天宮斑馬魚，航天新發(fā)現(xiàn)

2024年11月4日，中國空間站第7批空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品隨神舟十八號(hào)飛船順利返回。其中，返回的斑馬魚培養(yǎng)水基和在太空中產(chǎn)的卵等實(shí)驗(yàn)材料成為“明星”。為什么要在太空養(yǎng)魚？太空養(yǎng)魚給航天帶來什么新探索？

模式生物有何價(jià)值

在生命科學(xué)研究中，斑馬魚是一種常見的模式生物。在說太空養(yǎng)魚之前，我們先來看看我國進(jìn)行過哪些太空生命科學(xué)研究，以及模式生物研究對生命科學(xué)研究有什么價(jià)值。

在2001年發(fā)射的神舟二號(hào)上，我國首次進(jìn)行了微重力環(huán)境下的空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)，開展了植物、動(dòng)物、水生生物、微生物及離體細(xì)胞和細(xì)胞組織的空間環(huán)境效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。

2021年10月，利用隨神舟十三號(hào)進(jìn)入太空的心肌細(xì)胞，中國空間站順利完成了首個(gè)活細(xì)胞研究?！疤鞂m課堂”的第一堂課，展示了太空失重條件下心肌細(xì)胞“鈣信號(hào)閃爍”，半年后心肌細(xì)胞隨神舟十三號(hào)返回地面。合作團(tuán)隊(duì)對心肌細(xì)胞進(jìn)行深入研究，揭示在太空微重力下心肌細(xì)胞出現(xiàn)代謝重塑，阻斷硫胺素的攝取，并進(jìn)一步造成細(xì)胞骨架重塑和鈣穩(wěn)態(tài)失衡，提示長期在太空飛行需關(guān)注硫胺素在心血管系統(tǒng)防護(hù)中的作用。

在神舟十八號(hào)載人飛船成功發(fā)射的同時(shí)，神舟十七號(hào)航天乘組也攜帶著30多公斤的寶貝——中國空間站第六批空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品安全回歸，其中有人成骨細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞。通過升空再返回的過程，研究團(tuán)隊(duì)有機(jī)會(huì)深入研究微重力環(huán)境下的細(xì)胞響應(yīng)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)微重力對細(xì)胞生物學(xué)轉(zhuǎn)錄組和蛋白組的具體影響。在太空空間環(huán)境里，成骨細(xì)胞活性會(huì)降低，航天員會(huì)像老年人那樣存在骨質(zhì)流失的現(xiàn)象。研究成骨細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞怎么樣對抗骨流失狀態(tài)，對于航天醫(yī)學(xué)和老年醫(yī)學(xué)研究具有重要意義。

離體細(xì)胞實(shí)驗(yàn)雖然具有成本較低、操作簡便、變量可控、外部干擾少等優(yōu)點(diǎn)，但無法完全模擬復(fù)雜的生命整體生理環(huán)境，如免疫系統(tǒng)、代謝途徑和行為等方面的變化，無法直接反映生物體內(nèi)的復(fù)雜相互作用，因此推廣到整個(gè)生物體或人類時(shí)要謹(jǐn)慎，還應(yīng)取得整體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持。由此可見，模式生物在推動(dòng)生命醫(yī)藥科學(xué)發(fā)展過程中發(fā)揮了極其重要的作用。

太空養(yǎng)魚為啥選擇斑馬魚

斑馬魚作為四大模式生物之一，其基因與人類基因相似度高，且體形小、繁殖快、發(fā)育周期短，成為生命科學(xué)領(lǐng)域模式生物的“后起之秀”，被稱為“水中小白鼠”。

斑馬魚是原產(chǎn)于南亞恒河流域的小型魚類，體形呈紡錘狀，因全身布滿多條深藍(lán)色縱條紋似斑馬而得名。成年斑馬魚體長一般只有3～4厘米，約為小鼠體長的1/3，體重更是只有其1/50左右。

斑馬魚具有魚類體外受精、繁殖快、發(fā)育周期短的特性：一尾雌魚每次產(chǎn)卵數(shù)量有200至400枚；早期胚胎發(fā)育透明；從受精卵到能游動(dòng)大約只需4天，孵出后約3個(gè)月可以達(dá)到性成熟；成魚大概每隔一周產(chǎn)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(yuǎn)親，與人類的遺傳親緣關(guān)系僅次于大、小鼠等脊椎動(dòng)物。在系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)和生長發(fā)育衰老方面，與人類有很高的相似性，在基因和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能上也表現(xiàn)出很高的保守相似性，因此是研究人類疾病發(fā)生機(jī)理的優(yōu)良動(dòng)物模型，被廣泛應(yīng)用于造血、心血管、腎和骨骼相關(guān)，以及腫瘤、癲癇、藥物成癮等疾病研究。

可否建立一個(gè)能養(yǎng)小鼠的太空動(dòng)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以便深入研究空間微重力環(huán)境對動(dòng)物骨骼、肌肉、神經(jīng)和免疫等方面的影響？小鼠飼養(yǎng)會(huì)產(chǎn)生排泄物并揮發(fā)大量的廢氣，帶它上太空開展實(shí)驗(yàn)，首先需要一個(gè)封閉的過濾循環(huán)裝置，以解決小鼠產(chǎn)生的廢物。而斑馬魚整個(gè)受精和發(fā)育均在水體中進(jìn)行，不會(huì)在水體外產(chǎn)生廢物和廢氣，相較于小鼠就非常適合太空搭載實(shí)驗(yàn)。在未攻克封閉的過濾循環(huán)裝置技術(shù)背景下，如要開展整體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，斑馬魚是比較理想的實(shí)驗(yàn)對象。

怎樣在太空養(yǎng)魚

為斑馬魚提供一個(gè)適宜的生存環(huán)境，不僅需要富含氧氣的優(yōu)良水質(zhì)，還需要規(guī)律的晝夜節(jié)律以及充足的食物供給等。斑馬魚的溫度耐受范圍只有15～40攝氏度，水溫24～29攝氏度是適宜范圍，對pH值也有要求，應(yīng)該控制在7.0～8.0之間；同時(shí)需要水質(zhì)的電導(dǎo)率在每厘米500～800微西門子左右；對總氨氮、溶解氧等都有要求。實(shí)驗(yàn)室的斑馬魚需要飼養(yǎng)在自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制溫度、pH值和電導(dǎo)率的自動(dòng)循環(huán)水系統(tǒng)中，其自身的生理周期需要每天10小時(shí)光照和14小時(shí)黑暗環(huán)境。在太空養(yǎng)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(yǎng)魚用的“天宮水族箱”，實(shí)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(xué)家嘗試了很多種魚和水草之后篩選出來的產(chǎn)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(qiáng)。如果把它一分為二，兩部分都可以存活和長大，適應(yīng)性極強(qiáng)，無需水草泥也可沉浸于水中。太空并無地球的晝夜節(jié)律，水生支持裝置為金魚藻提供了LED光源，保證金魚藻正常進(jìn)行光合作用，確保這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)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(gè)難題則是斑馬魚的食物問題。由于太空微重力的原因，斑馬魚無法正常食用普通魚食，殘余的魚食也會(huì)污染水體。因此，科學(xué)家們研究出一套喂食裝置，并開發(fā)了適宜斑馬魚食用的太空餐。他們設(shè)計(jì)了一種特殊且便于更換的魚食盒，通過一根細(xì)管連接水族箱一側(cè)，每天用注射器像擠牙膏似的喂魚食，讓斑馬魚盡量吃完，以減少殘余對水體的污染。同時(shí)，斑馬魚吃剩的魚食和產(chǎn)生的排泄物，可以通過管道輸送到金魚藻那邊，為其提供生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)。由此，科學(xué)家在水族箱內(nèi)搭建了一套微型生態(tài)系統(tǒng)，讓斑馬魚和金魚藻二者形成彼此共生的關(guān)系。

空間站的小型受控生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)組件看起來很簡單，實(shí)際上是個(gè)復(fù)雜的科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)喂食、溫度控制、光照控制等。在“太空水族箱”這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，除了水族箱外，剩余的空間則安排了控制與監(jiān)測設(shè)備，比如循環(huán)水泵、觀測相機(jī)、pH值檢測設(shè)備等，地面科學(xué)家通過這些設(shè)備對斑馬魚進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。水族箱只要維持適宜的酸堿度和電導(dǎo)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(xué)家干預(yù)。

小魚們會(huì)在太空產(chǎn)卵，因此要啟動(dòng)專用裝置收集魚卵。這是一個(gè)嘗試性、探索性很強(qiáng)的工作，也是本次實(shí)驗(yàn)最有趣之處。這些卵被航天員帶回地面后，科學(xué)家會(huì)開展更深入的研究，進(jìn)一步觀測太空對魚卵孵化的影響等。該項(xiàng)目還可將采集的水樣帶回地面，供進(jìn)一步研究。為避免小魚和水藻在空間站死亡后腐爛變質(zhì)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)束后，航天員們將它們送到貨運(yùn)飛船，在貨運(yùn)飛船返回地球時(shí)，會(huì)在與大氣層的摩擦中自燃而焚毀。

為什么要去太空養(yǎng)魚

人類疾病相關(guān)基因中有84％可以在斑馬魚中找到對應(yīng)基因，在關(guān)鍵性的蛋白靶點(diǎn)區(qū)域，相似性接近100％。近年來，斑馬魚作為模式動(dòng)物，廣泛應(yīng)用于生命系統(tǒng)發(fā)育基礎(chǔ)研究、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域疾病模型的建立、靶向藥物的篩選，以及環(huán)境監(jiān)測等多個(gè)領(lǐng)域，逐漸成為醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域中不可缺少的工具生物。

太空空間環(huán)境主要有高真空、強(qiáng)輻射、微重力、弱磁場和溫差大等特點(diǎn)。微重力會(huì)引發(fā)人體多種病理生理現(xiàn)象，如心血管功能障礙、免疫機(jī)能下降、骨丟失肌肉萎縮、內(nèi)分泌紊亂等，其作用機(jī)制一直是空間生物學(xué)效應(yīng)研究重要的科學(xué)課題之一。微重力引發(fā)的這些生物學(xué)效應(yīng)，不僅嚴(yán)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(shí)間，使之成為中長期載人航天飛行的一大障礙。而太空養(yǎng)魚可以通過開展太空空間環(huán)境對脊椎動(dòng)物機(jī)能與行為的影響研究，為空間密閉生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)研究提供支撐，幫助人類更好、更全面地了解太空環(huán)境對基因、細(xì)胞和生命整體的影響。這不僅僅是對人類本身的探索，也關(guān)乎科研人員對未知領(lǐng)域的不斷探求。同時(shí)，太空養(yǎng)魚實(shí)驗(yàn)還將為我國在太空農(nóng)業(yè)、生態(tài)循環(huán)等領(lǐng)域的研究提供有益參考。

更重要的是，太空養(yǎng)魚實(shí)驗(yàn)的成功實(shí)施，將為我國實(shí)現(xiàn)在太空培養(yǎng)脊椎動(dòng)物這一目標(biāo)邁出關(guān)鍵一步?？臻g站的水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，能夠?yàn)楹教靻T長期駐留太空及載人火星任務(wù)等深空探測提供初步的生命支持依據(jù)。后續(xù)，科學(xué)家將利用返回的水樣、魚卵等樣品，結(jié)合斑馬魚空間運(yùn)動(dòng)行為視頻等，開展空間環(huán)境對脊椎動(dòng)物機(jī)能與行為的影響研究。

注：作者系南開大學(xué)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)國際協(xié)同創(chuàng)新中心高級實(shí)驗(yàn)師

（魚兒摘自2024年11月7日《廣州日報(bào)》）