中國空間站里，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，科研人員在中國空間站中發(fā)現(xiàn)并命名了一個全新微生物物種——“天宮尼爾菌”。這一新發(fā)現(xiàn)拓展了人類對微生物多樣性的認(rèn)知，也標(biāo)志著中國空間生命科學(xué)研究取得的新進(jìn)展。
從微生物監(jiān)測到果蠅繁育，從生命科學(xué)到材料工程，中國空間站正不斷釋放國家太空實驗室的科研潛能，推動人類認(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)試驗項目支持下完成的。研究團(tuán)隊聚焦中國空間站長期運(yùn)營過程中環(huán)境微生物的動態(tài)變化和安全控制，設(shè)計了多批次、全艙段、全景式的居留艙微生物監(jiān)測任務(wù)CHAMP(China Space Station Habitation Area Microbiome Program)。2023年5月，神舟十五號航天員乘組使用無菌采樣擦巾，對艙內(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。隨后的地面實驗分析中，科研人員通過形態(tài)觀察、基因組測序、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。作為一種革蘭氏陽性的產(chǎn)芽孢桿菌，它能夠在微重力、輻射增強(qiáng)、營養(yǎng)稀缺等多重壓力條件下穩(wěn)定生存。研究顯示，它能夠通過調(diào)控桿菌硫醇的生物合成，來精準(zhǔn)應(yīng)對太空中的氧化應(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。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？事實上，空間站雖然遠(yuǎn)離地球地面，但并非真空無菌的存在。微生物可以通過多種途徑進(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源。在適宜的溫度和濕度條件下，這些微生物會在艙內(nèi)緩慢繁殖。
人類要在太空長期生存，必須構(gòu)建相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)，不僅要有動植物，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，到開發(fā)多種微生物檢測技術(shù)，我國科研團(tuán)隊已構(gòu)建起適合太空條件的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，中國空間站在軌穩(wěn)定運(yùn)行兩年多來，在微生物免培養(yǎng)法檢測技術(shù)方面開展了多項研究和應(yīng)用。
同時，在微生物防控方面，中國嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對載人航天器密封艙設(shè)計、研制、在軌運(yùn)行等階段的微生物控制提出了明確要求，同時對實/試驗載荷、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，中國已在軌實施181項科學(xué)與應(yīng)用項目，上行近2噸科學(xué)物資，下行實驗樣品近百種，獲取科學(xué)數(shù)據(jù)超過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，中國空間站第八批空間科學(xué)實驗樣品隨神舟十九號載人飛船順利返回地球。此次返回的實驗樣品涵蓋空間生命科學(xué)、空間材料科學(xué)等25個項目，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和未來載人航天任務(wù)。
值得一提的是，首批在軌繁育的果蠅也隨神舟十九號一同返回。果蠅個體小、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，果蠅隨天舟八號貨運(yùn)飛船進(jìn)入太空，約一個月的實驗中連續(xù)培育出三代果蠅，航天員對每一代都進(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序等研究分析。
中國科學(xué)院生物物理研究所研究員李巖表示，這項研究是國際首次在空間站設(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月隨問天實驗艙升空以來，空間站內(nèi)的生命生態(tài)實驗柜相繼開展了擬南芥、線蟲、果蠅、斑馬魚等動植物的空間生長實驗，這些實驗有望揭示微重力對生物個體生長、發(fā)育與代謝的深層影響，進(jìn)一步推動人類對生命現(xiàn)象本質(zhì)的理解。
鏈接
神舟二十號將完成這些空間生命科學(xué)實驗
神舟二十號航天員乘組進(jìn)駐中國空間站以來，多項任務(wù)進(jìn)展順利。航天員對生物技術(shù)實驗柜內(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。低溫存儲環(huán)境是開展空間生物科學(xué)實驗的必要條件，問天實驗艙內(nèi)的低溫存儲裝置可為空間站提供長期持久的低溫生物樣品保存功能，乘組對其進(jìn)行了巡視，并完成狀態(tài)檢查。
據(jù)了解，神舟二十號乘組在軌6個月期間，將持續(xù)開展59項空間科學(xué)實驗與技術(shù)試驗，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)境對渦蟲再生的影響及作用機(jī)制探索”以及“空間微重力對微生物的效應(yīng)機(jī)制研究”等空間生命科學(xué)領(lǐng)域的3項科學(xué)實驗，渦蟲、斑馬魚、鏈霉菌等實驗材料將開展太空實驗。
空間失重環(huán)境會導(dǎo)致人類心血管系統(tǒng)出現(xiàn)心律失常、心肌重塑，也會導(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，這些問題制約著人類的長期太空生存。由中國航天員科研訓(xùn)練中心、華南理工大學(xué)、中國科學(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”項目，將利用生命生態(tài)實驗柜的“小型受控生命生態(tài)實驗?zāi)K”開展為期約30天的在軌實驗。通過開展空間斑馬魚成魚實驗，研究微重力對高等脊椎動物蛋白穩(wěn)態(tài)的影響，明確蛋白穩(wěn)態(tài)對失重造成的骨量下降和心血管功能紊亂的調(diào)控作用，探尋未來人類長期宇宙航行中對抗骨量下降和心血管功能紊亂的防護(hù)方法。
此前，斑馬魚已在中國空間站開展空間科學(xué)實驗。2024年4月，神舟十八號載人飛船攜帶4條斑馬魚和4克金魚藻進(jìn)入“天宮”，在軌成功實現(xiàn)小型二元水生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，實現(xiàn)了我國在空間站培養(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物，其生命歷程已經(jīng)超過5.2億年，是生物學(xué)研究中常用的動物實驗材料之一。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)境對渦蟲再生的影響及作用機(jī)制探索”項目，是國內(nèi)首次開展的渦蟲空間再生實驗。將利用生命生態(tài)實驗柜的“小型通用生物培養(yǎng)模塊”，研究空間環(huán)境對渦蟲再生形態(tài)發(fā)生、生理行為的具體影響，從個體水平進(jìn)一步認(rèn)識再生基本機(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)生豐富多樣的次級代謝產(chǎn)物，如抗生素等。
中國科學(xué)院微生物研究所負(fù)責(zé)的“空間微重力對微生物的效應(yīng)機(jī)制研究”項目，將開展空間微重力環(huán)境下鏈霉菌的生長、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)。
(資料來源：中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心)
(人民日報海外版 記者 劉峣)