宜居环境与生命信号探测是火星探测任务的重要科学目标，地球上一些与火星类似的极端环境是展开火星天体生物学研究的理想实验区域。地球临近空间是海平面之上20～100公里高度的区域，其极端干燥、高辐射、低温、低气压、缺氧等综合极端环境条件可以类比现今火星的表面环境。研究生命在临近空间类火星极端环境中的生存和适应机制对于认识地球生命生存极限、界定宜居环境的理化边界条件、探寻火星生命信号、评估火星探测的行星保护政策等都具有重要意义。
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刘立博士后与合作导师林巍研究员等利用自主研制的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）将柴达木盆地干旱荒漠土壤样品带至临近空间35公里高度进行暴露实验，研究土壤微生物在类火星极端环境中的生存及其适应机制（图1）。
图1 柴达木盆地土壤微生物的临近空间暴露实验。（A）高空气球携带临近空间天体生物学综合飞行实验平台CAS-BAP的放飞瞬间；（B）土壤样品在临近空间35公里高度进行暴露；（C）高空气球的飞行高度和路线示意图
研究发现，暴露后土壤中存活微生物的数量显著降低，但仍有一些微生物存活。研究团队成功从暴露样品中分离培养出四株细菌，分属于Peribacillus、Bacillus、Cellulomonas和Pseudarthrobacter属。比较基因组学分析表明，这四株细菌具有极端环境压力的耐受潜力，它们可能通过孢子形成、胁迫感应和调控系统、应激响应蛋白以及相容性溶质的生物合成和运输等在临近空间类火星极端环境中存活。基因组学分析结合培养实验进一步揭示出这些细菌具有较强的高氯酸盐耐受能力，最高可在500 mmol/L的NaClO4中生长（图2）。
图2 分离培养的四株细菌在不同浓度NaClO4培养基中的生长情况
现今火星表面环境条件极端恶劣，火壤中存在着有毒的高氯酸盐。该研究通过临近空间类火星极端环境暴露实验和实验室培养实验，揭示出四株分离培养菌株具有较强的耐受极端环境的能力，这些结果为认识地球生命生存极限、探寻火星生命信号等提供了参考。地球临近空间在探索生命生存极限、筛选耐受类火星极端环境微生物等研究中具有重要的天体生物学意义，该研究分离培养的微生物也为未来空间生物学实验和地外环境模拟研究提供了菌株资源。
研究成果发表于学术期刊mLife（刘立，康梦玲，王喆，申建勋，潘永信，林巍*. Perchlorate-tolerant bacterial strains isolated from the Mars-analog Qaidam Basin soils exposed to Earth's near space[J]. mLife, 2024. DOI: 10.1002/mlf2.12142.）。研究受中国科学院和国家自然科学基金委共同资助。