生物膜或曾点燃地球生命之火——亦可在太空中维系生命

时间来到2041年，一位驻守在环火星轨道“火星一号站”的宇航员，正在检查栖息舱深处生命支持系统的运行情况。当他打开一个舱室时，震惊地发现舱壁在微重力环境下附着着一团本不该存在的、黏糊糊的神秘物质。在惊骇之中，过往看过的所有外星科幻电影画面立刻涌入脑海，他确信自己不仅首次发现了外星生命的迹象，而且可能无法活着将此事公之于众。在恐慌中将此事告知其他船员后，大家却冷静地向他解释，这并非外星威胁，而是一种名为“生物膜”的物质，它在地球上已存在了数十亿年。

他们解释说，生物膜是微生物的群落，它们附着在表面并相互粘附，被一层自我产生的、具有保护性的黏滑层所包裹。生物膜通过共享资源、相互沟通以及抵抗恶劣条件（尤其是抗生素）来帮助微生物生存。看着这位宇航员的脸色逐渐恢复，船员们解释道，虽然生物膜无论在地球还是太空中都可能对人类健康构成风险，但在太空中风险更大，因为生物膜在微重力环境下更容易附着在物体表面。他们还开玩笑地让他去拿机组零食包里的士力架，因为“饿的时候你不是你自己”，并安慰他一切都会好起来的。

但生物膜究竟如何用于太空探索呢？这正是最近发表在《npj生物膜与微生物组》上的一项研究所希望探讨的。来自多国的研究人员协作研究了在航天任务中使用生物膜的利与弊。这项研究有望帮助科学家更好地理解生物膜在航天中的作用，同时减轻其对宇航员的健康风险。

在这项研究中，研究人员首先回顾了生物膜漫长而复杂的历史与特性，包括它们如何促进了地球早期生命、复杂生命形式、人类健康和植物生产。针对航天领域，研究者回顾了太空飞行如何干扰生物膜的结构与功能、影响肠道与生物膜的相互作用，以及微重力如何影响根际与生物膜的相互作用（根际是根系、微生物和土壤相互作用的区域）。

最后，研究人员基于从美国国家航空航天局开放科学数据存储库获取的数据，探讨了生物膜在航天中的潜在应用。该数据库旨在推动建立一种公开、包容的科学研究模式。这些潜在应用包括精准医学和再生医学，以及通过提高作物产量和质量、减少农药化学品使用来促进农业。研究指出，可以设计生物膜群落用于原位药物生产，从而减少从地球补给药品的需求。

“自原始地球以来，生物膜就一直维系着生命，”研究在结论中指出，“生物膜嵌于多细胞生命之中，我们不应仅将其视为需要清除的风险因子，还应将其理解为可供利用的复杂且适应性强的生物工具。基于开放科学原则的太空生物膜研究，为开发创新的生物膜技术提供了契机。这些新技术既能助力实现深空探索的雄心，也能为地球带来可持续且有意义的积极影响。”

这项研究建立在二十多年来对生物膜在航天中应用的研究基础之上。近期研究包括2025年发表在《生物膜科学》上的一篇论文，该文模拟了一个微重力生物膜反应器，研究人员在其中观察了太空条件下生物膜的生长与发育。另一篇2025年发表于《微生物学杂志》的论文也探讨了生物膜在太空条件下的生长情况，同时讨论了潜在风险与缓解策略。2023年发表在《npj微重力》上的一篇论文同样探讨了太空中生物膜的形成。

如前所述，NASA数十年来一直在研究生物膜，特别关注其在太空中与地球上特性的差异。这包括研究生物膜群落在微重力下如何更容易附着在表面，可能导致设备损坏和宇航员健康风险；以及观察到它们对抗菌剂和抗生素表现出更强的耐受性。由于太空任务的封闭系统环境，生物膜群落可能导致供水系统堵塞、金属和管道腐蚀，并损坏空气过滤系统，而空气过滤系统对宇航员获取氧气、过滤二氧化碳及其他有害化学物质至关重要。

可以说，为更好地理解微重力下生物膜活动而开展的最全面研究项目，当属在国际空间站上进行的“微重力下不同材料及环境条件下生物膜形成、生长和基因表达特征”（太空生物膜）研究。在这项研究中，宇航员探索了在微重力下驱动生物膜生长和发育的复杂过程。与国际空间站上无数其他研究一样，这项研究的成果也可能影响地球应用，包括减轻生物膜对健康的危害。

无论是在国际空间站、月球还是火星上，生物膜研究都只是将影响人类太空探索的众多研究领域之一。虽然生物膜对宇航员构成健康风险，但它们也拥有无数可助力人类太空探索的应用潜力。

在未来几年乃至几十年里，生物膜将如何为航天事业做出贡献？唯有时间能给出答案，而这正是我们从事科学探索的意义所在！

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