宜居環(huán)境與生命信號探測是火星探測任務的重要科學目標，地球上一些與火星類似的極端環(huán)境是展開火星天體生物學研究的理想實驗區(qū)域。地球臨近空間是海平面之上20～100公里高度的區(qū)域，其極端干燥、高輻射、低溫、低氣壓、缺氧等綜合極端環(huán)境條件可以類比現(xiàn)今火星的表面環(huán)境。研究生命在臨近空間類火星極端環(huán)境中的生存和適應機制對于認識地球生命生存極限、界定宜居環(huán)境的理化邊界條件、探尋火星生命信號、評估火星探測的行星保護政策等都具有重要意義。
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中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室劉立博士后與合作導師林巍研究員等利用自主研制的基于高空氣球的臨近空間天體生物學綜合飛行實驗平臺CAS-BAP（Chinese Academy of Sciences Balloon-Borne Astrobiology Platform）將柴達木盆地干旱荒漠土壤樣品帶至臨近空間35公里高度進行暴露實驗，研究土壤微生物在類火星極端環(huán)境中的生存及其適應機制（圖1）。
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圖1 柴達木盆地土壤微生物的臨近空間暴露實驗。（A）高空氣球攜帶臨近空間天體生物學綜合飛行實驗平臺CAS-BAP的放飛瞬間；（B）土壤樣品在臨近空間35公里高度進行暴露；（C）高空氣球的飛行高度和路線示意圖
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研究發(fā)現(xiàn)，暴露后土壤中存活微生物的數(shù)量顯著降低，但仍有一些微生物存活。研究團隊成功從暴露樣品中分離培養(yǎng)出四株細菌，分屬于Peribacillus、Bacillus、Cellulomonas和Pseudarthrobacter屬。比較基因組學分析表明，這四株細菌具有極端環(huán)境壓力的耐受潛力，它們可能通過孢子形成、脅迫感應和調(diào)控系統(tǒng)、應激響應蛋白以及相容性溶質(zhì)的生物合成和運輸?shù)仍谂R近空間類火星極端環(huán)境中存活?；蚪M學分析結(jié)合培養(yǎng)實驗進一步揭示出這些細菌具有較強的高氯酸鹽耐受能力，最高可在500 mmol/L的NaClO4中生長（圖2）。
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圖2 分離培養(yǎng)的四株細菌在不同濃度NaClO4培養(yǎng)基中的生長情況
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現(xiàn)今火星表面環(huán)境條件極端惡劣，火壤中存在著有毒的高氯酸鹽。該研究通過臨近空間類火星極端環(huán)境暴露實驗和實驗室培養(yǎng)實驗，揭示出四株分離培養(yǎng)菌株具有較強的耐受極端環(huán)境的能力，這些結(jié)果為認識地球生命生存極限、探尋火星生命信號等提供了參考。地球臨近空間在探索生命生存極限、篩選耐受類火星極端環(huán)境微生物等研究中具有重要的天體生物學意義，該研究分離培養(yǎng)的微生物也為未來空間生物學實驗和地外環(huán)境模擬研究提供了菌株資源。
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研究成果發(fā)表于學術(shù)期刊mLife（劉立，康夢玲，王喆，申建勛，潘永信，林巍*. Perchlorate-tolerant bacterial strains isolated from the Mars-analog Qaidam Basin soils exposed to Earth's near space[J]. mLife, 2024. DOI: 10.1002/mlf2.12142.）。研究受中國科學院和國家自然科學基金委共同資助。