空间站生命科学研究的分析和思考

薛红卫 汤章城

（中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所）

1 引言

在不久的将来，我国载人空间站就会遨游在浩瀚的太空，为我国科技专家提供长期以来梦寐以求的研究舞台。在构建空间站的过程中还会相继发射若干航天器，科学家们也将获得利用这些航天器进行研究的机会。梳理国际空间站生命科学和生物技术领域的研究态势，瞻望该研究领域的发展趋势，从而对如何深刻认识、科学设计、合理安排和有序组织我国空间站生命科学和生物技术领域研究提出初步的分析和思考。

2 空间站生命科学研究的重要意义

空间站的构建和应用，及其内含的空间生命科学和生物技术领域的研究是加速国家现代化进程的重要战略需求。

2.1 空间站生命科学研究是拓展空天能力的重要内容

21世纪中叶，中国将成为国际大家庭中一个中等发达的国家，将呈现在世界面前的是一个政治文明高度发达的国家、物质文明发达的国家、社会文明、精神文明、生态文明高度发达的国家和高度开放的国家。抓住革命和创新，就能抓住实现现代化的先机。纵观历史，我国已屡次错失科技革命的机遇，国家发展常处于不利的地位。未来50年，我国不可再错失良机，必须以科技创新支撑我国全面建设社会主义的小康社会，建立实现现代化牢固的经济社会基础和若干个重要的战略体系[1]，其中，空天海洋能力新拓展体系的建立必不可少，而空间站的构建和应用，及其空间生命科学和生物技术的研究就是空天能力新拓展的重要组成部分之一。

2.2 空间站生命科学研究是实现科技现代化的必然要求

科技革命和科技创新主要源于两种动力，一是人类或国家经济社会发展的需求；二是自然界或科技知识内部矛盾和演变规律的揭示。今后50年，我国在能源、资源、先进材料、现代农业、人口健康、重要基本科学问题（宇宙演化、物质结构、生命起源和进化）等方面都期待有重大突破，从而有助于解决当今社会发展所面临的诸多困难和重重危机，并对未来发展产生前所未有的深刻影响。空天能力新拓展将通过空天科学与探测能力、空间技术能力、空间资源开发和利用能力，对地观测与综合信息应用能力等[1、2]，直接或间接地为能源、资源、先进材料、现代农业、人口健康、重要基本科学问题等方面的重大突破作贡献。空间站工程是空天能力新拓展体系中的重要组成部分，其主要目的是人在太空直接参与探索、开发和利用太空和天体（包括地球）。

2.3 空间站生命科学研究将为经济社会发展发挥重要作用

空间生命科学与生物技术研究的作用，一是直接为我国空天计划的实现和科技活动服务；二是直接或间接为地面经济、社会和科学的发展服务。前者主要体现在通过建立完善的受控生态生命支持系统，以保障人在太空长期生存的必要条件，如氧气、水和营养物的供应，以及身体和心理的健康等。后者主要体现在对促进现代农业发展和提高人口健康的贡献。未来50年，要建立生态高值农业和生物产业体系，包含农产品安全（数量、质量）、可持续农业（生态农业模式、农业清洁生产、土肥水光利用效率）、智能农业、高值农业（分子设计育种、农业生物质资源、高值转化、服务性农业）等。涉及植物和动物种质资源与现代育种、资源节约型农业科技、农业生产与食品安全科技、现代化和智能化农业科技等。建立普惠健康保障体系，涉及实现人口控制与生殖健康、降低重大慢性病的发生与危害、提高药物研发与生物产业的创新能力等。另外，对于研究地球的生命现象和过程而言，空间环境又是一个独特的参照，对于深刻地认识生命起源和活动的本质是无法模拟和替代的。在上述的服务中，空间站生命科学和生物技术领域的研究必然都是大有作为[3、4]。

3 国际空间站生命科学研究现状[5]

国际空间站是一个开展空间科学与技术研究的国际性和综合性的大平台，许多国家的科学家利用国际空间站开展着一系列的空间生命科学和生物技术的研究，这些研究基本上代表了当前本领域的研究方向和前沿。航天大国和国际空间组织都有各自的研究规划或计划，并在一些研究领域开展着有效的国际合作。国际空间站上开展的科学研究，除空间生命科学和生物技术外，还有对地观察、空间物理、空间燃烧、空间材料、空间医学、空间环境、空间天文、空间通讯、空间站管理、空间科普教育等10多个领域。根据美国NASA公布的资料，对国际空间站前20批考察组（2000年-2009年）开展的空间生命科学和生物技术的研究概况进行了简要的调查和分析。在上述20批空间科学活动中，由于“空间生命科学和生物技术”与“空间医学”项目类别的划分难有确切标准，因而空间生命科学和生物技术研究项目所占比例大致在20%-30%，最高批次可以超过40%，可见其重要性。从人类长期空间活动考虑，涉及航天员健康的空间医学研究项目的安排也明显较多。“空间生命科学和生物技术研究”与“空间医学”项目的合计比例高达50%以上。

3.1 空间基础生物学研究

空间基础生物学的研究目标是要阐明生物，包括植物、动物、微生物对空间环境响应的机制和适应的对策。在植物方面的研究有：以模式实验植物拟南芥为研究对象，研究其重力感知，信号转导和向重性；根向重性的新感应机制的分析；重力感应阈加速度；重力相关基因；转基因拟南芥基因表达系统；细胞壁/反义遗传学途径；探索微重力条件下拟南芥支撑组织中细胞壁动力学的基因作用和植物抗重力中微管-膜-细胞壁连续体的作用、形成层的影响；在不同的重力水平中拟南芥根的波动和卷曲；微重力对拟南芥多代影响的分子和植物生理的分析；空间微重力环境导致水稻DNA甲基化水平改变的表观遗传学分析等。另外的研究还有光合作用实验和系统测试和运行、建立NASA生物样本库等。利用植物普通生物实验装置有商品化普通型生物处理装置等。确立利用现有飞行资源的植物生产单元的协议、程序和要求。在动物方面的研究有：人肾脏皮质上皮细胞系和人结肠癌细胞培养及标志分子表达研究；空间站培养的哺乳动物细胞中抑癌基因的表达分析；在空间站长期停留后人体神经内分泌和免疫反应的改变；利用细胞培养模块研究微重力条件下人体单核细胞的免疫反应；微重力对动物造血系统的影响；微重力环境中鹌鹑耳石系统的结构和功能改变以及胚胎期鹌鹑的骨骼发育；微重力条件下线虫生理学研究；空间飞行期间异丙嗪的生物功效和性能改变等。在微生物方面的研究有：空间链球菌的基因表达；空间飞行对微生物基因表达和毒力的影响；空间环境对航天飞机携带的细菌孢子的影响；表面、水分和空气生物学特征（在飞船环境中微生物和过敏原的特点）；微重力条件下微生物生长动力学；在空间真菌致病；空间飞行期间散布的潜在病毒的影响；空间飞行诱导潜在病毒的再活化；微生物的抗药毒力；集于1张芯片实验室的应用开发（便携式测试系统）；酵母组活化包等，建立实验微生物系统的无源观察等。

3.2 空间生物技术研究

空间生物技术研究主要包括两个部分，一是空间细胞培养和三维组织构建研究，利用细胞生物技术操作支持系统研究了人类肾皮质细胞三维生长和产生红细胞生成素和维生素的能力；人缪勒氏卵巢癌细胞系的三维生长实验，检测了三维生长条件下细胞及组织形态的发生，并研究了细胞周期蛋白和细胞癌蛋白的变化；空间培养神经内分泌嗜鉻细胞瘤细胞验证细胞发生分化时释放儿茶酚胺，及抑制疼痛的功能；哺乳动物细胞分泌重组人促红细胞生成素等。二是生物大分子（蛋白质）自组装研究，研究蛋白质分子结构与功能的关系以及分子组装规律和技术，对于发展精确的生物制造技术具有重大意义。随着相关知识和技术的积累，今后我们将能根据需求设计和制造各种蛋白质分子机器/元器件，进而装配出各种组织结构，乃至生命个体。蛋白质分子尺度多为纳米量级，部分分子及其聚集体达到亚微米。这种情况下，重力对生物大分子聚集体形成的影响变得显著起来。科学家们使用有序性高的蛋白质晶体，可以研究出更精细的蛋白质分子结构，为更深入揭示生命的奥秘和构建/组装新的蛋白质分子机器奠定基础。在国际空间站上开展的主要研究有：利用蛋白质晶体生长（单室热封闭系统）研究：改善晶体衍射质量、基因表达调节、蒸汽平衡动力学研究、微重力中膜蛋白晶化、线粒体代谢运转蛋白的晶化、为衍射设备设计一种核酶、材料科学的晶体生长模式系统、基于同步加速器的晶体质量和理论模型的镶嵌性测定等。先进蛋白质晶体生长装置研究：溶液流和蛋白质晶体的分子失序、高质量晶体生长、铁蛋白晶体生长、微重力中人类低密度脂蛋白细分部分晶化、微重力中蛋白质晶化、微重力中视紫质晶化、检验微重力蛋白质晶化新趋势研究等。还研究了动态受控蛋白质晶体生长，实施日本空间探索局结晶装置高质量蛋白质结晶计划，通过数字全息成像显微镜监视蛋白质晶体生长等。

3.3 空间辐射生物学研究

空间辐射生物学是研究空间环境对生命物质产生辐射生物学效应的一门科学，研究涉及空间辐射防护，空间辐射预警，空间辐射损伤，空间辐射医学，生物进化和空间辐射生物学资源开发等重要问题和应用。因此，各航天大国的深空探测和空间资源开发利用战略中，都把空间辐射生物学研究放在突出位置。

围绕着空间辐射生物学效应监测，主要研究的是临床指标、细胞遗传学指标、基因突变指标等多种。这些指标各有利弊，互相补充，其中细胞遗传学指标发展最为成熟，并已得到广泛应用。美国NASA专门组织召开了一次以空间辐射损伤与生物剂量学为专题的讨论会，将染色体畸变分析方法应用于空间辐射的生物剂量估计是会议讨论的焦点之一。随着对空间辐射危害认识的深入，对空间辐射的认识发生了一些大的变化，空间站外部存在很强的混合粒子辐射，尽管空间站内的辐射水平有所降低，但进入空间站的辐射粒子即使在很低的剂量下仍然有很大的辐射损伤危害。目前在地面实验中，对低LET射线的剂量学量的测量已达到较高水平，而高LET辐射剂量学量测量技术及估算技术水平不高，有些辐射剂量学特征量，在空间辐射环境下不确定性很大，可靠性很差。空间站上的辐射生物学研究多数围绕对航天员的危害方面，特别是在未来深空飞行环境中，主要的研究是航天辐射引起的致癌效应，对中枢神经系统的损伤，辐射与其它航天因素如微重力、有害气体的复合作用影响，辐射早期或急期的损伤，辐射对生殖、不育和遗传的危害等辐射生物学效应的系统研究。

3.4 空间受控生态生命保障系统研究

空间受控生态生命保障系统的研究都有一定的规模和独立性，而且处于起步阶段，因而，国际空间站上直接体现空间生态生命保障系统研究的项目相对比较少，主要有：生物质生产系统；确定先进宇宙栽培技术手册；低重力实验中根区基质的优化等。另外，空间基础生物学中的一些研究，在一定程度上，也是空间生命生态支持系统建立的科学理论基础。

但是，利用其它航天器或在地面开展的研究还是多种多样的。当前，共同探索的可行途径是NASA首先提出的先进生命保障系统（Advanced Life Support System，ALSS或ALS）的研究，其目的是为人类长期载人航天奠定必不可少的基础，为提供航天成员食物、水和空气。在远期的受控生态生命保障系统（Controlled Ecological Life Support System，CELSS）研究方面，最主要的成绩体现在CELSS的功能研究方面。因此，该项目涉及的研究和技术被NASA和ESA列为在空间生物学领域处于最优先支持的方向。目前世界上所取得的主要进展有：①俄罗斯的BIOS实验；②美国的封闭生态系统研究，主要是在NASA的约翰逊航天中心、肯尼迪航天中心、艾姆斯研究中心，一些大学和航空航天公司中进行。他们都是通过自己建造的地基受控植物生长舱来开展研究；③ESA的CELSS研究，建造了一个面积215 m2，容积643 m3，功率达26kW的密封生态系统实验床，一个以微生物为基础的人工微型生态系统，一个以微藻和昆虫为基础的实验性密封生态生保系统；④日本的封闭系统研究，日本国家空间实验室把注意力集中在气体循环（O2和CO2分离和浓缩）体系、水循环体系、植物和藻类的生理和培养技术，以及动物生理和喂养等。日本还设计了一个实验“迷你地球”。作为技术支撑，各主要航天国家都研制了一批适应空间站研究必须的空间研究装置和地面模拟研究装置。

4 我国空间站生命科学和生物技术研究目标、任务和内容

20世纪80年代后期以来，我国科技工作者经历了利用高空气球、探空火箭、返回式卫星、飞船等技术手段，开展科学研究的不同阶段，特别是1992年载人航天工程实施以来，进入了一个相对比较有计划、稳定和系统的研究时期，研究条件有所改善，发展了一批空间研究技术和实验装置、地面模拟实验技术和装置、获得了一批有益的研究成果，并取得了开展空间科学实验的直接经验。

4.1 我国空间站生命科学和生物技术研究目标和任务

空间生命科学和生物技术作为空间科学和技术的重要组成部分，在许多涉及国家重大需求方面，如发展现代农业、保障人类健康等方面，空间生命科学与生物技术都是可以有所作为的。空间站突出的资源特点在于可以获得持续的微重力环境以及航天员在轨操作、维护、更换的能力。在舱外暴露平台上，可以利用外太空的辐射、高真空、全谱段太阳照射等条件开展研究。空间生命科学与生物技术的核心任务目标应成为国家促进现代农业发展、保障国民健康提高、维持航天员空间生存能力的重要依托部分之一。我国空间站上开展该领域研究必须面向国家经济建设、社会进步、科学发展等重大需求，服务于促进国家经济建设、提高国民健康水平、保障航天员空间生存能力，其基本任务是：

（1）以促进对生命现象本质的理解和认知，探索科学规律，推进知识创新为目标，开展基础生物学和生命起源研究。

（2）以有助于保障人类丰衣足食和健康为目标，开展空间相关应用技术的研究，特别是促进地面农业、医药和环境生物技术的发展和应用。

（3）以人在空间的长期活动，以及未来拓宽人类生存疆域为目标，研究相关的科学问题和生物保障技术，促进必要的技术储备。

4.2 我国空间站生命科学和生物技术研究内容

针对当前以及今后学科发展过程中可能出现的重要科学问题，应考虑如下主要科学方向和研究内容：

（1）生物的不同物种和生命活动不同层次在空间微重力环境下的基础生物学研究，探讨微重力环境对细胞结构、功能和特性的影响及其分子机理，对生物个体发生、生长、发育、繁殖、衰老和生物节律的影响，并以现代“组学”的概念和研究技术，开展生物功能调控网络研究。

（2）空间微重力环境下生物的不同物种和生命活动不同层次的生物力学机制和感知、传导与响应微重力的力学-生物学耦合规律；其它空间环境因素，如辐射、亚磁环境等，对生命体不同层次的短期和长期影响及其与微重力环境的复合效应。

（3）利用空间特殊条件，通过生物技术或其它应用技术获得创新的生物材料、药物和医疗技术等，获取新的认知，并指导和促进地面农业、医药、环境生物技术研究。

（4）空间条件下，生物的不同物种和生命活动不同层次的辐射生物学研究，评估空间辐射生物学效应（损伤和修复、遗传和变异等），宏观/微观的过程及其机理，构建空间辐射生物学效应的分析模型以及辐射损伤的预防和辐射效应的利用。

（5）受控生态生命支持系统的基础问题研究，包括构成生态系统的基本生物单元、所采用的生物材料、生物学体系、生态平衡机理与调控、空间环境响应、实验系统构建技术等。

（6）适应空间极端环境的生物分子设计和合成生物学，生命起源演化和宇宙生物学相关的基础研究。

（7）研究满足空间生命科学和生物技术实验研究需求的实验平台和实验装置，以及在轨的高精度、小型化的生态和生物学参数监视、检测、分析、测量仪器和调控、供给等技术方法和设备。特别要关注新方法、新技术、新设备的出现和在空间的应用。

随着科学技术的发展，还不断会有无法预料的、新的科学问题的提出，特别是处于学科的前沿，需要不同学科交叉研究的重大科学问题，及时进行安排和组织开展研究。

5 对我国空间站生命科学和生物技术研究的建议

空间生命科学和生物技术的重要理论与应用意义印证了开展该领域研究的必要性和迫切性。从更大、更远和更高的视角分析，这种研究的必要性和迫切性更源自于，中国作为一个大国和强国一定要在当前空间科学与技术的竞争中，对空间资源的控制权和利用权的掌握，占有一定的地位，甚至优势的地位。当前，在空间生命科学和生物技术研究领域中以下重要科学问题值得非常关注，即深入认识空间环境中，生物复杂系统中的功能调控网络；认识生命体各层次对重力变化感知和适应的力学-生物学耦合机制；利用空间特殊条件，通过生物技术，获得创新的材料、药物和医疗技术；构建空间辐射生物学效应分析模型和技术，评估空间辐射损伤和防护；设计和构建稳定运行的受控生态系统和人工生物圈；开展适应空间环境的生物物种的生物分子设计和合成生物，探索生命起源；设计适应上述研究的空间研究实验装备。世界各空间大国对空间生命科学与生物技术的重视程度告诫我们，必须长期地、不失时机地组织和实施该领域的研究。在深入分析和慎重考虑的基础上，及时制定我国空间站生命科学和生物技术领域研究的发展规划，以及阶段性的研究项目指南。

5.1 要注重项目科学上的前瞻性和创新性

到我国空间站建成将有十年左右的时间，选择的项目应当面向国际空间生命科学发展的前沿和今后发展趋势，体现前瞻性、创新性，以推动我国该领域研究走向世界前列。特别值得注意的是科学研究项目所提出的科学问题，真正是空间科学的基本问题，避免将地面科学问题的简单“升空”。

5.2 技术上要体现空间站研究的不可替代性、必要性和可行性

选择的项目特别要着重于在空间站开展该研究的不可替代性或必要性，体现出空间站研究的价值。以及当时技术条件和设备边界条件的可行程度，不是简单的研究装置从地面移到空间站。

5.3 装置上要确保研究的高水准和高成功率

加强对空间生命科学和生物技术研究所涉及的关键技术、新技术方法和高性能材料、器件、仪器等组织开展研究，为空间研究提供必要的技术基础，以确保其研究的高水准和高成功率。

5.4 对研究队伍要强调空间研究的基础和积累

空间研究的特殊性，决定了该研究费力、费时、费钱，而且机会难得。为了确保空间研究的效率和成功，必需强调研究团队不仅要有地面模拟研究的基础，还要有空间研究的基础、经验和积累；不仅要有明确的科学问题研究积累，还要有科学家团队与技术专家团队之间的磨合和沟通。既要有经验丰富的科学家，更要有甘于奉献、持之以恒的中青年骨干。 ◇

［1］中国科学院.科技革命与中国的现代化——关于中国面向2050年科技发展战略的思考［M］.北京：科学出版社，2009.

［2］中国科学院空间领域战略研究组.中国至2050年空间科技发展路线图［M］.北京：科学出版社，2009.

［3］胡文瑞.中国空间科学进展（文集）［M］.北京：国防工业出版社，1995.

［4］江丕栋.空间生物学［M］.山东：青岛出版社，2000.

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