探索地外宜居環(huán)境和生命信號是天體生物學研究的核心科學問題，也是深空探測的重要科學目標。地球上的一些極端環(huán)境是公認的開展天體生物學研究的理想實驗區(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)機制不僅可以更好地認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、行星保護等前沿科學問題。

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研究員林巍、何飛、魏勇與中科院院士潘永信等，聯(lián)合中科院空天信息創(chuàng)新研究院等，研制出我國首個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），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，科研團隊在內(nèi)蒙古烏拉特中旗、青海大柴旦等地區(qū)先后實施了4 次臨近空間飛行實驗，在20-35 公里高度成功驗證了自主研制的各類載荷和飛行平臺，在國際上率先實現(xiàn)了在臨近空間同時開展生物暴露研究、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實驗室地磁場與生物圈演化學科組博士劉佳與合作導(dǎo)師林巍等，聯(lián)合中科院國家空間科學中心、中國農(nóng)業(yè)大學等，開展了國際上首個趨磁細菌的臨近空間飛行實驗（平飛高度23 公里，圖2）。研究發(fā)現(xiàn)，合成磁小體（細胞內(nèi)呈鏈狀排列、Fe3O4成分的納米級磁性顆粒）的趨磁細菌Magnetospirillum gryphiswaldenseMSR-1經(jīng)過臨近空間環(huán)境暴露后仍有部分細胞可以存活，而不合成磁小體的菌株經(jīng)暴露后沒有檢測到存活細胞。進一步研究顯示，臨近空間暴露后的存活生物樣品與實驗室對照組相比，其磁小體的數(shù)量、尺寸、磁學性質(zhì)等均發(fā)生不同程度的變化。同時，基于原位測量獲得的臨近空間紫外輻射數(shù)據(jù)，在實驗室內(nèi)開展了模擬紫外輻射環(huán)境的對比實驗。這些研究表明，細胞內(nèi)的磁小體納米鐵磁性顆粒有助于細菌抵御臨近空間的高輻射極端環(huán)境，細菌細胞內(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實驗平臺具有載荷重量大、發(fā)放和回收靈活等特點，可以與基于空間站的空間生命科學研究形成互補，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）的潛在手段。

相關(guān)研究成果分別發(fā)表在Nature Astronomy和Science Bulletin上。研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（A類）“鴻鵠專項”、國家自然科學基金、地質(zhì)地球所、中科院青年創(chuàng)新促進會等的支持。