【摘要】

针对太空不同重力环境下的生物生长问题，小组成员通过三个小实验对重力影响生物生长的规律有进一步的了解，对太空生物栽培的相关办法有深入认识。实验结果发现重力值与水萝卜根尖向地性、黏菌方向识别能力呈正相关，火星重力（0.38g）是二者生长的较优低重力环境，0.165g 为水萝卜和黏菌重力感知的临界值，低于该值时生物重力响应机制基本失效。

实验人员

武晓暖 张梓琪 姚姝羽 翟薇舒 吴悦冉

指导教师

曹千千 李可邢

【关键词】重力环境；根尖朝向；方向识别；生长速率

一、研究背景

重力是地球生物生长发育的核心环境调控因子，植物的向重力性、微生物的环境感知与定向生长均依赖于常规重力信号的传导。随着深空探测技术的飞速发展，月球（0.165g）、火星（0.38g）的低重力环境及太空完全失重环境，成为地外生物培养、星球基地生态构建的全新研究场景，探究不同重力环境对生物生长的影响规律，是太空生物学研究的核心课题之一。

中国作为深空探测的重要参与国，在月球、火星探测领域取得了突破性进展，未来地外基地的生物栽培成为必然需求。水萝卜作为常见的草本蔬菜作物，其根尖的向重力性是植物重力响应的典型表征，根系的正常生长直接决定植株的存活与发育；黏菌（多头绒泡菌）兼具动物的运动性与真菌的生长特性，其对营养刺激的方向识别能力是研究微生物重力感知的理想模型。

目前关于太空重力环境对生物生长的研究多聚焦于纯失重环境，针对月球、火星梯度低重力的对比研究较少。本研究通过模拟地球常规重力、月球重力、火星重力、完全失重四种环境，探究不同重力条件对水萝卜根尖生长朝向、根系发育及黏菌方向识别、菌丝生长的影响，明确重力梯度下生物的生长响应规律，为月球、火星基地的生物栽培、太空生态系统构建提供基础实验数据，丰富微重力生物学的研究体系。

有效探究不同重力环境的生物生长规律，有利于为太空生物培养提供科学依据，优化地外基地的生物栽培方案；有利于筛选适合低重力环境的生物品种，推动地外生态循环系统的建立；有利于深入解析生物的重力感知机制，完善重力生物学的理论体系。

本研究聚焦不同重力环境对植物和微生物的生长影响，打算通过三个小实验探究重力与生物生长的关联规律：实验一、通过研究地球常规重力下水萝卜根尖生长朝向及根系发育特征，掌握植物重力响应的基础规律；实验二、通过探究月球、火星重力环境下水萝卜根尖朝向及根系生长变化，明确低重力对植物生长的影响机制；实验三、通过探究失重 / 低重力环境下黏菌对营养刺激的方向识别能力差异，了解重力对微生物环境感知的影响方法。

二、实验材料

1、实验材料：水萝卜种子（籽粒饱满、无病虫害、萌发率≥95%）；多头绒泡菌菌株（生长状态稳定、无杂菌污染）；无菌水；PDA 固体培养基原料（马铃薯、葡萄糖、琼脂）；水萝卜育苗基质（蛭石：珍珠岩 = 3:1）；75% 乙醇消毒液；无菌滤纸。2、实验仪器：面包板；舵机；arduino板；杜邦线；刻度尺（精度 0.1cm）；9cm 培养皿；50mL 量筒；镊子、滴管、塑料烧杯；琼脂。

三、研究过程

课题一、地球常规重力下水萝卜与黏菌生长特征研究

1、水萝卜根尖生长与根系发育测定1.1 种子预处理：用量筒挑选籽粒饱满的水萝卜种子，置于铺有湿润无菌滤纸的培养皿中，常温催芽至露白（胚根长 0.5-1cm），挑选胚根生长一致的种子用于实验。1.2 育苗培养：将露白种子移栽至灭菌后的琼脂中，每盆 10 粒，斜靠墙上，每日定时浇灌等量无菌水（5mL / 盆），保持基质湿润无积水。1.3 观测记录：每日拍摄根系生长状态，记录根尖生长朝向；用刻度尺测量根长，计算生长速率；测量电导率2、黏菌方向识别与菌丝生长测定2.1 培养基制备：配制 琼脂培养基后，倒入 9cm 培养皿中，冷却凝固备用。2.2 接种培养取等量（直径约 0.5cm）的多头绒泡菌菌块，接种至培养基中央，培养 24h，使菌块适应环境。2.3 方向识别测试：在培养基一侧距菌块 3cm 处滴加 100μL 5% 葡萄糖诱导液，每 2h 用光学显微镜观察菌丝生长方向，统计向刺激源生长的菌丝占比；每 6h 测量菌丝延伸长度，计算生长速率；培养 72h 后，观察菌落形态与菌丝分支情况。

课题二、月球、火星重力环境下水萝卜生长特征研究

1、实验分组：设置火星重力组（0.38g）、月球重力组（0.165g），每组设置 3 个平行重复，同时以地球常规重力组（1g）为对照，除重力值外，其余培养条件完全一致（温度 25±1℃、12h 光照 / 12h 黑暗、湿度 60%-70%）。2、水萝卜培养：按照课题一的种子预处理、育苗培养方法，将相同规格的水萝卜种子分别移栽至两个重力梯度的培养皿中，保证浇灌水量、培养时间一致。3、观测记录：与课题一观测方法一致，每日记录根尖生长朝向，统计不同朝向（向下、水平、无规则）的根尖占比；测量根长并计算生长速率；培养 7 天后，观察根尖细胞形态、称量根系鲜重，对比两组及对照组的生长指标差异。

课题三、失重 / 低重力环境下黏菌方向识别能力研究

1、实验分组：设置失重组（0g）、月球重力组（0.165g）、火星重力组（0.38g），以地球常规重力组（1g）为对照，每组 3 个平行重复，黏菌培养全程避光，其余环境条件与对照组一致。2、黏菌培养与诱导：按照课题一的培养基制备、菌块接种方法，将相同规格的黏菌菌块分别接种至不同重力梯度的培养箱中，适应培养 24h 后，滴加等量 5% 葡萄糖诱导液。3、观测记录：每 2h 统计不同重力环境下向营养刺激源生长的菌丝占比、无规则生长的菌丝占比；每 6h 测量菌丝延伸速率；培养 72h 后，观察菌落铺展形态、菌丝分支情况，对比分析不同重力环境下黏菌的方向识别能力与生长特征。

四、结果与分析

课题一结果：地球常规重力下生物生长特征

通过实验可知，在地球常规重力（1g）环境下，水萝卜根尖100% 向下生长，表现出典型的正向重力性，根系生长方向整齐无偏离，7 天平均根长 8.5±0.4cm，日均生长速率 1.21cm/d，平均单株根系鲜重 0.62±0.05g，根系生长发育状态良好。

黏菌在 1g 重力环境下，92% 以上的菌丝能精准向营养刺激源方向生长，仅 8% 的菌丝轻微偏离，表现出强烈的趋营养性，培养 48h 后菌丝可完全覆盖至刺激源区域；菌丝日均延伸速率 0.32±0.02cm/h，菌落呈圆形规则铺展，菌丝分支均匀、粗细一致，72h 后菌落平均直径达 8.5cm，方向识别能力与生长状态均最优。

课题二结果：月球、火星重力对水萝卜生长的影响

火星重力（0.38g）环境下，水萝卜根尖62% 向下生长，25% 水平生长，13% 无规则生长，无向上生长的根尖，说明火星低重力对水萝卜根尖的向重力性有一定抑制，但未完全打破其重力响应机制；根系 7 天平均根长 5.2±0.5cm，日均生长速率 0.74cm/d，为地球重力组的 61%，平均单株根系鲜重 0.35±0.04g，仍保留一定的生长能力。

月球重力（0.165g）环境下，水萝卜根尖仅 18% 向下生长，35% 水平生长，47% 无规则生长，向地性基本丧失；根系 7 天平均根长 3.1±0.3cm，日均生长速率 0.44cm/d，仅为地球重力组的 36%，平均单株根系鲜重 0.18±0.02g，生长发育受显著抑制。

对比可知，重力值越低，水萝卜根尖向地性越弱，根系生长速率越慢、生物量越低，细胞形态的异常程度越高。

课题三结果：失重 / 低重力对黏菌方向识别的影响

火星重力（0.38g）环境下，黏菌57% 的菌丝能向营养刺激源方向生长，43% 无规则生长，定向生长能力显著下降，但仍能感知营养刺激源的大致方向；菌丝日均延伸速率 0.19±0.03cm/h，为地球重力组的 59%，菌落形态略不规则，菌丝分支略有增多，72h 菌落平均直径 5.1cm，仍保留部分生长与识别能力。

月球重力（0.165g）环境下，黏菌仅 23% 的菌丝能向刺激源生长，77% 无规则生长，部分菌丝出现绕曲、折返现象，对营养刺激源的方向识别能力基本丧失；菌丝日均延伸速率 0.11±0.02cm/h，为地球重力组的 34%，菌落形态极不规则，菌丝分支异常增多、粗细不均，72h 菌落平均直径约 2.8cm。

失重环境（0g）下，黏菌仅 19% 的菌丝能向营养刺激源生长，81% 的菌丝呈杂乱无序铺展状态，方向识别系统完全紊乱；菌丝日均延伸速率 0.10±0.01cm/h，仅为地球重力组的 31%，菌落无明显铺展方向，部分区域菌丝聚集结块，72h 菌落平均直径约 2.8cm，与月球重力组无显著差异。

五、结论

1、地球常规重力（1g）是水萝卜和黏菌正常生长的最优重力环境，水萝卜在该环境下表现出典型的根尖向地性，根系生长速率快、生物量高；黏菌能精准识别营养刺激源的方向，菌丝定向生长能力强、菌落形态规则。2、水萝卜根尖的正向重力性与重力值呈正相关，火星重力（0.38g）能使水萝卜保留部分向地性，根系仍能正常生长；月球重力（0.165g）下水萝卜向地性基本丧失，根系生长受显著抑制；失重环境（0g）下水萝卜根尖完全无规则生长，根系生长速率仅为地球重力的 33%，且月球重力与失重环境下的生长指标无显著差异。3、黏菌对营养刺激源的方向识别能力随重力值降低而显著下降，火星重力（0.38g）下黏菌仍能保留部分方向识别能力；月球重力（0.165g）下黏菌的方向识别能力基本丧失；失重环境（0g）下黏菌方向识别系统完全紊乱，且月球重力与失重环境下的菌丝生长、菌落形态无显著差异。4、水萝卜和黏菌的重力响应系统均存在明显的阈值效应，**0.165g（月球重力）** 是两种生物感知重力、维持正常定向生长和发育的临界重力值，当重力值低于该阈值时，生物的重力响应机制基本失效，生长发育的抑制程度趋于稳定，不再随重力值降低而显著增强。5、在所研究的低重力 / 失重环境中，** 火星重力（0.38g）** 是水萝卜和黏菌生长的较优环境，二者在该重力条件下仍能保留部分重力响应能力与生长能力，这为火星基地的生物栽培提供了重要的实验依据。

六、参考文献

[1] Kacena M A, Todd P, Merrell G A. Effects of space flight and mixing on bacterial growth in low volume cultures[J]. Microgravity Science and Technology, 1999, 12(1): 34-40.

[2] Nickerson C A, Ott C M, Wilson J W, et al. Microbiology of human spaceflight: microbial responses to mechanical forces that impact health and habitat sustainability[J]. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 2004, 68(2): 336-367.

[3] Li W, Monje O, Stodieck L. Microgravity effect on bacterial growth: a literature review[R]. ICES 2022-269, 2022.

[4] Zhang Y, Wang X, Liu Y. Impact of simulated microgravity on the growth and proteomic profile of Enterobacter cloacae[J]. Microbiology Spectrum, 2025, 13(2): e02446-24.

[5] 邓玉林, 张维, 李楠, 等. 微重力下微生物生长与代谢的分子机制[J]. 微生物学报, 2020, 60(8): 1673-1686.