王鑫 李虹 王鳳嬌 程方（中國航天系統(tǒng)科學與工程研究院）

自20世紀60年代起，空間生物安全就受到全球關(guān)注。美國、俄羅斯、歐洲等國家和地區(qū)在深空探測活動中均采取了嚴格的生物安全防控措施，并利用微重力、輻射等空間環(huán)境所產(chǎn)生的特殊生物學效應(yīng)，開展空間生物實驗和生物安全技術(shù)研究。目前，空間醫(yī)藥被列為“國際空間站”（ISS）的十大技術(shù)突破。中國空間站預(yù)計在2022年完成建造并將長期在軌運行，為大規(guī)模開展空間生物實驗奠定設(shè)施基礎(chǔ)，支持在空間特殊環(huán)境下開展更復雜、更系統(tǒng)、更前沿的生物實驗?？臻g生物技術(shù)和安全作為生物安全的重要組成部分，對于構(gòu)筑國家安全體系具有重大意義。

1 空間生物技術(shù)的概念

空間生物技術(shù)是指利用空間特殊環(huán)境，以現(xiàn)代生命科學理論為基礎(chǔ)，結(jié)合其他基礎(chǔ)科學的科學原理，采用先進的技術(shù)手段，按照預(yù)先的設(shè)計改造生物體或加工生物原料，為人類生產(chǎn)出所需產(chǎn)品或達到某種目的，為社會服務(wù)的一門新興的綜合性學科。

據(jù)美國國家航空航天局（NASA）分析，空間生物技術(shù)的主要內(nèi)容包括細胞培養(yǎng)和組織工程技術(shù)，大分子的結(jié)晶、分離和純化，以及適用于空間生物實驗的特殊技術(shù)和實驗儀器的開發(fā)等。目前，對空間生物技術(shù)的研究主要包括空間細胞培養(yǎng)技術(shù)、空間生物分離技術(shù)、空間蛋白質(zhì)技術(shù)、空間受控生命生態(tài)保障技術(shù)、空間制藥技術(shù)、空間育種技術(shù)，以及空間重力實驗技術(shù)和空間亞磁場環(huán)境地基實驗技術(shù)等。

2 美國空間生物技術(shù)發(fā)展歷程及計劃

發(fā)展歷程

從20世紀40、50年代開始，美國就開始利用火箭和衛(wèi)星開展生物試驗。美國空間生物技術(shù)的研究大體經(jīng)歷3個階段：

試驗準備階段。

發(fā)射14枚生物火箭，開展動物飛行試驗，重點完成概念的論證、模擬飛行試驗并制定計劃等。主要目的是觀察人或動物在失重條件下、短暫時間的失重飛行中，以及超失重交替的過程中的生理指標變化，確定人或動物在太空飛行的可能性和安全性。

飛行試驗階段。

在ISS內(nèi)探究航天病的發(fā)病機理以及對應(yīng)的防護措施等，完成空間站初期階段的實驗任務(wù)，并實現(xiàn)了載人航天在技術(shù)上的重要突破。實驗初步掌握了各個生理系統(tǒng)適應(yīng)微重力環(huán)境和返回地面后對重力環(huán)境再適應(yīng)的規(guī)律，并積累了航天員在飛行前、中、后的大量生理數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)實驗階段。

逐漸解決了在太空長時間飛行停留的醫(yī)學問題；從細胞、分子層面對在太空環(huán)境中引發(fā)的生物學效應(yīng)進行深入細致的研究和觀察。

飛行計劃

美國早期在空間生物技術(shù)領(lǐng)域的研究進展大大增強了人們對太空探索的信心，在政府大量經(jīng)費的支持下，對空間生物技術(shù)的研究取得了非常豐碩的成果，但同時也遇到了一些需要解決的生物學問題，尤其是心血管、空間運動病等方面。為解決系列生物學問題，美國實施了一系列的飛行計劃，進一步探索并解決人類在太空中遇到的生理問題。

“水星”（Mercury）計劃。

美國第一個載人航天計劃，主要目標是解決人在太空環(huán)境中的生存問題?！八恰庇媱澇晒Φ刈C明了人可以在太空中生存，而且還能開展工作。但是，研究發(fā)現(xiàn)了一些比較重要的生物學問題，比如立位耐力下降、骨質(zhì)流失、血和尿中電解質(zhì)平衡失調(diào)、心血管系統(tǒng)功能失調(diào)、運動能力下降等。

“雙子座”(Gemini)計劃。

美國載人航天過程中的一個過渡性計劃，總共開展了10次飛行任務(wù)并取得了巨大的成果。主要目的是研究航天員在太空飛行過程中的承受力和艙外活動能力。研究結(jié)果表明，太空環(huán)境會使得人的紅細胞降低、立位耐力下降、骨密度降低、骨鈣和肌營養(yǎng)持續(xù)性喪失、運動能力降低等。此外，艙外活動的代謝損失比預(yù)計高。

“阿波羅”（Apollo）計劃。

美國最具歷史意義的航天計劃。該計劃一是研究確保航天員在太空飛行中安全、健康的技術(shù)；二是研究避免月球上的微生物對地球造成環(huán)境污染的方法；三是探究航天員在月球環(huán)境中的生理變化。成果主要包括：飛行后立位耐力下降，登月過程中會產(chǎn)生前庭功能障礙，飛行后會出現(xiàn)脫水和體重減輕現(xiàn)象，但一周之內(nèi)就會恢復等。

“天空實驗室”（Skylab）。

“天空實驗室”一方面探究中長期太空飛行中的醫(yī)學問題，并制定防護措施；另一方面開展密閉生態(tài)和再生式生命保障系統(tǒng)的研究，目的是了解長時間失重環(huán)境對人生理功能的影響，以及人在太空適應(yīng)的時間長短與適應(yīng)過程。通過“天空實驗室”獲取的大量生物學科研數(shù)據(jù)，對加快人體適應(yīng)太空環(huán)境過程的理解具有重要的意義。

ISS。

ISS中開展的研究主要包括兩個領(lǐng)域，分別是微重力科學和生命科學。其中，微重力科學主要研究基礎(chǔ)生物技術(shù)、蛋白質(zhì)晶體生長、哺乳類細胞和組織培養(yǎng)等生物技術(shù)等。生命科學主要研究基礎(chǔ)生物學、空間生理學、重力生物學、生物醫(yī)學研究與防護措施，以及三維腫瘤組織培養(yǎng)等。

研究計劃

美國在空間生物領(lǐng)域主要有以下3個研究計劃：

《人體研究計劃》(HRP)。

該計劃有6個研究方向，分別為：ISS醫(yī)療項目、醫(yī)學能力探究、空間人為因素和宜居性、人體健康對策、行為健康和績效，以及空間輻射。研究目的是預(yù)防和減弱人類在太空探索任務(wù)中和任務(wù)后的健康、績效風險，確保航天員能夠成功地完成探索任務(wù)。

《2010－2020年基礎(chǔ)空間生物科學計劃》。

該計劃主要集中于細胞和分子生物學的技術(shù)發(fā)展，回答有關(guān)空間環(huán)境對生物過程影響的基本生物學問題。2010－2015年，重點研究細胞和微生物學；2016－2020年，重點研究動物和植物學。主要目的是有效地利用微重力和空間環(huán)境等特點，提高我們對基本生物過程的理解，建立人類在太空長時間安全健康生活的技術(shù)，并為長期太空探索做準備。

《2016－2025年空間生物學科學計劃》。

該計劃明確提出，2016－2025年，重點開展微生物、動物和植物研究。主要目的是：了解微生物和動植物在重力條件下的變化對分子機制的影響；研究肌肉骨骼系統(tǒng)在微重力中的變化，以及長期飛行對免疫系統(tǒng)的影響等。

3 美國空間生物技術(shù)重點研究領(lǐng)域

目前，ISS開展的生物學技術(shù)試驗研究方向包括：細胞生物學、微生物學、植物生物學、大分子晶體生長、動物生物學和疫苗開發(fā)；此外，生物醫(yī)學工程也是ISS研究的重點項目，如研制在醫(yī)學、生物學和藥物學方面有潛在應(yīng)用價值的微生物、細菌和動物胚胎的蛋白質(zhì)晶體等生物材料。

美國空間生物技術(shù)的研究主要基于在ISS上開展的試驗，分為兩個重點研究領(lǐng)域：一是航天員健康維護技術(shù)及在軌作業(yè)能力研究，二是先進的在軌生物學技術(shù)實驗研究。

航天員健康維護技術(shù)及在軌作業(yè)能力研究。

該領(lǐng)域細分為航天員健康監(jiān)測保障技術(shù)和航天飛行乘員的心理狀態(tài)及生物節(jié)律變化規(guī)律兩個領(lǐng)域。航天員健康監(jiān)測保障技術(shù)以輕型、微（無）創(chuàng)、遙測等多功能為發(fā)展思路，建立航天員健康安全在軌監(jiān)（檢）測技術(shù)和太空環(huán)境生物安全性評估技術(shù)，建立太空飛行醫(yī)學自主治療、自主救護技術(shù)，如NASA研制的多投影X線骨密度儀掃描系統(tǒng)、微型便攜式中子光譜儀、飛行質(zhì)譜儀和心血管識別系統(tǒng)、超聲影像診斷儀等。航天飛行乘員的心理狀態(tài)及生物節(jié)律變化規(guī)律主要針對太空飛行密閉狹小空間、任務(wù)高負荷要求、人群有限交流和晝夜節(jié)律變化等特點，分析隔離孤獨心理問題、節(jié)律紊亂與工作能力之間的因果關(guān)系，降低航天員負面心理影響效應(yīng)，發(fā)展心理支持、自主糾治技術(shù)和有效的防護措施。

先進的在軌生物學技術(shù)實驗研究。

該領(lǐng)域細分為空間細胞學在軌實驗平臺技術(shù)、生理學在軌實驗技術(shù)和模擬航天環(huán)境效應(yīng)研究?？臻g細胞學在軌實驗平臺技術(shù)更進一步探討太空飛行環(huán)境因素引起的空間生物問題的發(fā)生機制，從細胞、分子的水平開始，開展微重力條件下細胞形態(tài)、生長、發(fā)育、凋亡等細胞生物學及其技術(shù)的研究，建立重力、空間、溫度、營養(yǎng)條件等受控的空間細胞學技術(shù)平臺與模擬平臺，實現(xiàn)航天員參與操作條件下在軌細胞形態(tài)學和細胞處理的實時研究；生理學在軌實驗技術(shù)重點從細胞和分子層面揭示太空微重力和太空輻射條件下的生理、病理影響規(guī)律與特征，建立適用于太空飛行環(huán)境特點的健康監(jiān)（檢）測技術(shù)和手段，建立航天員生理信號在太空飛行中能實時采集、記錄和傳輸?shù)募夹g(shù)，研究太空飛行時骨骼肌肉系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)和心血管功能等失重、輻射生理功能的影響；模擬航天環(huán)境效應(yīng)研究針對太空飛行條件下微重力、輻射、噪聲、密閉狹小等因素，利用地基模擬實驗，以生物體為對象，通過環(huán)境造模、藥物造模、基因工程改造等技術(shù)，進一步探究來為太空飛行中關(guān)鍵生物學問題提供先進技術(shù)和有效裝備，為深空探測活動進行技術(shù)儲備。

4 ISS美國國家實驗室研究進展與成果

自2012年以來，ISS美國國家實驗室重點關(guān)注生物醫(yī)學領(lǐng)域。主要包括：①在醫(yī)學、生物技術(shù)、生物物理學或制藥領(lǐng)域進行的轉(zhuǎn)化或應(yīng)用研究；②將生物技術(shù)的設(shè)計演示、開發(fā)測試等直接應(yīng)用在長期航天研發(fā)計劃中，促進生物醫(yī)學或保健領(lǐng)域研發(fā)；③在生物醫(yī)學研究領(lǐng)域，建立明確的微重力影響參數(shù)，預(yù)測長期航天研發(fā)項目的市場需求。從ISS美國國家實驗室的歷年項目來看，干細胞、組織工程、嚙齒動物研究和大分子晶體生長領(lǐng)域取得了明顯的成績。

組織工程和再生醫(yī)學。

組織工程學通常應(yīng)用在培養(yǎng)類似人體的組織，以對人類疾病進行建模和研究，進行更高精確度和個性化的藥物測試，或者推進器官生長研究以解決器官移植的短缺等問題。再生醫(yī)學研究旨在通過使用組織芯片和生物制造設(shè)備來解決健康和長壽問題。ISS美國國家實驗室在組織工程和再生醫(yī)學領(lǐng)域的項目已獲得了近3000萬美元的撥款。

嚙齒動物研究。

由于嚙齒動物與人類之間的遺傳相似性，它們是研究人類疾病的強大模型，被廣泛用于新藥的臨床前測試中。嚙齒動物研究為科學家提供了疾病加速模型，用以研究疾病背后的機制并測試新療法。使用嚙齒動物等模型生物進行的研究不僅可以洞察太空飛行對航天員健康的影響，還可以模擬人類疾病在地球上的影響，例如骨質(zhì)流失、肌肉萎縮、心臟病、免疫功能障礙和其他疾病。迄今為止，ISS美國國家實驗室已完成33個嚙齒動物研究項目。

大分子晶體生長。

高品質(zhì)的有機分子晶體，例如蛋白質(zhì)，可以改善藥物的開發(fā)、配方、制造和儲存，更好地保護作物和促進植物生長。在太空微重力環(huán)境中，能夠生長出比地球晶體更大或更有序的晶體。許多研究人員已使用ISS美國國家實驗室的獨特結(jié)晶環(huán)境來推進他們的研究與發(fā)展。ISS美國國家實驗室已進行了25個晶體生長項目。

5 結(jié)語

太空擁有獨特的科學實驗環(huán)境，與地面相比，太空具有完全不同的電磁環(huán)境、重力環(huán)境和運動環(huán)境，對開展相關(guān)生物科學實驗具有得天獨厚的優(yōu)勢，特別對生物生長、基因遺傳、變異機理分析和微生物特定環(huán)境下培育規(guī)律具有重大科學研究價值。我國空間站即將建成，空間生物技術(shù)的發(fā)展將迎來歷史性的重大機遇，一系列空間平臺的建立將為我國開展空間生物技術(shù)的研究奠定堅實的基礎(chǔ)，極大地促進我國空間生物科學試驗的發(fā)展和應(yīng)用，更好地服務(wù)國家安全和社會發(fā)展。