太空生物學(xué)(Astrobiology)顧名思義就是研究生物和外空間物體的相互作用的科學(xué),。其中一個(gè)重要課題就是地球上的生物能夠在太空與外星環(huán)境下生存,,并進(jìn)一步改造外星環(huán)境使之更適于地球生物,。雖然現(xiàn)在我們已經(jīng)能夠在空間站上開(kāi)展太空環(huán)境下的相關(guān)研究,,但由于技術(shù)限制,,我們還沒(méi)辦法在外星直接進(jìn)行這樣的研究工作,。
中國(guó)天宮空間站中的生菜與小麥培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)(轉(zhuǎn)自中國(guó)載人航天官網(wǎng))
但科學(xué)家們還是想盡辦法在地球上開(kāi)展太空生物學(xué)研究,。他們結(jié)合太空觀測(cè)數(shù)據(jù),,合理推測(cè)外星球的環(huán)境條件,,通過(guò)控制光強(qiáng)、光譜,、光周期,、大氣組成、營(yíng)養(yǎng)條件等來(lái)模擬外星的環(huán)境條件來(lái)培養(yǎng)地球上的藻類和植物,,然后利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)為代表的植物表型分析技術(shù)來(lái)評(píng)估其生長(zhǎng)狀態(tài),,尤其是這些藻類和植物能否穩(wěn)定地進(jìn)行光合作用。
葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)廣泛應(yīng)用于藻類,、植物生長(zhǎng)狀態(tài)與光合生理評(píng)估,,左圖:基因編輯擬南芥抗病毒檢測(cè);中圖:利用微藻進(jìn)行高通量環(huán)境毒性生物標(biāo)記檢測(cè);右圖:國(guó)際空間站使用FluorPen葉綠素?zé)晒鈨x進(jìn)行植物生長(zhǎng)狀態(tài)檢測(cè)
下面我們通過(guò)兩個(gè)微藻相關(guān)研究案例來(lái)說(shuō)明相關(guān)的太空生物學(xué)技術(shù)方案:
案例一,、藍(lán)藻利用火星風(fēng)化層來(lái)支持火星殖民
葡萄牙阿威羅大學(xué)的科學(xué)家研究了3種藍(lán)藻(柱孢魚(yú)腥藻Anabaena cylindrica,、念珠藻Nostoc muscorum和鈍頂節(jié)旋藻Arthrospira platensis)和1種綠藻(小球藻Chlorella vulgaris)能否利用火星現(xiàn)有資源生活。他們利用美國(guó)月球和小行星表面科學(xué)中心提供的火星風(fēng)化層模擬物(MGS-1)制作成水提物,,之后將這幾種微藻分別培養(yǎng)在純水,、火星風(fēng)化層水提物和17%螺旋藻培養(yǎng)基中,定期測(cè)量其光密度OD440并使用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)測(cè)量其最大光化學(xué)效率Fv/Fm,。
OD440動(dòng)態(tài)曲線表明微藻生物量的生長(zhǎng)變化,,而Fv/Fm的高低則直接反映微藻光系統(tǒng)活性以及受損程度。這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)結(jié)果表明,,在火星的營(yíng)養(yǎng)條件下,,念珠藻的生長(zhǎng)狀況是最好的,而鈍頂節(jié)旋藻和小球藻則幾乎無(wú)法生存,。因此念珠藻應(yīng)該成為未來(lái)研究的目標(biāo),,不僅因?yàn)樗鼈冊(cè)谘鯕馍a(chǎn)中的作用,也因?yàn)樗鼈兛梢员挥米魇澄飦?lái)源,。
4種微藻在不同培養(yǎng)基中的OD440動(dòng)態(tài)曲線和Fv/Fm動(dòng)態(tài)曲線
案例二,、實(shí)驗(yàn)室模擬藍(lán)藻在M矮星的宜居性
近十年的研究發(fā)現(xiàn),40%的M矮星擁有“超級(jí)地球”(最小質(zhì)量在1到30個(gè)地球質(zhì)量之間,,軌道周期短于50天,,半徑介于地球和海王星之間)。但M矮星的光譜特性與太陽(yáng)有很大的差別,,其波長(zhǎng)更長(zhǎng),,在可見(jiàn)光范圍內(nèi)主要集中在遠(yuǎn)紅光區(qū)(FR)。而藍(lán)藻由于可以合成葉綠素d和葉綠素f,,因此可以使其光合利用波長(zhǎng)延長(zhǎng)至750nm,。
左圖:M矮星示意圖;右圖:太陽(yáng)G2與M矮星M7的光譜曲線
由此,,意大利國(guó)家天文物理研究所,、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院等合作,控制培養(yǎng)光譜,、光強(qiáng),、大氣組分(CO2濃度)、溫度等環(huán)境條件,,檢測(cè)Chlorogloeopsis fritschii PCC 6912,、Chroococcidiopsis thermalis PCC 7203,、Synechococcus PCC 7335,、Synechocystis sp. PCC 6803這4種藍(lán)藻在太陽(yáng)光、M矮星M7光譜、遠(yuǎn)紅光下的生長(zhǎng)狀況,,從而評(píng)估這些藻類在M矮星的宜居性,。
微藻的生長(zhǎng)和光合狀況主要使用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。葉綠素最小熒光F0(也稱原初熒光,、本底熒光)在很大程度上與葉綠素濃度和微藻細(xì)胞數(shù)正相關(guān),,因此F0增長(zhǎng)率被用來(lái)衡量生長(zhǎng)量的變化。最大光化學(xué)效率Fv/Fm則直接反映其光合效率,。結(jié)果很令人驚訝,,所有微藻在M7光譜條件下的生長(zhǎng)狀況與在太陽(yáng)光下類似,而且遠(yuǎn)好于只在遠(yuǎn)紅光下的生長(zhǎng)狀況,。M7這種奇異光譜的可見(jiàn)光與遠(yuǎn)紅光比例可能是其中的關(guān)鍵因素,。
4種藍(lán)藻在太陽(yáng)光、M7光照,、遠(yuǎn)紅光下的Fv/Fm
4種藍(lán)藻在太陽(yáng)光,、M7光照、遠(yuǎn)紅光下的照片和F0增長(zhǎng)率
易科泰微藻太空生物學(xué)技術(shù)方案
參考文獻(xiàn):
北京易科泰生態(tài)技術(shù)公司提供藻類培養(yǎng)與表型研究全面技術(shù)方案: