從《星際爭霸戰》到實驗室:真菌帶給超重力環境的真正挑戰
未來的研究將調查類似條件下的其他生物。太空真菌是《星際爭霸戰:發現號》中的一個情節點,但它們也是太空人和太空站面臨的一個非常現實的問題。在聯合國的共同贊助下,來自中國澳門的一個團隊利用歐空局的快速旋轉離心機對真菌進行了超重力試驗。澳門大學的研究人員研究了真菌在超重力條件下的行為,揭示了真菌在太空任務中的風險和潛在益處。
在《星際爭霸戰:發現號》(Star Trek: Discovery)的一集中,由安東尼-拉普(Anthony Rapp)扮演的天體菌學家保羅-斯塔梅茨(Paul Stamets)在太空真菌中與自己相遇。圖片來源:哥倫比亞廣播公司
來自澳門科技大學月球與行星科學國家重點實驗室天體生物學團隊的一個小組,利用歐空局在荷蘭ESTEC 技術中心的大直徑離心機,測試了真菌菌落在雙倍正常地球引力下的生長情況。
到目前為止,澳門團隊一直在使用三維迴轉器(又稱隨機定位機,可不斷改變重力向量的方向以模擬微重力條件)來測試真菌如何應對失重狀態。
歐空局的大直徑離心機是一個直徑為8 公尺的四臂離心機,可讓研究人員在高達20 倍地球重力的超重力範圍內進行為期數週或數月的研究。離心機的最快轉速可達每分鐘67 轉,沿其雙臂不同位置佈置的六個吊箱重達130 公斤,每個吊箱可容納80 公斤有效載荷。
因此,研究人員只需轉動刻度盤,就能增加重力。LDC 深受生命科學和物理科學團隊以及商業實驗的歡迎。歐空局內部團隊使用離心機來觀察太空船材料和零件在發射進入太空時對劇烈加速度的反應。
資料來源:歐空局
LDC 是一個直徑8 公尺(約26 英尺)的四臂離心機,它能讓研究人員在高達20 倍地球引力的超重力範圍內連續工作數週或數月。離心機最快時每分鐘可旋轉67 轉,沿其雙臂不同位置放置的六個吊籃重達130 公斤(約合290 磅),每個吊籃可容納80 公斤(約合180 磅)的有效載荷。在歐空局生命支持與物理科學儀器實驗室團隊的支持下,澳門團隊利用LDC進行了為期兩週的超重力測試。
在歐空局大直徑離心機的旋轉吊籃內準備暴露於超重力環境的真菌物種。圖片來源:歐空局
真菌反應和天體細菌學
真菌菌種一直生長到完全成熟,然後進行檢查,以檢查遺傳或”表型”壓力反應。接下來,對其中一個被選中的真菌物種進行第二代超重力曝光,以觀察是否有任何壓力反應或變化保持不變,或者是否可能觀察到累積效應。作為分析工作的一部分,也在歐空局附近的材料和電子元件實驗室用掃描電子顯微鏡對所選樣本進行了分析。
瑪爾塔-菲利帕-西蒙斯(Marta Filipa Simões)帶領澳門科技大學團隊將真菌物種裝載到歐空局大直徑離心機的吊船上。圖片來源:歐空局
澳門科技大學該計畫的負責人瑪爾塔-菲利帕-西蒙斯(Marta Filipa Simões)解釋說:”太空真菌研究被稱為’天體生物學’,是天文生物學的一個分支。星際迷航:發現號》中的飛船工程師就是一位天體菌物學家,但這確實是一個真正的研究領域,而且越來越重要。真菌進入太空的歷史悠久,一旦進入太空就會產生嚴重影響。”
俄羅斯和平號空間站在老化過程中經歷了真菌污染。舷窗變得模糊不清,塑膠和金屬被腐蝕,進而引發故障,太空站的結構也受到更廣泛的關注。
1997 年1 月15 日,亞特蘭提斯號太空梭在接近對接時看到的俄羅斯和平號太空站。圖片來源:美國國家航空暨太空總署
西蒙斯教授補充說:”國際太空站的乘員活動室也有自己的問題,較高的濕度導致牆壁受到真菌污染。他們必須定期進行大量的清潔和消毒工作,以防止真菌污染。在像國際太空站這樣的封閉系統中,任何時候只要有生物膜(真菌用來保持原位)生長,就會出現問題。這可能是一個嚴重的問題,因為真菌也可能引發太空人的感染或過敏反應,而太空人的免疫系統本身在太空中就處於抑制狀態。相反,許多真菌種類在微重力條件下似乎會促進其生長–我們目前研究的一部分就是試圖更好地了解其中的原因。”
在國際太空站上觀察到的真菌,生長在俄羅斯扎里亞艙的一塊面板上,那裡晾曬著運動服。圖片來源:NASA/ESA
有些真菌總是會進入太空,堅韌的真菌孢子能夠附著在各種表面和組織上,例如人體。實際上,太空船潔淨室從來都不是純淨的;生物調查顯示,它們是真菌和其他微生物的家。
澳門科技大學研究小組成員安德烈-安圖內斯(André Antunes)說:”在我們冒險進入太空的過程中,我們永遠無法完全擺脫真菌,因此我們需要了解它們。”
超重力測試後的真菌掃描電子顯微鏡,由歐空局材料和電子元件實驗室透過HyperGES計劃為澳門大學團隊使用歐空局的大直徑離心機進行的。影像直徑約100微米,即十分之一毫米寬。圖片來源:歐空局
“此外,它們還提供了積極的機會和風險。在地球上,真菌被用來製造食物(如發酵用的酵母)、藥物、工業用的化學酶以及許多領域使用的金屬奈米粒子。在未來的在太空定居中,可以利用真菌來滿足不同類型的需求,包括回收或從行星表面開採必要的礦物質。這些被認為是幫助降低成本和確保載人太空探索可持續性的關鍵所在。”
澳門科技大學此計畫的負責人瑪爾塔-菲利帕-西蒙斯(Marta Filipa Simões)在歐空局的大直徑離心機上觀察暴露在超重力下的真菌物種。圖片來源:UNOOSA
即將進行的HyperGES 研究
下一個在大直徑離心機上進行實驗的HyperGES 團隊來自泰國瑪希隆大學。團隊將研究地球上最小的開花植物–水草(甚至比人們更熟悉的浮萍還要小)–如何對重力水平的變化做出反應,以評估其對天基生命支持系統的有用性。