太空中的微生物：既是挑戰(zhàn)亦是機(jī)遇

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

　　這個(gè)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(shí)也是如此：它們既是挑戰(zhàn)，也是機(jī)遇。

　　微生物想要在太空生存也不容易

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

　　因?yàn)橛械厍虼髿鈱拥谋Ｗo(hù)，絕大多數(shù)生物都不曾經(jīng)歷輻射的威脅，但是進(jìn)入太空就不一樣了。太空輻射一方面會(huì)直接攻擊DNA，對(duì)DNA造成損傷，輕者引起突變，重則可能導(dǎo)致細(xì)胞死亡；另一方面，太空輻射還會(huì)將水分子解離，產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化作用的基團(tuán)，進(jìn)而影響細(xì)胞中的各種生化反應(yīng)過程。

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

　　面對(duì)輻射，細(xì)菌也是一樣，往往會(huì)受到巨大的生理影響（如上圖）。這也是為什么在生物實(shí)驗(yàn)室中，我們會(huì)使用紫外線照射來進(jìn)行滅菌，確保實(shí)驗(yàn)臺(tái)清潔。

　　早在1966年，美國(guó)的雙子星4號(hào)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(jìn)入太空。在經(jīng)過太空輻射的直接照射16多個(gè)小時(shí)后，T1噬菌體的存活率只有0.003%，可見太空輻射對(duì)微生物的傷害之大。

　　為了檢測(cè)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(jìn)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(hù)生物免遭輻射危害。

　　搭載在國(guó)際空間站的微生物設(shè)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(qiáng)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(hù)自己的地衣或者藍(lán)藻。

　　除了強(qiáng)烈的太空輻射，太空的另一個(gè)特征是微重力（僅有地球重力的千分之一），但這似乎對(duì)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(yīng)力和滲透壓等能力都會(huì)增強(qiáng)，耐藥性也會(huì)加強(qiáng)。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(huì)發(fā)生改變，進(jìn)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(yīng)。

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

　　此外，研究發(fā)現(xiàn)在微重力環(huán)境下，細(xì)菌會(huì)更容易黏附在人體身上，甚至毒力更強(qiáng)。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(huì)對(duì)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(shí)應(yīng)時(shí)刻檢測(cè)微生物情況。

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

　　同時(shí)，分布在航天艙內(nèi)的微生物還會(huì)潛伏在各種精密儀器中，輕則影響研究者的實(shí)驗(yàn)，重則可能會(huì)影響整個(gè)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(huì)在嚴(yán)格無菌的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行制造組裝，以確保潔凈。同時(shí)，因?yàn)楹教旎鸺蛘唢w船體型較大，不能完全無菌，因此運(yùn)送往空間站的貨物、食物都會(huì)經(jīng)過嚴(yán)格的檢查，確保微生物數(shù)量盡可能少。也有材料學(xué)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(shí)驗(yàn)室中組裝儀器 | 圖源：Moissl-Eichinger C, et al. 2016

　　還有一個(gè)值得擔(dān)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(jìn)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(shí)有效的監(jiān)控檢測(cè)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(fēng)險(xiǎn)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(huì)攜帶一定的微生物進(jìn)行培育，這個(gè)過程往往會(huì)產(chǎn)生意想不到的結(jié)果。

　　比如從1987年開始的中國(guó)航天飛行中，相應(yīng)地都會(huì)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(qiáng)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(hào)、神舟十號(hào)中，也攜帶了不同的微生物，通過這些太空飛行，科學(xué)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(guó)際空間站上已經(jīng)在進(jìn)行引起嚴(yán)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(bào)道。

　　類似的，科學(xué)家們可以利用太空這個(gè)神奇的“百寶箱”，來改造不同的微生物。也許在不遠(yuǎn)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(yīng)用到老百姓的日常生活中，走到千家萬(wàn)戶的餐桌上。

　　——中國(guó)太空微生物學(xué)家，劉長(zhǎng)庭

　　除此之外，科學(xué)家們還有更宏遠(yuǎn)的計(jì)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(yuǎn)。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(lán)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(shè)計(jì)、引入這些微生物，和植物、動(dòng)物一起構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)，將會(huì)是未來的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

　　從1966年第一次的微生物進(jìn)入太空開始，太空微生物的相關(guān)研究一直都在進(jìn)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(shì)？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

　　Horneck G, Klaus D M, Mancinelli R L. Space microbiology[J]. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 2010, 74(1): 121-156.

　　陳振鴻, 劉長(zhǎng)庭. 太空環(huán)境對(duì)細(xì)菌的影響及作用機(jī)制[J]. 解放軍醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào), 2014, 35(7): 763-765.

　　Hotchin J, Lorenz P, Hemenway C L. The survival of terrestrial microorganisms in space at orbital altitudes during Gemini satellite experiments[J]. Life sciences and space research, 1968, 6: 108-114.

　　Lynch S V, Brodie E L, Matin A. Role and regulation of σs in general resistance conferred by low-shear simulated microgravity in Escherichia coli[J]. Journal of bacteriology, 2004, 186(24): 8207-8212.

　　Moissl-Eichinger C, Cockell C, Rettberg P. Venturing into new realms? Microorganisms in space[J]. FEMS microbiology reviews, 2016, 40(5): 722-737.

　　Wilson J W, Ott C M, Zu Bentrup K H, et al. Space flight alters bacterial gene expression and virulence and reveals a role for global regulator Hfq[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2007, 104(41): 16299-16304.

　　Liu C. The theory and application of space microbiology: China's experiences in space experiments and beyond[J]. Environmental microbiology, 2017, 19(2): 426-433.

　　Liang J, Jianping L I N, Zhinan X U, et al. Space-flight mutation of Streptomyces gilvosporeus for enhancing natamycin production[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2007, 15(5): 720-724.