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中國空間站里，一位小小的“居民”首次現身，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)現拓展了人類(lèi)對微生物多樣性的認知，也標志著(zhù)中國空間生命科學(xué)研究取得的新進(jìn)展。
從微生物監測到果蠅繁育，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(shí)驗室的科研潛能，推動(dòng)人類(lèi)認知的邊界向太空延伸。
揭秘太空環(huán)境中的“六邊形戰士”
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，它們共同構成了一個(gè)龐大而復雜的“微生物宇宙”。目前，仍有大量微生物尚未被人類(lèi)發(fā)現、研究和命名，每一次的發(fā)現都是一次打開(kāi)未知世界大門(mén)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(mǎn)神秘色彩。
此次發(fā)現的“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。研究團隊聚焦中國空間站長(cháng)期運營(yíng)過(guò)程中環(huán)境微生物的動(dòng)態(tài)變化和安全控制，設計了多批次、全艙段、全景式的居留艙微生物監測任務(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(wú)菌采樣擦巾，對艙內表面微生物進(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)驗分析中，科研人員通過(guò)形態(tài)觀(guān)察、基因組測序、系統發(fā)育分析和代謝特征研究等多學(xué)科手段，最終確認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)現的，又隸屬于細胞桿菌科尼爾屬，因此得名“天宮尼爾菌”。
科研人員發(fā)現，天宮尼爾菌不僅是一個(gè)新面孔，而且具備了強大的太空適應能力。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、營(yíng)養稀缺等多重壓力條件下穩定生存。研究顯示，它能夠通過(guò)調控桿菌硫醇的生物合成，來(lái)精準應對太空中的氧化應激壓力，維持細胞內的氧化還原平衡，從而保障其在極端條件下穩健生長(cháng)。此外，它還表現出在生物被膜形成、輻射損傷修復等方面的出色能力，堪稱(chēng)太空環(huán)境中的“六邊形戰士”，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(kāi)發(fā)等提供新思路。
建立空間站微生物防控機制
空間站的微生物從何而來(lái)？事實(shí)上，空間站雖然遠離地球地面，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攜帶的微生物、設備材料在制造和運輸過(guò)程中的附著(zhù)物、貨運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 )在艙內緩慢繁殖。
人類(lèi)要在太空長(cháng)期生存，必須構建相應的生態(tài)系統，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)鍵設備，如電纜、電路板等，甚至形成生物膜堵塞管道，影響系統運行安全。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(cháng)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制。從定期開(kāi)展空氣、水源和表面樣本的微生物監測，到開(kāi)發(fā)多種微生物檢測技術(shù)，我國科研團隊已構建起適合太空條件的監測網(wǎng)絡(luò )，中國空間站在軌穩定運行兩年多來(lái)，在微生物免培養法檢測技術(shù)方面開(kāi)展了多項研究和應用。
同時(shí)，在微生物防控方面，中國嚴格執行相關(guān)標準，對載人航天器密封艙設計、研制、在軌運行等階段的微生物控制提出了明確要求，同時(shí)對實(shí)/試驗載荷、貨物、航天員等微生物控制作出了相應規定，為空間站的微生物控制提供了依據。
為太空遠航健康保障提供科學(xué)依據
中國空間站已全面建成并穩定運行兩年多，安全保障和科研產(chǎn)出成效顯著(zhù)。截至去年底，中國已在軌實(shí)施181項科學(xué)與應用項目，上行近2噸科學(xué)物資，下行實(shí)驗樣品近百種，獲取科學(xué)數據超過(guò)300TB，包括生命科學(xué)領(lǐng)域在內的更多空間科學(xué)成果不斷產(chǎn)出，為探索太空環(huán)境下的生命規律奠定基礎。
日前，中國空間站第八批空間科學(xué)實(shí)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(shí)驗樣品涵蓋空間生命科學(xué)、空間材料科學(xué)等25個(gè)項目，總重約37.25公斤。其中，生命科學(xué)樣品包括人誘導多能干細胞、支氣管上皮細胞、果蠅、蛋白樣品等20類(lèi)，后續將開(kāi)展細胞譜系、結構、多組學(xué)等分析研究，為人類(lèi)在太空與地面的健康保障提供理論支持。材料類(lèi)樣品則涉及鎢基超高溫合金、高強韌鋼、非線(xiàn)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(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一同返回。果蠅個(gè)體小、繁殖快、基因結構與人類(lèi)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飛船進(jìn)入太空，約一個(gè)月的實(shí)驗中連續培育出三代果蠅，航天員對每一代都進(jìn)行了轉移操作和采樣收集，被凍存的果蠅將用于開(kāi)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置亞磁環(huán)境并探索果蠅的生物學(xué)效應，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，也為未來(lái)人類(lèi)太空遠航的健康保障提供了科學(xué)依據。
專(zhuān)家介紹，自2022年7月隨問(wèn)天實(shí)驗艙升空以來(lái)，空間站內的生命生態(tài)實(shí)驗柜相繼開(kāi)展了擬南芥、線(xiàn)蟲(chóng)、果蠅、斑馬魚(yú)等動(dòng)植物的空間生長(cháng)實(shí)驗，這些實(shí)驗有望揭示微重力對生物個(gè)體生長(cháng)、發(fā)育與代謝的深層影響，進(jìn)一步推動(dòng)人類(lèi)對生命現象本質(zhì)的理解。
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神舟二十號將完成這些空間生命科學(xué)實(shí)驗
神舟二十號航天員乘組進(jìn)駐中國空間站以來(lái)，多項任務(wù)進(jìn)展順利。航天員對生物技術(shù)實(shí)驗柜內細胞組織培養模塊微生物效應機制研究樣品進(jìn)行觀(guān)測。低溫存儲環(huán)境是開(kāi)展空間生物科學(xué)實(shí)驗的必要條件，問(wèn)天實(shí)驗艙內的低溫存儲裝置可為空間站提供長(cháng)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。
據了解，神舟二十號乘組在軌6個(gè)月期間，將持續開(kāi)展59項空間科學(xué)實(shí)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態(tài)調控機制研究”“空間微重力和輻射環(huán)境對渦蟲(chóng)再生的影響及作用機制探索”以及“空間微重力對微生物的效應機制研究”等空間生命科學(xué)領(lǐng)域的3項科學(xué)實(shí)驗，渦蟲(chóng)、斑馬魚(yú)、鏈霉菌等實(shí)驗材料將開(kāi)展太空實(shí)驗。
空間失重環(huán)境會(huì )導致人類(lèi)心血管系統出現心律失常、心肌重塑，也會(huì )導致骨骼系統出現持續性骨丟失，大大增加骨折風(fēng)險，這些問(wèn)題制約著(zhù)人類(lèi)的長(cháng)期太空生存。由中國航天員科研訓練中心、華南理工大學(xué)、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所負責的“失重性骨丟失及心肌重塑的蛋白穩態(tài)調控機制研究”項目，將利用生命生態(tài)實(shí)驗柜的“小型受控生命生態(tài)實(shí)驗模塊”開(kāi)展為期約30天的在軌實(shí)驗。通過(guò)開(kāi)展空間斑馬魚(yú)成魚(yú)實(shí)驗，研究微重力對高等脊椎動(dòng)物蛋白穩態(tài)的影響，明確蛋白穩態(tài)對失重造成的骨量下降和心血管功能紊亂的調控作用，探尋未來(lái)人類(lèi)長(cháng)期宇宙航行中對抗骨量下降和心血管功能紊亂的防護方法。
此前，斑馬魚(yú)已在中國空間站開(kāi)展空間科學(xué)實(shí)驗。2024年4月，神舟十八號載人飛船攜帶4條斑馬魚(yú)和4克金魚(yú)藻進(jìn)入“天宮”，在軌成功實(shí)現小型二元水生生態(tài)系統的穩定運行，實(shí)現了我國在空間站培養斑馬魚(yú)及在軌產(chǎn)卵的突破。
渦蟲(chóng)是一種擁有強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)驗材料之一。渦蟲(chóng)的組織修復能力十分驚人，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(chóng)對研究人類(lèi)細胞克服老化、延緩衰老等具有重要意義。
由山東理工大學(xué)負責的“空間微重力和輻射環(huán)境對渦蟲(chóng)再生的影響及作用機制探索”項目，是國內首次開(kāi)展的渦蟲(chóng)空間再生實(shí)驗。將利用生命生態(tài)實(shí)驗柜的“小型通用生物培養模塊”，研究空間環(huán)境對渦蟲(chóng)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)一步認識再生基本機制，研究結果有助于解決人類(lèi)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)系統構建和維持中發(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)院微生物研究所負責的“空間微重力對微生物的效應機制研究”項目，將開(kāi)展空間微重力環(huán)境下鏈霉菌的生長(cháng)、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制研究，研究具有重要應用價(jià)值的微生物活性物質(zhì)和酶在空間環(huán)境下的表達規律，為利用空間環(huán)境資源開(kāi)發(fā)微生物應用技術(shù)和產(chǎn)品奠定基礎。
來(lái)源：人民日報海外版
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