被人类带到太空的微生物,如何生存?

作者:无奶树,原文标题:《太空中的微生物:既是挑战亦是机遇》,题图来自:《火星救援》

当人类踏出对太空探索的第一步时,也不经意间将属于地球的生物,第一次带入了宇宙。

这个生物就是我们生活中无处不在、但又看不见的微生物。在太空探索中,它们依附着人类,在航天器里同样无处不在。

我们知道,在地球上,微生物既可能产生可怕的疾病,带来危害,也可以帮助人们生存——制作面包、酿酒,带来益处。在太空环境中的微生物其实也是如此:它们既是挑战,也是机遇。

微生物想要在太空生存也不容易

不过,即使是我们认为无所不在的微生物,面对宇宙中辐射、真空等等自己从未遇到过的生存环境,其实也是难以适应的。

因为有地球大气层的保护,绝大多数生物都不曾经历辐射的威胁,但是进入太空就不一样了。太空辐射一方面会直接攻击DNA,对DNA造成损伤,轻者引起突变,重则可能导致细胞死亡;另一方面,太空辐射还会将水分子解离,产生具有强氧化作用的基团,进而影响细胞中的各种生化反应过程。

被人类带到太空的微生物,如何生存?

暴露于太空辐射微生物细胞内产生的变化 | 图源:Horneck G, et al. 2010.

面对辐射,细菌也是一样,往往会受到巨大的生理影响(如上图)。这也是为什么在生物实验室中,我们会使用紫外线照射来进行灭菌,确保实验台清洁。

早在1966年,美国的双子星4号飞船就携带了T1噬菌体、枯草芽孢杆菌孢子、青霉菌孢子等多种微生物进入太空。在经过太空辐射的直接照射16多个小时后,T1噬菌体的存活率只有0.003%,可见太空辐射对微生物的伤害之大。

为了检测太空辐射的危害,以及探究微生物生存的极限,之后的航天过程中研究者们不断改进装置,让不同的微生物都来“感受”一下太空辐射(微生物内心:我可谢谢您嘞),并且探究如何更有效地保护生物免遭辐射危害。

被人类带到太空的微生物,如何生存?

搭载在国际空间站的微生物设施 | 图源:Horneck G, et al. 2010.

经过多次的探究,研究者尝试了噬菌体、酵母菌、枯草芽孢杆菌等微生物,只有极少数微生物可以在强烈的太空辐射中生存下来,比如可以生成特殊的胞膜和晶体来保护自己的地衣或者蓝藻。

除了强烈的太空辐射,太空的另一个特征是微重力(仅有地球重力的千分之一),但这似乎对微生物利大于弊。

研究发现,在模拟的微重力环境下,大肠杆菌的抵抗酸性、热应力和渗透压等能力都会增强,耐药性也会加强。如果从微观角度分析,失去重力的影响下,微生物周围培养的环境也会发生改变,进而可能影响了微生物的代谢效率,并引发一系列的连锁反应。

而这,可能给航天飞行带来不小的威胁。

微生物是宇航员最警惕的威胁之一

在宇航员进入太空时,除了自身体内的微生物,难免也还会携带各种体外的微生物进入太空。在微重力的作用下,太空环境中细菌的耐药性会增加。这也就意味着,如果执行任务的宇航员不慎感染细菌疾病,使用抗生素治疗的效果可能会变差。

此外,研究发现在微重力环境下,细菌会更容易黏附在人体身上,甚至毒力更强。例如,经历过“太空旅行”的沙门氏菌,相比于地球的沙门氏菌会对小鼠产生更致命的效果。这些研究数据和结果警示着宇航员,在太空飞行时应时刻检测微生物情况。

被人类带到太空的微生物,如何生存?

国际空间站的宇航员正在测量空间站内的微生物情况 | 图源:NASA

同时,分布在航天舱内的微生物还会潜伏在各种精密仪器中,轻则影响研究者的实验,重则可能会影响整个航天飞行。

所以,很多难以经受高温灭菌的高精密仪器,往往会在严格无菌的实验室中进行制造组装,以确保洁净。同时,因为航天火箭或者飞船体型较大,不能完全无菌,因此运送往空间站的货物、食物都会经过严格的检查,确保微生物数量尽可能少。也有材料学研究正在开发具有抗菌、杀菌作用的材料,来确保宇航员和航天舱的安全。

被人类带到太空的微生物,如何生存?

工程师在无菌实验室中组装仪器 | 图源:Moissl-Eichinger C, et al. 2016

还有一个值得担心的问题是,外太空发生突变的微生物,甚至是以微生物形式存在的外星生物,很可能在航天探索过程中被宇航员带回地球,进而造成意外的污染。为此,宇航员们返回地球的过程中,采取及时有效的监控检测手段,以及消毒灭菌流程,是必不可少的。

太空微生物的前景

虽然背后藏着不少风险和隐患,但是太空中微生物的研究给我们带来的惊喜却是不小的。一次次的航天飞行过程中,宇航员或飞船都会携带一定的微生物进行培育,这个过程往往会产生意想不到的结果。

比如从1987年开始的中国航天飞行中,相应地都会开展微生物育种的研究——研究者借此培育出了生产抗生素(纳他霉素)能力更强的真菌,以用于医用抗生素的生产。随后发射的神舟八号、神舟十号中,也携带了不同的微生物,通过这些太空飞行,科学家们找到了一些携带特定突变的优秀微生物,可以更高效地生产干扰素或者溶菌酶。

被人类带到太空的微生物,如何生存?

太空飞行后的不同形态的链霉菌 | 图源:Liang J, et al. 2007.

除此之外,基于我们前面提到的微生物毒力的改变,不少研究者开始尝试利用太空环境开发新的疫苗。目前国际空间站上已经在进行引起严重腹泻的沙门氏菌的疫苗研究,不过相关的研究结果尚未报道。

类似地,科学家们可以利用太空这个神奇的“百宝箱”,来改造不同的微生物。也许在不远的未来,我们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。

我研究了一辈子空间微生物,退休之后最大心愿,就是把空间微生物研究成果应用到老百姓的日常生活中,走到千家万户的餐桌上。

——中国太空微生物学家,刘长庭

除此之外,科学家们还有更宏远的计划——如何借助微生物构造人造生态系统,让人类探索太空的步伐走得更远。虽然植物可以辅助我们生产氧气、回收废物,但是微生物诸如固氮菌、真菌、蓝藻等等,在生态系统中也有不可替代的地位。如何合理设计、引入这些微生物,和植物、动物一起构建生态系统,将会是未来的一个重要挑战。

从1966年第一次的微生物进入太空开始,太空微生物的相关研究一直都在进行:如何更好地避免微生物的危害,又要怎么样发挥出微生物育种最大的优势?也许这小小的微生物,就是我们未来太空探索的关键所在呢。 

参考资料

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陈振鸿, 刘长庭. 太空环境对细菌的影响及作用机制[J]. 解放军医学院学报, 2014, 35(7): 763-765.

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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.

作者:无奶树

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