科学观察, 2015, 10(6): 37-51
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Cite this article:
Wang Hai Ming , Yang Fan* , Guo Shi Jie , Han Lin . Development Trend Analysis of Space Life Sciences . 科学观察 [J], 2015, 10(6): 37-51 doi:10.15978/j.cnki.1673-5668.201506002
摘要:
该文立足于空间环境下开展的生命科学研究,利用文献计量和文本挖掘方法,描绘国际空间生命科学研究的发展全貌,重点分析空间生命科学各研究方向科学实验开展情况、科研产出和最新进展,展望未来发展趋势,为中国未来开展空间站空间生命科学研究提供参考和借鉴。
关键词:
空间生命科学
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空间生物学
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航天医学
;
宇宙生物学
;
国际空间站
Key words:
space life sciences
;
space biology
;
space medicine
;
astrobiology
;
international space station
1 引言
空间生命科学是空间科学和生命科学的交叉学科,主要研究地球之外生命存在的可能和生命的起源演化等基本科学问题,还研究地球生物包括人类进入空间后在空间特殊条件下的响应、生存、变化和适应等活动规律,并且关注空间生物技术和转化应用问题、支撑载人空间探索活动的应用问题以及支撑空间生命科学研究的特殊方法和相关技术等。空间生命科学包括空间生物学和航天医学、空间生物技术与转化应用、宇宙生物学、空间生命科学实验技术与装置4个主要领域[1-3]。本文立足于空间环境下开展的研究,利用文献计量和文本挖掘方法,从空间生物学和航天医学研究、宇宙生物学两个角度对世界空间生命科学发展态势进行研究和分析,与空间生物学和航天医学研究关系紧密的空间生物技术及其转化应用以及空间生命科学实验技术与装置相关内容也放在空间生物学和航天医学研究中一并讨论。
2 方法及数据来源
本研究利用Thomson Reuters科技集团的Web of Science(简称WOS)数据库,针对美国、欧洲、日本、俄罗斯、法国、英国、德国、意大利、中国等国依托航天器平台开展的主要空间生命科学任务(包括历史任务、正在进行的任务和规划中的任务)逐项构建检索式,对相关任务产出的研究性论文、会议论文和综述性论文3类研究成果进行主题检索(涵盖研究成果的标题、摘要、关键词),获得2001–2013年数据,以此作为描述和评价空间生命科学领域整体学科发展水平的样本数据,并开展相关的统计分析。同时对目前空间生命科学最大的在轨研究平台——国际空间站(ISS)的空间生命科学研究态势与进展进行了深入分析,ISS实验数据信息来源于美国国家航空航天局(NASA)ISS计划网站,论文数据来源于WOS数据库。
3 结果及分析
3.1 空间生命科学领域论文产出发展态势
进入新世纪以来(2001–2013年),空间生命科学领域的SCI论文总量达4 664篇,年均增长率为5.3 %,其中空间生物学和航天医学领域发文1 791篇,宇宙生物学领域发文2 873篇。2011年(481篇)比2001年(258篇)的发文量增加了86.4 %,其中宇宙生物学论文数量整体呈平稳增长态势,空间生物学和航天医学研究论文数量大致保持稳定(图1)。
在重大产出方面,2001–2013年,Nature和Science上分别发表了17篇和27篇空间生命科学领域的论文,其研究聚焦于宇宙生物学研究。
论文和引文可以分别从研究规模和影响力水平两个角度反映研究水平的主要现状。2001–2013年空间生命科学领域的论文数量、被引频次统计数据(表1)表明：美国在空间生命科学领域的绝对优势地位无可撼动,论文产出量为2 532篇,约占全球4 664篇论文总量的54.3 %。德国、日本、俄罗斯、意大利、法国等国家在空间生命科学领域均具有较强的实力。
表1
2001–2013年空间生命科学领域论文产出前10位的国家以及中国的相关数据
在被引频次指标上,美国研究成果的影响力远远高于其他国家,总被引频次为排名第二的法国的3.3倍。此外,在庞大的研究规模基础上,美国还获得了高达18.56次/篇的篇均被引频次,与在空间科学领域同样颇具研究特色的法国、德国、英国、意大利、西班牙和加拿大并驾齐驱。
中国在空间生命科学领域的研究实力较为薄弱：2001–2013年间的总发文量仅有126篇(是美国发文量的5.0 %),仅在空间生物学和航天医学方面发文量排名进入世界前10位;篇均被引频次也明显落后于世界平均水平。由于数据集过小,本报告没有对国内科研机构的发文和引文情况进行分析。
从机构层面看,无论论文数量还是被引频次美国的研究机构均占据了世界TOP 10机构中的5席：论文总量排名世界前3以及被引频次排名世界前5的机构均来自美国。美国国家航空航天局(NASA)、加利福尼亚理工学院和加利福尼亚大学无论在论文数量还是在被引频次上都遥遥领先于其他机构。欧洲空间局(ESA)、德国宇航中心、俄罗斯科学院、哈佛大学、亚利桑那大学、马克思•普朗克学会以及法国国家科学研究院均同时出现在论文榜和引文榜前列(表2)。
表2
2001–2013年空间生命科学领域论文产出排名前10的机构的相关数据
21世纪以来,空间生命科学研究在各个方面都取得了可喜的进展,为未来发展奠定了坚实的基础。空间生物学和航天医学研究方面,人类已实现进入空间生活和工作,已有500多位航天员进入太空,单次最长生活时间438天,累计最长时间737天,出舱活动数百次,对人在空间长期生存的心血管、肌肉/骨骼系统、免疫功能等一系列生理问题有了基本认识,航天医学监护和对抗措施取得了显著进展;研究了多种植物、动物、微生物、水生生物以及动植物细胞和组织在空间的行为,完成了多次种籽到种籽的全周期植物生长,发现了动植物重力感知的可能机理,研究了动植物空间生长发育、节律等变化和内在机制,发现了空间辐射对生物组织的旁效应等[4]。宇宙生物学研究方面,目前对火星的研究已经发现了其存在大量地下水的证据和其他支持生命存在的迹象。“伽利略”探测器观测结果证实,在木卫二表面冰层下埋藏着大量相对温暖的含盐液态水,这使得木卫二很可能适合生命存在。“开普勒”任务发现大批系外行星,其中甚至包含数颗“超级地球”。可以预计,在地球系统以外发现生命或生命存在的证据将是人类对客观世界和自身认识的重大突破,将极大拓展人类对生命现象及其规律的认识[5]。
3.2 国际空间站空间生命科学研究态势与进展
国际空间站(ISS)自1998年发射首个组件以来,一直是世界上最为重要的空间生命科学研究平台,世界上大部分空间环境下开展的空间生物学和航天医学研究都是在ISS平台上进行的,这些研究代表着空间生物学和航天医学研究的发展方向。可以预期,2020年之前乃至之后的一段时期,ISS都将在空间生命科学研究领域占据极其重要的地位。
表3
ISS第 0至40批远征任务生物学与生物技术领域研究项目统计
3.2.1 ISS生命科学实验近期研究态势
按照NASA的分类体系,ISS上进行的空间生命科学研究可分为两大方向,分别是用于航天探索的人体研究以及生物学和生物技术研究。ISS第0至40批考察组的空间科学任务共进行了788项实验(1 261次),其中218项(514次)为生物学与生物技术研究,145项(747次)为人体研究项目。与空间生命科学相关的研究项目占ISS各研究领域总实验项数的46.1%,足见其重要性[6]。
表4
ISS 第0至40批远征任务人体科学领域研究项目统计
3.2.2 ISS论文产出态势
截至报告数据统计日,SCI数据库收录的与ISS空间生命科学研究相关的论文数量为785篇,论文的逐年发表情况见图3：论文数量整体呈增长态势,2012年被SCI数据库收录的论文数量首次突破一百达到104篇。
美国在与ISS相关的空间生命科学研究中保持绝对领先地位,发文量接近其他论文排名TOP 10国家的发文量总和,占该领域论文总量的49.2 %。德国、俄罗斯的研究规模处于第二梯队,发文量均超过或接近100篇(表5)。
表5
2001–2013年ISS空间生命科学领域论文数量排名前10的国家的相关数据
由于中国不是ISS计划参与国,因此在基于ISS开展的空间生命科学研究数量较少,篇均被引频次也明显落后于世界平均水平。
美国研究机构在空间生命科学领域的研究实力无可撼动：论文数量排名TOP 10的机构中有3家美国机构,德国宇航中心和俄罗斯科学院并列第3;在被引频次排名TOP 10的机构中美国更是包揽了前3席。NASA和威尔实验室无论在论文数量还是在被引频次上都遥遥领先于其他机构。美国加利福尼亚大学、ESA等机构均同时出现在论文榜和引文榜前列(表6)。
表6
2001–2013年ISS空间生命科学领域论文数量排名前10的机构的相关数据
3.2.3 ISS空间生命科学实验研究重要成果
(1)重要科学成就
2013年9月,NASA发布“ISS10大科学成就”,评选标准包括成果发表的科学期刊质量、受其他科学家推荐的情况、创新性以及是否给人类带来益处等几方面。表7列出了10大成就中与空间生命科学研究相关的科研成果[7]。
表7
NASA评选的ISS10大科研成果中与空间生命科学相关的成果
(i)化疗药物新型靶向输送方法用于乳腺癌临床试验
为了寻找对抗乳腺癌的新药,2002年,研究人员开始在ISS上进行“微型胶囊静电处理系统研究”,旨在寻找针对乳腺癌的靶向化疗给药新方法。研究人员发现在微重力环境下,装有化疗药物的微型胶囊能够更加简单地直达肿瘤部位。由于不能在空间中进行临床实验,研究人员未来5年的工作目标是在地面实验室的环境下研制出数量和纯度都满足要求的微型胶囊,可能需要10年才能真正大规模付诸临床治疗。
(ii)细菌病原体变得高致病性的途径
地面研究表明一些细菌如沙门氏菌在进入空间之后可能会变得更加致命。在ISS进行的研究证实沙门氏菌在空间中确实变得更易导致疾病,这对飞行中的航天员来说影响巨大。研究人员还确认了这些病菌的基因在微重力下发生变异的途径,这种变异与离子穿透培养基的方式有关。后续研究还对培养基中没有离子介质时细菌的致病力进行了研究,相关论文已经发表在《美国科学院院刊》上[8]。目前研究人员还在研究其他种类的细菌,试图了解致病力增加是否是一个普遍现象。
(iii)理解骨质疏松症的机理及开发新的治疗药物
作为目前全球最大的生物技术制药公司,AMGEN制药公司在ISS上实施了一项名为“商业生物医学试验模块：微重力下的骨质疏松症效应”(CBTM)的实验。研究表明,与未进行保护的小白鼠相比,经过骨保护素治疗的小白鼠的骨吸收明显降低。目前,经过空间环境验证过的骨保护素已经进入地面临床试验阶段。这项有关骨质疏松症的机理研究和药物治疗实验为人类在空间环境下的骨健康和骨质疏松症的治疗带来了曙光。实验开发的药物商品名为Prolia,能抑制破骨细胞活化和发展,减少骨吸收和增加骨密度。2010年6月1日,Prolia继在欧洲上市后,又被美国食品药品管理局(FDA)批准上市,如今已成为被广泛使用的骨质疏松症治疗药物。研究人员正在ISS上进行该项目的第2和第3阶段的试验,研发治疗乳腺癌或前列腺癌病患的骨转移的药物。
(iv)通过饮食和锻炼预防在空间中骨质流失的发生
航天员在空间环境下会出现骨质流失的现象,对这个问题的研究从未间断,并在近几年达到了顶峰。早期研究发现ISS航天员的骨密度流失率达到了每月1.5%。在确定了流失率之后,研究人员发现锻炼有助于缓解骨质流失的程度。研究人员随后开始寻找通过饮食和锻炼预防骨质流失的方法,并且不断升级锻炼的器械。研究发现,通过周期性的高强度锻炼,辅以一定剂量富含维生素D的配餐和正确的作息,在返回地面时航天员不会损失大量的骨密度。几个不同的研究小组为此发表了10余篇相关论文[9]。这些论文得出一个惊人结论：无论在哪儿,健康的生活方式胜过一切药物。通过这项研究,我们能够更好地理解,在日常生活中伴随着人类的衰老,骨密度是如何发生变化的以及如何避免由衰老引发的类似情况在空间发生。虽然目前将ISS上的研究成果应用在地球上的人类尚需时日,但这仍然是一项非常有前景的骨质疏松症解决方案。
(2)2013年ISS最佳研究成果
2014年6月17日至19日,美国宇航学会(AAS)、NASA和空间科学促进中心(CASIS)在第三届ISS研究和发展大会上宣布蛋白质结晶生长等14项研究和技术开发成果荣获2013年ISS最佳研究成果,其中有5项与空间生命科学研究相关[10],见表8。
表8
ISS 2013年度与空间生命科学相关的最佳研究成就
(i)微重力条件下生长高品质蛋白质晶体
来自纳米机架公司(NanoRacks LLC)的Carl Carruthers, Jr.由于在微重力条件下蛋白质晶体生长方法方面的杰出工作获得2013年度最受关注研究成果奖项[11]。这项工作是“纳米机架-蛋白质晶体生长-1”(NanoRacks-PCG-1)实验的一部分,是美国国家实验室资助的实验之一[12],实验被安排在长期考察组33/34和35/36期间开展(从2012年9月至2013年9月)。
该研究形成的论文《微重力下的一种微流体、高产量蛋白质晶体生长方法》发表在2013年11月出版的PLOS ONE上[13]。实验利用当前最先进的商业化方法在微重力下生长高品质蛋白质晶体。这种生长方法采用了名为“晶体卡”(CrystalCards™)的一种小型载玻片,以冷冻状态运送至ISS,在轨解冻后晶体即开始生长,航天员按需检查,实验完成后返回地球。在轨实验70天后,25个晶体卡中的16个生长出晶体,而地面控制组只有12个生长出晶体;此外,微重力下生长出的高品质晶体也多于地面组空间,表明空间生长情况优于地面。这些结果验证了系统的可用性,并为在地面生长状况不佳的大蛋白质晶体生长提供了新的研究机遇。
(ii) 基于高通量全景式分析(panomic)方法研究微重力对皮肤血管内皮细胞对损伤响应的影响
已有的研究表明,持续暴露在微重力环境下会导致宿主的免疫系统损伤,从而显著延缓伤口愈合过程。微重力环境有利于细菌细胞的生长,因此损害愈合面临进一步的挑战。NASA和美国国防部(DOD)共同资助了“基于高通量全景式分析(panomic)方法研究微重力对皮肤血管内皮细胞对损伤响应的影响”(STL-MRMC)实验,试图通过研究变重力环境下内毒素攻击皮肤细胞这一体外模型系统,帮助理解重力改变如何影响宿主对损伤的响应,确定与表皮/真皮血管内皮细胞等细胞损伤相关的分子特征。
STL-MRMC实验被安排在远征任务27/28(2011年3月至9月)进行。实验在专门为研究微重力环境对细胞培养的影响而开发的全自动化的“细胞培养模块”(CCM)硬件中进行。STL-MRMC将内皮细胞接种至中空纤维生物反应器中并进行灌注,随后内毒素将注入试样。反应将在两个不同的时间间隔停止,进行高通量基因、micro-RNA、代谢物和蛋白质表达分析,以表征变重力下与内皮细胞对内毒素的瞬态响应相关的分子标记,同时地面也将进行对照实验。
这一研究将揭示出与内毒素诱导的内皮细胞损伤有关的关键生物网络/节点/下游“疾病足迹”等生物学标记。对地面和空间损伤模型的研究也有望帮助指导制定变重力环境下受损愈合过程的早期治疗措施,并在地面真正获得对级联到伤口愈合过程的监管节点/网络的清楚理解[14],有望为地面的健康研究提供极大帮助。目前的实验结果已经揭示出了一些具有临床意义的生物标记,相关成果荣获美国航天协会(AAS)2013年度最受关注研究成果奖[11]。
(iii) 综合心血管
由NASA资助,得克萨斯大学、约翰逊空间中心(JSC)、西北大学等机构共同开展的“综合心血管”(ICV)实验旨在定量研究与长时间空间飞行相关的心肌萎缩的程度、时间进程以及临床意义,确定心肌萎缩的机制以及对进行长期空间任务的航天员的功能性影响。实验结果还将用于确定正常重力(地球)和变重力(火星和月球)环境下的心脏充盈动力学、立位耐力以及在ISS和返回地球后的运动耐量和心律失常易感性。实验研究成果有望帮助航天员在未来的长期空间探索任务中,如火星或小行星任务中保持健康(如避免心功能和心律失常的风险),协助制定减轻空间飞行对心血管系统的影响的对策。空间实验获得的结果有望在地面用于长期卧床或慢性身体活动减少患者以及某些改变心脏刚度(如充血性心脏衰竭、缺血性心脏病和正常衰老)的疾病的治疗[11,15]。
ICV实验结果显示人类的心脏对于微重力有较强的适应性。飞行早期,心脏体积变小,血液流速变慢,但最终可以克服这个初始失调反应。研究还回答了一个令人担忧多年的问题,即空间飞行本身并不会引起心律失常。在地球上心跳异常的航天员在空间中也会有类似现象,但心跳次数和强度并不会因空间环境而增加,心脏的基本电性能也不会发生改变。Ben Levine等人也因为在该实验中的突出贡献而荣获美国航天协会2013年度最受关注研究成果奖项[11]。
(iv) 国家实验室探路者-疫苗系列实验
美国杜克大学主持开展的“国家实验室探路者-疫苗系列实验-调查”(NLP-Vaccine-Survey)由STS-125运抵ISS(2009年3月至9月,远征任务19/20)[16]。进入空间前,微生物和用于实验的秀丽隐杆线虫分开放置,进入空间后将其充分混合。NLP-Vaccine-Survey实验研究了微重力环境对多种微生物(包括铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯菌、变形杆菌、肺炎链球菌、单核细胞增生李斯特氏菌、粪肠球菌和白色念珠菌等)的致病力的影响,以期协助开发针对上述微生物的疫苗,简化并加快地球上的疫苗和疗法的开发[17]。“国家实验室探路者-疫苗系列实验-沙门氏菌”(NLP-Vaccine-Salmonella)实验从远征任务16(2007年10月)开始,至远征任务27/28(2011年9月)结束[18]。实验采用了和NLP-Vaccine-Survey相似的研究方法,重点研究了微重力环境对沙门氏菌致病力的影响,评估空间飞行平台加速重组减毒沙门氏菌疫苗开发的能力[19]。远征任务17(2008年4月)至远征任务25/26(2011年3月)间开展的“国家实验室探路者-疫苗系列实验-耐甲氧西林金黄色葡萄球菌”(NLP-Vaccine-MRSA)实验研究了另一种对最常用抗生素都具有耐药性的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌在微重力环境下致病力的变化情况,以便开发出潜在的预防感染疫苗[20]。
NLP-Vaccine系列实验的开展帮助科学家们更清楚地理解如何降低航天员在空间中感染和患病的风险。对于地面应用而言,NLP-Vaccine系列实验研究的微生物目前在地面均没有可用的疫苗,因此上述研究的开展有望帮助开发针对这些威胁生命的微生物的疫苗。
(v)功能性任务测试(FTT)实验
空间飞行后,人体的心血管功能、平衡,步态和眼球运动控制以及肌肉质量、力量和耐力等多个生理系统会发生显著变化。为了评估这些变化对航天员表现的影响,JSC的神经科学、运动生理学、肌肉研究、心血管系统等多个实验室、高校空间研究协会(USRA)以及Wyle实验室等研究机构协作进行了“功能性任务测试”(FTT)实验,旨在通过这一跨学科的测试方案,评估短期(如航天飞机)和长期空间飞行(如ISS远征任务)后航天员的表现以及相关的生理变化,以便给出相应的解决方案[21-23]。
FTT实验中的功能性测试实验包括爬梯、打开舱门、台阶上跳下、手工操作对象和使用工具、安全疏散和避障、从摔倒状态恢复站立以及重物平移等。与之对应的生理学测试包括心血管系统的血浆量测量;感知运动系统的平衡、姿势和步态控制、动态视力、精细运动控制以及肌肉系统的直立不耐受、上/下半身肌肉力量、耐力、控制和神经肌肉驱动等。
实验数据表明,航天员着陆后,功能性测试中航天员的心率比飞行前增加。6天后在11项测试任务中仍有6项测试会令航天员心率超过飞行前水平。着陆后,副交感神经调制减弱,而交感平衡则增加。此外,在着陆后6天进行的站立实验期间,副交感神经调制仍然受抑制,心率仍然高于飞行前水平。着陆30天后,心率水平和飞行前已无明显不同。延迟的心率和副交感神经调制恢复时间充分表明了评估长时间空间飞行后航天员的功能表现对保障航天员健康和安全的必要性,相关成果发表在《宇航学报》(Acta Astronautica)上[24]。
3.3 空间生命科学未来任务部署与展望
3.3.1 空间生物学和航天医学研究
随着ISS于2011年基本建成并步入全面应用时代,ISS主要参与国规划的绝大多数空间生物学和航天医学研究实验均是基于ISS平台开展。下面简要介绍ISS平台未来将开展的空间生物学和航天医学研究。
(1)NASA“基础空间生物学”计划近期资助的提案
2014年8月21日,NASA公布了“基础空间生物学计划”近期将资助的26个研究提案,资助总额为1 260万美元[25]。有别于前两批项目兼顾空间研究和地面研究,本次遴选仅支持利用ISS研究微生物、细胞、植物和动物对重力变化的响应的提案。这些提案的研究重点聚焦于5个方面：(i)哺乳动物对长期微重力环境的适应机制及返回地球后的再适应机制;(ii)空间中哺乳动物细胞、组织和器官的生成和退化;(iii)空间中无脊椎动物的多代和发育生物学;(iv)植物和微生物生长以及对空间环境的生理学响应;(v)长期生保系统中微生物-植物系统的作用研究等[26]。预期此次入选的项目将有助于发现新的基本知识,帮助研究人员解决人类探索空间时面临的问题,还可以开发适用于地面的新的生物工具或技术。此次获选的研究提案来自9个州的17所研究机构,其中16位首席科学家是第一次获得“空间生物学计划”的资助。
(2)未来将开展的空间生命科学实验
表9
ISS正在进行和未来将进行的生物学与生物技术以及人体研究实验
3.3.2 宇宙生物学研究
NASA和ESA等机构规划了多项以搜寻地外生命存在的证据或可能性为主要目标的太阳系探索和空间天文任务,将在未来渐次开展。任务的具体信息列于表10中。
表10
NASA、ESA等机构规划的涉及宇宙生物学研究的空间任务
4 结语
空间生命科学研究涉及生命起源、人类生存环境等基本和重大基础科学问题,相关研究领域中不断涌现出重大科学挑战,如对地外生命和生命起源、生命本质等问题处于新认识的前夜。未来20年将是我国空间生命科学发展历史上的黄金时期。中国空间计划正以前所未有的速度向前推进,一系列空间平台的建立为我国开展空间生命科学奠定了坚实的基础。未来20年正值我国空间站建设和运营使用阶段,如何建好和用好我国的载人空间站,利用空间资源服务国家安全和社会发展,是一个非常值得思考的问题。通过以上分析,结合相关研究,得到如下几点启示和建议。
(1)在战略上高度重视空间生命科学的发展。由于空间生命科学研究对于揭示生命本质、拓展人类的探索边界具有重要意义,当前世界主要国家都将空间生命科学作为国家空间科学战略的重要部分,不断推出新的战略规划和任务,抢占空间研究的制高点,助力社会和经济的发展。空间生命科学领域研究论文产出在进入新世纪以来呈现平稳增长态势,ISS在空间生物学和航天医学研究领域发挥着越来越重要的作用。我国鲜有重点围绕空间生命科学发展的系统规划和重大任务部署,发文量和影响力水平明显落后于空间生命科学研究强国。作为世界空间大国之一,中国也应加强相关战略部署,努力在当前空间生命科学与技术的竞争中占据一席之地,提升空间研究与应用能力,充分利用中国自己的空间站推动航天事业发展、惠及民生。
(2)构建空间生命科学实验数据管理和共享系统,使研究成果充分发挥效益。本研究发现,NASA、ESA等机构均已建立了空间生命科学实验综合数据存储和管理系统,共享的数据库(需签订使用协议)为航天员生理方面的各个关注点(如辐射、免疫学、矿物质代谢)的深入研究奠定了基础。利用这些数据可以为航天员在轨关键性、高质量的医疗保健奠定基础,也有利于长期空间飞行医疗方案的提出。我国的空间生命科学实验数据极其有限,同时又缺乏充分共享,为了最大程度地利用这些研究成果,非常有必要参考国际先进经验建设相关实验数据的管理和共享平台。
The authors have declared that no competing interests exist.
References
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DOI:10.3969/j.issn.1674-5825.2011.05.002
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空间站空间生命科学研究是加速国家现代化进程的重要战略需求。在梳理分析国际空间站生命科学研究现状的基础上，提出了我国空间站生命科学和生物技术研究目标、任务和内容的建议，探讨了当前值得关注的若干重要科学问题。
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空间生命科学伴随人类的载人航天活动而产生，在首先肯定了人能够在空间飞行的人工环境中生存后，对人体在飞行中的生理变化进行了较为系统的观察研究，得到了丰富的生物医学数据和工程经验，也使包括航天医学、航天心理学、空间生物学、空间生态学等方面的空间生命科学研究范畴逐步形成．迄今对人体在空间飞行中发生变化的机理具备了一定的认识，已建立了一套可以有效地保障航天员健康的医学防护措施，并在基本空间生物学和空间生物技术应用方面也取得了一定的进展．我国空间生命科学研究经过长期预研准备，正在航天工程的推动下全面发展，并形成了一定的特点．当前，空间生命科学面临着新的发展机遇，长期飞行的航天医学研究、重力在生命活动中的基本作用的多层次的机理研究将会成为未来空间生命科学的重点方向．
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A comprehensive analysis of both the molecular genetic and phenotypic responses of any organism to the space flight environment has never been accomplished because of significant technological and logistical hurdles. Moreover, the effects of space flight on microbial pathogenicity and associated infectious disease risks have not been studied. The bacterial pathogen Salmonella typhimurium was grown aboard Space Shuttle mission STS-115 and compared with identical ground control cultures. Global microarray and proteomic analyses revealed that 167 transcripts and 73 proteins changed expression with the conserved RNA-binding protein Hfq identified as a likely global regulator involved in the response to this environment. Hfq involvement was confirmed with a ground-based microgravity culture model. Space flight samples exhibited enhanced virulence in a murine infection model and extracellular matrix accumulation consistent with a biofilm. Strategies to target Hfq and related regulators could potentially decrease infectious disease risks during space flight missions and provide novel therapeutic options on Earth.
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Exercise has shown little success in mitigating bone loss from long-duration spaceflight. The first crews of the International Space Station (ISS) used the interim resistive exercise device (iRED), which allowed loads of up to 297 lbf (or 1337 N) but provided little protection of bone or no greater protection than aerobic exercise. In 2008, the Advanced Resistive Exercise Device (ARED), which allowed absolute loads of up to 600 lbf (1675 N), was launched to the ISS. We report dietary intake, bone densitometry, and biochemical markers in 13 crewmembers on ISS missions from 2006 to 2009. Of these 13, 8 had access to the iRED and 5 had access to the ARED. In both groups, bone-specific alkaline phosphatase tended to increase during flight toward the end of the mission (p?=?0.06) and increased 30 days after landing (p?<?0.001). Most markers of bone resorption were also increased in both groups during flight and 30 days after landing (p?<?0.05). Bone densitometry revealed significant interactions (time and exercise device) for pelvis bone mineral density (BMD) and bone mineral content (p?<?0.01), hip femoral neck BMD (p?<?0.05), trochanter BMD (p?<?0.05), and total hip BMD (p?<?0.05). These variables were unchanged from preflight only for ARED crewmembers, who also returned from flight with higher percent lean mass and lower percent fat mass. Body mass was unchanged after flight in both groups. All crewmembers had nominal vitamin D status (75 +/- 17?nmol/L) before and during flight. These data document that resistance exercise, coupled with adequate energy intake (shown by maintenance of body mass determined by dual-energy X-ray absorptiometry [DXA]) and vitamin D, can maintain bone in most regions during 4- to 6-month missions in microgravity. This is the first evidence that improving nutrition and resistance exercise during spaceflight can attenuate the expected BMD deficits previously observed after prolonged missions. (c) 2012 American Society for Bone and Mineral Research.
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The attenuation of sedimentation and convection in microgravity can sometimes decrease irregularities formed during macromolecular crystal growth. Current terrestrial protein crystal growth (PCG) capabilities are very different than those used during the Shuttle era and that are currently on the International Space Station (ISS). The focus of this experiment was to demonstrate the use of a commercial off-the-shelf, high throughput, PCG method in microgravity. Using Protein BioSolutions’ microfluidic Plug Maker64/CrystalCard64 system, we tested the ability to grow crystals of the regulator of glucose metabolism and adipogenesis: peroxisome proliferator-activated receptor gamma (apo-hPPAR-γ LBD), as well as several PCG standards. Overall, we sent 25 CrystalCards64 to the ISS, containing ~10,000 individual microgravity PCG experiments in a 3U NanoRacks NanoLab (1U = 103 cm.). After 70 days on the ISS, our samples were returned with 16 of 25 (64%) microgravity cards having crystals, compared to 12 of 25 (48%) of the ground controls. Encouragingly, there were more apo-hPPAR-γ LBD crystals in the microgravity PCG cards than the 1g controls. These positive results hope to introduce the use of the PCG standard of low sample volume and large experimental density to the microgravity environment and provide new opportunities for macromolecular samples that may crystallize poorly in standard laboratories.
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DOI:10.1089/ast.2013.0986
PMID:24283929
Magsci
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To evaluate effects of microgravity on virulence, we studied the ability of four common clinical pathogensListeria monocytogenes, methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA), Enterococcus faecalis, and Candida albicansto kill wild type Caenorhabditis elegans (C. elegans) nematodes at the larval and adult stages. Simultaneous studies were performed utilizing spaceflight, clinorotation in a 2-D clinorotation device, and static ground controls. The feeding rate of worms for killed E. coli was unaffected by spaceflight or clinorotation. Nematodes, microbes, and growth media were separated until exposed to true or modeled microgravity, then mixed and grown for 48h. Experiments were terminated by paraformaldehyde fixation, and optical density measurements were used to assay residual microorganisms. Spaceflight was associated with reduced virulence for Listeria, Enterococcus, MRSA, and Candida for both larval and adult C. elegans. These are the first data acquired with a direct in vivo assay system in space to demonstrate virulence. Clinorotation reproduced the effects of spaceflight in some, but not all, virulence assays: Candida and Enterococcus were less virulent for larval worms but not adult worms, whereas virulence of MRSA and Listeria were unaffected by clinorotation in tests with both adult and larval worms. We conclude that four common clinical microorganisms are all less virulent in space. Key Words: VirulenceSpaceflightNematodesClinorotationMicrogravityMicroorganism. Astrobiology 13, 1081-1090.
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DOI:10.1016/j.actaastro.2012.05.023
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78 The Functional Task Test evaluates task performance before and after spaceflight. 78 We evaluated cardiovascular deconditioning during tasks and an orthostatic challenge. 78 Heart rate was increased postflight across a variety of functional tasks. 78 Parasympathetic modulation decreased and sympathovagal balance increased postflight. 78 Cardiovascular deconditioning was still evident 6days after spaceflight.
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