天宮斑馬魚 航天新發現

來源：光明日報

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，返回的斑馬魚培養水基和在太空中產的卵等實驗材料成爲“明星”。2024年4月25日，幾位特殊“乘客”斑馬魚跟隨3名航天員一起出發去太空。這是我國首次在空間站實施在軌水生生態研究項目，以斑馬魚爲研究對象，在軌建立空間自循環水生生態系統。發射20天后，雖然在微重力下，斑馬魚出現腹背顛倒、旋轉、轉圈等異常情況，但總體狀態良好。科研人員原本估計它們只能存活一個月，但結果令人意外，這些斑馬魚在太空存活了6個月，生命力頑強。爲什麼要在太空養魚？太空養魚給航天帶來什麼新探索？

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麼價值。

在2001年發射的神舟二號上，我國首次進行了微重力環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境效應實驗。

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”，半年後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代謝重塑，阻斷硫胺素的攝取，並進一步造成細胞骨架重塑和鈣穩態失衡，提示長期在太空飛行需關注硫胺素在心血管系統防護中的作用。

在神舟十八號載人飛船成功發射的同時，神舟十七號航天乘組也攜帶着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迴歸，其中有人成骨細胞和骨髓間充質幹細胞。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境下的細胞響應機制，發現微重力對細胞生物學轉錄組和蛋白組的具體影響。在太空空間環境裡，成骨細胞活性會降低，航天員和老年人也會存在骨質流失的現象。研究成骨細胞和骨髓間充質幹細胞怎麼樣對抗骨流失狀態，對於航天醫學和老年醫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、外部干擾少等優點，但無法完全模擬複雜的生命整體生理環境，如免疫系統、代謝途徑和行爲等方面的變化，無法直接反映生物體內的複雜相互作用，因此推廣到整個生物體或人類時要謹慎，還應取得整體動物實驗結果的支持。由此可見，模式生物在推動生命醫藥科學發展過程中發揮了極其重要的作用。

2.太空養魚爲啥選擇斑馬魚

斑馬魚作爲四大模式生物之一，其基因與人類基因相似度高且體形小、繁殖快、發育週期短，成爲生命科學領域模式生物的“後起之秀”，被稱爲“水中小白鼠”。

斑馬魚是原產於南亞恆河流域的小型魚類，體形呈紡錘狀，因全身佈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釐米，約爲小鼠體長的1/3，體重更是隻有其1/50左右。

斑馬魚具有魚類體外受精、繁殖快、發育週期短的特性：一尾雌魚每次產卵數量約有200至400枚；早期胚胎髮育透明；從受精卵到能遊動大約只需4天，孵出後約3個月可以達到性成熟；成魚大概每隔一週產卵一次，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係僅次於大、小鼠等脊椎動物。在系統組織結構和生長髮育衰老方面，與人類有很高的相似性，在基因和蛋白質的結構和功能上也表現出很高的保守相似性，因此是研究人類疾病發生機理的優良動物模型，被廣泛應用於造血、心血管、腎和骨骼相關，以及腫瘤、癲癇、藥物成癮等疾病研究。

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

3.怎樣在太空養魚

爲斑馬魚提供一個適宜的生存環境，不僅需要富含氧氣的優良水質，還需要規律的晝夜節律以及充足的食物供給等。斑馬魚的溫度耐受範圍只有15～40攝氏度，水溫24～29攝氏度是適宜範圍，對pH值也有要求，應該控制在7.0～8.0之間；同時需要水質的電導率在每釐米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在自動實時監測和控制溫度、pH值和電導率的自動循環水系統中，其自身的生理週期需要每天10小時光照和14小時黑暗環境。在太空養魚，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後篩選出來的產物。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。如果把它一分爲二，兩部分都可以存活和長大，適應性極強，無需水草泥也可沉浸於水中。太空並無地球的晝夜節律，水生支持裝置爲金魚藻提供了LED光源，保證金魚藻正常進行光合作用，確保這個生態系統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。由於太空微重力的原因，斑馬魚無法正常食用普通魚食，殘餘的魚食也會污染水體。因此，科學家們研究出一套餵食裝置，並開發了適宜斑馬魚食用的太空餐。他們設計了一種特殊且便於更換的魚食盒，通過一根細管連接水族箱一側，每天用注射器像擠牙膏似的餵魚食，讓斑馬魚儘量吃完，以減少殘餘對水體的污染。同時，斑馬魚吃剩的魚食和產生的排泄物，可以通過管道輸送到金魚藻那邊，爲其提供生長所需的營養物質。由此，科學家在水族箱內搭建了一套微型生態系統，讓斑馬魚和金魚藻二者形成彼此共生的關係。

空間站的小型受控生命生態實驗組件看起來很簡單，實際上是個複雜的科學實驗系統，可以實現自動餵食、溫度控制、光照控制等。在“太空水族箱”這個實驗模塊，除了水族箱外，剩餘的空間則安排了控制與監測設備，比如循環水泵、觀測相機、pH值檢測設備等，地面科學家通過這些設備對斑馬魚進行實時監測。水族箱只要維持適宜的酸鹼度和電導率，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。

小魚們會在太空產卵，因此要啓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後，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。該項目還可將採集的水樣帶回地面，供進一步研究。爲避免小魚和水藻在空間站死亡後腐爛變質，實驗項目結束後，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燬。

4.爲什麼要去太空養魚

斑馬魚與人類基因組成相似，研究它將會在生物醫藥科研領域產生一系列有影響的貢獻，意義重大。人類疾病相關基因中有84％可以在斑馬魚中找到對應基因，在關鍵性的蛋白靶點區域，相似性接近100％。近年來，斑馬魚作爲模式動物，廣泛應用於生命系統發育基礎研究、醫學領域疾病模型的建立、靶向藥物的篩選，以及環境監測等多個領域，逐漸成爲醫學、生命科學和環境科學領域中不可缺少的工具生物。

太空空間環境主要有高真空、強輻射、微重力、弱磁場和溫差大等特點。微重力會引發人體多種病理生理現象，如心血管功能障礙、免疫機能下降、骨丟失肌肉萎縮、內分泌紊亂等，其作用機制一直是空間生物學效應研究重要的科學課題之一。微重力引發的這些生物學效應，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，使之成爲中長期載人航天飛行的一大障礙。而太空養魚可以通過開展太空空間環境對脊椎動物機能與行爲的影響研究，爲空間密閉生態系統物質循環研究提供支撐，幫助人類更好、更全面地瞭解太空環境對基因、細胞和生命整體的影響。這不僅僅是對人類本身的探索，也關乎科研人員對未知領域的不斷探求。同時，太空養魚實驗還將爲我國在太空農業、生態循環等領域的研究提供有益參考。

更重要的是，太空養魚實驗的成功實施，將爲我國實現在太空培養脊椎動物這一目標邁出關鍵一步。空間站的水生生態系統穩定運行，能夠爲航天員長期駐留太空及載人火星任務等深空探測提供初步的生命支持依據。後續，科學家將利用返回的水樣、魚卵等樣品，結合斑馬魚空間運動行爲視頻等，開展空間環境對脊椎動物機能與行爲的影響研究。可以預期的是，人類一旦建立起自給自足的太空生態系統，那麼遠赴深空長期生活、工作也將不再是夢想。

（作者：崔建林，系南開大學醫學院醫學國際協同創新中心高級實驗師）