学通扳 度的空间),因此对临近空间中微陨石和微生物的研究需要的氧气、食物、洁净水和废物循环等,(4)空间医 可以为地球生命的可能来源提供新认识∞值得注意学与宇航员健康,研究长时间太空飞行过程中的宇航 的是尽管胚种论可以在一定程度上解释生命在宇宙中员疾病预防、治疗和辐射防护等;(5)空间控制论,建 分布和传播,但该假说没有回答生命的起源问题,即宇立和运行基于合成生物学的空间控制系统,应用于空 宙中最初的生命“种子”是如何产生的 间环境下的生物制造;(6)地外天体地球化,利用生物 研究生命在星际间的可能传播,需要解决的关键或地质过程实现地外天体环境的全部或部分向类地球 科学问题是它们如何克服星际中高辐射、真空、温度环境转化 巨变、微重力等极端环境,并在降落时如何承受高冲 人类已经有能力将生物样品(包括人类本身)送至 击、高温等剧烈过程.围绕这些科学问题,生命星际传太阳系内的其他天体上,随之而来的问题就是地球生 输研究主要有4个途径.一是基于计算机的理论模拟工物(特别是微生物)和有机物质可能会污染具有一定宜 作;二是对地球上一些极端环境(如沙漠岩石表层和孔居性的天体,反之,未来的火星或其他天体的样品返回 隙中)的微生物开展类比研究,检测岩石是否可以保护和飞行器返回等也可能增加地球受到其他天体物质 生物免受太阳辐射、温度变化等影响,三是进行模拟(甚至地外生命污染的风险行星保护就是针对上述 实验,开展高辐射、高冲击、低真空等极端环境对代潜在风险,采取有效措施以避免或尽可能降低地球与 表性生物影响的研究;四是将代表性生物样品运送至其他天体之间可能的生物和有机物交叉污染行星 国际空间站或近地轨道空间开展原位暴露实验.现有保护(早期称为“行星隔离”)政策不仅保护地球以及其 研究结果表明,在特定的条件下(如微生物以孢子形式他天体可能存在的生物圈或生态系统,而且可以保障 生存于陨石或彗星内部)生命在太阳系内短距离传输探索地外生命科学研究的可靠性(如排除地球生物污 可能可以实现 染等).值得注意的是,有少数学者认为地球生命由 于种种原因(如冲击溅射并通过星际传输到达火星 25行星开发与行星保护 早期火星探测任务可能已携带地球微生物到达火星 建立可持续自主运行的地外基地一直是人类开展等)可能已经存在于火星上,现行的行星保护政策太过 深空探测所追求的高级目标.在近期的规划中,月球将严格,极大地增加了深空探测的预算成本,限制了人类 建立基地并成为人类迈向深空的中继站.美国已经规探测火星的进程.但该观点受到了一些天体生物 划阿耳忒弥斯( Artemis)计划载人重返月球,在此基学家的强烈反对 础上建立月球基地21.欧洲太空局构想建立“月球 随着人类深空探测的发展,现有的行星保护政策 村'( Moon Village),拟在月球建立永久基地作为人类深也将受到挑战,需要不断调整更新.例如,美国已计划 空探测的下一步任务明.俄罗斯也计划在2030年以后在2030年以后开展载人火星计划,一些学者认为当宇 实现宇航员登陆月球,并建设一个月球基地,开展相关航员踏上火星起,现有的行星保护政策将不再有效,因 科研工作 为人体内和体表上含有大量不同种类的微生物,这些 由于外星环境与地球环境差别很大,建立地外基微生物具有污染火星的潜在威胁.未来人类还将实 地面临极大的挑战.近年来兴起的空间合成生物学施对木卫二、土卫二等可能具有宜居环境的冰天体的 ( Space Synthetic Biology)为载人深空探测、地外基地原位探测.在未来的深空探测中如何有效避免地球生 建设乃至未来的行星开发等提供了可能的技术支物对太阳系这些天体的污染,将是行星开发和保护研 持,空间合成生物学指根据空间探测需求而开展究领域的重要研究内容 的合成生物学相关研究,主要研究内容涉及到:(1)空 间资源原位利用,通过极端环境生物充分开发地外天 3我国的天体生物学研究和未来发展建议 体原位资源(如矿质元素、气体等)进行物质合成,减 从20世纪80年代利用返回式卫星和高空气球开展 轻从地球携带资源的负担;(2)地外基地建设与生物制空间诱变育种到20世纪90年代开始实施的载人航天工 造,利用微生物沉积岩石中的钙或铁等制造建设地外程、从神舟系列飞船到我国首颗微重力科学实验卫星 基地所需的生物水泥或生物多聚物等基建材料;(3)地实践十号、从嫦娥四号搭载的生物科普试验载荷到即 外生命维持系统,利用生物实现地外基地人类生存所将开启的空间站任务,我国科研人员已成功研制了多 DownloadedtoIp:192.168.0.213On:2019-12-2610:0034http:/engine.scichina.com/dou/10.1360/tb-2019-0396度的空间), 因此对临近空间中微陨石和微生物的研究 可以为地球生命的可能来源提供新认识[90]. 值得注意 的是尽管胚种论可以在一定程度上解释生命在宇宙中 分布和传播, 但该假说没有回答生命的起源问题, 即宇 宙中最初的生命“种子”是如何产生的. 研究生命在星际间的可能传播, 需要解决的关键 科学问题是它们如何克服星际中高辐射、真空、温度 巨变、微重力等极端环境, 并在降落时如何承受高冲 击、高温等剧烈过程. 围绕这些科学问题, 生命星际传 输研究主要有4个途径. 一是基于计算机的理论模拟工 作; 二是对地球上一些极端环境(如沙漠岩石表层和孔 隙中)的微生物开展类比研究, 检测岩石是否可以保护 生物免受太阳辐射、温度变化等影响; 三是进行模拟 实验, 开展高辐射、高冲击、低真空等极端环境对代 表性生物影响的研究; 四是将代表性生物样品运送至 国际空间站或近地轨道空间开展原位暴露实验. 现有 研究结果表明, 在特定的条件下(如微生物以孢子形式 生存于陨石或彗星内部)生命在太阳系内短距离传输 可能可以实现[91]. 2.5 行星开发与行星保护 建立可持续自主运行的地外基地一直是人类开展 深空探测所追求的高级目标. 在近期的规划中, 月球将 建立基地并成为人类迈向深空的中继站. 美国已经规 划“阿耳忒弥斯”(Artemis)计划载人重返月球, 在此基 础上建立月球基地[92]. 欧洲太空局构想建立“月球 村”(Moon Village), 拟在月球建立永久基地作为人类深 空探测的下一步任务[93]. 俄罗斯也计划在2030年以后 实现宇航员登陆月球, 并建设一个月球基地, 开展相关 科研工作. 由于外星环境与地球环境差别很大, 建立地外基 地面临极大的挑战. 近年来兴起的空间合成生物学 (Space Synthetic Biology)为载人深空探测、地外基地 建设乃至未来的行星开发等提供了可能的技术支 持[94,95]. 空间合成生物学指根据空间探测需求而开展 的合成生物学相关研究, 主要研究内容涉及到: (1) 空 间资源原位利用, 通过极端环境生物充分开发地外天 体原位资源(如矿质元素、气体等)进行物质合成, 减 轻从地球携带资源的负担; (2) 地外基地建设与生物制 造, 利用微生物沉积岩石中的钙或铁等制造建设地外 基地所需的生物水泥或生物多聚物等基建材料; (3) 地 外生命维持系统, 利用生物实现地外基地人类生存所 需要的氧气、食物、洁净水和废物循环等; (4) 空间医 学与宇航员健康, 研究长时间太空飞行过程中的宇航 员疾病预防、治疗和辐射防护等; (5) 空间控制论, 建 立和运行基于合成生物学的空间控制系统, 应用于空 间环境下的生物制造; (6) 地外天体地球化, 利用生物 或地质过程实现地外天体环境的全部或部分向类地球 环境转化[96]. 人类已经有能力将生物样品(包括人类本身)送至 太阳系内的其他天体上, 随之而来的问题就是地球生 物(特别是微生物)和有机物质可能会污染具有一定宜 居性的天体; 反之, 未来的火星或其他天体的样品返回 和飞行器返回等也可能增加地球受到其他天体物质 (甚至地外生命)污染的风险[97]. 行星保护就是针对上述 潜在风险, 采取有效措施以避免或尽可能降低地球与 其他天体之间可能的生物和有机物交叉污染[98]. 行星 保护(早期称为“行星隔离”)政策不仅保护地球以及其 他天体可能存在的生物圈或生态系统, 而且可以保障 探索地外生命科学研究的可靠性(如排除地球生物污 染等) [99]. 值得注意的是, 有少数学者认为地球生命由 于种种原因(如冲击溅射并通过星际传输到达火星、 早期火星探测任务可能已携带地球微生物到达火星 等)可能已经存在于火星上, 现行的行星保护政策太过 严格, 极大地增加了深空探测的预算成本, 限制了人类 探测火星的进程[100,101]. 但该观点受到了一些天体生物 学家的强烈反对[102]. 随着人类深空探测的发展, 现有的行星保护政策 也将受到挑战, 需要不断调整更新. 例如, 美国已计划 在2030年以后开展载人火星计划, 一些学者认为当宇 航员踏上火星起, 现有的行星保护政策将不再有效, 因 为人体内和体表上含有大量不同种类的微生物, 这些 微生物具有污染火星的潜在威胁[101]. 未来人类还将实 施对木卫二、土卫二等可能具有宜居环境的冰天体的 原位探测. 在未来的深空探测中如何有效避免地球生 物对太阳系这些天体的污染, 将是行星开发和保护研 究领域的重要研究内容. 3 我国的天体生物学研究和未来发展建议 从20世纪80年代利用返回式卫星和高空气球开展 空间诱变育种到20世纪90年代开始实施的载人航天工 程、从神舟系列飞船到我国首颗微重力科学实验卫星 实践十号、从嫦娥四号搭载的生物科普试验载荷到即 将开启的空间站任务, 我国科研人员已成功研制了多 6 Downloaded to IP: 192.168.0.213 On: 2019-12-26 10:00:34 http://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2019-0396