空間站生命科學研究的分析和思考

薛紅衛 湯章城

（中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態研究所）

1 引言

在不久的將來，我國載人空間站就會遨游在浩瀚的太空，為我國科技專家提供長期以來夢寐以求的研究舞臺。在構建空間站的過程中還會相繼發射若干航天器，科學家們也將獲得利用這些航天器進行研究的機會。梳理國際空間站生命科學和生物技術領域的研究態勢，瞻望該研究領域的發展趨勢，從而對如何深刻認識、科學設計、合理安排和有序組織我國空間站生命科學和生物技術領域研究提出初步的分析和思考。

2 空間站生命科學研究的重要意義

空間站的構建和應用，及其內含的空間生命科學和生物技術領域的研究是加速國家現代化進程的重要戰略需求。

2.1 空間站生命科學研究是拓展空天能力的重要內容

21世紀中葉，中國將成為國際大家庭中一個中等發達的國家，將呈現在世界面前的是一個政治文明高度發達的國家、物質文明發達的國家、社會文明、精神文明、生態文明高度發達的國家和高度開放的國家。抓住革命和創新，就能抓住實現現代化的先機。縱觀歷史，我國已屢次錯失科技革命的機遇，國家發展常處于不利的地位。未來50年，我國不可再錯失良機，必須以科技創新支撐我國全面建設社會主義的小康社會，建立實現現代化牢固的經濟社會基礎和若干個重要的戰略體系[1]，其中，空天海洋能力新拓展體系的建立必不可少，而空間站的構建和應用，及其空間生命科學和生物技術的研究就是空天能力新拓展的重要組成部分之一。

2.2 空間站生命科學研究是實現科技現代化的必然要求

科技革命和科技創新主要源于兩種動力，一是人類或國家經濟社會發展的需求；二是自然界或科技知識內部矛盾和演變規律的揭示。今后50年，我國在能源、資源、先進材料、現代農業、人口健康、重要基本科學問題（宇宙演化、物質結構、生命起源和進化）等方面都期待有重大突破，從而有助于解決當今社會發展所面臨的諸多困難和重重危機，并對未來發展產生前所未有的深刻影響。空天能力新拓展將通過空天科學與探測能力、空間技術能力、空間資源開發和利用能力，對地觀測與綜合信息應用能力等[1、2]，直接或間接地為能源、資源、先進材料、現代農業、人口健康、重要基本科學問題等方面的重大突破作貢獻。空間站工程是空天能力新拓展體系中的重要組成部分，其主要目的是人在太空直接參與探索、開發和利用太空和天體（包括地球）。

2.3 空間站生命科學研究將為經濟社會發展發揮重要作用

空間生命科學與生物技術研究的作用，一是直接為我國空天計劃的實現和科技活動服務；二是直接或間接為地面經濟、社會和科學的發展服務。前者主要體現在通過建立完善的受控生態生命支持系統，以保障人在太空長期生存的必要條件，如氧氣、水和營養物的供應，以及身體和心理的健康等。后者主要體現在對促進現代農業發展和提高人口健康的貢獻。未來50年，要建立生態高值農業和生物產業體系，包含農產品安全（數量、質量）、可持續農業（生態農業模式、農業清潔生產、土肥水光利用效率）、智能農業、高值農業（分子設計育種、農業生物質資源、高值轉化、服務性農業）等。涉及植物和動物種質資源與現代育種、資源節約型農業科技、農業生產與食品安全科技、現代化和智能化農業科技等。建立普惠健康保障體系，涉及實現人口控制與生殖健康、降低重大慢性病的發生與危害、提高藥物研發與生物產業的創新能力等。另外，對于研究地球的生命現象和過程而言，空間環境又是一個獨特的參照，對于深刻地認識生命起源和活動的本質是無法模擬和替代的。在上述的服務中，空間站生命科學和生物技術領域的研究必然都是大有作為[3、4]。

3 國際空間站生命科學研究現狀[5]

國際空間站是一個開展空間科學與技術研究的國際性和綜合性的大平臺，許多國家的科學家利用國際空間站開展著一系列的空間生命科學和生物技術的研究，這些研究基本上代表了當前本領域的研究方向和前沿。航天大國和國際空間組織都有各自的研究規劃或計劃，并在一些研究領域開展著有效的國際合作。國際空間站上開展的科學研究，除空間生命科學和生物技術外，還有對地觀察、空間物理、空間燃燒、空間材料、空間醫學、空間環境、空間天文、空間通訊、空間站管理、空間科普教育等10多個領域。根據美國NASA公布的資料，對國際空間站前20批考察組（2000年-2009年）開展的空間生命科學和生物技術的研究概況進行了簡要的調查和分析。在上述20批空間科學活動中，由于“空間生命科學和生物技術”與“空間醫學”項目類別的劃分難有確切標準，因而空間生命科學和生物技術研究項目所占比例大致在20%-30%，最高批次可以超過40%，可見其重要性。從人類長期空間活動考慮，涉及航天員健康的空間醫學研究項目的安排也明顯較多。“空間生命科學和生物技術研究”與“空間醫學”項目的合計比例高達50%以上。

3.1 空間基礎生物學研究

空間基礎生物學的研究目標是要闡明生物，包括植物、動物、微生物對空間環境響應的機制和適應的對策。在植物方面的研究有：以模式實驗植物擬南芥為研究對象，研究其重力感知，信號轉導和向重性；根向重性的新感應機制的分析；重力感應閾加速度；重力相關基因；轉基因擬南芥基因表達系統；細胞壁/反義遺傳學途徑；探索微重力條件下擬南芥支撐組織中細胞壁動力學的基因作用和植物抗重力中微管-膜-細胞壁連續體的作用、形成層的影響；在不同的重力水平中擬南芥根的波動和卷曲；微重力對擬南芥多代影響的分子和植物生理的分析；空間微重力環境導致水稻DNA甲基化水平改變的表觀遺傳學分析等。另外的研究還有光合作用實驗和系統測試和運行、建立NASA生物樣本庫等。利用植物普通生物實驗裝置有商品化普通型生物處理裝置等。確立利用現有飛行資源的植物生產單元的協議、程序和要求。在動物方面的研究有：人腎臟皮質上皮細胞系和人結腸癌細胞培養及標志分子表達研究；空間站培養的哺乳動物細胞中抑癌基因的表達分析；在空間站長期停留后人體神經內分泌和免疫反應的改變；利用細胞培養模塊研究微重力條件下人體單核細胞的免疫反應；微重力對動物造血系統的影響；微重力環境中鵪鶉耳石系統的結構和功能改變以及胚胎期鵪鶉的骨骼發育；微重力條件下線蟲生理學研究；空間飛行期間異丙嗪的生物功效和性能改變等。在微生物方面的研究有：空間鏈球菌的基因表達；空間飛行對微生物基因表達和毒力的影響；空間環境對航天飛機攜帶的細菌孢子的影響；表面、水分和空氣生物學特征（在飛船環境中微生物和過敏原的特點）；微重力條件下微生物生長動力學；在空間真菌致病；空間飛行期間散布的潛在病毒的影響；空間飛行誘導潛在病毒的再活化；微生物的抗藥毒力；集于1張芯片實驗室的應用開發（便攜式測試系統）；酵母組活化包等，建立實驗微生物系統的無源觀察等。

3.2 空間生物技術研究

空間生物技術研究主要包括兩個部分，一是空間細胞培養和三維組織構建研究，利用細胞生物技術操作支持系統研究了人類腎皮質細胞三維生長和產生紅細胞生成素和維生素的能力；人繆勒氏卵巢癌細胞系的三維生長實驗，檢測了三維生長條件下細胞及組織形態的發生，并研究了細胞周期蛋白和細胞癌蛋白的變化；空間培養神經內分泌嗜鉻細胞瘤細胞驗證細胞發生分化時釋放兒茶酚胺，及抑制疼痛的功能；哺乳動物細胞分泌重組人促紅細胞生成素等。二是生物大分子（蛋白質）自組裝研究，研究蛋白質分子結構與功能的關系以及分子組裝規律和技術，對于發展精確的生物制造技術具有重大意義。隨著相關知識和技術的積累，今后我們將能根據需求設計和制造各種蛋白質分子機器/元器件，進而裝配出各種組織結構，乃至生命個體。蛋白質分子尺度多為納米量級，部分分子及其聚集體達到亞微米。這種情況下，重力對生物大分子聚集體形成的影響變得顯著起來。科學家們使用有序性高的蛋白質晶體，可以研究出更精細的蛋白質分子結構，為更深入揭示生命的奧秘和構建/組裝新的蛋白質分子機器奠定基礎。在國際空間站上開展的主要研究有：利用蛋白質晶體生長（單室熱封閉系統）研究：改善晶體衍射質量、基因表達調節、蒸汽平衡動力學研究、微重力中膜蛋白晶化、線粒體代謝運轉蛋白的晶化、為衍射設備設計一種核酶、材料科學的晶體生長模式系統、基于同步加速器的晶體質量和理論模型的鑲嵌性測定等。先進蛋白質晶體生長裝置研究：溶液流和蛋白質晶體的分子失序、高質量晶體生長、鐵蛋白晶體生長、微重力中人類低密度脂蛋白細分部分晶化、微重力中蛋白質晶化、微重力中視紫質晶化、檢驗微重力蛋白質晶化新趨勢研究等。還研究了動態受控蛋白質晶體生長，實施日本空間探索局結晶裝置高質量蛋白質結晶計劃，通過數字全息成像顯微鏡監視蛋白質晶體生長等。

3.3 空間輻射生物學研究

空間輻射生物學是研究空間環境對生命物質產生輻射生物學效應的一門科學，研究涉及空間輻射防護，空間輻射預警，空間輻射損傷，空間輻射醫學，生物進化和空間輻射生物學資源開發等重要問題和應用。因此，各航天大國的深空探測和空間資源開發利用戰略中，都把空間輻射生物學研究放在突出位置。

圍繞著空間輻射生物學效應監測，主要研究的是臨床指標、細胞遺傳學指標、基因突變指標等多種。這些指標各有利弊，互相補充，其中細胞遺傳學指標發展最為成熟，并已得到廣泛應用。美國NASA專門組織召開了一次以空間輻射損傷與生物劑量學為專題的討論會，將染色體畸變分析方法應用于空間輻射的生物劑量估計是會議討論的焦點之一。隨著對空間輻射危害認識的深入，對空間輻射的認識發生了一些大的變化，空間站外部存在很強的混合粒子輻射，盡管空間站內的輻射水平有所降低，但進入空間站的輻射粒子即使在很低的劑量下仍然有很大的輻射損傷危害。目前在地面實驗中，對低LET射線的劑量學量的測量已達到較高水平，而高LET輻射劑量學量測量技術及估算技術水平不高，有些輻射劑量學特征量，在空間輻射環境下不確定性很大，可靠性很差。空間站上的輻射生物學研究多數圍繞對航天員的危害方面，特別是在未來深空飛行環境中，主要的研究是航天輻射引起的致癌效應，對中樞神經系統的損傷，輻射與其它航天因素如微重力、有害氣體的復合作用影響，輻射早期或急期的損傷，輻射對生殖、不育和遺傳的危害等輻射生物學效應的系統研究。

3.4 空間受控生態生命保障系統研究

空間受控生態生命保障系統的研究都有一定的規模和獨立性，而且處于起步階段，因而，國際空間站上直接體現空間生態生命保障系統研究的項目相對比較少，主要有：生物質生產系統；確定先進宇宙栽培技術手冊；低重力實驗中根區基質的優化等。另外，空間基礎生物學中的一些研究，在一定程度上，也是空間生命生態支持系統建立的科學理論基礎。

但是，利用其它航天器或在地面開展的研究還是多種多樣的。當前，共同探索的可行途徑是NASA首先提出的先進生命保障系統（Advanced Life Support System，ALSS或ALS）的研究，其目的是為人類長期載人航天奠定必不可少的基礎，為提供航天成員食物、水和空氣。在遠期的受控生態生命保障系統（Controlled Ecological Life Support System，CELSS）研究方面，最主要的成績體現在CELSS的功能研究方面。因此，該項目涉及的研究和技術被NASA和ESA列為在空間生物學領域處于最優先支持的方向。目前世界上所取得的主要進展有：①俄羅斯的BIOS實驗；②美國的封閉生態系統研究，主要是在NASA的約翰遜航天中心、肯尼迪航天中心、艾姆斯研究中心，一些大學和航空航天公司中進行。他們都是通過自己建造的地基受控植物生長艙來開展研究；③ESA的CELSS研究，建造了一個面積215 m2，容積643 m3，功率達26kW的密封生態系統實驗床，一個以微生物為基礎的人工微型生態系統，一個以微藻和昆蟲為基礎的實驗性密封生態生保系統；④日本的封閉系統研究，日本國家空間實驗室把注意力集中在氣體循環（O2和CO2分離和濃縮）體系、水循環體系、植物和藻類的生理和培養技術，以及動物生理和喂養等。日本還設計了一個實驗“迷你地球”。作為技術支撐，各主要航天國家都研制了一批適應空間站研究必須的空間研究裝置和地面模擬研究裝置。

4 我國空間站生命科學和生物技術研究目標、任務和內容

20世紀80年代后期以來，我國科技工作者經歷了利用高空氣球、探空火箭、返回式衛星、飛船等技術手段，開展科學研究的不同階段，特別是1992年載人航天工程實施以來，進入了一個相對比較有計劃、穩定和系統的研究時期，研究條件有所改善，發展了一批空間研究技術和實驗裝置、地面模擬實驗技術和裝置、獲得了一批有益的研究成果，并取得了開展空間科學實驗的直接經驗。

4.1 我國空間站生命科學和生物技術研究目標和任務

空間生命科學和生物技術作為空間科學和技術的重要組成部分，在許多涉及國家重大需求方面，如發展現代農業、保障人類健康等方面，空間生命科學與生物技術都是可以有所作為的。空間站突出的資源特點在于可以獲得持續的微重力環境以及航天員在軌操作、維護、更換的能力。在艙外暴露平臺上，可以利用外太空的輻射、高真空、全譜段太陽照射等條件開展研究。空間生命科學與生物技術的核心任務目標應成為國家促進現代農業發展、保障國民健康提高、維持航天員空間生存能力的重要依托部分之一。我國空間站上開展該領域研究必須面向國家經濟建設、社會進步、科學發展等重大需求，服務于促進國家經濟建設、提高國民健康水平、保障航天員空間生存能力，其基本任務是：

（1）以促進對生命現象本質的理解和認知，探索科學規律，推進知識創新為目標，開展基礎生物學和生命起源研究。

（2）以有助于保障人類豐衣足食和健康為目標，開展空間相關應用技術的研究，特別是促進地面農業、醫藥和環境生物技術的發展和應用。

（3）以人在空間的長期活動，以及未來拓寬人類生存疆域為目標，研究相關的科學問題和生物保障技術，促進必要的技術儲備。

4.2 我國空間站生命科學和生物技術研究內容

針對當前以及今后學科發展過程中可能出現的重要科學問題，應考慮如下主要科學方向和研究內容：

（1）生物的不同物種和生命活動不同層次在空間微重力環境下的基礎生物學研究，探討微重力環境對細胞結構、功能和特性的影響及其分子機理，對生物個體發生、生長、發育、繁殖、衰老和生物節律的影響，并以現代“組學”的概念和研究技術，開展生物功能調控網絡研究。

（2）空間微重力環境下生物的不同物種和生命活動不同層次的生物力學機制和感知、傳導與響應微重力的力學-生物學耦合規律；其它空間環境因素，如輻射、亞磁環境等，對生命體不同層次的短期和長期影響及其與微重力環境的復合效應。

（3）利用空間特殊條件，通過生物技術或其它應用技術獲得創新的生物材料、藥物和醫療技術等，獲取新的認知，并指導和促進地面農業、醫藥、環境生物技術研究。

（4）空間條件下，生物的不同物種和生命活動不同層次的輻射生物學研究，評估空間輻射生物學效應（損傷和修復、遺傳和變異等），宏觀/微觀的過程及其機理，構建空間輻射生物學效應的分析模型以及輻射損傷的預防和輻射效應的利用。

（5）受控生態生命支持系統的基礎問題研究，包括構成生態系統的基本生物單元、所采用的生物材料、生物學體系、生態平衡機理與調控、空間環境響應、實驗系統構建技術等。

（6）適應空間極端環境的生物分子設計和合成生物學，生命起源演化和宇宙生物學相關的基礎研究。

（7）研究滿足空間生命科學和生物技術實驗研究需求的實驗平臺和實驗裝置，以及在軌的高精度、小型化的生態和生物學參數監視、檢測、分析、測量儀器和調控、供給等技術方法和設備。特別要關注新方法、新技術、新設備的出現和在空間的應用。

隨著科學技術的發展，還不斷會有無法預料的、新的科學問題的提出，特別是處于學科的前沿，需要不同學科交叉研究的重大科學問題，及時進行安排和組織開展研究。

5 對我國空間站生命科學和生物技術研究的建議

空間生命科學和生物技術的重要理論與應用意義印證了開展該領域研究的必要性和迫切性。從更大、更遠和更高的視角分析，這種研究的必要性和迫切性更源自于，中國作為一個大國和強國一定要在當前空間科學與技術的競爭中，對空間資源的控制權和利用權的掌握，占有一定的地位，甚至優勢的地位。當前，在空間生命科學和生物技術研究領域中以下重要科學問題值得非常關注，即深入認識空間環境中，生物復雜系統中的功能調控網絡；認識生命體各層次對重力變化感知和適應的力學-生物學耦合機制；利用空間特殊條件，通過生物技術，獲得創新的材料、藥物和醫療技術；構建空間輻射生物學效應分析模型和技術，評估空間輻射損傷和防護；設計和構建穩定運行的受控生態系統和人工生物圈；開展適應空間環境的生物物種的生物分子設計和合成生物，探索生命起源；設計適應上述研究的空間研究實驗裝備。世界各空間大國對空間生命科學與生物技術的重視程度告誡我們，必須長期地、不失時機地組織和實施該領域的研究。在深入分析和慎重考慮的基礎上，及時制定我國空間站生命科學和生物技術領域研究的發展規劃，以及階段性的研究項目指南。

5.1 要注重項目科學上的前瞻性和創新性

到我國空間站建成將有十年左右的時間，選擇的項目應當面向國際空間生命科學發展的前沿和今后發展趨勢，體現前瞻性、創新性，以推動我國該領域研究走向世界前列。特別值得注意的是科學研究項目所提出的科學問題，真正是空間科學的基本問題，避免將地面科學問題的簡單“升空”。

5.2 技術上要體現空間站研究的不可替代性、必要性和可行性

選擇的項目特別要著重于在空間站開展該研究的不可替代性或必要性，體現出空間站研究的價值。以及當時技術條件和設備邊界條件的可行程度，不是簡單的研究裝置從地面移到空間站。

5.3 裝置上要確保研究的高水準和高成功率

加強對空間生命科學和生物技術研究所涉及的關鍵技術、新技術方法和高性能材料、器件、儀器等組織開展研究，為空間研究提供必要的技術基礎，以確保其研究的高水準和高成功率。

5.4 對研究隊伍要強調空間研究的基礎和積累

空間研究的特殊性，決定了該研究費力、費時、費錢，而且機會難得。為了確保空間研究的效率和成功，必需強調研究團隊不僅要有地面模擬研究的基礎，還要有空間研究的基礎、經驗和積累；不僅要有明確的科學問題研究積累，還要有科學家團隊與技術專家團隊之間的磨合和溝通。既要有經驗豐富的科學家，更要有甘于奉獻、持之以恒的中青年骨干。 ◇

［1］中國科學院.科技革命與中國的現代化——關于中國面向2050年科技發展戰略的思考［M］.北京：科學出版社，2009.

［2］中國科學院空間領域戰略研究組.中國至2050年空間科技發展路線圖［M］.北京：科學出版社，2009.

［3］胡文瑞.中國空間科學進展（文集）［M］.北京：國防工業出版社，1995.

［4］江丕棟.空間生物學［M］.山東：青島出版社，2000.

［5］NASA.ISS Experiments.http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/Expedition.html，2011