『重大发现』天宫斑马鱼在航天领域的神秘之旅

来源：光明日报

2024年11月4日，中国空间站第7批空间科学实验样品随神舟十八号飞船顺利返回。其中，返回的斑马鱼培养水基和在太空中产的卵等实验材料成为“明星”。2024年4月25日，几位特殊“乘客”斑马鱼跟随3名航天员一起出发去太空。这是我国首次在空间站实施在轨水生生态研究项目，以斑马鱼为研究对象，在轨建立空间自循环水生生态系统。发射20天后，虽然在微重力下，斑马鱼出现腹背颠倒、旋转、转圈等异常情况，但总体状态良好。科研人员原本估计它们只能存活一个月，但结果令人意外，这些斑马鱼在太空存活了6个月，生命力顽强。为什么要在太空养鱼？太空养鱼给航天带来什么新探索？

1.模式生物有何价值

在生命科学研究中，斑马鱼是一种常见的模式生物。在说太空养鱼之前，我们先来看看我国进行过哪些太空生命科学研究，以及模式生物研究对生命科学研究有什么价值。

在2001年发射的神舟二号上，我国首次进行了微重力环境下的空间生命科学实验，开展了植物、动物、水生生物、微生物及离体细胞和细胞组织的空间环境效应实验。

2021年10月，利用随神舟十三号进入太空的就有心肌细胞，中国空间站顺利完成了首个活细胞研究。“天宫课堂”的第一堂课，展示了太空失重条件下心肌细胞“钙信号闪烁”，半年后心肌细胞随神舟十三号返回地面。合作团队对心肌细胞进行深入研究，揭示在太空微重力下心肌细胞出现代谢重塑，阻断硫胺素的摄取，并进一步造成细胞骨架重塑和钙稳态失衡，提示长期在太空飞行需关注硫胺素在心血管系统防护中的作用。

在神舟十八号载人飞船成功发射的同时，神舟十七号航天乘组也携带着30多公斤的宝贝——中国空间站第六批空间科学实验样品安全回归，其中有人成骨细胞和骨髓间充质干细胞。通过升空再返回的过程，研究团队有机会深入研究微重力环境下的细胞响应机制，发现微重力对细胞生物学转录组和蛋白组的具体影响。在太空空间环境里，成骨细胞活性会降低，航天员和老年人也会存在骨质流失的现象。研究成骨细胞和骨髓间充质干细胞怎么样对抗骨流失状态，对于航天医学和老年医学研究具有重要意义。

离体细胞实验虽然具有成本较低、操作简便、变量可控、外部干扰少等优点，但无法完全模拟复杂的生命整体生理环境，如免疫系统、代谢途径和行为等方面的变化，无法直接反映生物体内的复杂相互作用，因此推广到整个生物体或人类时要谨慎，还应取得整体动物实验结果的支持。由此可见，模式生物在推动生命医药科学发展过程中发挥了极其重要的作用。

2.太空养鱼为啥选择斑马鱼

斑马鱼作为四大模式生物之一，其基因与人类基因相似度高且体形小、繁殖快、发育周期短，成为生命科学领域模式生物的“后起之秀”，被称为“水中小白鼠”。

斑马鱼是原产于南亚恒河流域的小型鱼类，体形呈纺锤状，因全身布满多条深蓝色纵条纹似斑马而得名。成年斑马鱼体长一般只有3～4厘米，约为小鼠体长的1/3，体重更是只有其1/50左右。

斑马鱼具有鱼类体外受精、繁殖快、发育周期短的特性：一尾雌鱼每次产卵数量约有200至400枚；早期胚胎发育透明；从受精卵到能游动大约只需4天，孵出后约3个月可以达到性成熟；成鱼大概每隔一周产卵一次，寿命一般在2至3年。

斑马鱼是“淡水鱼一哥”鲤鱼的远亲，与人类的遗传亲缘关系仅次于大、小鼠等脊椎动物。在系统组织结构和生长发育衰老方面，与人类有很高的相似性，在基因和蛋白质的结构和功能上也表现出很高的保守相似性，因此是研究人类疾病发生机理的优良动物模型，被广泛应用于造血、心血管、肾和骨骼相关，以及肿瘤、癫痫、药物成瘾等疾病研究。

可否建立一个能养小鼠的太空动物实验平台，以便深入研究空间微重力环境对动物骨骼、肌肉、神经和免疫等方面的影响？小鼠饲养会产生排泄物并挥发大量的废气，带它上太空开展实验，首先需要一个封闭的过滤循环装置，以解决小鼠产生的废物。而斑马鱼整个受精和发育均在水体中进行，不会在水体外产生废物和废气，相较于小鼠就非常适合太空搭载实验。在未攻克封闭的过滤循环装置技术背景下，如要开展整体动物实验，斑马鱼是比较理想的实验对象。

3.怎样在太空养鱼

为斑马鱼提供一个适宜的生存环境，不仅需要富含氧气的优良水质，还需要规律的昼夜节律以及充足的食物供给等。斑马鱼的温度耐受范围只有15～40摄氏度，水温24～29摄氏度是适宜范围，对pH值也有要求，应该控制在7.0～8.0之间；同时需要水质的电导率在每厘米500～800微西门子左右；对总氨氮、溶解氧等都有要求。实验室的斑马鱼需要饲养在自动实时监测和控制温度、pH值和电导率的自动循环水系统中，其自身的生理周期需要每天10小时光照和14小时黑暗环境。在太空养鱼，同样也需要解决这些问题。

在空间站微重力条件下，太空养鱼用的“天宫水族箱”，实际上是搭载4条斑马鱼和4克金鱼藻的密闭水容器空间。斑马鱼和金鱼藻，是科学家尝试了很多种鱼和水草之后筛选出来的产物。金鱼藻是多年生沉水草本植物，无根，茎有分枝可以漂浮，生命力强。如果把它一分为二，两部分都可以存活和长大，适应性极强，无需水草泥也可沉浸于水中。太空并无地球的昼夜节律，水生支持装置为金鱼藻提供了LED光源，保证金鱼藻正常进行光合作用，确保这个生态系统的氧含量能满足斑马鱼的生存需求。

解决了氧气问题，另一个难题则是斑马鱼的食物问题。由于太空微重力的原因，斑马鱼无法正常食用普通鱼食，残余的鱼食也会污染水体。因此，科学家们研究出一套喂食装置，并开发了适宜斑马鱼食用的太空餐。他们设计了一种特殊且便于更换的鱼食盒，通过一根细管连接水族箱一侧，每天用注射器像挤牙膏似的喂鱼食，让斑马鱼尽量吃完，以减少残余对水体的污染。同时，斑马鱼吃剩的鱼食和产生的排泄物，可以通过管道输送到金鱼藻那边，为其提供生长所需的营养物质。由此，科学家在水族箱内搭建了一套微型生态系统，让斑马鱼和金鱼藻二者形成彼此共生的关系。

空间站的小型受控生命生态实验组件看起来很简单，实际上是个复杂的科学实验系统，可以实现自动喂食、温度控制、光照控制等。在“太空水族箱”这个实验模块，除了水族箱外，剩余的空间则安排了控制与监测设备，比如循环水泵、观测相机、pH值检测设备等，地面科学家通过这些设备对斑马鱼进行实时监测。水族箱只要维持适宜的酸碱度和电导率，有充足的氧气，便能确保斑马鱼健康地生存。大部分情况下无需科学家干预。

小鱼们会在太空产卵，因此要启动专用装置收集鱼卵。这是一个尝试性、探索性很强的工作，也是本次实验最有趣之处。这些卵被航天员带回地面后，科学家会开展更深入的研究，进一步观测太空对鱼卵孵化的影响等。该项目还可将采集的水样带回地面，供进一步研究。为避免小鱼和水藻在空间站死亡后腐烂变质，实验项目结束后，航天员们将它们送到货运飞船，在货运飞船返回地球时，会在与大气层的摩擦中自燃而焚毁。

4.为什么要去太空养鱼

斑马鱼与人类基因组成相似，研究它将会在生物医药科研领域产生一系列有影响的贡献，意义重大。人类疾病相关基因中有84％可以在斑马鱼中找到对应基因，在关键性的蛋白靶点区域，相似性接近100％。近年来，斑马鱼作为模式动物，广泛应用于生命系统发育基础研究、医学领域疾病模型的建立、靶向药物的筛选，以及环境监测等多个领域，逐渐成为医学、生命科学和环境科学领域中不可缺少的工具生物。

太空空间环境主要有高真空、强辐射、微重力、弱磁场和温差大等特点。微重力会引发人体多种病理生理现象，如心血管功能障碍、免疫机能下降、骨丢失肌肉萎缩、内分泌紊乱等，其作用机制一直是空间生物学效应研究重要的科学课题之一。微重力引发的这些生物学效应，不仅严重影响航天员的身体健康和工作效率，更制约了人类在太空的停留时间，使之成为中长期载人航天飞行的一大障碍。而太空养鱼可以通过开展太空空间环境对脊椎动物机能与行为的影响研究，为空间密闭生态系统物质循环研究提供支撑，帮助人类更好、更全面地了解太空环境对基因、细胞和生命整体的影响。这不仅仅是对人类本身的探索，也关乎科研人员对未知领域的不断探求。同时，太空养鱼实验还将为我国在太空农业、生态循环等领域的研究提供有益参考。

更重要的是，太空养鱼实验的成功实施，将为我国实现在太空培养脊椎动物这一目标迈出关键一步。空间站的水生生态系统稳定运行，能够为航天员长期驻留太空及载人火星任务等深空探测提供初步的生命支持依据。后续，科学家将利用返回的水样、鱼卵等样品，结合斑马鱼空间运动行为视频等，开展空间环境对脊椎动物机能与行为的影响研究。可以预期的是，人类一旦建立起自给自足的太空生态系统，那么远赴深空长期生活、工作也将不再是梦想。

（作者：崔建林，系南开大学医学院医学国际协同创新中心高级实验师）