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科研進展

地質地球所臨近空間天體生物學研究取得系列進展

來源:地質與地球物理研究所發布時間:2022-04-12

  

  探索地外宜居環境和生命信號是天體生物學研究的核心科學問題,也是深空探測的重要科學目標。地球上的一些極端環境是公認開展天體生物學研究的理想實驗區域。海平面之上20~100公里高度的地球臨近空間具有高輻射、低氣壓、低溫、干燥等極端環境條件,可以在一定程度上類比現代火星的表面環境。探究生命在臨近空間的生存和適應機制不僅可以更好地認識地球生命的生存極限,而且有助于理解地外生命可能的生存策略、生命星際傳輸、行星保護等前沿科學問題。 

  中國科學院地質與地球物理研究所的研究員、研究員、研究員、院士等,聯合中國科學院空天信息創新研究院等單位,經過四年的攻關,成功研制出我國首個基于高空氣球的臨近空間天體生物學綜合飛行實驗平臺CAS-BAP (Chinese Academy of Sciences Balloon-Borne Astrobiology Platform),該平臺搭載了自主研制的無溫控生物暴露載荷(BIOSEP)、溫控生物暴露載荷(TC-BIOSEP)、原位生物收集載荷(BANDS)、紫外光譜儀(UVS)等四類臨近空間原位和遙感載荷。自2019年起,研究團隊在內蒙古烏拉特中旗、青海大柴旦等地區先后實施了4次臨近空間飛行實驗,在20-35公里高度成功驗證了自主研制的各類載荷和飛行平臺,在國際上率先實現了在臨近空間同時開展生物暴露研究、原位生物收集和原位環境因子觀測,為臨近空間天體生物學研究提供了平臺和技術支撐(圖1)。 

  

  1 2021年青海省大柴旦地區HH-21-5飛行實驗中臨近空間無溫控生物暴露載荷BIOSEP (左)和溫控生物暴露載荷TC-BIOSEP (右)在海拔35公里高度開展科學實驗 

  利用CAS-BAP平臺,在建立交叉研究方法的基礎上,地磁場與生物圈演化學科組劉佳博士與合作導師研究員等,聯合中國科學院國家空間科學中心、中國農業大學等科研人員,開展了國際上首個趨磁細菌的臨近空間飛行實驗(平飛高度23公里,圖2)。研究發現合成磁小體(細胞內呈鏈狀排列的、Fe3O4成分的納米級磁性顆粒)的趨磁細菌Magnetospirillum gryphiswaldense MSR-1經過臨近空間環境暴露后仍有部分細胞可以存活,而不合成磁小體的菌株經暴露后沒有檢測到存活細胞。進一步研究發現,臨近空間暴露后的存活生物樣品與實驗室對照組相比,其磁小體的數量、尺寸、磁學性質等均發生不同程度的變化。同時,基于原位測量獲得的臨近空間紫外輻射數據,在實驗室內開展了模擬紫外輻射環境的對比實驗。這些研究表明,細胞內的磁小體納米鐵磁性顆粒有助于細菌抵御臨近空間的高輻射極端環境,細菌細胞內的生物礦化可成為微生物適應類火星環境的一種策略。 

  

  2 臨近空間趨磁細菌的飛行實驗示意圖 

  基于高空氣球的臨近空間天體生物學實驗平臺具有載荷重量大、發放和回收靈活等特點,可以與基于空間站的空間生命科學研究形成互補,并有望成為未來地外生命探測(如金星大氣中生命信號原位探測等)的一種潛在手段。 

  上述成果近期分別發表于Nature AstronomyScience Bulletin。研究受中國科學院A類戰略性先導科技專項“鴻鵠專項”、國家自然科學基金委、中國科學院地質與地球物理研究所、等共同資助。 

  1. *,,張文斯,,申建勛,,袁洪,蔡榕,,. Astrobiology at altitude in Earth’s near space. Nature Astronomy, 2022, 6: 289. DOI:  

  2. 劉佳,張文斯,何況,劉立,王超,蔣遠大,馬士蛟,田杰生,李穎,張同偉,,,Greig A. Paterson,,,*. Survival of the magnetotactic bacterium Magnetospirillum gryphiswaldense exposed to Earth’s lower near space. Science Bulletin, 2022. DOI:  


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