研究来自：鸿鹄专项
编辑排版：临近空间的奥秘北向
临近空间指海平面之上20~100km高度的空间,包括大部份的平流层、整个中间层和少部份热层.临近空间是生物圈-大气圈-电离层的多圈层耦合区,是保护人类和地表生物圈免受太阳风和宇宙幅射侵蚀的重要屏障,上接内层空间,下临各国领空,战略地位突出.临近空间奇特的高幅射、低温、干燥、低气压等复杂极端环境条件是实验室未能模拟的,可以类比初期月球的高幅射环境和现代火星的表面环境,使其成为举办月球生物学和天体生物学研究的天然实验室.近些年来研究人员陆续在临近空间20~41km高度发觉许多微生物,表明临近空间中存在着一个未知的生物圈.随着浮空器技术的进步以及实验荷载和技巧的研制,临近空间的生物学研究,非常是在临近空间生物多样性及其环境适应机制等方面取得了一系列新进展.这为更好地认识月球生物圈上边界、生命生存极限、类火星环境生命、生命星际传输、行星保护等天体生物学问题提供了新的突破口.临近空间生物学研究与近地轨道空间中举办的生物实验具有挺好的衔接和互补,随着我国将于2022年前后完成中国空间站建造以及“登月探火”等深空侦测计划的逐渐施行,临近空间生物学研究除了可以为未来空间站的相关研究提供支撑,但是也将进一步推动我国在天体生物学研究领域的发展。
序言
临近空间指海平面之上20~100km高度的空间,包括平流层的大部分区域、整个中间层以及热层顶部,接内层空间,下临各国领空,战略地位突出.据恐怕每年起码有10的21次方个微生物通过季风、风暴、沙尘暴、物质燃烧、地质活动(如火山喷发、地震等)、人类活动(如农耕和发射客机、火箭、导弹、卫星等)等途径从地表和底泥表面传输至低层大气和临近空间.其中部份生物又通过大气活动或低层大气中暴雨降雨等过程再返回地面,因而引起行星尺度上的大规模微生物“迁徙”,因而可能影响区域和全球尺度的微生物地理分布格局(图1).这种微生物活动可以影响低层大
气中云层的产生,催生产生凝结核,引起雨、雪和暴雨等,进而影响局部的天气和气候.有研究表明临近空间和低层大气中存在着致病微生物和病毒,可能导致一些陆地动物和海洋生物发生肿瘤,部份微生物分泌的脂寡糖、内毒素等还可引起人类的呼吸道癌症和过敏反应等.据悉,临近空间中生存的极端微生物可能具有特殊的生理过程和代谢产物,具有潜在的开发应用前景.
▲图1：临近空间生物循环示意图.临近空间包括海平面之上20~100km高度的空间,在大气对流层(地面至约8~15km高度范围)之上,包括平流层(对流层顶向下至约50km高度范围)的大部份、整个中间层(约50~85km高度范围)以及热层(约85~500km高度范围)的顶部
平流层是临近空间中一个重要的大气分层,也是数学物理性质、辐射、动力学过程等变化强烈的区域.流层的温度随高度降低而下降,其顶部温度约为零下60°C至零下70°C,而底部温度可达0°C以上.可以吸收长波紫外线而保护地表生物免受其害处的臭氧层就坐落平流层中,致使平流层底部和顶部的紫外幅射差别明显.平流层臭氧层之上的高幅射区可以在一定程度上类比初期月球(臭氧层出现之前)的高幅射环境,而平流层中30~40km区域的气温、气压、湿度、辐射等综合环境条件可以类比现代火星的表面环境.俄罗斯国家民航航天局(NASA)早已开始借助临近空间来研究月球微生物是否可能附着在侦测器上抵达并“污染”火星表面.
临近空间环境是地表环境与近地轨道空间和深空环境的过渡区,其中生存的生物就能耐受严苛的极端环境,对其多样性、适应机理和维持机制的研究为天体生物学研究提供了新的突破口.举办临近空间生物学研究对全球环境变化、生态系统可持续发展、生物新资源获取和开发借助、人类健康、国家安全等都具有重要意义.本文简略概述临近空间的生物多样性和环境适应性研究进展,介绍临近空间研究中涉及天体生物学的主要科学问题,以期推动我国临近空间生物学研究的发展.
出来
随着高度的下降,临近空间中生物产率明显减少,取样难度降低,因而生物样品的原位取样是临近空间生物学研究的一项重要内容.临近空间原位搜集装置在升空前需在地面进行组装,在预定高度采集生物样品后也须要返回实验室进行生物学研究,怎么有效规避地面和低层大气的生物污染是临近空间生物取样须要解决的关键技术问题.同时,因为临近空间生物产率较低,采集到的生物样品量一般较少,分离培养仍然是临近空间生物学研究的主要手段,该方式可以获得纯培养菌种以进行更为深入的剖析.近些年来,随着对临近空间生物学研究的愈发关注,一些新开发的方式和新研发的搜集荷载为临近空间生物多样性研究提供了技术支撑.
借助高空客机进行生物样品搜集是举办临近空间生物学研究的方式之一.日本学者借助高空客机ER-2(其巡航高度是普通商用客机的2倍)搭载冲击式取样器,取样器武器在客机机翼,在临近空间底界20km高空举办2.5h巡航取样,随即在实验室分离培养了4株细菌和多株产孢子的真菌.后续研究又分离得到不形成孢子的真菌,这种真菌与在火山灰中发觉的微生物类似,表明这种微生物可能通过地面火山喷发传输至临近空间.研究人员随即对冲击式取样器进行整修,表面喷丸以降低表面积因而更好地吸附生物样品.她们借助改进后的装置对太平洋上空约20km处的生物进行搜集和培养,获得的菌种与在欧洲发觉的微生物最为类似,推断来自欧洲的沙尘可能携带微生物穿过太平洋将其运输至北非洲.
探空湖人相较于其他飞行器在理论上可以抵达临近空间的任何高度,在其上升或升高过程中可以采集空气中的生物样品.南斯拉夫科研人员曾举办过借助探空气象湖人搜集临近空间生物的研究,她们在海拔8~77km的高空发觉了微生物,这是文献报导临近空间存在生物的最高纪录.并且该推论目前还未得到学术界的普遍认可,一些学者觉得该研究发觉的生物可能来自低层大气或地面的污染.探空湖人成本高、驻空时间短、收集生物样品的时间极其有限且便于受污染,造成该方式没有普遍用于临近空间生物学研究.
浮空器(非常是高空汽球)是目前举办临近空间生物学研究最常用的飞行器.早在19世纪末和20世纪初,法国学者就开始借助汽球研究大气中的生物组成,发觉了一些细菌和产孢子的真菌,但这种样品主要来自对流层.随着浮空器技术的进步和生物学技巧的发展,法国、英国、印度、日本等国陆续在21~41km高度发觉并分离培养到微生物,表明临近空间平流层中存在着一个有待深入研究和认识的生物圈.目前对临近空间微生物群落组成的研究主要来自分离培养方式.迄今已分离到的微生物全部属于真菌和细菌,其中分离的真菌类群大多能形成孢子,孢子对极端环境条件具有很强的抵抗力,这可能是这种生物才能耐受临近空间极端环境的重要诱因之一.值得注意的是,自然界绝大多数微生物目前尚未能在实验室成功培养,因而传统培养方式获得的多样性信息不能确切反映临近空间生物群落的组成.基于16SrRNA基因的分子生态学方式早已应用于临近空间生物学研究,未来基于组学如宏基因组、单细胞基因组等)的研究将进一步加深我们对临近空间生物多样性的认识.
起来
临近空间具有较复杂的极端环境条件,其高紫外幅射可以导致生物DNA损伤,低压和干燥环境会造成DNA双链结构破裂,而高温则可能会延后生物的生长和新陈代谢活动.生物怎样适应临近空间的极端环境如地面生命能够在临近空间中存活以及怎么存活、空环境对生物的生理代谢和遗传发育等有何种影响等)是临近空间生物学研究的重要内容.当前该领域的主要研究方式是借助高空汽球将代表性的模式生物类群带到临近空间进行曝露,之后返回实验室对曝露后生物样品的各类变化举办研究,从而阐述生命适应临近空间极端环境的可能机制.
日本NASA的学者举办了较系统的临近空间平流层微生物曝露实验.她们借助自主研发的平流层微生物曝露荷载将短小芽孢链球菌(SAFR-032)的孢子带到20km高度以上进行短时曝露,发觉该过程对孢子的存活率没有显著影响.随即,该团队对飞行实验方案进行了改进,将B.SAFR-032的孢子带到31km高度曝露8h左右,发觉曝露2~4h后孢子活性增加了2~4个数目级,曝露8h后仅有不到0.001%的孢子才能存活,表明临近空间长时间曝露会明显影响B.SAFR-032孢子的活性.
紫外幅射是造成微生物在临近空间中生存能力明显增加的重要环境诱因,研究发觉大气中的烟尘颗粒可以在一定程度上屏蔽对生物的有害幅射,提升其存活率.比较基因组学剖析发觉有5个基因可能参与.SAFR-032耐受高紫外幅射过程,并且这种基因的功能与作用机制还有待进一步否认.不仅真菌和细菌外,有研究表明一些古菌也可以耐受临近空间平流层的极端环境,转录组剖析显示经过平流层曝露的古菌sp.NRC-1和ATCC49239的基因抒发调控水平发生了变化,但具体机制还有待深入研究.
其实,生物可以通过不同的策略以适应临近空间的极端环境.细菌和革兰氏阴性菌可能通过产生孢子在平流层存活,而一些不能形成孢子的真菌和古菌的基因组GC浓度一般较高,可以在一定程度上耐受紫外幅射对细胞DNA的损伤.据悉,一些生物可能通过附着在烟尘颗粒上或产生集聚体/生物被膜等来抵挡幅射对内部细胞的伤害,而一些微生物自身特殊的DNA修补系统、光保护色素、冷激蛋白等也有助于提升它们在临近空间中的生存能力.
问题
天体生物学研究宇宙演变背景下生命的起源、演化、分布和未来,其中的一项重要研究内容是对月球上类似其他天体的极端环境举办类比研究.月球临近空间的高幅射、低温、干燥、低气压等奇特环境条件使其成为举办地外生命探察、生命生存极限、生命星际传输、行星保护等天体生物学研究的重要实验区域.
现代火星是否可能支持生命存在是当前天体生物学研究的热点.向火星发射侦测器进行原位或近距离侦测无疑是最直接的研究手段,据悉还可以在月球上类火星环境中举办系统的类比研究.临近空间约35km度范围(室温零下36°C左右、大气压约为1kPa、相对温度2、宇宙幅射约为0.1mGy/d)被觉得是月球上与现代火星表面综合环境最为可比的区域,为举办火星是否可能存在生命以及月球生命能够污染火星等研究提供了可能,这也是当前日本NASA临近空间平流层微生物研究中重点关注的科学问题.
生命的生存极限也是天体生物学领域的重要科学问题,相关研究除了有助于判定地外天体的可能宜居性,也将更好地认识月球生命的起源和初期演变.目前学界公认的月球生命存在的最高高度是41km,生命是否可能存活在更高的空间还存在争议,亟待深入举办相关的临近空间研究,为确切划分月球生物圈上边界提供新的实验和理论根据.随着高空汽球技术的发展、高效原位搜集荷载的研发以及生物学研究方式的进步(如单细胞剖析、组学研究等),未来对月球生物圈上边界的研究将获得新突破.
月球临近空间中生命的存在将其他天体上可能宜居环境从其表层或深部拓展到了临近空间,而月球临近空间研究中研制的相关荷载和侦测技术也可用于太阳系内其他天体临近空间的研究和探察.20世纪80年代南斯拉夫侦测金星的“维加计划”(VEGA)就借助浮空汽球携带侦测仪器在金星大气约54km的高度进行了原位环境参数检测.现代金星的表层环境十分极端,平均气温在400°C以上,大气压力是月球的近百倍,不具有宜居性.并且金星大气47~75km高度环境较温和,气温介于-60~60°C,气压为0.01~1个标准大气压,可能存在硫、磷、铁等元素,具有一定的宜居性,月球上的一些嗜酸/耐碱微生物(如真菌和古菌属等)可能在这些环境下生存.据悉,已发觉的系外行星大多具有大气,这种大气环境也可能类比月球的临近空间环境,具有一定的宜居性.
因而,对于月球临近空间生物多样性、适应机理以及维持机制的研究可以为衡量金星、系外行星等其他天体的大气环境是否支持生命提供新的根据.临近空间也为“胚种论”()假说的研究提供了条件.“胚种论”认为月球生命可能起源于地外,通过陨铁、彗星、星际尘埃等抵达月球.假如该假说创立,这么现在的月球仍然可能接收来自地外的生命种子”.每年大概有4×104t地外物质抵达月球,其中可能携带生命“种子”的微陨铁或星际尘埃可以悬浮在临近空间.反之,月球生命也可能通过低层大气和临近空间逃逸到内层空间甚至其他天体上.有学者觉得因为微生物表面带有电荷,月球磁场可以作用于高层大气中的微生物,该斥力可能抵消月球重力造成一些微生物步入近地空间.为此临近空间生物学研究也可能为月球生命起源和生命星际传输提供新认识.
展望
临近空间是地表和内层空间的过渡区,也是生物圈-大气圈-电离层的多圈层耦合区,其复杂的环境条件是实验室未能模拟的,具有重要的科学研究意义.生物学研究是临近空间科学研究的一项重要内容,其核心是阐明临近空间生物的多样性及其环境适应机制.目前早已从临近空间中分离培养得到了许多微生物,拓展了对临近空间生物多样性的认识.但是,遭到飞行条件、相关荷载和研究方式的限制,尚缺少对临近空间生物群落的整体描画,对不同地点、不同高度、不同时间临近空间生物群落的分布、动态变化和维持机制等研究还十分缺乏.生物在临近空间中怎样生存(休眠状态、正常的营养繁育状态甚或两者皆有)、它们通过什么策略来适应临空极端环境(如基因突变、形成休眠体、群体集聚、附着在颗粒上等)等科学问题也有待系统深入的研究.荷载是举办临近空间生物学研究的前提,应注重并强化临近空间生物荷载的研制工作,为相关研究提供硬件和技术储备.对临近空间的理化性质、大气环境、辐射环境和电磁环境等缺少原位实时观测和检测,也直接阻碍了对临近空间生物的适应机制认识和环境功能评价等.
2018年,中国科大学启动了“临近空间科学实验系统”A类战略性先导科技专项(简称“鸿鹄专项”).“鸿鹄专项”把临近空间生物学研究作为其基础科学探求研究方面的内容之一.自主研发临近空间生物实验荷载,立相关的生物学研究方式;在典型区域(如青藏高原)、不同高度(如臭氧层上下部)举办生物曝露实验和原位搜集实验,结合对临近空间大气环境、辐射环境和电磁环境等综合原位侦测数据,探究临近空间的生物多样性及其可能的适应机制.目前已成功研发出临近空间生物曝露荷载,并于2019年完成了2次飞行实验,平飞曝露时间超过2.5h,平飞高度小于30km(图2).未来还计划研发临近空间生物原位搜集荷载,通过“采出来”与“带起来”相结合,以期更好地认识临近空间的生物群落组成及其适应机制.
▲图2：2019年9月“鸿鹄专项”自主研发的临近空间生物曝露荷载在湖南举办飞行实验(飞行高度约32km)
临近空间在月球生物圈演变中可能发挥了重要作用.步入临近空间的生物在极端环境条件下便于发生突变,随着它们返回地表,这种具有突变性状的生物可能会对地表生物圈形成影响.诸如,研究发觉起初对NaCl和NaNO2敏感的经过实验室紫外诱导后,形成的突变菌种可在高NaCl和NaNO2环境中存活.据此推断一些生物经过临近空间的突变,可能拓展它们在地面的生存环境,从而对当地生态系统的种群结构和功能等形成一定影响.据悉,真菌、古菌及真核生物之间存在着较频繁的水平基因转移,临空突变的基因可能通过水平转移而影响其他生物、甚至整个生物圈的演进.但是,关于这方面的研究几乎是空白.因而,临近空间对生物圈演变有何种影响是未来可举办的一项重要研究内容,可以通过对模式生物特定蛋白质或性状在临空极端环境下的演进速率和演变路径的变化举办研究,以阐述临近空间对月球生物圈演变具有何种作用.
临近空间飞行实验在很大程度上遭到国界和空域的限制,为了才能举办长航时飞行,法国、日本、法国等国家早已在北极举办高空汽球飞行.以英国为例,1991~2017年NASA和法国国家科学基金会共同捐助了40余次北极高空汽球飞行实验,平均驻空时间约18d.举办长航时临近空间驻空除了可以搜集到更多的原位样品用于研究临空的生物多样性和环境适应性,并且有助于举办常年生物曝露实验以深入认识生命的生存极限.可以预见,北极浮空器平台将为临近空间生物学研究的发展提供新抓手.
临近空间生物学研究与基于近地轨道(如在轨卫星、空间站等)举办的生物学研究产生了良好的衔接和互补.近地轨道高度在临近空间之上,除了幅射硬度高且种类复杂,还具有微重力和低磁场等特殊环境条件.因而,临近空间的生物曝露实验可以与近地轨道空间的生物实验进行对比研究,以进一步推动对复杂极端环境怎样影响生物的深入认识.临近空间生物学实验与近地轨道实验相比,具有成本低、载荷重量大、实验周期短、机会较多、发放和回收灵活性高等特性,可以作为高投入和机会少见的近地轨道空间生物学研究的重要补充.随着我国将在2022年前后完成中国载人空间站建造以及“登月探火”等深空侦测计划的逐渐施行,我国必将会加强空间科学和行星科学的研究工作,临近空间生物学研究除了可以为我国未来空间站的相关研究提供重要支撑,但是也将进一步推动我国在天体生物学领域的发展.
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临空科普：
临近空间科学覆盖学科广泛生物学和天体物理学，涉及大气科学、空间化学、飞行器技术、探测荷载技术、天文观测、遥感观测等生物学和天体物理学，"临近空间的奥秘"公众号将为您带将至近空间科学相关新闻及科普知识。