太空中的微生物：既是挑戰(zhàn)亦是機遇

　　當人類踏出對太空探索的第一步時，也不經(jīng)意間將屬于地球的生物，第一次帶入了宇宙。

　　這個生物就是我們生活中無處不在、但又看不見的微生物。在太空探索中，它們依附著人類，在航天器里同樣無處不在。

　　我們知道，在地球上，微生物既可能產(chǎn)生可怕的疾病，帶來危害，也可以幫助人們生存——制作面包、釀酒，帶來益處。在太空環(huán)境中的微生物其實也是如此：它們既是挑戰(zhàn)，也是機遇。

　　微生物想要在太空生存也不容易

　　不過，即使是我們認為無所不在的微生物，面對宇宙中輻射、真空等等自己從未遇到過的生存環(huán)境，其實也是難以適應的。

　　因為有地球大氣層的保護，絕大多數(shù)生物都不曾經(jīng)歷輻射的威脅，但是進入太空就不一樣了。太空輻射一方面會直接攻擊DNA，對DNA造成損傷，輕者引起突變，重則可能導致細胞死亡；另一方面，太空輻射還會將水分子解離，產(chǎn)生具有強氧化作用的基團，進而影響細胞中的各種生化反應過程。

　　暴露于太空輻射微生物細胞內(nèi)產(chǎn)生的變化 | 圖源：Horneck G, et al. 2010.

　　面對輻射，細菌也是一樣，往往會受到巨大的生理影響（如上圖）。這也是為什么在生物實驗室中，我們會使用紫外線照射來進行滅菌，確保實驗臺清潔。

　　早在1966年，美國的雙子星4號飛船就攜帶了T1噬菌體、枯草芽孢桿菌孢子、青霉菌孢子等多種微生物進入太空。在經(jīng)過太空輻射的直接照射16多個小時后，T1噬菌體的存活率只有0.003%，可見太空輻射對微生物的傷害之大。

　　為了檢測太空輻射的危害，以及探究微生物生存的極限，之后的航天過程中研究者們不斷改進裝置，讓不同的微生物都來“感受”一下太空輻射（微生物內(nèi)心：我可謝謝您嘞），并且探究如何更有效地保護生物免遭輻射危害。

　　搭載在國際空間站的微生物設施 | 圖源：Horneck G, et al. 2010.

　　經(jīng)過多次的探究，研究者嘗試了噬菌體、酵母菌、枯草芽孢桿菌等微生物，只有極少數(shù)微生物可以在強烈的太空輻射中生存下來，比如可以生成特殊的胞膜和晶體來保護自己的地衣或者藍藻。

　　除了強烈的太空輻射，太空的另一個特征是微重力（僅有地球重力的千分之一），但這似乎對微生物利大于弊。

　　研究發(fā)現(xiàn)，在模擬的微重力環(huán)境下，大腸桿菌的抵抗酸性、熱應力和滲透壓等能力都會增強，耐藥性也會加強。如果從微觀角度分析，失去重力的影響下，微生物周圍培養(yǎng)的環(huán)境也會發(fā)生改變，進而可能影響了微生物的代謝效率，并引發(fā)一系列的連鎖反應。

　　而這，可能給航天飛行帶來不小的威脅。

　　微生物是宇航員最警惕的威脅之一

　　在宇航員進入太空時，除了自身體內(nèi)的微生物，難免也還會攜帶各種體外的微生物進入太空。在微重力的作用下，太空環(huán)境中細菌的耐藥性會增加。這也就意味著，如果執(zhí)行任務的宇航員不慎感染細菌疾病，使用抗生素治療的效果可能會變差。

　　此外，研究發(fā)現(xiàn)在微重力環(huán)境下，細菌會更容易黏附在人體身上，甚至毒力更強。例如，經(jīng)歷過“太空旅行”的沙門氏菌，相比于地球的沙門氏菌會對小鼠產(chǎn)生更致命的效果。這些研究數(shù)據(jù)和結(jié)果警示著宇航員，在太空飛行時應時刻檢測微生物情況。

　　國際空間站的宇航員正在測量空間站內(nèi)的微生物情況 | 圖源：NASA

　　同時，分布在航天艙內(nèi)的微生物還會潛伏在各種精密儀器中，輕則影響研究者的實驗，重則可能會影響整個航天飛行。

　　所以，很多難以經(jīng)受高溫滅菌的高精密儀器，往往會在嚴格無菌的實驗室中進行制造組裝，以確保潔凈。同時，因為航天火箭或者飛船體型較大，不能完全無菌，因此運送往空間站的貨物、食物都會經(jīng)過嚴格的檢查，確保微生物數(shù)量盡可能少。也有材料學研究正在開發(fā)具有抗菌、殺菌作用的材料，來確保宇航員和航天艙的安全。

　　工程師在無菌實驗室中組裝儀器 | 圖源：Moissl-Eichinger C, et al. 2016

　　還有一個值得擔心的問題是，外太空發(fā)生突變的微生物，甚至是以微生物形式存在的外星生物，很可能在航天探索過程中被宇航員帶回地球，進而造成意外的污染。為此，宇航員們返回地球的過程中，采取及時有效的監(jiān)控檢測手段，以及消毒滅菌流程，是必不可少的。

　　太空微生物的前景

　　雖然背后藏著不少風險和隱患，但是太空中微生物的研究給我們帶來的驚喜卻是不小的。一次次的航天飛行過程中，宇航員或飛船都會攜帶一定的微生物進行培育，這個過程往往會產(chǎn)生意想不到的結(jié)果。

　　比如從1987年開始的中國航天飛行中，相應地都會開展微生物育種的研究——研究者借此培育出了生產(chǎn)抗生素（納他霉素）能力更強的真菌，以用于醫(yī)用抗生素的生產(chǎn)。隨后發(fā)射的神舟八號、神舟十號中，也攜帶了不同的微生物，通過這些太空飛行，科學家們找到了一些攜帶特定突變的優(yōu)秀微生物，可以更高效地生產(chǎn)干擾素或者溶菌酶。

　　太空飛行后的不同形態(tài)的鏈霉菌 | 圖源：Liang J, et al. 2007.

　　除此之外，基于我們前面提到的微生物毒力的改變，不少研究者開始嘗試利用太空環(huán)境開發(fā)新的疫苗。目前國際空間站上已經(jīng)在進行引起嚴重腹瀉的沙門氏菌的疫苗研究，不過相關(guān)的研究結(jié)果尚未報道。

　　類似的，科學家們可以利用太空這個神奇的“百寶箱”，來改造不同的微生物。也許在不遠的未來，我們就可以吃上太空微生物制造的面包、啤酒、酸奶等等微生物制品。

　　我研究了一輩子空間微生物，退休之后最大心愿，就是把空間微生物研究成果應用到老百姓的日常生活中，走到千家萬戶的餐桌上。

　　——中國太空微生物學家，劉長庭

　　除此之外，科學家們還有更宏遠的計劃——如何借助微生物構(gòu)造人造生態(tài)系統(tǒng)，讓人類探索太空的步伐走得更遠。雖然植物可以輔助我們生產(chǎn)氧氣、回收廢物，但是微生物諸如固氮菌、真菌、藍藻等等，在生態(tài)系統(tǒng)中也有不可替代的地位。如何合理設計、引入這些微生物，和植物、動物一起構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)，將會是未來的一個重要挑戰(zhàn)。

　　從1966年第一次的微生物進入太空開始，太空微生物的相關(guān)研究一直都在進行：如何更好地避免微生物的危害，又要怎么樣發(fā)揮出微生物育種最大的優(yōu)勢？也許這小小的微生物，就是我們未來太空探索的關(guān)鍵所在呢。

　　參考資料

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