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當人類踏出對太空探索的第一步時,也不經意間將屬於地球的生物,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,它們依附着人類,在航天器裏同樣無處不在。

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

微生物想要在太空生存也不容易

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

因爲有地球大氣層的保護,絕大多數生物都不曾經歷輻射的威脅,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。

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)。這也是爲什麼在生物實驗室中,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、青黴菌孢子等多種微生物進入太空。在經過太空輻射的直接照射16多個小時後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。

爲了檢測太空輻射的危害,以及探究微生物生存的極限,之後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(微生物內心:我可謝謝您嘞),並且探究如何更有效地保護生物免遭輻射危害。

經過多次的探究,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,太空的另一個特徵是微重力(僅有地球重力的千分之一),但這似乎對微生物利大於弊。

研究發現,在模擬的微重力環境下,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,微生物周圍培養的環境也會發生改變,進而可能影響了微生物的代謝效率,並引發一系列的連鎖反應。

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,太空環境中細菌的耐藥性會增加。這也就意味着,如果執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,研究發現在微重力環境下,細菌會更容易黏附在人體身上,甚至毒力更強。例如,經歷過“太空旅行”的沙門氏菌,相比於地球的沙門氏菌會對小鼠產生更致命的效果。這些研究數據和結果警示着宇航員,在太空飛行時應時刻檢測微生物情況。

同時,分佈在航天艙內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製造組裝,以確保潔淨。同時,因爲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、食物都會經過嚴格的檢查,確保微生物數量儘可能少。也有材料學研究正在開發具有抗菌、殺菌作用的材料,來確保宇航員和航天艙的安全。

還有一個值得擔心的問題是,外太空發生突變的微生物,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。爲此,宇航員們返回地球的過程中,採取及時有效的監控檢測手段,以及消毒滅菌流程,是必不可少的。

太空微生物的前景

雖然背後藏着不少風險和隱患,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,這個過程往往會產生意想不到的結果。

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——研究者藉此培育出了生產抗生素(納他黴素)能力更強的真菌,以用於醫用抗生素的生產。隨後發射的神舟八號、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秀微生物,可以更高效地生產干擾素或者溶菌酶。

除此之外,基於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境開發新的疫苗。目前國際空間站上已經在進行引起嚴重腹瀉的沙門氏菌的疫苗研究,不過相關的研究結果尚未報道。

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,我們就可以喫上太空微生物製造的麪包、啤酒、酸奶等等微生物製品。

我研究了一輩子空間微生物,退休之後最大心願,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——如何藉助微生物構造人造生態系統,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,在生態系統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、動物一起構建生態系統,將會是未來的一個重要挑戰。

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

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