文/ 李會(huì)超

近一段時(shí)間以來(lái)，新型冠狀病毒讓不少人失去了健康，也給社會(huì)運(yùn)行和人們的生活帶來(lái)了巨大的麻煩。然而大家或許有所不知，在載人航天飛行中，病毒、細(xì)菌等微生物也給航天員生命健康和航天器設(shè)備正常運(yùn)行，帶來(lái)了很多麻煩。為了保證載人航天飛行的安全，科研人員和航天員也要同這些微生物“斗智斗勇”。

▲ 阿波羅11號(hào)航天員使用的移動(dòng)檢疫設(shè)施

▲ 執(zhí)行“阿波羅7號(hào)”任務(wù)的3名航天員

▲ 地面工作人員正在測(cè)試為國(guó)際空間站準(zhǔn)備的微生物采樣工具

威脅航天員身體健康

在美國(guó)“阿波羅7號(hào)”的飛行中，3名航天員在任務(wù)開(kāi)始后同時(shí)患上了感冒。在后續(xù)的任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，被疾病折磨的航天員的情緒和工作狀態(tài)受到了很大的影響，還一度進(jìn)行過(guò)違章操作。雖然沒(méi)有足夠的證據(jù)能夠證明這是一次由病毒引起的感冒，但這件事警示人們，在太空中避免微生物引發(fā)的各類(lèi)健康問(wèn)題至關(guān)重要。

載人航天器艙室內(nèi)部的溫度一般在23攝氏度左右，濕度在30%～70%之間。如此舒適的環(huán)境，在保障航天員工作和生活的同時(shí)，也為微生物提供了適合生長(zhǎng)繁殖的環(huán)境。在太空密閉的艙室內(nèi)，航天員們無(wú)法開(kāi)窗，同時(shí)由于條件限制也使得他們無(wú)法像在地面上那樣，能夠頻繁地洗手和洗澡。在地面上，打一個(gè)噴嚏所噴出的飛沫會(huì)很快在重力的作用下沉降，而在太空的失重環(huán)境中，飛沫會(huì)長(zhǎng)時(shí)間漂浮在艙內(nèi)的空氣中或沾染到儀表盤(pán)等固體表面，成為可能的傳染源。美國(guó)布朗大學(xué)的傳染病專(zhuān)家曾對(duì)執(zhí)行過(guò)航天飛機(jī)任務(wù)的742名航天員進(jìn)行過(guò)調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了29例傳染病，主要病癥包括感冒、發(fā)燒、泌尿與皮膚感染和病毒性腸胃炎等。

免疫系統(tǒng)是人體自身抵抗微生物入侵的屏障。而研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)航天員進(jìn)入太空之后，免疫系統(tǒng)的機(jī)能會(huì)受到一定限制。同時(shí)，體內(nèi)一些已經(jīng)處于蟄伏狀態(tài)的病毒可能會(huì)被再次激活。例如，美國(guó)宇航局公布的一項(xiàng)研究結(jié)果表明，潛藏在人脊髓神經(jīng)細(xì)胞中、處于休眠狀態(tài)的水痘帶狀皰疹病毒，在太空飛行中可能被再次激活。雖然不會(huì)引起明顯的病癥，但這種病毒的激活將會(huì)影響航天員的免疫力。同時(shí)，微生物在太空的微重力和高輻射環(huán)境中所發(fā)生的變化，也有可能使它們產(chǎn)生更大的危害。2017年，美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，在太空中，人類(lèi)腸道中侵入的大腸桿菌與地球上的生長(zhǎng)方式不同，產(chǎn)生了更強(qiáng)的耐藥性，需要更高濃度的抗生素才能殺死這些細(xì)菌。

對(duì)于一般人來(lái)說(shuō)，患病后到醫(yī)院就能得到妥善的治療，而對(duì)于航天員來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)在太空，去醫(yī)院是不可能的事情。

破壞航天器艙內(nèi)設(shè)備

蘇聯(lián)/俄羅斯的和平號(hào)空間站運(yùn)行期間，航天員們發(fā)現(xiàn)一個(gè)觀察孔變得越來(lái)越模糊。原來(lái)是微生物在那里安了家。觀察孔周邊的橡膠上生長(zhǎng)了大量的微生物，它們代謝出的有機(jī)酸腐蝕了觀察孔。

對(duì)于載人航天飛行來(lái)說(shuō)，微生物對(duì)于飛行的威脅不只來(lái)自于對(duì)航天員健康的威脅，還有對(duì)設(shè)備的破壞。艙內(nèi)設(shè)備幾乎所有的材料都可能被微生物附著，而航天飛行的微重力和輻射環(huán)境又可能使微生物變異，使得它們生存和繁殖的本領(lǐng)變得更強(qiáng)。在濕度較大且通風(fēng)不暢的地方，微生物可能會(huì)以一些有機(jī)聚合材料作為它們的“食物”，從而直接對(duì)這些材料所構(gòu)成的設(shè)備進(jìn)行破壞。同時(shí)，微生物分解出來(lái)的有機(jī)酸，會(huì)加快不少艙內(nèi)材料的腐蝕。

▲ 國(guó)際空間站上采樣后的微生物在培養(yǎng)皿中生長(zhǎng)

從1986年開(kāi)始服役到其結(jié)束使命的15年間，和平號(hào)空間站的運(yùn)行一直受到微生物的破壞?！昂推教?hào)”的艙內(nèi)空氣和設(shè)備表面上，共發(fā)現(xiàn)過(guò)真菌、細(xì)菌等微生物多達(dá)234種，其中有不少都能腐蝕艙內(nèi)材料。科研人員發(fā)現(xiàn)，越是老化的材料越容易成為微生物棲息的溫床，比如橡膠、鈦和鋁等材料都可能因此遭殃。此外，細(xì)菌自身形成的生物膜層和栓塞物還堵塞過(guò)和平號(hào)空間站的水再生系統(tǒng)管路。在國(guó)際空間站上也發(fā)現(xiàn)過(guò)微生物在火警報(bào)警裝置上滋生的情況，影響了探測(cè)的精度。

控制微生物有妙招

載人航天飛行器艙內(nèi)的微生物來(lái)源主要有兩個(gè)：一個(gè)是航天員自身攜帶的微生物，另一個(gè)是航天器在制造過(guò)程中艙內(nèi)材料所沾染的微生物。對(duì)于空間站來(lái)說(shuō)，當(dāng)貨運(yùn)飛船從地面帶來(lái)給養(yǎng)時(shí)，不可避免地也會(huì)攜帶一定量的微生物。和地面上一樣，徹底禁絕微生物的存在是不可能的。但為了保障載人航天飛行的安全，科研人員已經(jīng)找出了一系列行之有效的措施，避免微生物對(duì)載人航天飛行的正常運(yùn)行產(chǎn)生危害性的影響。

在上天之前，無(wú)論是航天員還是航天器都要為應(yīng)對(duì)微生物的問(wèn)題采取特殊的措施。對(duì)于航天員來(lái)說(shuō)，工作人員會(huì)檢查他們體內(nèi)已經(jīng)攜帶的微生物，有針對(duì)性地為他們準(zhǔn)備藥物以預(yù)防可能出現(xiàn)的疾病。在發(fā)射前，航天員的生活將受到控制，以避免他們沾染新的微生物。對(duì)于航天器來(lái)說(shuō)，要根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，盡量選擇能夠抑制微生物生長(zhǎng)的材料，在制造過(guò)程中，還要采取嚴(yán)格的消毒滅菌措施。

▲ 航天飛機(jī)的航天員正在進(jìn)行細(xì)菌實(shí)驗(yàn)

▲ 和平號(hào)空間站壁板上滋生的真菌

在飛行過(guò)程中，為了掌握艙內(nèi)的微生物生長(zhǎng)情況，需要對(duì)微生物環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。例如，在國(guó)際空間站上，設(shè)置了檢測(cè)空氣微生物污染狀況和儀器表面微生物情況的儀器。這兩種儀器的基本原理都是進(jìn)行取樣后把微生物在培養(yǎng)基或培養(yǎng)皿中“養(yǎng)”起來(lái)，觀察微生物增殖的情況，一定時(shí)間后進(jìn)行計(jì)數(shù)和拍照，由此推測(cè)微生物污染的情況。對(duì)艙內(nèi)空氣進(jìn)行測(cè)量時(shí)，航天員要抽取一定量的空氣。而對(duì)設(shè)備表面進(jìn)行測(cè)量時(shí)，則是使用棉簽取樣或是利用含有培養(yǎng)基的膜粘貼設(shè)備表面。

和疫情期間大家經(jīng)常要佩戴口罩、對(duì)空氣和門(mén)把手等器物表面進(jìn)行消毒一樣，過(guò)濾和消毒也是載人航天飛行器應(yīng)對(duì)微生物威脅的有效手段。以國(guó)際空間站為例，裝有高效濾網(wǎng)的細(xì)菌過(guò)濾單元可以有效過(guò)濾艙內(nèi)空氣中99.9%的0.3微米以下顆粒，而最小的細(xì)菌也只有0.3微米那么大。對(duì)于設(shè)備表面，相關(guān)人員則需要用消毒巾每周擦拭一次。而對(duì)于極有可能為細(xì)菌提供滋生環(huán)境的冷卻水管道，一般使用碘消毒劑進(jìn)行消毒。

利用微生物做實(shí)驗(yàn)

并非所有的微生物都對(duì)人類(lèi)有害，從美味的酸奶到被自然降解的垃圾，微生物也可以成為人類(lèi)美好生活的幫手。為了解微生物在太空條件下的生長(zhǎng)情況，不少實(shí)驗(yàn)都被帶上了國(guó)際空間站。去年7月，美國(guó)宇航局發(fā)布了利用微生物進(jìn)行太空采礦的研究情況。在地球上，利用微生物完成從巖石中分離礦物和金屬的技術(shù)，已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用。而未來(lái)在對(duì)其他天體的資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，微生物顯然比體積重量巨大的采礦機(jī)器更加好用。利用國(guó)際空間站上的BioRock實(shí)驗(yàn)設(shè)備，科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)始了這方面的實(shí)驗(yàn)。他們將三種微生物附著到一塊玄武巖上，觀察微生物產(chǎn)生的生物膜與玄武巖相互作用的情況，考察微生物提取玄武巖中二十多種微生物的情況。當(dāng)對(duì)微生物在太空中的采礦行為有了足夠的了解后，這些微生物不但可以幫助人們開(kāi)采其他天體上的礦產(chǎn)資源，還有可能在其他天體上改造出適合植物生長(zhǎng)的土壤。

▲ 在國(guó)際空間站用BioRock實(shí)驗(yàn)裝置，利用微生物從巖石中分離礦物和金屬

而在MVP Cell-02實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們則更聚焦微重力環(huán)境對(duì)微生物繁殖和進(jìn)化過(guò)程的影響。他們選取了一種稱(chēng)為枯草芽孢桿菌微生物作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。這是一種對(duì)人體無(wú)害的耐寒微生物，具有極強(qiáng)的適應(yīng)能力。當(dāng)所處環(huán)境的營(yíng)養(yǎng)充足時(shí)，他們便開(kāi)始增殖，而一旦營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)變得緊張，細(xì)菌就會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)。重新“喚醒”細(xì)菌，只需要加入足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)?？偣灿腥齻€(gè)實(shí)驗(yàn)組的細(xì)菌參與了試驗(yàn)。一組細(xì)菌作為對(duì)照組，在地面上培養(yǎng)。在太空中的兩組細(xì)菌，一組置于國(guó)際空間站的微重力環(huán)境中，另一組則使用離心機(jī)在太空中創(chuàng)造出與地面相似的重力場(chǎng)。由于這種細(xì)菌的耐受力較強(qiáng)，航天員基本不用花費(fèi)時(shí)間精力在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)它們進(jìn)行照料，只需在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行必要的處理，并放入下行的貨運(yùn)或載人飛船帶回地球即可。

未來(lái)，微生物還可能為長(zhǎng)期的太空旅行提供食物來(lái)源。在美國(guó)宇航局資助美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的科研人員完成的一項(xiàng)研究中，科學(xué)家們找到了與人類(lèi)相愛(ài)相殺的細(xì)菌來(lái)完成把人的糞便變?yōu)槭澄锏墓ぞ?。他們制作了一個(gè)管狀的實(shí)驗(yàn)裝置，將與人類(lèi)糞便化學(xué)性質(zhì)類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)替代品（誰(shuí)都不想實(shí)驗(yàn)室臭氣熏天）裝入裝置之中，同時(shí)還放進(jìn)去兩種細(xì)菌。這兩種細(xì)菌，一種負(fù)責(zé)通過(guò)厭氧消化過(guò)程，從糞便中產(chǎn)生甲烷和含氮?dú)怏w，而另一種則以這兩種氣體為食物，進(jìn)一步產(chǎn)生蛋白質(zhì)和脂肪。最終，航天員們食用的就是這些細(xì)菌所生產(chǎn)的食物。在目前的實(shí)驗(yàn)中，這種食物的性狀看起來(lái)像是龜苓膏或是魔芋塊，口感應(yīng)該不會(huì)太差。這種食物里含有52%的蛋白質(zhì)和36%的脂肪，看起來(lái)營(yíng)養(yǎng)比例也不錯(cuò)。這項(xiàng)技術(shù)成熟后，有望解決星際航行中航天員食物來(lái)源的問(wèn)題，以騰出更多的空間來(lái)裝載儀器設(shè)備。