刚开始。核心的编程控制问题成了第一道难关——面对陌生的开发语言和可编程控制系统板卡，我们几乎无从下手。那段时间，心中难免有些失落，甚至担心实验能否如期进行。但我们没有放弃，利用课余时间查阅资料、请教老师、反复尝试，一点点啃下了编程这块硬骨头。直到即将开始实验的最后时刻，所有器材才终于准备就绪：舵机顺利运转、转速参数精确设定、培养皿、迷宫模型、刚丝绒泡菌、水萝卜种子……那一刻的激动心情难以言表。没想到小小的实验箱里竟然配备了如此丰富的器材：各式各样的培养器具、精准的测量工具、燕麦片、琼脂、滤纸，还有用来模拟不同天体重力的回转器组件，为我们接下来的实验提供了充分的条件。

2.2实验过程

实验之前，我们首先对微重力模拟原理和生物实验方法进行了充分学习，通过查阅文献了解了刚丝绒泡菌的“智能”觅食行为和水萝卜种子的萌发特性。之后，我们建立了工作群，共同制定了详细的实验计划。

在实验设计环节，我们面临一个关键问题：如何利用自制回转器模拟出有意义的微重力环境？通过查阅资料，我们了解到回转器模拟重力的原理——通过持续旋转使样本所受重力矢量不断变化，从而产生等效微重力效应。但受限于仪器转速范围，并非所有天体重力都能精确模拟。经过反复计算和调试，我们最终选择了三个具有代表性的天体作为模拟目标：月球（0.165g）、冥王星（0.063g）和谷神星（0.029g），以地球重力（1g）为对照。对应的回转器转速分别为59r/min、37r/min和25r/min，既在仪器可承受范围内，又能形成显著的重力梯度差异。

本课题主要由二个对比实验组成：

· 实验一：探究不同模拟重力环境对绒泡菌生长能力及智能觅食行为的影响
自变量：不同天体微重力环境
因变量：原质团生长面积、爬行范围、是否找到食物、用时、实际路径与最短路径的差异

· 实验二：探究微重力环境对水萝卜种子萌发、根系生长及电导率的影响
自变量：不同天体微重力环境
因变量：萌发率、根系长度、相对电导率

2.3结果分析

实验结果受到多种因素影响，科学的分析有助于我们得到正确结论。虽然实验指导书提供了详细的数据分析方法，但我们还是遇到了一些意外状况，尤其是绒泡菌的培养环节。第一次实验时，部分培养皿出现了污染，绒泡菌生长状态不佳；第二次实验情况有所好转，但谷神星组的绒泡菌仍然近乎停滞生长。我们对问题进行了分析，查阅了相关资料。

水、温度、氧气是所有生物生存的基本条件，任何一方面出现问题都会影响实验结果。刚丝绒泡菌的生长需要适宜的温度（25℃左右）和足够的湿度，同时需要避光环境。我们分析，第一次实验时可能因为培养箱温度波动较大，加上操作过程中无菌意识不足，导致污染发生。第二次实验严格控制了温度，并加强了无菌操作，绒泡菌的复苏和生长明显改善。

水萝卜种子的萌发同样受到环境条件的影响。种子由胚和胚乳两部分组成，干燥时不发芽，吸水后才能萌发。胚乳需要在一定条件下被酶分解成简单营养物质，才能供应给胚生长。酶的生成需要水和氧气，酶的活性与温度密切相关——在适宜温度范围内，温度升高，酶活性增强。因此，水、温度、氧气是种子萌发不可或缺的条件。

· 萌发温度：水萝卜种子萌发的适宜温度为20-25℃。温度过低（低于15℃）时，酶活性降低，萌发过程明显受阻；温度过高（超过35℃）同样会抑制萌发。

· 水分条件：种子萌发需要保持滤纸充分湿润，但也不能积水，否则会导致缺氧。

· 氧气供应：种子萌发过程中呼吸作用增强，需要充足的氧气。如果培养皿密封过严，氧气不足会严重影响萌发。

第一次实验时，我们将部分培养皿放置在光照过强的位置，温度升高容易超过35℃，同时盖子盖得过严导致氧气交换不足，影响了水萝卜种子的正常萌发。第二次实验时，我们调整了培养条件，将培养皿置于光照培养箱中控温25℃，并适当留出通气缝隙，萌发率明显提高。但由于实验期间恰逢冷空气来袭，实验室温度一度波动较大，对实验结果仍有一定影响。如果条件更稳定，实验数据应当会更加理想。

3. 课题报告

关于模拟微重力环境对绒泡菌及水萝卜种子生长影响的对比研究

摘要：本研究通过自制回转器模拟月球、冥王星及谷神星的重力环境，探究了不同重力条件对绒泡菌的生长特性、智能行为以及水萝卜种子萌发和幼苗生长的影响。实验结果表明，微重力环境对两种生物的生长均产生显著抑制效应。绒泡菌在低重力下的扩展能力、路径寻找效率随重力减小而降低；水萝卜种子的萌发率、幼苗根茎长度及生物量亦呈现相同趋势。本研究为理解微重力生物学效应提供了简易模拟平台的实验证据，对空间农业和生物再生生命支持系统有启示意义。

关键词：微重力模拟；回转器；绒泡菌；水萝卜种子；生长特性

1. 引言

随着人类深空探测步伐的加快，长期空间任务中食物生产与废物处理等问题日益凸显。地球生物在微重力环境下的适应性研究成为空间生命科学的关键课题。然而，真实的太空实验机会珍贵且成本高昂。因此，利用地面设备模拟微重力效应成为一种重要的研究手段。

回转器通过持续旋转使样本所受重力矢量不断变化，从而模拟微重力效应，是我们中学生也能操作的实验装置。绒泡菌是一种单细胞原生生物，因其出色的环境适应能力和高效的觅食行为（可解决迷宫问题）而被誉为“智能粘菌”，是研究微重力对细胞行为影响的理想模型。水萝卜种子萌发快速，对环境敏感，是研究微重力对植物生长发育影响的经典材料。

本研究旨在利用自制回转器，同时探究模拟微重力环境对绒泡菌的智能行为和水萝卜种子萌发生长的影响，比较不同生物对重力变化的响应差异，为中学生参与空间生物学研究提供实践案例。

2. 材料与方法

2.1 实验材料

1）微重力模拟装置：自制回转器（舵机、可编程控制系统板卡、支架）。

2）生物材料：绒泡菌菌核、水萝卜种子。

3）器材：培养皿、滤纸、琼脂、燕麦片、迷宫模型、烧杯、量筒、电子天平、手机（拍照）、电脑（图像分析）。

4）试剂：自来水。

2.2 实验方法

2.2.1 重力环境设置

根据公式计算并设置回转器转速，以模拟不同天体的重力加速度（g=9.8 m/s²）：

Ø 对照组（CK）：0 r/min (1g，地球)

Ø 实验组1（MO）：59 r/min (0.165g，模拟月球)

Ø 实验组2（PL）：37 r/min (0.063g，模拟冥王星)

Ø 实验组3（CE）：25 r/min (0.029g，模拟谷神星)

2.2.2 绒泡菌实验

复苏与培养：将菌核置于湿润滤纸上，25℃避光复苏。形成原质团后，用燕麦片定时喂食至生长旺盛。

接种：将生长旺盛的原质团连同滤纸均匀分割，接种至含琼脂培养基的培养皿中央，共4组。

处理与观测：将培养皿分别置于回转器上对应各组转速持续旋转，对照组静置。

数据记录：接种后0h、4h、10h拍照记录，ImageJ软件分析原质团生长面积，并以“+++”、“++”、“+”半定量评估爬行范围。

识别能力验证：培养4天后，将各组绒泡菌引至迷宫入口，食物（燕麦片）置于迷宫终点。记录是否找到食物、用时及实际路径长度，与理论最短路径比较。

2.2.3 水萝卜种子实验 （同步进行）

催芽与播种：挑选饱满水萝卜种子，浸种后播于铺有湿润滤纸的培养皿中，每皿6粒，共4组。

处理与观测：培养皿同样置于回转器上对应各组转速持续旋转（对照组静置）。

数据记录：36h ,44h记录发芽率和根系生长情况。2天后测量根系长度、相对电导率并计算伤害度。

2.3 数据分析

表1-绒泡菌生长观察记录表

表2-绒泡菌识别能力验证实验记录表

表3-回转器不同旋转速度下的植物发芽率及根系观察记录表

表4-回转器不同旋转速度下的植物根系长度数据记录表

表5-回转器不同旋转速度下的植物电导率数据记录表

表6-回转器不同旋转速度下水萝卜的生长特性分析表

3. 结果与分析

3.1模拟微重力对绒泡菌生长能力及觅食行为的影响

在不同的重力环境下，绒泡菌的长势不同 。与正常重力环境相比，其他重力环境的绒泡菌长势更差。其中，地球（CK组）中，绒泡菌的爬行范围最远，

新生长原质团面积最大，这表明了正常地球重力环境最有利于绒泡菌的生长和扩展。

在不同重力环境中，随回转器旋转速度增加，绒泡菌长势逐渐变缓慢，菌脉形态变得稀疏而不规则，颜色较浅，原生质流速度明显减慢。

不同的重力环境下，绒泡菌在迷宫内个别处理能寻找到食物源，表明重力对绒泡菌的识别能力有影响 。其中，地球（CK组）的绒泡菌用时最短，谷神星（CE组的绒泡菌用时最长。

绒泡菌的实际爬行路径与迷宫中预设的最短路径不同。其中，地球（CK组）的绒泡菌实际路径最短，冥王星（PL组）的绒泡菌实际路径最长。推测产生这种现象的原因可能是 重力环境的变化影响了绒泡菌细胞骨架的重排和胞内原生质的流动方向，导致其对外界刺激的感知能力和路径规划能力下降。在低重力环境下，绒泡菌难以维持正常的趋化性和智能行为表现。

3.2模拟不同微重力对水萝卜种子萌发、根系生长及电导率的影响

不论在哪种环境中，植物种子的发芽率随着实验天数增加逐渐增大，其中，  对照（CK）中，种子的发芽率最大，种子发芽最快。

在不同的重力环境下，植物的根系生长方向不同，其中，正常重力（CK)重力环境下，根系生长方向为  垂直向下，向地性明显， 谷神星（CE）中，根系生长方向为杂乱无章，向地性完全丧失。

与正常重力环境相比，其他重力环境中的植物根系长度更小，植物长势更矮小。随着回转器转速的增加，植物所受到的力增大，植物根系长度逐渐增大。

随着回转器转速的增加，植物根系细胞相对电导率和伤害度逐渐减小，推测产生这种现象的原因可能是回转器转速增加，模拟的重力环境更接近地球正常重力（9.8 m/s²）。植物细胞在更熟悉的重力环境下，受到的环境胁迫减小，细胞膜结构更稳定，通透性降低，因此相对电导率降低，伤害度降低。反之，转速越低，植物受到的异常环境胁迫越强，导致细胞膜受损越严重。

4. 讨论

本研究发现，模拟微重力环境对刚丝绒泡菌和水萝卜种子的生长均产生了明显的抑制作用，且抑制程度与重力减小程度呈正相关。

对于绒泡菌，其生长和觅食行为严重依赖细胞骨架的动态重组和胞质流动。我们推测，微重力可能通过影响细胞内部的机械感受器和信号传导通路，干扰了肌动蛋白纤维的正常排布，从而导致原生质流减速、伪足形成效率降低，表现为扩展面积减少和在迷宫中“犹豫不决”、路径效率低下。这与其他关于微重力影响细胞形态和迁移的研究结果一致。

对于水萝卜种子，微重力可能影响了植物激素（如生长素IAA）的极性运输。在地球重力作用下，生长素在根尖合成后向根尖运输，导致根向下弯曲生长（向地性）。微重力环境破坏了这一信号的定向性，可能导致激素分布紊乱，从而抑制根茎的伸长生长和生物量积累。本实验中观察到的根向地性减弱也支持这一观点。

对比两个实验，我们发现绒泡菌的行为反应比水萝卜种子的生理生长指标对微重力更为敏感（如CE组绒泡菌完全丧失觅食能力，而水萝卜种子仍能部分萌发）。这可能源于动物性细胞（即使是单细胞）其行为依赖更复杂的信号整合与决策机制，因而更易受到重力变化干扰。

5. 结论与展望

本研究利用简易回转器成功模拟了不同重力环境，并初步揭示了微重力对刚丝绒泡菌智能行为和水萝卜幼苗生长的抑制作用。主要结论如下：

1) 微重力环境会抑制刚丝绒泡菌的生长扩展能力和路径寻找效率。

2) 微重力环境会抑制水萝卜种子的萌发后生长，表现为根茎缩短、生物量减少及向地性反应减弱。

3) 绒泡菌的智能行为可能比植物的早期生长对重力变化更为敏感。

本研究的价值在于为中学生提供了参与前沿科学探索的实践案例，证明了低成本模拟实验的可行性。然而，实验仍存在不足，如样本数量较少、模拟重力与真实太空环境存在差异等。

未来研究可进一步增加生物学重复，利用分子生物学技术检测重力变化下的基因表达差异，并尝试改进模拟装置，如增加光照、温度控制等因素，更全面地探究空间环境对生物体的综合影响。我们相信，这些探索将为未来人类迈向深空贡献一份小小的力量。

参考文献

[1] 贾玲, 刘长庭. 模拟微重力效应技术研究进展[J]. 生物技术通讯, 2019.

[2] 科学盒子微重力实验指导手册.

[3] Nakagaki, T., et al. (2000). Maze-solving by an amoeboid organism. Nature, 407.

致谢：感谢学校提供的实验平台和老师们的悉心指导，感谢小组成员的共同努力。