中國(guó)空間站里，一位小小的“居民”首次現(xiàn)身，為太空生命科學(xué)增添了新篇章。近日，科研人員在中國(guó)空間站中發(fā)現(xiàn)并命名了一個(gè)全新微生物物種——“天宮尼爾菌”。這一新發(fā)現(xiàn)拓展了人類對(duì)微生物多樣性的認(rèn)知，也標(biāo)志著中國(guó)空間生命科學(xué)研究取得的新進(jìn)展。
從微生物監(jiān)測(cè)到果蠅繁育，從生命科學(xué)到材料工程，中國(guó)空間站正不斷釋放國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室的科研潛能，推動(dòng)人類認(rèn)知的邊界向太空延伸。
揭秘太空環(huán)境中的“六邊形戰(zhàn)士”
微生物是地球上最古老、最多樣的生命形式之一。雖然體型微小，卻無(wú)處不在。從空氣中的懸浮顆粒到土壤深處、從深海極端環(huán)境到人體的腸道系統(tǒng)，它們共同構(gòu)成了一個(gè)龐大而復(fù)雜的“微生物宇宙”。目前，仍有大量微生物尚未被人類發(fā)現(xiàn)、研究和命名，每一次的發(fā)現(xiàn)都是一次打開未知世界大門的驚喜。
在空間站這樣一個(gè)密閉、特殊、極端的環(huán)境中，微生物的世界更是充滿神秘色彩。
此次發(fā)現(xiàn)的“天宮尼爾菌”，是在空間站工程航天技術(shù)試驗(yàn)項(xiàng)目支持下完成的。研究團(tuán)隊(duì)聚焦中國(guó)空間站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中環(huán)境微生物的動(dòng)態(tài)變化和安全控制，設(shè)計(jì)了多批次、全艙段、全景式的居留艙微生物監(jiān)測(cè)任務(wù)CHAMP(China Space Station Habitation Area Microbiome Program)。2023年5月，神舟十五號(hào)航天員乘組使用無(wú)菌采樣擦巾，對(duì)艙內(nèi)表面微生物進(jìn)行了在軌采樣，樣本被低溫保存并帶回地面。隨后的地面實(shí)驗(yàn)分析中，科研人員通過(guò)形態(tài)觀察、基因組測(cè)序、系統(tǒng)發(fā)育分析和代謝特征研究等多學(xué)科手段，最終確認(rèn)這是一種此前未被識(shí)別的全新微生物物種。由于這一新物種是在天宮空間站發(fā)現(xiàn)的，又隸屬于細(xì)胞桿菌科尼爾屬，因此得名“天宮尼爾菌”。
科研人員發(fā)現(xiàn)，天宮尼爾菌不僅是一個(gè)新面孔，而且具備了強(qiáng)大的太空適應(yīng)能力。作為一種革蘭氏陽(yáng)性的產(chǎn)芽孢桿菌，它能夠在微重力、輻射增強(qiáng)、營(yíng)養(yǎng)稀缺等多重壓力條件下穩(wěn)定生存。研究顯示，它能夠通過(guò)調(diào)控桿菌硫醇的生物合成，來(lái)精準(zhǔn)應(yīng)對(duì)太空中的氧化應(yīng)激壓力，維持細(xì)胞內(nèi)的氧化還原平衡，從而保障其在極端條件下穩(wěn)健生長(zhǎng)。此外，它還表現(xiàn)出在生物被膜形成、輻射損傷修復(fù)等方面的出色能力，堪稱太空環(huán)境中的“六邊形戰(zhàn)士”，有望為航天健康保障、生物資源利用、廢棄物處理以及抗菌新材料開發(fā)等提供新思路。
建立空間站微生物防控機(jī)制
空間站的微生物從何而來(lái)？事實(shí)上，空間站雖然遠(yuǎn)離地球地面，但并非真空無(wú)菌的存在。微生物可以通過(guò)多種途徑進(jìn)入空間艙，例如航天員體表或體內(nèi)攜帶的微生物、設(shè)備材料在制造和運(yùn)輸過(guò)程中的附著物、貨運(yùn)飛船和所搭載物資等，都可能成為空間站微生物的來(lái)源。在適宜的溫度和濕度條件下，這些微生物會(huì)在艙內(nèi)緩慢繁殖。
人類要在太空長(zhǎng)期生存，必須構(gòu)建相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)，不僅要有動(dòng)植物，也要有微生物。然而，一旦空間站的微生物失衡，也可能帶來(lái)潛在威脅。例如，某些致病微生物可能在航天員免疫力減弱時(shí)引發(fā)感染；有的微生物可能腐蝕空間站的關(guān)鍵設(shè)備，如電纜、電路板等，甚至形成生物膜堵塞管道，影響系統(tǒng)運(yùn)行安全。有研究顯示，國(guó)際空間站上部分微生物在橡膠、金屬鈦、電路板等材料上生長(zhǎng)后引發(fā)了腐蝕、變形和功能退化，這足以引起人們的警惕。
為此，科學(xué)家們建立了一整套完善的空間站微生物防控機(jī)制。從定期開展空氣、水源和表面樣本的微生物監(jiān)測(cè)，到開發(fā)多種微生物檢測(cè)技術(shù)，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)已構(gòu)建起適合太空條件的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，中國(guó)空間站在軌穩(wěn)定運(yùn)行兩年多來(lái)，在微生物免培養(yǎng)法檢測(cè)技術(shù)方面開展了多項(xiàng)研究和應(yīng)用。
同時(shí)，在微生物防控方面，中國(guó)嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)載人航天器密封艙設(shè)計(jì)、研制、在軌運(yùn)行等階段的微生物控制提出了明確要求，同時(shí)對(duì)實(shí)/試驗(yàn)載荷、貨物、航天員等微生物控制作出了相應(yīng)規(guī)定，為空間站的微生物控制提供了依據(jù)。
為太空遠(yuǎn)航健康保障提供科學(xué)依據(jù)
中國(guó)空間站已全面建成并穩(wěn)定運(yùn)行兩年多，安全保障和科研產(chǎn)出成效顯著。截至去年底，中國(guó)已在軌實(shí)施181項(xiàng)科學(xué)與應(yīng)用項(xiàng)目，上行近2噸科學(xué)物資，下行實(shí)驗(yàn)樣品近百種，獲取科學(xué)數(shù)據(jù)超過(guò)300TB，包括生命科學(xué)領(lǐng)域在內(nèi)的更多空間科學(xué)成果不斷產(chǎn)出，為探索太空環(huán)境下的生命規(guī)律奠定基礎(chǔ)。
日前，中國(guó)空間站第八批空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品隨神舟十九號(hào)載人飛船順利返回地球。此次返回的實(shí)驗(yàn)樣品涵蓋空間生命科學(xué)、空間材料科學(xué)等25個(gè)項(xiàng)目，總重約37.25公斤。其中，生命科學(xué)樣品包括人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞、支氣管上皮細(xì)胞、果蠅、蛋白樣品等20類，后續(xù)將開展細(xì)胞譜系、結(jié)構(gòu)、多組學(xué)等分析研究，為人類在太空與地面的健康保障提供理論支持。材料類樣品則涉及鎢基超高溫合金、高強(qiáng)韌鋼、非線性光學(xué)晶體、月壤加固材料等，相關(guān)成果將助力深空探測(cè)和未來(lái)載人航天任務(wù)。
值得一提的是，首批在軌繁育的果蠅也隨神舟十九號(hào)一同返回。果蠅個(gè)體小、繁殖快、基因結(jié)構(gòu)與人類高度同源，是理想的模式生物。2024年11月15日，果蠅隨天舟八號(hào)貨運(yùn)飛船進(jìn)入太空，約一個(gè)月的實(shí)驗(yàn)中連續(xù)培育出三代果蠅，航天員對(duì)每一代都進(jìn)行了轉(zhuǎn)移操作和采樣收集，被凍存的果蠅將用于開展基因測(cè)序等研究分析。
中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所研究員李巖表示，這項(xiàng)研究是國(guó)際首次在空間站設(shè)置亞磁環(huán)境并探索果蠅的生物學(xué)效應(yīng)，為研究太空環(huán)境下生物生殖、發(fā)育和大腦、行為的影響提供了重要基礎(chǔ)，也為未來(lái)人類太空遠(yuǎn)航的健康保障提供了科學(xué)依據(jù)。
專家介紹，自2022年7月隨問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙升空以來(lái)，空間站內(nèi)的生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜相繼開展了擬南芥、線蟲、果蠅、斑馬魚等動(dòng)植物的空間生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)有望揭示微重力對(duì)生物個(gè)體生長(zhǎng)、發(fā)育與代謝的深層影響，進(jìn)一步推動(dòng)人類對(duì)生命現(xiàn)象本質(zhì)的理解。
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神舟二十號(hào)將完成這些空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)
神舟二十號(hào)航天員乘組進(jìn)駐中國(guó)空間站以來(lái)，多項(xiàng)任務(wù)進(jìn)展順利。航天員對(duì)生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)柜內(nèi)細(xì)胞組織培養(yǎng)模塊微生物效應(yīng)機(jī)制研究樣品進(jìn)行觀測(cè)。低溫存儲(chǔ)環(huán)境是開展空間生物科學(xué)實(shí)驗(yàn)的必要條件，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的低溫存儲(chǔ)裝置可為空間站提供長(zhǎng)期持久的低溫生物樣品保存功能，乘組對(duì)其進(jìn)行了巡視，并完成狀態(tài)檢查。
據(jù)了解，神舟二十號(hào)乘組在軌6個(gè)月期間，將持續(xù)開展59項(xiàng)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)與技術(shù)試驗(yàn)，其中包括“失重性骨丟失及心肌重塑的蛋白穩(wěn)態(tài)調(diào)控機(jī)制研究”“空間微重力和輻射環(huán)境對(duì)渦蟲再生的影響及作用機(jī)制探索”以及“空間微重力對(duì)微生物的效應(yīng)機(jī)制研究”等空間生命科學(xué)領(lǐng)域的3項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，渦蟲、斑馬魚、鏈霉菌等實(shí)驗(yàn)材料將開展太空實(shí)驗(yàn)。
空間失重環(huán)境會(huì)導(dǎo)致人類心血管系統(tǒng)出現(xiàn)心律失常、心肌重塑，也會(huì)導(dǎo)致骨骼系統(tǒng)出現(xiàn)持續(xù)性骨丟失，大大增加骨折風(fēng)險(xiǎn)，這些問(wèn)題制約著人類的長(zhǎng)期太空生存。由中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心、華南理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所負(fù)責(zé)的“失重性骨丟失及心肌重塑的蛋白穩(wěn)態(tài)調(diào)控機(jī)制研究”項(xiàng)目，將利用生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜的“小型受控生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)K”開展為期約30天的在軌實(shí)驗(yàn)。通過(guò)開展空間斑馬魚成魚實(shí)驗(yàn)，研究微重力對(duì)高等脊椎動(dòng)物蛋白穩(wěn)態(tài)的影響，明確蛋白穩(wěn)態(tài)對(duì)失重造成的骨量下降和心血管功能紊亂的調(diào)控作用，探尋未來(lái)人類長(zhǎng)期宇宙航行中對(duì)抗骨量下降和心血管功能紊亂的防護(hù)方法。
此前，斑馬魚已在中國(guó)空間站開展空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。2024年4月，神舟十八號(hào)載人飛船攜帶4條斑馬魚和4克金魚藻進(jìn)入“天宮”，在軌成功實(shí)現(xiàn)小型二元水生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)在空間站培養(yǎng)斑馬魚及在軌產(chǎn)卵的突破。
渦蟲是一種擁有強(qiáng)大再生能力的扁形動(dòng)物，其生命歷程已經(jīng)超過(guò)5.2億年，是生物學(xué)研究中常用的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)材料之一。渦蟲的組織修復(fù)能力十分驚人，即使斷成兩截后，兩邊仍可再生出新的肌肉、皮膚、腸道，甚至完整的大腦。研究渦蟲對(duì)研究人類細(xì)胞克服老化、延緩衰老等具有重要意義。
由山東理工大學(xué)負(fù)責(zé)的“空間微重力和輻射環(huán)境對(duì)渦蟲再生的影響及作用機(jī)制探索”項(xiàng)目，是國(guó)內(nèi)首次開展的渦蟲空間再生實(shí)驗(yàn)。將利用生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜的“小型通用生物培養(yǎng)模塊”，研究空間環(huán)境對(duì)渦蟲再生形態(tài)發(fā)生、生理行為的具體影響，從個(gè)體水平進(jìn)一步認(rèn)識(shí)再生基本機(jī)制，研究結(jié)果有助于解決人類空間損傷及地面衰老等健康問(wèn)題。
鏈霉菌廣泛分布于自然環(huán)境，在土壤改良、植物促生抗逆、生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建和維持中發(fā)揮重要作用，也能產(chǎn)生豐富多樣的次級(jí)代謝產(chǎn)物，如抗生素等。
中國(guó)科學(xué)院微生物研究所負(fù)責(zé)的“空間微重力對(duì)微生物的效應(yīng)機(jī)制研究”項(xiàng)目，將開展空間微重力環(huán)境下鏈霉菌的生長(zhǎng)、發(fā)育分化、生物活性物質(zhì)合成、種群傳代演替的變化和機(jī)制研究，研究具有重要應(yīng)用價(jià)值的微生物活性物質(zhì)和酶在空間環(huán)境下的表達(dá)規(guī)律，為利用空間環(huán)境資源開發(fā)微生物應(yīng)用技術(shù)和產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。
(資料來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心)
(人民日?qǐng)?bào)海外版 記者 劉峣)