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想要征服火星?这些生物技术是关键

编者按:

2015 年的一本美国科幻电影《火星救援》生动描绘了宇航员马克孤身一人置身于火星,想方设法回地球的故事。6 年后的今天,人们似乎离征服火星的目标越来越近。然而,想要长时间在太空中生存,并不像电影中所描述的这样简单。

那么,想要征服火星,究竟要面临哪些挑战?哪些技术将有助于我们应对这些挑战?今天我们特别编译了发表在labiotech杂志上题为“To Reach Mars, We Need Biotechnology”的文章。希望本文能够为诸位读者带来一些帮助和启发。

① 如何应对?生物技术

“作为人类,我们需要持续供应的氧气,需要源源不断地获得营养丰富的食物、干净的水,我们还需要安全清洁的废物处理系统。”意大利宇航员 Samantha Cristoforetti 说道。当她说这番话时,她的手表正漂浮在手腕上。她正在国际空间站(ISS)进行直播。

Cristoforetti 解释道,空间站的大部分水是循环利用的,我们将从空气和宇航员的尿液中回收水。尽管空间站可以从水中制造部分氧气,但是空间站仍然需要来自地球的源源不断的氧气、水、食物和医疗用品,以维持宇航员的生命。

“但如果人类想要进一步深入太空,远离地球,那么在那里我们无法依赖地球持续的供给,那会发生什么呢?”她问道。

在月球上建立基地或首次将人类送上火星是全球多个国家以及亿万富翁们的目标。Jeff Bezos(杰夫・贝佐斯,亚马逊公司 CEO)已经在勾勒建立月球殖民地的计划,而 Elon Musk(伊隆・马斯克,特斯拉汽车 CEO)的目标则是把我们带去火星。

“为了能够执行长期任务,你需要运送大量的水、食物和氧气,”欧洲航天局(ESA)的研发协调员 Christophe Lasseur 说,“对于火星任务而言,这些储备的重量大约在 30 吨。目前,这一重量对于发射器来说太重了。”

世界各地的科学家们正在努力应对这些挑战。如何应对?借助生物技术。

② 保持健康:胎盘细胞+3D打印

随着我们开始执行更长时间的太空飞行任务,我们需要面对远离地球的生活对人体造成的影响。众所周知,即使是最强壮的宇航员,也会在零重力的作用下出现肌肉和骨骼的弱化。

为了防止这种情况的发生,宇航员在执行任务时要保持活跃。但是他们返回地球时仍然有可能出现骨骼和肌肉损伤。因此,想要遨游到太空深处,飞船需要配备治疗设备。

“在进行长时间的太空任务之后,肌肉和骨骼的损伤、炎症反应以及辐射造成的损害被视为宇航员面对的主要挑战和威胁。”以色列生物技术公司 Pluristem 的国土防御项目总监 Arik Eisenkraft 表示。

Pluristem 公司开发了基于胎盘细胞的治疗方法,以治疗多种疾病。该公司正在与美国宇航局(NASA)合作,测试这些细胞疗法是否可以用于治疗太空旅行引发的疾病。首先要研究的就是这种疗法是否可以防止生活在低重力条件下的动物受到损伤。

这种方法面临的一项挑战是,零重力可能会改变细胞的正常生长。合作者将研究如何安全冷冻和解冻细胞以抵抗这些情况,并开发一种在太空中实施治疗的“实用”方法。

“如果该技术被证实能够防止和减少此类损伤,那么这可能会对未来的太空旅行产生巨大影响,进而能够保护和增强宇航员的健康。”Eisenkraft 对我说道。

从长远来看,宇航员未来或许能够随意打印自己的组织和器官。俄罗斯公司 3D Bioprinting Solutions 公司是第一家研究如何在太空中 3D 打印活体组织的公司。2019 年,俄罗斯航天局将该公司的一台太空生物打印送上 ISS。该设备已成功用于 3D 打印人类软骨和小鼠甲状腺[1]。

事实证明,在太空中进行 3D 打印具有许多优势。不受重力的限制,可以使用磁场和声场来保持细胞的位置,同时从四面八方进行打印。“这看起来像在做雪球。”3D Bioprinting Solutions 公司的联合创始人 Yusef Khesuani 说。

这台生物打印机将在 ISS 驻留 5 年,期间该公司会将生物材料送到太空进行太空生物打印实验。“下一步,我们想要了解这些结构的功能。如果是甲状腺组织,我们需要了解它是否能产生激素。”Khesuani 说道。

到目前为止,该公司还在使用 3D 打印设备打印尺寸只有几毫米的组织。未来,如果想要培养更大的组织,那么就需要专门的生物反应器,以使细胞在轨道上保持活力。Khesuani 认为,要实现这一目标,需要利用 NASA、ESA 和日本航空航天局(JAXA)等机构的设备,进行全球范围内的科学合作。

③ 充足的粮食:基因工程

目前,ISS 的食物完全依靠地球供应。为了维持长途太空旅行,我们必须自己种植粮食。

“我们将运送比以往任何时候更多的重量和更多的人送入太空,”威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员 Richard Barker 说道,“如果我们能够在轨道上为他们种植粮食,那将使得对太空环境的探索更加可持续,并能让更多的人到达太空。”

Barker 正在与 NASA 进行多个项目的合作,这些项目已经开始在太空任务中运送并种植蔬菜。特别是,他正在研究植物在“太空生活压力”下的表现。他的研究小组发现,在太空中激活的某些基因,可以让植物更好地应对高温和洪水[2]。鉴定这些基因使得研究人员能够对植物进行基因工程改造,让它们在太空环境下生长得更好。

但是最终的目标是能够在其他行星和卫星上种植粮食。中国已经在为在月球的南极建造一个可自我维持的“月宫”进行测试,而 NASA 和马斯克则着眼于将人类送往火星。

就像 2015 年的电影《火星救援》(The Martian)中的 Matt Damon 一样,前往火星的人类将依赖于在这颗红色星球上种植土豆和其他蔬菜。不过,这可能并不像电影中看上去的那么简单。正如 Barker 所指出的,火星的土壤盐分过高,植物无法生长。

他的研究小组一直在研究一种基因工程技术,以使植物能够抵抗盐碱和干旱(火星的土壤中也不会含有太多的水)。该小组一直在用拟南芥进行实验,它是芥子植物的近亲,被广泛用于研究植物遗传学。正如 Barker 所说,“它是植物界的小白鼠。”

科学家们现在也在测试他们是否能对棉花等其他植物进行工程改造,最终的目标是将其推广到生菜、小青菜和大白菜等绿叶蔬菜上。

ESA 正在进行类似的试验,以便在空间任务中种植植物和其他食物。到目前为止,它已经成功地种植了能够生产螺旋藻等原料的藻类。该机构还用较小的拟南芥植物进行了实验,现在准备开始种植菠菜、小麦和西红柿等可食用植物。第一批进行实验的可食用植物将是土豆。

从长远来看,太空饮食可能不一定只限于蔬菜和藻类。以色列生物技术公司 Aleph Farms 在 ISS 上生物打印出了第一块太空牛肉牛排,成为头条新闻。

地球上的许多初创公司已经接受了在没有动物的情况下生产肉类的挑战,包括牛肉、猪肉、鸡肉、火鸡、金枪鱼,你能想到的都有。“从数千个细胞中,你可以得到数十亿个细胞,”Khesuani 解释说,“然后你就不需要从地球上送来更多的细胞了。”

④ 清洁的氧气和水:藻类+微生物

目前,ISS 的部分氧气是通过化学反应从水中提取的。这需要使用宝贵的水资源和大型设备。在地球上,我们通过植物和其他生物的光合作用来获取氧气,那么为什么不在太空中也这样做呢?

Christophe Lasseur 领导着 ESA 一个名为 MELiSSA 的项目,在过去 30 年中,该项目一直在研究如何利用生物学技术在太空任务中生产和循环利用氧气、水和食物。

“我们在空间站上进行了一些飞行实验,证明了我们可以种植藻类,并将二氧化碳转化为氧气,”他说道,“我们可以根据消耗量来控制产量,而且非常精确。”

MELiSSA 项目证明,利用藻类可以循环利用将近 100%的二氧化碳。ESA 的科学家还一直在研究,与地球相比,这种藻类在太空中的生长速度。它生长得越快,产生氧气所需的的藻类数量就越少。

“在太空中,我们要与质量作斗争。我们希望一切都尽可能小巧轻便,”Lasseur 解释说,“我们需要 100kg 还是 300kg 的设备来回收氧气,这有非常大的区别。”

清洁的水也是必不可少的。在 ISS,高达 80%的水是从空气、宇航员的汗液和尿液中回收以循环利用的。尽管如此,宇航员仍依赖于定期从地球运来的水。

“在太空中,水是一种宝贵的资源,每位宇航员每天要消耗 4~6 升水,每公斤水的发射成本为 50,000 美元。”丹麦航空航天公司(DAC)首席执行官 Thomas Andersen 表示。

ESA 正在与 DAC 和丹麦 Aquaporin 公司合作开发一种更有效的净水方法。Aquaporin 利用一种可以将水分子跨膜转运的细菌蛋白,开发出了一种更快、更有效的水净化方法。

“此外,‘这种膜’能够去除 DSMD,一种来自于塑料管的残留物(NASA 使用 ISS 现有的回收系统去除时遇到了问题)。” Andersen 表示。

寻找回收所有其他种类废物的方法也很重要。“对于废物回收而言,细菌效率很高,因为它们种类繁多,可以适应不同种类的废物。这一点用其他技术很难做到。”Lasseur 说道。

最终的目标是创建单一的生命支持系统,它可以在没有任何外部输入的情况下回收所有东西。ESA 正测试这种生命支持系统是否能无限期地让小白鼠(不与外部环境接触的情况下)舒适地活着。

⑤ 飞向宇宙深处

“最终目标是尽可能独立,并且能够不依赖地球的供给,在太空中长时间停留,”Lasseur 说道,“但是要实现这个目标需要一步步来。”

向前迈出的第一步就是建造 NASA 的深空之门(Deep Space Gateway),一个计划在 2024 年之前绕月运行的空间站。

“它所处的位置非常令人兴奋,因为它在地球的范艾伦辐射带之外,范艾伦辐射带是阻挡宇宙射线和太阳风的保护性磁环。”Baker 说道。在这个空间站上,NASA 计划建造一个太空花园,测试生物在没有地球磁场保护的情况下会如何生存。

“在我看来,植物是矿井中最好的金丝雀(不祥的先兆),”Baker 说,“在空间站上,我们正在研究机器人园艺技术,目标是在那里建立一个半自动化的植物生长系统。”

这些实验将帮助我们为更长时间的远离地球做准备,专家们预测,这一时刻并不遥远。“从现在起,大约 10 年,我们将拥有‘深空之门’――我比航空航天公司要保守一些――再过十年,我们很可能拥有月球基地。从现在起大约 20 年后,”马斯克表示,“我们将能够把人类送上月球,我们拭目以待。”

有一点似乎显而易见,没有什么能阻止人类向更远处的太空进发。生物技术似乎是能满足长期太空任务的所有需求,并最终将科幻小说转变为科学事实。

参考文献

1. Parfenov, Vladislav A., et al. "Magnetic levitational bioassembly of 3D tissue construct in space." Science Advances 6.29(2020): eaba4174.

2. Won\Gyu Choi, et al. "Variation in the transcriptome of different ecotypes of Arabidopsis thaliana reveals signatures of oxidative stress in plant responses to spaceflight." American Journal of Botany 106(2019).

原文链接:https://www.labiotech.eu/in-depth/biotechnology-space-travel/

作者|Clara Rodríguez Fernández

编译|Dayu

审校|617