迴轉儀

回旋儀是一種利用旋轉來抵銷地心引力對植物生長（向地性）和發育（重力形態發生）影響的裝置。它也被用於研究微重力對細胞培養、動物胚胎和蜘蛛網的影響。

描述

單軸（或水平）回旋儀由一個連接馬達的圓盤組成。最初它們是發條裝置，但現今則使用電動馬達。圓盤被垂直放置，馬達以大約每分鐘一轉的速率緩慢旋轉。植物被固定在圓盤上，使其保持水平狀態。緩慢的旋轉意味著植物所經歷的重力在360度範圍內被平均化，從而模擬出失重環境。回旋儀也被用來消除除了重力之外，如陽光和其他刺激的影響。這種類型的回旋儀必須完全水平才能模擬無重力狀態。如果回旋儀與水平面成一角度，則會感知到一個淨重力向量，其大小取決於該角度。這可用於模擬月球重力（約1/6 g），需要與水平面成約10度的夾角，即 sin −1 (1/6)。

植物只有在重力刺激持續超過一個關鍵時間長度，即所謂的最小感應時間（MPT）後，才會對重力產生反應。對許多植物器官而言，MPT介於10到200秒之間，因此回旋儀應以相當的時間尺度旋轉，以避免產生向地性反應。然而，感應時間是可累積的，如果回旋儀的旋轉在單一位置被反覆停止，即使時間短至0.5秒，也可能導致向地性反應。動物的感應時間比這快上一到兩個數量級，因此排除了在大多數動物研究中使用慢速旋轉回旋儀的可能性。不過，高速旋轉回旋儀可以且已經被用於研究動物細胞培養和胚胎。

類型與應用

• 通常類型的回旋儀旋轉緩慢以避免離心效應，這被稱為「慢速旋轉回旋儀」。關於最適合的旋轉速度一直存在爭議：如果太慢，植物有時間開始對重力產生生理反應；如果太快，離心力和機械應力會產生人為誤差。通過與太空中生長的植物所觀察到的對微重力的「真實」反應進行比較，已確定對大多數植物系統而言，最佳轉速介於0.3至3 rpm之間。
• 高速旋轉回旋儀（通常以30至150 rpm的速度旋轉）只能用於小型樣本（例如在直徑幾毫米小瓶中的細胞培養），且通常在液體培養基中。在這些條件下，可避免過度的離心效應，而這種效應使其不適用於較大的樣本。
• 單軸回旋儀僅沿其旋轉軸產生失重效應。而3D或雙軸回旋儀（通常稱為隨機定位儀或RPM），則可以在所有方向上平均重力。這些機器通常由兩個框架組成，一個置於另一個內部，各自獨立旋轉。
• 另一種模擬微重力的替代方案是自由落體機（FFM）。小型樣本（如細胞懸浮液）在重力作用下自由落下約一米，自由落體的時間略少於一秒。然後，它們被一個短暫施加的巨大力量（約20 g，持續20毫秒——即「反彈」）推回到裝置頂部，然後再次落下，如此反覆。該機器的原理是大部分時間都在零重力自由落體中度過。處於高g值的時間被認為過於短暫，無法被生物樣本的生理機制所偵測，因此樣本只感知到在自由落體中度過的時間。

使用水平回旋儀的相關問題

學界已指出使用回旋儀模擬微重力的一些問題：

• 重力效應仍然存在，只是沒有淨方向。因此，與其說是模擬微重力，不如將其視為引發全方位重力刺激。
• 大型植物的葉片在旋轉時會擺動；這可能導致乙烯產量增加，進而可能引發一些原被歸因於無向地性的現象。其他研究人員對此解釋提出質疑，並有觀點認為乙烯可能在向地性反應中扮演一定角色。
• 來自馬達的震動和其他運動效應可能導致人為誤差。

歷史

回旋儀由尤利烏斯·馮·薩克斯於1879年發明，他建造了一台由發條驅動的機器。然而，早在1703年，丹尼斯·多達爾就已開創了類似的概念。第一台電動回旋儀（1897年）由紐科姆製造。

參見

• 向地性
• 大型離心機
• 隨機定位儀
• 自由落體機

外部連結

• Clinostat Page：一個致力於地球上太空生物學研究的網站 The Clinopage
• Gravity experimentation website Clinostats

專利

細胞培養 (類別 435/297.400)

• ', Rhodes, Percy H. (阿拉巴馬州亨茨維爾), Miller, Teresa Y. (阿拉巴馬州福克維爾), Snyder, Robert S. (阿拉巴馬州亨茨維爾), 「用於模擬細胞培養中微重力的中空纖維回旋儀」

Category:重力儀器 Category:實驗室設備