探索地外宜居環(huán)境和生命信號是天體生物學(xué)研究的核心科學(xué)問題，也是深空探測的重要科學(xué)目標(biāo)。地球上的一些極端環(huán)境是公認(rèn)開展天體生物學(xué)研究的理想實(shí)驗(yàn)區(qū)域。海平面之上20~100公里高度的地球臨近空間具有高輻射、低氣壓、低溫、干燥等極端環(huán)境條件，可以在一定程度上類比現(xiàn)代火星的表面環(huán)境。探究生命在臨近空間的生存和適應(yīng)機(jī)制不僅可以更好地認(rèn)識地球生命的生存極限，而且有助于理解地外生命可能的生存策略、生命星際傳輸、行星保護(hù)等前沿科學(xué)問題。
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的林巍研究員、何飛研究員、魏勇研究員、潘永信院士等，聯(lián)合中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院等單位，經(jīng)過四年的攻關(guān)，成功研制出我國首個(gè)基于高空氣球的臨近空間天體生物學(xué)綜合飛行實(shí)驗(yàn)平臺CAS-BAP (Chinese Academy of Sciences Balloon-Borne Astrobiology Platform)，該平臺搭載了自主研制的無溫控生物暴露載荷（BIOSEP）、溫控生物暴露載荷（TC-BIOSEP）、原位生物收集載荷（BANDS）、紫外光譜儀（UVS）等四類臨近空間原位和遙感載荷。自2019年起，研究團(tuán)隊(duì)在內(nèi)蒙古烏拉特中旗、青海大柴旦等地區(qū)先后實(shí)施了4次臨近空間飛行實(shí)驗(yàn)，在20-35公里高度成功驗(yàn)證了自主研制的各類載荷和飛行平臺，在國際上率先實(shí)現(xiàn)了在臨近空間同時(shí)開展生物暴露研究、原位生物收集和原位環(huán)境因子觀測，為臨近空間天體生物學(xué)研究提供了平臺和技術(shù)支撐（圖1）。
利用CAS-BAP平臺，在建立交叉研究方法的基礎(chǔ)上，地球與行星物理院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室地磁場與生物圈演化學(xué)科組劉佳博士與合作導(dǎo)師林巍研究員等，聯(lián)合中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)等科研人員，開展了國際上首個(gè)趨磁細(xì)菌的臨近空間飛行實(shí)驗(yàn)（平飛高度23公里，圖2）。研究發(fā)現(xiàn)合成磁小體（細(xì)胞內(nèi)呈鏈狀排列的、Fe3O4成分的納米級磁性顆粒）的趨磁細(xì)菌Magnetospirillum gryphiswaldense MSR-1經(jīng)過臨近空間環(huán)境暴露后仍有部分細(xì)胞可以存活，而不合成磁小體的菌株經(jīng)暴露后沒有檢測到存活細(xì)胞。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，臨近空間暴露后的存活生物樣品與實(shí)驗(yàn)室對照組相比，其磁小體的數(shù)量、尺寸、磁學(xué)性質(zhì)等均發(fā)生不同程度的變化。同時(shí)，基于原位測量獲得的臨近空間紫外輻射數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展了模擬紫外輻射環(huán)境的對比實(shí)驗(yàn)。這些研究表明，細(xì)胞內(nèi)的磁小體納米鐵磁性顆粒有助于細(xì)菌抵御臨近空間的高輻射極端環(huán)境，細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的生物礦化可成為微生物適應(yīng)類火星環(huán)境的一種策略。
基于高空氣球的臨近空間天體生物學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺具有載荷重量大、發(fā)放和回收靈活等特點(diǎn)，可以與基于空間站的空間生命科學(xué)研究形成互補(bǔ)，并有望成為未來地外生命探測（如金星大氣中生命信號原位探測等）的一種潛在手段。
上述成果近期分別發(fā)表于Nature Astronomy和Science Bulletin。研究受中國科學(xué)院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)"鴻鵠專項(xiàng)"、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會等共同資助。
1. 林巍*，何飛，張文斯，堯中華，申建勛，任志鵬，袁洪，蔡榕，魏勇，潘永信. Astrobiology at altitude in Earth's near space. Nature Astronomy, 2022, 6: 289. DOI: 10.1038/s41550-022-01606-1
2. 劉佳，張文斯，何況，劉立，王超，蔣遠(yuǎn)大，馬士蛟，田杰生，李穎，張同偉，田蘭香，何飛，Greig A. Paterson，魏勇，潘永信，林巍*. Survival of the magnetotactic bacterium Magnetospirillum gryphiswaldense exposed to Earth's lower near space. Science Bulletin, 2022. DOI: 10.1016/j.scib.2022.03.005