水生生物能上天
隨著“天宮”2號(hào)、“神舟”11號(hào)相繼成功發(fā)射，我國(guó)載人航天工程已進(jìn)入空間實(shí)驗(yàn)室和空間站的建設(shè)運(yùn)營(yíng)階段，下一步將建立有人長(zhǎng)期值守的永久性太空站。按照國(guó)家的長(zhǎng)期航天規(guī)劃，還將建立地外星球基地，如月球基地。要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的載人航天活動(dòng)就需要有受控生態(tài)生命支持系統(tǒng)（CELSS）的技術(shù)支撐。
生命支持系統(tǒng)從廣義上來(lái)講，指一切維持航天員身體健康，保證正常生活與工作所需的條件，包括航天艙內(nèi)環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)的各個(gè)方面。目前生命支持系統(tǒng)一般指維持航天員生活所需的氧氣、食物與各種廢棄物處理的系統(tǒng)。
中國(guó)未來(lái)的空間站（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
那么，水生生物的機(jī)會(huì)就來(lái)啦！譬如，藻類(lèi)就可以像植物一樣進(jìn)行光合作用，利用二氧化碳、釋放氧氣，與航天員組成一個(gè)互補(bǔ)的氣體交換系統(tǒng)。還有，一些容易養(yǎng)殖的藻類(lèi)，譬如葛仙米（一種藍(lán)藻）、螺旋藻能夠?yàn)楹教靻T提供有營(yíng)養(yǎng)的食物，養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi)則為航天員提供鮮活的動(dòng)物性營(yíng)養(yǎng)。水生生物營(yíng)養(yǎng)豐富，養(yǎng)殖簡(jiǎn)單可行，可以利用食物殘?jiān)葟U棄營(yíng)養(yǎng)進(jìn)行高密度的養(yǎng)殖，物質(zhì)轉(zhuǎn)化再利用效率高，在CELSS的生態(tài)服務(wù)功能改進(jìn)方面具有突出的優(yōu)勢(shì)。水生生態(tài)系統(tǒng)基質(zhì)組成均勻穩(wěn)定，易于監(jiān)測(cè)，可以利用簡(jiǎn)單的循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)對(duì)廢物進(jìn)行過(guò)濾和后期處理，特別有利于各種條件控制和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。因此，以水生封閉生態(tài)系統(tǒng)作為CELSS可再生的生命保障單元一直受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛重視，在俄羅斯（BIOS-1,2,3）、歐盟（Mellissa）、德國(guó)（CEBAS、Omega-Hab和AquaHab）和日本（CEEF）等國(guó)的封閉生態(tài)系統(tǒng)中都整合了水生系統(tǒng)。
水生生命支持系統(tǒng)常用的物種。藻類(lèi)為顯微照片，魚(yú)和螺為普通攝影照片。
中科院水生所很早就參與了我國(guó)的CELSS研究。早在1968年就試驗(yàn)利用小球藻產(chǎn)氧氣供海軍在潛艇中呼吸。1988年以來(lái)，在劉永定研究員帶領(lǐng)下水生所取得了一系列的階段性研究成果，主要有：（1）在航天863階段，開(kāi)展了利用返回式衛(wèi)星搭載培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，獲得了大量適應(yīng)空間環(huán)境的CELSS候選物種；（2）在921工程（國(guó)家載人航天工程）一期，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院8個(gè)單位研制了通用生物培養(yǎng)箱技術(shù)，完成了包括高等植物幼苗、藻類(lèi)、小型動(dòng)物、微生物、藻類(lèi)與水生動(dòng)物在內(nèi)的多次空間飛行實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了藻類(lèi)空間生長(zhǎng)實(shí)時(shí)測(cè)定和簡(jiǎn)單二元封閉系統(tǒng)空間運(yùn)行實(shí)驗(yàn)；（3）在921工程二期中德合作研究中，完成了藻類(lèi)細(xì)胞空間飛行的基因表達(dá)研究和水生三元封閉系統(tǒng)空間實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了空間微重力影響藻類(lèi)細(xì)胞基因表達(dá)研究及封閉系統(tǒng)中水生動(dòng)物存活的突破。這些研究成果受到中科院和航天部門(mén)多次嘉獎(jiǎng)。
為了實(shí)現(xiàn)生物支持系統(tǒng)的服務(wù)功能，核心的問(wèn)題有兩個(gè)：一是選擇合適的物種構(gòu)建封閉系統(tǒng)；二是實(shí)現(xiàn)封閉系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，我們實(shí)驗(yàn)室借助大量地面實(shí)驗(yàn)及5次返回式衛(wèi)星和2次神舟飛船實(shí)驗(yàn)，篩選了大批可用于構(gòu)建CELSS的水生生物物種，包括蛋白核小球藻、葛仙米、水生細(xì)菌、稀有鮈鯽等。我們分別對(duì)它們的營(yíng)養(yǎng)成分、抗輻射和封閉系統(tǒng)生長(zhǎng)活性進(jìn)行了研究。接著構(gòu)建了封閉系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室完成了生物相容性和長(zhǎng)期整合實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)60天的封閉系統(tǒng)運(yùn)行和不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)控。并利用營(yíng)養(yǎng)控制、能量控制（光照）和添加外源小分子等方式，對(duì)封閉系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，以滿足系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的要求。在未來(lái)的空間站階段我們將對(duì)水生封閉系統(tǒng)的空間自組織過(guò)程進(jìn)行研究，并計(jì)劃開(kāi)發(fā)出切實(shí)可行的控制技術(shù)保證水生封閉系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
人工培養(yǎng)的葛仙米是誘人的食物，航天員們將 來(lái)有口福了！
我們的相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Advances in Space Research和Astrobiology等雜志上，引起了國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)門(mén)航天機(jī)構(gòu)的關(guān)注，包括美國(guó)航空航天局瓦羅普斯飛行研究所相關(guān)科研人員來(lái)信希望一起合作，希望我們的水生封閉系統(tǒng)可以應(yīng)用在國(guó)際空間站上；另外德國(guó)宇航局相關(guān)公司OHB公司希望與我們一起開(kāi)發(fā)基于葛仙米的空間水生封閉系統(tǒng)；中國(guó)航天員中心也希望和我們一起把葛仙米開(kāi)發(fā)成適合中國(guó)航天員食譜的產(chǎn)品。
小小微藻，在地質(zhì)史和生物演化史上徹底改造了地球環(huán)境；在未來(lái)的空間探索中，它將通過(guò)為宇航員提供先進(jìn)的受控生態(tài)生命支持系統(tǒng)助力人類(lèi)征服宇宙、再創(chuàng)輝煌。
