太空飞行中，无处不在的病毒和细菌

文/ 李会超

近一段时间以来，新型冠状病毒让不少人失去了健康，也给社会运行和人们的生活带来了巨大的麻烦。然而大家或许有所不知，在载人航天飞行中，病毒、细菌等微生物也给航天员生命健康和航天器设备正常运行，带来了很多麻烦。为了保证载人航天飞行的安全，科研人员和航天员也要同这些微生物“斗智斗勇”。

▲ 阿波罗11号航天员使用的移动检疫设施

▲ 执行“阿波罗7号”任务的3名航天员

▲ 地面工作人员正在测试为国际空间站准备的微生物采样工具

威胁航天员身体健康

在美国“阿波罗7号”的飞行中，3名航天员在任务开始后同时患上了感冒。在后续的任务执行过程中，被疾病折磨的航天员的情绪和工作状态受到了很大的影响，还一度进行过违章操作。虽然没有足够的证据能够证明这是一次由病毒引起的感冒，但这件事警示人们，在太空中避免微生物引发的各类健康问题至关重要。

载人航天器舱室内部的温度一般在23摄氏度左右，湿度在30%～70%之间。如此舒适的环境，在保障航天员工作和生活的同时，也为微生物提供了适合生长繁殖的环境。在太空密闭的舱室内，航天员们无法开窗，同时由于条件限制也使得他们无法像在地面上那样，能够频繁地洗手和洗澡。在地面上，打一个喷嚏所喷出的飞沫会很快在重力的作用下沉降，而在太空的失重环境中，飞沫会长时间漂浮在舱内的空气中或沾染到仪表盘等固体表面，成为可能的传染源。美国布朗大学的传染病专家曾对执行过航天飞机任务的742名航天员进行过调查，结果发现了29例传染病，主要病症包括感冒、发烧、泌尿与皮肤感染和病毒性肠胃炎等。

免疫系统是人体自身抵抗微生物入侵的屏障。而研究发现，当航天员进入太空之后，免疫系统的机能会受到一定限制。同时，体内一些已经处于蛰伏状态的病毒可能会被再次激活。例如，美国宇航局公布的一项研究结果表明，潜藏在人脊髓神经细胞中、处于休眠状态的水痘带状疱疹病毒，在太空飞行中可能被再次激活。虽然不会引起明显的病症，但这种病毒的激活将会影响航天员的免疫力。同时，微生物在太空的微重力和高辐射环境中所发生的变化，也有可能使它们产生更大的危害。2017年，美国科罗拉多州立大学的研究人员发现，在太空中，人类肠道中侵入的大肠杆菌与地球上的生长方式不同，产生了更强的耐药性，需要更高浓度的抗生素才能杀死这些细菌。

对于一般人来说，患病后到医院就能得到妥善的治疗，而对于航天员来说，远在太空，去医院是不可能的事情。

破坏航天器舱内设备

苏联/俄罗斯的和平号空间站运行期间，航天员们发现一个观察孔变得越来越模糊。原来是微生物在那里安了家。观察孔周边的橡胶上生长了大量的微生物，它们代谢出的有机酸腐蚀了观察孔。

对于载人航天飞行来说，微生物对于飞行的威胁不只来自于对航天员健康的威胁，还有对设备的破坏。舱内设备几乎所有的材料都可能被微生物附着，而航天飞行的微重力和辐射环境又可能使微生物变异，使得它们生存和繁殖的本领变得更强。在湿度较大且通风不畅的地方，微生物可能会以一些有机聚合材料作为它们的“食物”，从而直接对这些材料所构成的设备进行破坏。同时，微生物分解出来的有机酸，会加快不少舱内材料的腐蚀。

▲ 国际空间站上采样后的微生物在培养皿中生长

从1986年开始服役到其结束使命的15年间，和平号空间站的运行一直受到微生物的破坏。“和平号”的舱内空气和设备表面上，共发现过真菌、细菌等微生物多达234种，其中有不少都能腐蚀舱内材料。科研人员发现，越是老化的材料越容易成为微生物栖息的温床，比如橡胶、钛和铝等材料都可能因此遭殃。此外，细菌自身形成的生物膜层和栓塞物还堵塞过和平号空间站的水再生系统管路。在国际空间站上也发现过微生物在火警报警装置上滋生的情况，影响了探测的精度。

控制微生物有妙招

载人航天飞行器舱内的微生物来源主要有两个：一个是航天员自身携带的微生物，另一个是航天器在制造过程中舱内材料所沾染的微生物。对于空间站来说，当货运飞船从地面带来给养时，不可避免地也会携带一定量的微生物。和地面上一样，彻底禁绝微生物的存在是不可能的。但为了保障载人航天飞行的安全，科研人员已经找出了一系列行之有效的措施，避免微生物对载人航天飞行的正常运行产生危害性的影响。

在上天之前，无论是航天员还是航天器都要为应对微生物的问题采取特殊的措施。对于航天员来说，工作人员会检查他们体内已经携带的微生物，有针对性地为他们准备药物以预防可能出现的疾病。在发射前，航天员的生活将受到控制，以避免他们沾染新的微生物。对于航天器来说，要根据以往的经验，尽量选择能够抑制微生物生长的材料，在制造过程中，还要采取严格的消毒灭菌措施。

▲ 航天飞机的航天员正在进行细菌实验

▲ 和平号空间站壁板上滋生的真菌

在飞行过程中，为了掌握舱内的微生物生长情况，需要对微生物环境进行监控。例如，在国际空间站上，设置了检测空气微生物污染状况和仪器表面微生物情况的仪器。这两种仪器的基本原理都是进行取样后把微生物在培养基或培养皿中“养”起来，观察微生物增殖的情况，一定时间后进行计数和拍照，由此推测微生物污染的情况。对舱内空气进行测量时，航天员要抽取一定量的空气。而对设备表面进行测量时，则是使用棉签取样或是利用含有培养基的膜粘贴设备表面。

和疫情期间大家经常要佩戴口罩、对空气和门把手等器物表面进行消毒一样，过滤和消毒也是载人航天飞行器应对微生物威胁的有效手段。以国际空间站为例，装有高效滤网的细菌过滤单元可以有效过滤舱内空气中99.9%的0.3微米以下颗粒，而最小的细菌也只有0.3微米那么大。对于设备表面，相关人员则需要用消毒巾每周擦拭一次。而对于极有可能为细菌提供滋生环境的冷却水管道，一般使用碘消毒剂进行消毒。

利用微生物做实验

并非所有的微生物都对人类有害，从美味的酸奶到被自然降解的垃圾，微生物也可以成为人类美好生活的帮手。为了解微生物在太空条件下的生长情况，不少实验都被带上了国际空间站。去年7月，美国宇航局发布了利用微生物进行太空采矿的研究情况。在地球上，利用微生物完成从岩石中分离矿物和金属的技术，已经得到了普遍应用。而未来在对其他天体的资源进行开发时，微生物显然比体积重量巨大的采矿机器更加好用。利用国际空间站上的BioRock实验设备，科学家们已经开始了这方面的实验。他们将三种微生物附着到一块玄武岩上，观察微生物产生的生物膜与玄武岩相互作用的情况，考察微生物提取玄武岩中二十多种微生物的情况。当对微生物在太空中的采矿行为有了足够的了解后，这些微生物不但可以帮助人们开采其他天体上的矿产资源，还有可能在其他天体上改造出适合植物生长的土壤。

▲ 在国际空间站用BioRock实验装置，利用微生物从岩石中分离矿物和金属

而在MVP Cell-02实验中，科学家们则更聚焦微重力环境对微生物繁殖和进化过程的影响。他们选取了一种称为枯草芽孢杆菌微生物作为实验对象。这是一种对人体无害的耐寒微生物，具有极强的适应能力。当所处环境的营养充足时，他们便开始增殖，而一旦营养供应变得紧张，细菌就会进入休眠状态。重新“唤醒”细菌，只需要加入足够的营养物质。总共有三个实验组的细菌参与了试验。一组细菌作为对照组，在地面上培养。在太空中的两组细菌，一组置于国际空间站的微重力环境中，另一组则使用离心机在太空中创造出与地面相似的重力场。由于这种细菌的耐受力较强，航天员基本不用花费时间精力在实验过程中对它们进行照料，只需在实验结束后对实验装置进行必要的处理，并放入下行的货运或载人飞船带回地球即可。

未来，微生物还可能为长期的太空旅行提供食物来源。在美国宇航局资助美国宾夕法尼亚大学的科研人员完成的一项研究中，科学家们找到了与人类相爱相杀的细菌来完成把人的粪便变为食物的工具。他们制作了一个管状的实验装置，将与人类粪便化学性质类似的实验替代品（谁都不想实验室臭气熏天）装入装置之中，同时还放进去两种细菌。这两种细菌，一种负责通过厌氧消化过程，从粪便中产生甲烷和含氮气体，而另一种则以这两种气体为食物，进一步产生蛋白质和脂肪。最终，航天员们食用的就是这些细菌所生产的食物。在目前的实验中，这种食物的性状看起来像是龟苓膏或是魔芋块，口感应该不会太差。这种食物里含有52%的蛋白质和36%的脂肪，看起来营养比例也不错。这项技术成熟后，有望解决星际航行中航天员食物来源的问题，以腾出更多的空间来装载仪器设备。