太空生物學(xué)（Astrobiology）顧名思義就是研究生物和外空間物體的相互作用的科學(xué)。其中一個(gè)重要課題就是地球上的生物能夠在太空與外星環(huán)境下生存，并進(jìn)一步改造外星環(huán)境使之更適于地球生物。雖然現(xiàn)在我們已經(jīng)能夠在空間站上開(kāi)展太空環(huán)境下的相關(guān)研究，但由于技術(shù)限制，我們還沒(méi)辦法在外星直接進(jìn)行這樣的研究工作。

中國(guó)天宮空間站中的生菜與小麥培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)（轉(zhuǎn)自中國(guó)載人航天）

但科學(xué)家們還是想盡辦法在地球上開(kāi)展太空生物學(xué)研究。他們結(jié)合太空觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，合理推測(cè)外星球的環(huán)境條件，通過(guò)控制光強(qiáng)、光譜、光周期、大氣組成、營(yíng)養(yǎng)條件等來(lái)模擬外星的環(huán)境條件來(lái)培養(yǎng)地球上的藻類(lèi)和植物，然后利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)為代表的植物表型分析技術(shù)來(lái)評(píng)估其生長(zhǎng)狀態(tài)，尤其是這些藻類(lèi)和植物能否穩(wěn)定地進(jìn)行光合作用。

葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)廣泛應(yīng)用于藻類(lèi)、植物生長(zhǎng)狀態(tài)與光合生理評(píng)估，左圖：基因編輯擬南芥抗病毒檢測(cè)；中圖：利用微藻進(jìn)行高通量環(huán)境毒性生物標(biāo)記檢測(cè)；右圖：國(guó)際空間站使用FluorPen葉綠素?zé)晒鈨x進(jìn)行植物生長(zhǎng)狀態(tài)檢測(cè)

下面我們通過(guò)兩個(gè)微藻相關(guān)研究案例來(lái)說(shuō)明相關(guān)的太空生物學(xué)技術(shù)方案：

案例一、藍(lán)藻利用火星風(fēng)化層來(lái)支持火星殖民

葡萄牙阿威羅大學(xué)的科學(xué)家研究了3種藍(lán)藻（柱孢魚(yú)腥藻Anabaena cylindrica、念珠藻Nostoc muscorum和鈍頂節(jié)旋藻Arthrospira platensis）和1種綠藻（小球藻Chlorella vulgaris）能否利用火星現(xiàn)有資源生活。他們利用美國(guó)月球和小行星表面科學(xué)中心提供的火星風(fēng)化層模擬物（MGS-1）制作成水提物，之后將這幾種微藻分別培養(yǎng)在純水、火星風(fēng)化層水提物和17%螺旋藻培養(yǎng)基中，定期測(cè)量其光密度OD440并使用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)測(cè)量其最大光化學(xué)效率Fv/Fm。

OD440動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)表明微藻生物量的生長(zhǎng)變化，而Fv/Fm的高低則直接反映微藻光系統(tǒng)活性以及受損程度。這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在

火星的營(yíng)養(yǎng)條件下，念珠藻的生長(zhǎng)狀況是Zui 好的，而鈍頂節(jié)旋藻和小球藻則幾乎無(wú)法生存。因此念珠藻應(yīng)該成為未來(lái)研究的目標(biāo)，不僅因?yàn)樗鼈冊(cè)谘鯕馍a(chǎn)中的作用，也因?yàn)樗鼈兛梢员挥米魇澄飦?lái)源。

4種微藻在不同培養(yǎng)基中的OD440動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)和Fv/Fm動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)

案例二、實(shí)驗(yàn)室模擬藍(lán)藻在M矮星的宜居性

近十年的研究發(fā)現(xiàn)，40%的M矮星擁有“超級(jí)地球”（最小質(zhì)量在1到30個(gè)地球質(zhì)量之間，軌道周期短于50天，半徑介于地球和海王星之間）。但M矮星的光譜特性與太陽(yáng)有很大的差別，其波長(zhǎng)更長(zhǎng)，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)主要集中在遠(yuǎn)紅光區(qū)（FR）。而藍(lán)藻由于可以合成葉綠素d和葉綠素f，因此可以使其光合利用波長(zhǎng)延長(zhǎng)至750nm。

左圖：M矮星示意圖；右圖：太陽(yáng)G2與M矮星M7的光譜曲線(xiàn)

由此，意大利國(guó)家天文物理研究所、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院等合作，控制培養(yǎng)光譜、光強(qiáng)、大氣組分（CO₂濃度）、溫度等環(huán)境條件，檢測(cè)Chlorogloeopsis fritschii PCC 6912、Chroococcidiopsis thermalis PCC 7203、Synechococcus PCC 7335、Synechocystis sp. PCC 6803這4種藍(lán)藻在太陽(yáng)光、M矮星M7光譜、遠(yuǎn)紅光下的生長(zhǎng)狀況，從而評(píng)估這些藻類(lèi)在M矮星的宜居性。

微藻的生長(zhǎng)和光合狀況主要使用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。葉綠素最小熒光F₀（也稱(chēng)原初熒光、本底熒光）在很大程度上與葉綠素濃度和微藻細(xì)胞數(shù)正相關(guān)，因此F₀增長(zhǎng)率被用來(lái)衡量生長(zhǎng)量的變化。最大光化學(xué)效率Fv/Fm則直接反映其光合效率。結(jié)果很令人驚訝，所有微藻在M7光譜條件下的生長(zhǎng)狀況與在太陽(yáng)光下類(lèi)似，而且遠(yuǎn)好于只在遠(yuǎn)紅光下的生長(zhǎng)狀況。M7這種奇異光譜的可見(jiàn)光與遠(yuǎn)紅光比例可能是其中的關(guān)鍵因素。

                                              4種藍(lán)藻在太陽(yáng)光、M7光照、遠(yuǎn)紅光下的Fv/Fm

4種藍(lán)藻在太陽(yáng)光、M7光照、遠(yuǎn)紅光下的照片和F0增長(zhǎng)率

易科泰微藻太空生物學(xué)技術(shù)方案

1.     智能培養(yǎng)與在線(xiàn)監(jiān)測(cè)

l  全LED光源，培養(yǎng)光強(qiáng)最高達(dá)3000 μmol photons m^-2 s^-1，光譜組成可根據(jù)用戶(hù)需求定制

l  實(shí)時(shí)調(diào)控光強(qiáng)、光譜、光周期、溫度、氣體組分等，并可配備恒化（恒定pH）或恒濁（自動(dòng)補(bǔ)充培養(yǎng)基并恒定OD）培養(yǎng)模塊，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定半連續(xù)培養(yǎng)

l  實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)葉綠素?zé)晒狻?/span>OD光密度、溫度、pH、溶解氧、溶解CO₂等

l  容積包括100ml、400ml、1000ml、3000ml、25L、100L等，可靈活定制

2.     藻類(lèi)葉綠素?zé)晒馀c表型成像技術(shù)

l  測(cè)量樣品包括大型藻、微藻（液體/固體培養(yǎng)基均可）。可研究微藻群體，也可連接顯微鏡研究單個(gè)藻類(lèi)細(xì)胞

l  可測(cè)量葉綠素?zé)晒獬上瘛⒏吖庾V成像、UV激發(fā)熒光成像等，無(wú)損檢測(cè)藻類(lèi)生長(zhǎng)狀況、光合生理、脅迫抗性、色素組成等

l  儀器型號(hào)和配置功能靈活多樣，可根據(jù)客戶(hù)實(shí)際需要靈活定制

參考文獻(xiàn)：

1.     Macário I P E, Veloso T, Frankenbach S, et al. Cyanobacteria as candidates to support Mars colonization: growth and biofertilization potential using Mars regolith as a resource. Frontiers in Microbiology, 2022, 13.

2.     Claudi R, et al. 2020. Super-Earths, M Dwarfs, and Photosynthetic Organisms: Habitability in the Lab. Life 11(1): 10

北京易科泰生態(tài)技術(shù)公司提供藻類(lèi)培養(yǎng)與表型研究全面技術(shù)方案：

l  AquaPen、FluorCam藻類(lèi)葉綠素?zé)晒?/span>/多光譜熒光技術(shù)

l  SL3500、AlgaeTron/FytoScope智能LED光源與生長(zhǎng)箱

l  SpectraPen/PolyPen、Specim高光譜測(cè)量技術(shù)

l  FKM多光譜熒光動(dòng)態(tài)顯微成像系統(tǒng)

l  FMT150藻類(lèi)培養(yǎng)與在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

l  MC1000 8通道藻類(lèi)培養(yǎng)系統(tǒng)

l  ET-PSI多功能藻類(lèi)培養(yǎng)與在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

l  AlgaTech®高通量藻類(lèi)表型成像分析平臺(tái)