天宮斑馬魚，航天新發(fā)現(xiàn)

2024年11月4日，中國空間站第7批空間科學實驗樣品隨神舟十八號飛船順利返回。其中，返回的斑馬魚培養(yǎng)水基和在太空中產(chǎn)的卵等實驗材料成為“明星”。2024年4月25日，幾位特殊“乘客”斑馬魚跟隨3名航天員一起出發(fā)去太空。這是我國首次在空間站實施在軌水生生態(tài)研究項目，以斑馬魚為研究對象，在軌建立空間自循環(huán)水生生態(tài)系統(tǒng)。發(fā)射20天后，雖然在微重力下，斑馬魚出現(xiàn)腹背顛倒、旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)圈等異常情況，但總體狀態(tài)良好?？蒲腥藛T原本估計它們只能存活一個月，但結(jié)果令人意外，這些斑馬魚在太空存活了6個月，生命力頑強。為什么要在太空養(yǎng)魚？太空養(yǎng)魚給航天帶來什么新探索？

1.模式生物有何價值

在生命科學研究中，斑馬魚是一種常見的模式生物。在說太空養(yǎng)魚之前，我們先來看看我國進行過哪些太空生命科學研究，以及模式生物研究對生命科學研究有什么價值。

在2001年發(fā)射的神舟二號上，我國首次進行了微重力環(huán)境下的空間生命科學實驗，開展了植物、動物、水生生物、微生物及離體細胞和細胞組織的空間環(huán)境效應(yīng)實驗。

2021年10月，利用隨神舟十三號進入太空的就有心肌細胞，中國空間站順利完成了首個活細胞研究。“天宮課堂”的第一堂課，展示了太空失重條件下心肌細胞“鈣信號閃爍”，半年后心肌細胞隨神舟十三號返回地面。合作團隊對心肌細胞進行深入研究，揭示在太空微重力下心肌細胞出現(xiàn)代謝重塑，阻斷硫胺素的攝取，并進一步造成細胞骨架重塑和鈣穩(wěn)態(tài)失衡，提示長期在太空飛行需關(guān)注硫胺素在心血管系統(tǒng)防護中的作用。

在神舟十八號載人飛船成功發(fā)射的同時，神舟十七號航天乘組也攜帶著30多公斤的寶貝——中國空間站第六批空間科學實驗樣品安全回歸，其中有人成骨細胞和骨髓間充質(zhì)干細胞。通過升空再返回的過程，研究團隊有機會深入研究微重力環(huán)境下的細胞響應(yīng)機制，發(fā)現(xiàn)微重力對細胞生物學轉(zhuǎn)錄組和蛋白組的具體影響。在太空空間環(huán)境里，成骨細胞活性會降低，航天員和老年人也會存在骨質(zhì)流失的現(xiàn)象。研究成骨細胞和骨髓間充質(zhì)干細胞怎么樣對抗骨流失狀態(tài)，對于航天醫(yī)學和老年醫(yī)學研究具有重要意義。

離體細胞實驗雖然具有成本較低、操作簡便、變量可控、外部干擾少等優(yōu)點，但無法完全模擬復(fù)雜的生命整體生理環(huán)境，如免疫系統(tǒng)、代謝途徑和行為等方面的變化，無法直接反映生物體內(nèi)的復(fù)雜相互作用，因此推廣到整個生物體或人類時要謹慎，還應(yīng)取得整體動物實驗結(jié)果的支持。由此可見，模式生物在推動生命醫(yī)藥科學發(fā)展過程中發(fā)揮了極其重要的作用。

2.太空養(yǎng)魚為啥選擇斑馬魚

斑馬魚作為四大模式生物之一，其基因與人類基因相似度高且體形小、繁殖快、發(fā)育周期短，成為生命科學領(lǐng)域模式生物的“后起之秀”，被稱為“水中小白鼠”。

在神舟十八號載人飛行任務(wù)中，由四條斑馬魚和金魚藻構(gòu)成的水生生保系統(tǒng)隨飛船上行。新華社發(fā)

斑馬魚是原產(chǎn)于南亞恒河流域的小型魚類，體形呈紡錘狀，因全身布滿多條深藍色縱條紋似斑馬而得名。成年斑馬魚體長一般只有3～4厘米，約為小鼠體長的1/3，體重更是只有其1/50左右。

斑馬魚具有魚類體外受精、繁殖快、發(fā)育周期短的特性：一尾雌魚每次產(chǎn)卵數(shù)量約有200至400枚；早期胚胎發(fā)育透明；從受精卵到能游動大約只需4天，孵出后約3個月可以達到性成熟；成魚大概每隔一周產(chǎn)卵一次，壽命一般在2至3年。

斑馬魚是“淡水魚一哥”鯉魚的遠親，與人類的遺傳親緣關(guān)系僅次于大、小鼠等脊椎動物。在系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)和生長發(fā)育衰老方面，與人類有很高的相似性，在基因和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能上也表現(xiàn)出很高的保守相似性，因此是研究人類疾病發(fā)生機理的優(yōu)良動物模型，被廣泛應(yīng)用于造血、心血管、腎和骨骼相關(guān)，以及腫瘤、癲癇、藥物成癮等疾病研究。

可否建立一個能養(yǎng)小鼠的太空動物實驗平臺，以便深入研究空間微重力環(huán)境對動物骨骼、肌肉、神經(jīng)和免疫等方面的影響？小鼠飼養(yǎng)會產(chǎn)生排泄物并揮發(fā)大量的廢氣，帶它上太空開展實驗，首先需要一個封閉的過濾循環(huán)裝置，以解決小鼠產(chǎn)生的廢物。而斑馬魚整個受精和發(fā)育均在水體中進行，不會在水體外產(chǎn)生廢物和廢氣，相較于小鼠就非常適合太空搭載實驗。在未攻克封閉的過濾循環(huán)裝置技術(shù)背景下，如要開展整體動物實驗，斑馬魚是比較理想的實驗對象。

3.怎樣在太空養(yǎng)魚

為斑馬魚提供一個適宜的生存環(huán)境，不僅需要富含氧氣的優(yōu)良水質(zhì)，還需要規(guī)律的晝夜節(jié)律以及充足的食物供給等。斑馬魚的溫度耐受范圍只有15～40攝氏度，水溫24～29攝氏度是適宜范圍，對pH值也有要求，應(yīng)該控制在7.0～8.0之間；同時需要水質(zhì)的電導(dǎo)率在每厘米500～800微西門子左右；對總氨氮、溶解氧等都有要求。實驗室的斑馬魚需要飼養(yǎng)在自動實時監(jiān)測和控制溫度、pH值和電導(dǎo)率的自動循環(huán)水系統(tǒng)中，其自身的生理周期需要每天10小時光照和14小時黑暗環(huán)境。在太空養(yǎng)魚，同樣也需要解決這些問題。

在空間站微重力條件下，太空養(yǎng)魚用的“天宮水族箱”，實際上是搭載4條斑馬魚和4克金魚藻的密閉水容器空間。斑馬魚和金魚藻，是科學家嘗試了很多種魚和水草之后篩選出來的產(chǎn)物。金魚藻是多年生沉水草本植物，無根，莖有分枝可以漂浮，生命力強。如果把它一分為二，兩部分都可以存活和長大，適應(yīng)性極強，無需水草泥也可沉浸于水中。太空并無地球的晝夜節(jié)律，水生支持裝置為金魚藻提供了LED光源，保證金魚藻正常進行光合作用，確保這個生態(tài)系統(tǒng)的氧含量能滿足斑馬魚的生存需求。

解決了氧氣問題，另一個難題則是斑馬魚的食物問題。由于太空微重力的原因，斑馬魚無法正常食用普通魚食，殘余的魚食也會污染水體。因此，科學家們研究出一套喂食裝置，并開發(fā)了適宜斑馬魚食用的太空餐。他們設(shè)計了一種特殊且便于更換的魚食盒，通過一根細管連接水族箱一側(cè)，每天用注射器像擠牙膏似的喂魚食，讓斑馬魚盡量吃完，以減少殘余對水體的污染。同時，斑馬魚吃剩的魚食和產(chǎn)生的排泄物，可以通過管道輸送到金魚藻那邊，為其提供生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)。由此，科學家在水族箱內(nèi)搭建了一套微型生態(tài)系統(tǒng)，讓斑馬魚和金魚藻二者形成彼此共生的關(guān)系。

空間站的小型受控生命生態(tài)實驗組件看起來很簡單，實際上是個復(fù)雜的科學實驗系統(tǒng)，可以實現(xiàn)自動喂食、溫度控制、光照控制等。在“太空水族箱”這個實驗?zāi)K，除了水族箱外，剩余的空間則安排了控制與監(jiān)測設(shè)備，比如循環(huán)水泵、觀測相機、pH值檢測設(shè)備等，地面科學家通過這些設(shè)備對斑馬魚進行實時監(jiān)測。水族箱只要維持適宜的酸堿度和電導(dǎo)率，有充足的氧氣，便能確保斑馬魚健康地生存。大部分情況下無需科學家干預(yù)。

小魚們會在太空產(chǎn)卵，因此要啟動專用裝置收集魚卵。這是一個嘗試性、探索性很強的工作，也是本次實驗最有趣之處。這些卵被航天員帶回地面后，科學家會開展更深入的研究，進一步觀測太空對魚卵孵化的影響等。該項目還可將采集的水樣帶回地面，供進一步研究。為避免小魚和水藻在空間站死亡后腐爛變質(zhì)，實驗項目結(jié)束后，航天員們將它們送到貨運飛船，在貨運飛船返回地球時，會在與大氣層的摩擦中自燃而焚毀。

4.為什么要去太空養(yǎng)魚

斑馬魚與人類基因組成相似，研究它將會在生物醫(yī)藥科研領(lǐng)域產(chǎn)生一系列有影響的貢獻，意義重大。人類疾病相關(guān)基因中有84％可以在斑馬魚中找到對應(yīng)基因，在關(guān)鍵性的蛋白靶點區(qū)域，相似性接近100％。近年來，斑馬魚作為模式動物，廣泛應(yīng)用于生命系統(tǒng)發(fā)育基礎(chǔ)研究、醫(yī)學領(lǐng)域疾病模型的建立、靶向藥物的篩選，以及環(huán)境監(jiān)測等多個領(lǐng)域，逐漸成為醫(yī)學、生命科學和環(huán)境科學領(lǐng)域中不可缺少的工具生物。

太空空間環(huán)境主要有高真空、強輻射、微重力、弱磁場和溫差大等特點。微重力會引發(fā)人體多種病理生理現(xiàn)象，如心血管功能障礙、免疫機能下降、骨丟失肌肉萎縮、內(nèi)分泌紊亂等，其作用機制一直是空間生物學效應(yīng)研究重要的科學課題之一。微重力引發(fā)的這些生物學效應(yīng)，不僅嚴重影響航天員的身體健康和工作效率，更制約了人類在太空的停留時間，使之成為中長期載人航天飛行的一大障礙。而太空養(yǎng)魚可以通過開展太空空間環(huán)境對脊椎動物機能與行為的影響研究，為空間密閉生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)研究提供支撐，幫助人類更好、更全面地了解太空環(huán)境對基因、細胞和生命整體的影響。這不僅僅是對人類本身的探索，也關(guān)乎科研人員對未知領(lǐng)域的不斷探求。同時，太空養(yǎng)魚實驗還將為我國在太空農(nóng)業(yè)、生態(tài)循環(huán)等領(lǐng)域的研究提供有益參考。

更重要的是，太空養(yǎng)魚實驗的成功實施，將為我國實現(xiàn)在太空培養(yǎng)脊椎動物這一目標邁出關(guān)鍵一步?？臻g站的水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定運行，能夠為航天員長期駐留太空及載人火星任務(wù)等深空探測提供初步的生命支持依據(jù)。后續(xù)，科學家將利用返回的水樣、魚卵等樣品，結(jié)合斑馬魚空間運動行為視頻等，開展空間環(huán)境對脊椎動物機能與行為的影響研究?？梢灶A(yù)期的是，人類一旦建立起自給自足的太空生態(tài)系統(tǒng)，那么遠赴深空長期生活、工作也將不再是夢想。

（作者：崔建林，系南開大學醫(yī)學院醫(yī)學國際協(xié)同創(chuàng)新中心高級實驗師）

來源：光明日報