探索地外宜居环境和生命信号是天体生物学研究的核心科学问题，也是深空探测的重要科学目标。地球上的一些极端环境是公认开展天体生物学研究的理想实验区域。海平面之上20~100公里高度的地球临近空间具有高辐射、低气压、低温、干燥等极端环境条件，可以在一定程度上类比现代火星的表面环境。探究生命在临近空间的生存和适应机制不仅可以更好地认识地球生命的生存极限，而且有助于理解地外生命可能的生存策略、生命星际传输、行星保护等前沿科学问题。
中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室的林巍研究员、何飞研究员、魏勇研究员、潘永信院士等，联合中国科学院空天信息创新研究院等单位，经过四年的攻关，成功研制出我国首个基于高空气球的临近空间天体生物学综合飞行实验平台CAS-BAP (Chinese Academy of Sciences Balloon-Borne Astrobiology Platform)，该平台搭载了自主研制的无温控生物暴露载荷（BIOSEP）、温控生物暴露载荷（TC-BIOSEP）、原位生物收集载荷（BANDS）、紫外光谱仪（UVS）等四类临近空间原位和遥感载荷。自2019年起，研究团队在内蒙古乌拉特中旗、青海大柴旦等地区先后实施了4次临近空间飞行实验，在20-35公里高度成功验证了自主研制的各类载荷和飞行平台，在国际上率先实现了在临近空间同时开展生物暴露研究、原位生物收集和原位环境因子观测，为临近空间天体生物学研究提供了平台和技术支撑（图1）。
图1 2021年青海省大柴旦地区HH-21-5飞行实验中临近空间无温控生物暴露载荷BIOSEP （左）和温控生物暴露载荷TC-BIOSEP （右）在海拔35公里高度开展科学实验
利用CAS-BAP平台，在建立交叉研究方法的基础上，地球与行星物理院重点实验室地磁场与生物圈演化学科组刘佳博士与合作导师林巍研究员等，联合中国科学院国家空间科学中心、中国农业大学等科研人员，开展了国际上首个趋磁细菌的临近空间飞行实验（平飞高度23公里，图2）。研究发现合成磁小体（细胞内呈链状排列的、Fe3O4成分的纳米级磁性颗粒）的趋磁细菌Magnetospirillum gryphiswaldense MSR-1经过临近空间环境暴露后仍有部分细胞可以存活，而不合成磁小体的菌株经暴露后没有检测到存活细胞。进一步研究发现，临近空间暴露后的存活生物样品与实验室对照组相比，其磁小体的数量、尺寸、磁学性质等均发生不同程度的变化。同时，基于原位测量获得的临近空间紫外辐射数据，在实验室内开展了模拟紫外辐射环境的对比实验。这些研究表明，细胞内的磁小体纳米铁磁性颗粒有助于细菌抵御临近空间的高辐射极端环境，细菌细胞内的生物矿化可成为微生物适应类火星环境的一种策略。
图2 临近空间趋磁细菌的飞行实验示意图
基于高空气球的临近空间天体生物学实验平台具有载荷重量大、发放和回收灵活等特点，可以与基于空间站的空间生命科学研究形成互补，并有望成为未来地外生命探测（如金星大气中生命信号原位探测等）的一种潜在手段。
上述成果近期分别发表于Nature Astronomy和Science Bulletin。研究受中国科学院A类战略性先导科技专项“鸿鹄专项”、国家自然科学基金委、中国科学院地质与地球物理研究所、中国科学院青年创新促进会等共同资助。
1. 林巍*，何飞，张文斯，尧中华，申建勋，任志鹏，袁洪，蔡榕，魏勇，潘永信. Astrobiology at altitude in Earth’s near space. Nature Astronomy, 2022, 6: 289. DOI: 10.1038/s41550-022-01606-1
2. 刘佳，张文斯，何况，刘立，王超，蒋远大，马士蛟，田杰生，李颖，张同伟，田兰香，何飞，Greig A. Paterson，魏勇，潘永信，林巍*. Survival of the magnetotactic bacterium Magnetospirillum gryphiswaldense exposed to Earth’s lower near space. Science Bulletin, 2022. DOI: 10.1016/j.scib.2022.03.005