生物膜或曾點燃地球生命之火——亦可在太空中維系生命

時間來到2041年，一位駐守在環火星軌道“火星一號站”的宇航員，正在檢查棲息艙深處生命支持系統的運行情況。當他打開一個艙室時，震驚地發現艙壁在微重力環境下附著著一團本不該存在的、黏糊糊的神秘物質。在驚駭之中，過往看過的所有外星科幻電影畫面立刻涌入腦海，他確信自己不僅首次發現了外星生命的跡象，而且可能無法活著將此事公之于眾。在恐慌中將此事告知其他船員后，大家卻冷靜地向他解釋，這并非外星威脅，而是一種名為“生物膜”的物質，它在地球上已存在了數十億年。

他們解釋說，生物膜是微生物的群落，它們附著在表面并相互粘附，被一層自我產生的、具有保護性的黏滑層所包裹。生物膜通過共享資源、相互溝通以及抵抗惡劣條件（尤其是抗生素）來幫助微生物生存。看著這位宇航員的臉色逐漸恢復，船員們解釋道，雖然生物膜無論在地球還是太空中都可能對人類健康構成風險，但在太空中風險更大，因為生物膜在微重力環境下更容易附著在物體表面。他們還開玩笑地讓他去拿機組零食包里的士力架，因為“餓的時候你不是你自己”，并安慰他一切都會好起來的。

但生物膜究竟如何用于太空探索呢？這正是最近發表在《npj生物膜與微生物組》上的一項研究所希望探討的。來自多國的研究人員協作研究了在航天任務中使用生物膜的利與弊。這項研究有望幫助科學家更好地理解生物膜在航天中的作用，同時減輕其對宇航員的健康風險。

在這項研究中，研究人員首先回顧了生物膜漫長而復雜的歷史與特性，包括它們如何促進了地球早期生命、復雜生命形式、人類健康和植物生產。針對航天領域，研究者回顧了太空飛行如何干擾生物膜的結構與功能、影響腸道與生物膜的相互作用，以及微重力如何影響根際與生物膜的相互作用（根際是根系、微生物和土壤相互作用的區域）。

最后，研究人員基于從美國國家航空航天局開放科學數據存儲庫獲取的數據，探討了生物膜在航天中的潛在應用。該數據庫旨在推動建立一種公開、包容的科學研究模式。這些潛在應用包括精準醫學和再生醫學，以及通過提高作物產量和質量、減少農藥化學品使用來促進農業。研究指出，可以設計生物膜群落用于原位藥物生產，從而減少從地球補給藥品的需求。

“自原始地球以來，生物膜就一直維系著生命，”研究在結論中指出，“生物膜嵌于多細胞生命之中，我們不應僅將其視為需要清除的風險因子，還應將其理解為可供利用的復雜且適應性強的生物工具。基于開放科學原則的太空生物膜研究，為開發創新的生物膜技術提供了契機。這些新技術既能助力實現深空探索的雄心，也能為地球帶來可持續且有意義的積極影響。”

這項研究建立在二十多年來對生物膜在航天中應用的研究基礎之上。近期研究包括2025年發表在《生物膜科學》上的一篇論文，該文模擬了一個微重力生物膜反應器，研究人員在其中觀察了太空條件下生物膜的生長與發育。另一篇2025年發表于《微生物學雜志》的論文也探討了生物膜在太空條件下的生長情況，同時討論了潛在風險與緩解策略。2023年發表在《npj微重力》上的一篇論文同樣探討了太空中生物膜的形成。

如前所述，NASA數十年來一直在研究生物膜，特別關注其在太空中與地球上特性的差異。這包括研究生物膜群落在微重力下如何更容易附著在表面，可能導致設備損壞和宇航員健康風險；以及觀察到它們對抗菌劑和抗生素表現出更強的耐受性。由于太空任務的封閉系統環境，生物膜群落可能導致供水系統堵塞、金屬和管道腐蝕，并損壞空氣過濾系統，而空氣過濾系統對宇航員獲取氧氣、過濾二氧化碳及其他有害化學物質至關重要。

可以說，為更好地理解微重力下生物膜活動而開展的最全面研究項目，當屬在國際空間站上進行的“微重力下不同材料及環境條件下生物膜形成、生長和基因表達特征”（太空生物膜）研究。在這項研究中，宇航員探索了在微重力下驅動生物膜生長和發育的復雜過程。與國際空間站上無數其他研究一樣，這項研究的成果也可能影響地球應用，包括減輕生物膜對健康的危害。

無論是在國際空間站、月球還是火星上，生物膜研究都只是將影響人類太空探索的眾多研究領域之一。雖然生物膜對宇航員構成健康風險，但它們也擁有無數可助力人類太空探索的應用潛力。

在未來幾年乃至幾十年里，生物膜將如何為航天事業做出貢獻？唯有時間能給出答案，而這正是我們從事科學探索的意義所在！

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