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你的生活和遥远的空间生命科学之间可能根本没有距离
2022-09-18

来源:中国科普博览

作者:中国科学院空间应用工程与技术中心战略规划室主任张伟

众所周知,航天领域所发展出的“黑科技”,经过一段时间,最后几乎都会走向民用。其中一个效果显著的,就是空间生命科学的研究成果。

国外空间生命科学应用

国际空间生命科学的研究成果,某些已得到地面运用,人类已为此获益。在2013年,国际空间站评选的10大研究成果中,5项与生命科学直接相关,还有1项间接相关。与生命科学直接相关的成果为:

(1)化疗药物新型靶向输送方法目前正在用于乳腺癌临床试验

(2)空间机器人技术已应用于地面协助脑手术

(3)细菌病原体在太空变得更加致命的途径

(4)理解骨质疏松症的机理以开发新的治疗药物

(5)通过饮食和锻炼可在太空中预防骨丢失

此外,4000余万名学生参与国际空间站应用和研究的科普活动中,最主要的活动即为植物生长等空间生命科学研究活动。

图1 国际空间站10大研究成果

空间生命科学民用应用

(1)太空作物种植

“和平”号上的温室培植了100多种植物(包括小麦),不仅证明太空也适于农业生产,而且还为未来建立空间封闭生态系统、利用植物制造氧气和吸收二氧化碳提供了经验。美国等在太空温室试种和培育了豌豆、小麦、水稻、洋葱等多种植物。太空蔬菜系统可为航天员提供新鲜的沙拉。

图2 太空温室 图3 空间空间站太空蔬菜系统 图4 国际空间站俄罗斯LADA-01温室 图5 国际空间站生长的洋葱

以加拿大白云杉幼苗实验为例说明其应用。白云杉是在造纸业广泛应用的重要经济树种,为了发掘林业木材产量的潜力,加拿大将白云杉幼苗送往国际空间站,在先进生物研究系统(ABRS)中进行培养,有培养箱控制这些幼苗的光照、温度及空气调节。此项研究有助于了解白云杉在空间条件下的基因变化,以帮助人们未来挑选与改良基因,让树木既可应对气候变化,又能提高木材产量,提高加拿大林业的竞争力。

图6 白云杉幼苗的发射前准备 图7 在轨实验

(2)植物实验空气消毒技术

利用国际空间站“先进空间栽培”(AdvAsc)实验中植物生长箱的空气净化技术,即利用二氧化钛去除箱子中的乙烯气体的新型空气净化技术。KES科学与技术公司为这一新技术进行了许可注册,申请了名为AirCide的专利,可杀死其过滤空气中98 %的空气传播病原体,包括炭疽杆菌、微尘、真菌以及有害病毒和病原体,如A型流感、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、化脓性链球菌和支原体肺炎等。KES的几种AirCide专利装置已经投入市场,可安装在建筑物内净化空气,其商业应用场合包括邮局、会议室、医院、幼儿园、学校等容易滋生细菌的公共场所,也可用于家庭居室。

图8 国际空间站“先进空间栽培”实验

(3)国际空间站先进超声诊断及远程医疗技术

国际空间站上的先进超声训练方法已应用于超声诊断技术,由此研发的超声诊断设备经验证是一种无论在空间还是在地面都十分有效的临床精确诊断技术,不仅可用于未来深空探索任务,同时在地面上也获得很多拓展应用,如远程医疗诊断等。

图9 国际空间站先进超声训练方法已应用于超声诊断技术

其远程医疗诊断技术可在以下场合获得临床应用: 偏远地区、 山区、 发生灾害区域、战场、运动赛场。

图10 图11 超声诊断技术可应用于高山滑雪及偏远地区的远程医疗

(4)化疗药物新型靶向输送方法及微胶囊包封技术

化疗药物新型靶向输送方法已应用于乳腺癌临床试验。例如,NASA制作的微胶囊用于定向抑制人体前列腺肿瘤的生长,在临床上得到了成功验证。微重力下可进行多种药物的合成封装,这对于地面的微胶囊生产是一种新的工程策略。微胶囊还被用于治疗深部组织感染和凝血失调疾病,以及在一些潜在的基因治疗方法中帮助进行基因工程材料给药。NASA已经取得了数项相关专利,一些商业公司得到使用部分MEPS技术和方法的许可,并与研究机构合作开发新的应用。

图12 化疗药物新型靶向输送方法已应用于癌症临床试验

空间生命科学商业应用

(1)太空玫瑰

1998年,“发现者”号航天飞机将两朵玫瑰带到国际空间站。经空间飞行后,玫瑰花的精油中产生了新的芳香化合物。日本资生堂化妆品公司根据“太空玫瑰”的香气,开发出“Zen”系列香水,取得突出经济效益。

图13 太空玫瑰产生新的芳香化合物 图14 据此开发出的Zen系列香水

(2)新型复方药物胶囊

微重力条件下生产的微胶囊比地面生产的一般大4~10倍,装药量多20%~400。据此,美国计划从2002~2016年间开发2种新低成本药物, 2016年后计划开发10个产品进入市场。

图15 新型复方药物胶囊药物作用更高效 图16 通过基因研究改进农业生产

国内空间站空间生命科学研究预期效益

技术层面

1)利用空间特殊条件,通过生物技术,获得创新的材料、药物和医疗技术

利用空间特殊条件发展生物技术或其它应用技术,如生物大分子(蛋白质)自组装技术、空间细胞电融合技术、空间细胞培养与三维组织构建技术(如干细胞组织工程)等,发展创新的生物材料、药物和医疗技术等,获取新的认知,并指导和促进地面农业、医药、环境生物技术发展。

2)设计和构建稳定运行的受控生态系统和人工生物圈,为未来深空探索奠定基础

研究先进空间栽培技术、生物质生产系统、微生物降解系统等,通过受控生命生态系统的研究实践,探索构建完善的受控生态生命保障系统,为航天员提供食物、水和空气,降解生物废物等,为人类长期深空探索奠定基础。

经济和社会效益层面

1)通过基因方法改造植物,服务农业生产作物栽培和品质选育,调控植物生长发育,以提高农作物产量

空间生命科学研究涉及植物生物钟、微重力影响、光合作用等在植物生长发育的关键环节中的作用机理,可运用基因调控与编辑技术,对农作物的基因进行改造,产生转基因优良品种,并可通过生物技术调控植物的生长发育,这些技术的地面运用,有望大大提高农作物的产量和质量,产生可观的经济效益。

2)通过创新的生物材料、药物、医疗技术发展,提高药物研发与生物产业的创新能力,产生重大经济效益

生物产业将会是未来蓬勃发展的产业,通过空间发展的现代生物技术,势必将推动新药物研发,高值农业和现代生物产业体系的构建,促进产业的不断发展,创造巨大的社会和经济效益。

(3)人类健康方面

通过空间生物大分子组装研究、细胞培养和组织工程研究、微生物研究、骨丢失和亚磁生物研究等,有望从以下几方面改善人民的健康水平。

1)通过微生物研究研发免疫药物,改善人民体质;

2)干细胞研究有助于生产组织工程产品,满足人类移植用组织器官的需求;

3)蛋白质研究有益于生产高效蛋白质药物制剂,制备出易于肠道吸收的药物;

4)骨丢失、亚磁生物研究有助于预防与治疗骨质疏松、神经功能障碍等病患。

总之,空间生命科学研究与生物技术的成果将向现代农业、现代医药学转移,服务于人类健康和社会进步,并为我国今后的长期太空探索奠定基础。

你的生活和遥远的空间生命科学之间,可能根本没有距离。

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