探索地外宜居環(huán)境和生命信號(hào)是天體生物學(xué)研究的核心科學(xué)問(wèn)題，也是深空探測(cè)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(kāi)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(lèi)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(shí)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(wèn)題。
中國(guó)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(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院等單位，經(jīng)過(guò)四年的攻關(guān)，成功研制出我國(guó)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(tái)CAS-BAP (Chinese Academy of Sciences Balloon-Borne Astrobiology Platform)，該平臺(tái)搭載了自主研制的無(wú)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(lèi)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(lèi)載荷和飛行平臺(tái)，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了在臨近空間同時(shí)開(kāi)展生物暴露研究、原位生物收集和原位環(huán)境因子觀測(cè)，為臨近空間天體生物學(xué)研究提供了平臺(tái)和技術(shù)支撐（圖1）。
圖1 2021年青海省大柴旦地區(qū)HH-21-5飛行實(shí)驗(yàn)中臨近空間無(wú)溫控生物暴露載荷BIOSEP （左）和溫控生物暴露載荷TC-BIOSEP （右）在海拔35公里高度開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)
利用CAS-BAP平臺(tái)，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(chǎng)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(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)等科研人員，開(kāi)展了國(guó)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(jí)磁性顆粒）的趨磁細(xì)菌Magnetospirillum gryphiswaldense MSR-1經(jīng)過(guò)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(méi)有檢測(cè)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(duì)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(cè)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(kāi)展了模擬紫外輻射環(huán)境的對(duì)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(lèi)火星環(huán)境的一種策略。
圖2 臨近空間趨磁細(xì)菌的飛行實(shí)驗(yàn)示意圖
基于高空氣球的臨近空間天體生物學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(lái)地外生命探測(cè)（如金星大氣中生命信號(hào)原位探測(cè)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(guó)科學(xué)院A類(lèi)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“鴻鵠專項(xiàng)”、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)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