空间生命科学与技术的研究和应用

　　各空间大国都把发展空间生命科学和技术作为发展空间科学和技术的重要方面之一。如果把 1957 年前苏联第一颗人造卫星上天看作是拉开人类进军地球外层空间序幕的话，那么 40 多年来人类已经跨越 “ 方便的空地往返 ” 阶梯 , 正在朝着永久地占领近地轨道空间，建立空间站迈进。与此相应的空间生命科学和技术的研究也有了明显的进步。它和生命科学总的发展趋势一样，一方面，向着微观和宏观两个方向发展，另一方面，科学技术研究必须和国家经济发展、社会进步、国家安全的需要结合。如果把空间医学和生理作为另一个独立的部分来看待，空间生命科学和技术研究的问题就主要体现在三个方面： 1 ）阐述重力作用的分子和细胞生物学基础； 2 ）发展得益于空间条件的生物技术和生物加工； 3 ）认识受控生态生命支持系统中的基本生物学等

　　众所周知，重力的生物学问题，即地球重力在生物进化过程中的作用和重力的作用机制，令人困惑了差不多近两个世纪。经过差不多数十年的努力，已经查明，重力不仅能在整体水平上、而且必定能在细胞水平上影响生命过程。经过近几年的努力，从分子生物学的角度来看，细胞感受重力的细胞骨架聚焦放大机制和重力信号非线性平移放大的转导以及重力信使传递系统已初见端倪。在 1999 年发射的“ FOTON 12 ” 上所进行的研究重点已深入到细胞中的信号传导，如重力刺激传导中钙和相关蛋白的作用，重力对细胞骨架的影响和它在细胞所接受的信号传导中的作用，在器官形成中重力变化对感应细胞和神经细胞之间联络形成的影响等。同时可以看到 , 在欧洲的高等植物重力响应的研究项目中已有生物芯片公司的介入。再如对受控生态生命支持系统的研究，空间站的建立并不意味着人在空间有自主能力，要加强人在空间的自主能力首先要解决生保系统中自给自足或部分自给自足问题，这不是动物或植物单一物种或它们单一的群体所能解决的。到了 80 年代，地面模拟研究基本确定，作为生物再生式生保系统高等植物是不可替代的。此外，受控生态生命支持系统（ CELSS ）中的物种配置是提高 CELSS 物质、能量和信息转化效率的另一重要方面，也是 CELSS 持续发展的前提。就生命支持系统整体中必不可少的生产者、消费者和分解者而言，它们的系统性、功能性及其物种选择与配置的协同性，和与当代信息科学相结合的系统管理理论与技术都十分重要，并可能为天、地社会的发展服务。

　　生物技术是当代技术发展的热点之一，空间生物技术也从多个方面进行了探索研究，特别是 细胞生物技术和大分子生物技术。目前，空间细胞生物技术发展的主要目标是用于研究、移植和生产生物药物的细胞和组织工程；建立和生产用于疾病（如癌）研究的模式组织；利用微生物生产疫苗。达到这一目标，具有适合于空间研究使用的细胞 / 组织培养系统是必要的。为了研究计划的实现，在欧洲建立了一个 “ 组织工程平台 ” （ Tissue Engineering Platform ）。以往已经进行过飞行实验的生物反应器有如动态细胞培养系统（ Dynamic Cell Culture System, DCCS ）和灌注生物反应器 (Perfusion Bioreactor) 。还出现了商业性生物研究单元 ( C ommercial B iological R esearch U nit, CBRU) 和发展出新的无损伤光学检测仪，可用于空间或地面的细胞、组织和器官的观测和诊断。约翰逊空间中心推出的微重力生物反应器，可以在一个较大的应力范围内对重力的作用进行模拟研究。成为组织工程的重要工具。人们寄希望利用这种装置获得正常组织，并能进行机理研究，用于活性物质筛选和发展同源移植技术。至今已经发展了 4-5 代用于生物和细胞培养的空间飞行装置，并融入了类似 “ 在线监测 ” 的技术。总之，空间细胞生物技术的主要内容包含发展组织工程、设计生物反应器、建立疾病（如癌）的模式组织和基因表达模式。其中生物材料的空间生长额外引人注目，其任务是研究细胞团无干扰的三维生长，目标是研究肿瘤生长和组织的形成，将应用于人工器官、其它生物材料的生长以及癌治疗等等。 另外，细胞融合是一门实用性很强的生物技术。植物细胞可通过体细胞融合克服远缘杂交不孕性以培育新品种，动物细胞可通过产生特定抗体的 B 淋巴细胞和骨髓瘤细胞融合获得用于生产的单克隆抗体的杂交瘤细胞。如果细胞融合成功，不论是拿到一个新种，还是拿到一个杂交瘤，其经济效益和社会效益都是无法估量的。已有的飞行实验结果表明，在微重力条件下融合细胞杂种得率有很大的增加，而且获得的杂种细胞更具有活力。融合得率增加显然是由于没有重力沉降影响的缘故，杂种细胞活力增加可能是细胞排列时间缩短引起的。

　　空间大分子生物技术的主要目标，在基础科学方面是研究晶体生长的过程，认识大分子晶体生长的物理化学；在应用方面是产生高质量的晶体。基础研究是高效率和高质量获得晶体的根基。 生长高质量蛋白质晶体，通过 X- 衍射获得蛋白质分子的精细结构，可以揭示其生物学功能（正常生理作用、致病机制、药效或副作用）与分子结构的关系。因而对分子药物设计具有直接的作用，对仿生生物技术也具有重要意义。薄膜晶体对于纳米生物技术的开发和应用也非常关键，它可以作为分子器件的组装平台、与金属制作复合纳米超晶格（用于非线性光学和生物电子学研究）、制作高质量的生物芯片（用作传感器、疾病诊断）等，在众多领域都具有非常广阔的应用前景。 早期采用蒸汽扩散装置长晶的飞行实验获得了成功，大大引起科学家们的兴趣和关注。随着空间科学技术的发展，微重力条件下蛋白质晶体生长已成为空间生物技术中最重要的一个方面。自八十年代初以来，世界上进行了上百次空间蛋白质结晶实验，发展了一系列空间结晶技术和装置。在空间长出比地面质量明显高的蛋白质晶体，表现在尺寸较大、形态完善，镶嵌度和衍射分辨率有显著改善。有鉴于此，科学家们进一步提出空间长晶研究可以延伸到各种蛋白质，如膜蛋白、受体－配基复合物、糖蛋白和其他生物大分物质。空间获得的蛋白质晶体的图像分析有可能成为蛋白质工程的基础，其主要任务是通过空间蛋白质不同方法结晶，以检测和利用在晶体成核和生长过程中微重力的好处，目标是获得较好的有序晶体，以供结构分析和晶体性质的测定，其研究结果将用于酶和药物的设计。空间大分子生物技术的研究内容除了结构生物学外，目前正在受到注意的还有生物纳米技术和生物分子自装配材料等等。 鉴于空间的微重力环境能够改进蛋白质晶体生长质量的事实，以及结构基因组研究和纳米生物技术对蛋白质结晶需求的增长，空间蛋白质晶体生长仍然是目前国际空间站上的重要研究项目（ 2001 和 2002 两年已进行确了 5 次空间实验）。

　　需要密切关注的还有空间探索性生物技术主要涉及开发生物传感技术、嗜极（极端环境条件）细菌酶的应用和生物分子基因工程等等。空间生物分子的物理和化学将主要涉及生物分子标记、生物分子信号的传递和放大、生物分子图像、生物分子信息和整合分子生物系统等等。

　　总之，空间生物技术开发项目将集中在改良作物、改良药物、提高药物的生产效率、先进材料（如耐用和生物相容的股骨和膝盖骨的代用品）的应用等等方面。作为空间生物技术发展的基础，同时还要注意空间生物学的基础研究，它将包括分子结构和物理相互作用、分子生物学、细胞生物学、发育生物学、进化生物学、比较生物学、重力生物学等。而空间生物技术发展的技术保障将注重在线监测、实时观察、实地测定和控制、生物信息加工、生物图像系统和基因组学等等方面以及有关的遥科学及其操作。

　　空间研究随时要注意的一个极其重要的方面和趋势是利用空间条件服务于或促进地面的重要产业。在空间研究的过程阶段中就能　明显的效益。美国的一个从空间研究到商业化开发的项目就是新型复方药物胶囊释放系统 ( New Encapsulated Multiple Drug Delivery System ) 。实验证明，微重力条件下生成的微胶囊比地面生成的一般可大 4 － 10 倍，装药量多 20 － 400 ％，装药可占体积的 80 ％。而且，这种微胶囊也仅能在微重力条件下生成。

　　最值得注意和令人鼓舞的是空间生物技术的发展已不单纯是科学技术界的事，也已成为企业关注的热点。 2002 年 5 月美国宇航局（ NASA ）和国际生物技术产业组织（ BIO ）签订合作备忘录。 BIO 是一个代表着三十多个国家的涉及健康、农业、工业和环境生物技术产品的一千个生物技术公司、研究院所、生物技术中心和相关单位的组织。签订合作备忘录的双方将在三个方面进行合作，一是加强 NASA 和工业界之间的沟通；二是扩展商业性生物技术的空间研究和开发；三是发展正式和非正式工业教育和公众对生物技术和空间研究的关注等。 NASA 将以空间作为实验场所，开展化学和生物基本原理的研究。 BIO 将为研究和潜在的商品化放大试验提供工业支持。在 2003 年 1 月发射的 “ 哥伦比亚 ” 航天飞机上有八十项实验，据介绍，其中一般得到企业的支持。

　　当前，空间生命科学与生物技术研究必要的硬件的发展趋势总的来讲大致可用三句话来表示，即结构上的通用型，装配上的模块化，使用上的专一性。在空间实验室或空间站上有通用的框架结构，便于装拆各种各样的用于空间生物技术研究的仪器和设备。这些仪器和设备又往往有模块化的设计，有统一和标准化的接口，比较容易在框架结构上的安装和拆卸，而对于用于各种各样研究目的装置却是非常专一的。这样的设计和结构为科技专家，特别为宇航员在地面和空间的操作带来极大的方便。保证了研究操作的顺利和迅速进行，研究结果的可靠和准确。同时也保证了空间生命科学与生物技术研究的系统性，加速了科学与技术的进步。随着科学技术整体的发展，空间实验条件的改善和提高是非常重要的。当前，生物技术专家已经不断提出要自动和精确地控制温度、湿度、重力、气体成分及其交换、光质和光周期；水分、营养和生长因子的供应；要求实验操作、实验材料取样和固定的自动化、信息及时的采集和传输、实时观察和图像记录等等技术要求。

　　我国空间生命科学和技术的研究在“ 863 ” 计划和 “ 921 ” 工程的支持下至今已有十几年的发展，在生命科学和生物技术、力学和空间仪器设备等领域的科学家和工程专家的合作和努力下，开展了有计划的研究，组织了一支研究队伍，取得了进行空间研究的直接经验，获得了一批科学研究和空间实验硬件研制的成果。研究主要集中在五个方面： 1 ）空间蛋白质晶体生长技术； 2 ）空间细胞和组织培养技术； 3 ）空间细胞电融合技术； 4 ）空间生物大分子分离 - 空间电泳技术； 5 ）空间生物学效应等。

　　前一阶段的研究以探索技术问题为主，解决研究方法，考验空间硬件的可靠性和实用性，为今后的科学和技术的创新研究打下了初步的基础。但是，我们有计划开始研究的时间并不长，投入的研究经费有限，上天直接研究的机会和实验的许可条件更有很大的局限性。十几年来，我们利用返地卫星、飞船、国际合作的机会在空间开展的研究屈指可数。因此，虽然我们已具备一定的研究基础和科技积累，但是在研究的广度和深度方面，在硬件的研制方面实际上都存在很大的差距。这是与我们的大国地位和战略需要不相符的，我国应加快发展的步伐，提高研究的水平，在国际上占据一定优势地位。

　　2003 年 10 月，我国 “ 神舟五号 ” 载人飞船发射的圆满成功显示出我国载人航天工程向前迈出了一大步。上海地区的有关单位和科学技术人员在完成一期任务中，无论在技术攻关上，还是在科学研究上，都有着出色的表现。 2002 年 7 月美国国家航空航天局（ NASA ）生物和物理研究办公室有一份专家评估报告给 NASA 的顾问委员会。在评估分析的基础上，提出了研究的优先领域或项目。 2002 年 12 月 NASA 发布了一份生物和物理研究办公室 2002 年到 2016 年 15 年的研究计划。在这样急速发展的国内外形势下，我们应及早地详尽分析形势，筹划自己的对策。

 

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