标题：空间生命科学
基本概述
科学规律研究宇宙空间环境中的生命现象及其规律的学科。属空间科学和生命科学的边缘学科。20世纪40～50年 
  空间生命科学代，人类进入高空气球和生物火箭试验阶段，即利用气球和火箭进行空间生物学试验，探索、研究在地球高层大气中的宇宙辐射、失重、加速度、噪声和振动等条件下的生物效应。60年代是生物卫星和载人飞船的试验、研究阶段，载人航天的实现，使研究从理论性探讨进入实践阶段，为了保障人在空间环境中的生命安全，促进了空间医学、空间生理学、空间心理学和空间医学工程的发展，同时积累了人在宇宙空间活动的必要知识。70年代开始，进入了建立空间站和对行星进行实测的阶段，使得人们能长期在宇宙空间环境中正常活动。在空间时代，人类和生物在宇宙空间中的活动成为现实，从而产生了相应的研究领域——空间生命科学。生存需要人类要想在宇宙空间中长期生存，对宇宙空间进行开发，就需要研究解决一系列空间生命课题。如失重、真空、宇宙辐射、高温（或低温）等宇宙环境因素对生命过程的影响。30多年来的探测、研究表明，失重 
  空间生命科学对生物系统的作用机理主要表现为生理适应反应，失重在生命过程的不同水平上产生不同的影响。宇宙辐射对生物机体有很大影响，必须通过各种实验测出不同类型宇宙辐射的生物学效应。生物的种类、机能状态、组织、部位和细胞种类和分裂周期状态等对辐射有不同的效应。高真空和极端温度对空间生命的生存有直接作用，是空间生物学研究的主要对象。人在宇宙空间长期活动造成的生理变化也是生命科学研究的重要课题。研究课题利用空间飞行器来探索研究地外生命和探寻地外文明，是令人们感兴趣、也是空间生命科学的重要课题。经过对行星的探查，特别是对火星的重点探查，尚未发现宇宙空间存在生命迹象。但对地外生命和地外文明的探索将继续下去。
研究历史
开始空间生命科学的发展与空间技术的进步密切相关。它的研究历史大致可分为：高空气球和生物火箭试验阶 
  空间生命科学段，生物卫星和载人飞船的研究阶段，空间站和行星探测阶段。高空气球和生物火箭试验阶段，大约从第二次世界大战结束（1945）到50年代末。此阶段的主要特点是大量使用气球和火箭进行空间生物学实验，研究在宇宙辐射、失重、加速度、噪声和振动等条件下的生物效应，为下一阶段的载人航天飞行作技术准备。图为携带小狗“莱卡”的苏联卫星2号。60年代从60年代初第一艘载人飞船上天，到60年代末，是生物卫星和载人飞船的研究阶段。载人航天的实现，使空间生命科学的研究从理论性探讨进入实践阶段。为了保证人在空间的生命安全，进行了广泛的生命科学研究，促进了空间医学、空间生理学、空间心理学和空间医学工程学的发展。为了更深入地了解空间环境中的生命现象，除载人飞船实验外，美、苏都进行了生物卫星实验。这一阶段的主要成就是：①表明人在必要的防护下，不仅能在空间健康地生存，而且还能有效地工作；②初步研究了失重对生物体功能的影响，描述了人体在失重状态下的生理反应及其表现形式。70年代后从70年代初开始进入了空间站和行星探测阶段，这一阶段主要特点是长期载人空间站的出现，如美国的“天空实验室”、苏联的“礼炮号”和欧洲的“空间实验室”，以及配置有自动生物学实验室的行星际探测器（如美国的“海盗”号、“旅行者”号，苏联的“金星”号、“土星”号和“太阳神”号）。空间站的出现给空间生命科学提出了新的研究课题，如长期航天，特别是长期失重对人体的影响和宇宙线重粒子的累积作用；在长期航天过程中，如何保证航天员的身体健康、工作效率和心理稳定等。自动生物学实验室对太阳系行星进行的探查，使地外生命的研究进入了实测阶段。
空间环境生物学
研究因素主要研究宇宙空间环境因素，如失重、宇宙辐射、真空、高温（或低温）等对生命过程的影响。宇宙辐射 
  空间生命科学的生物效应，是指宇宙辐射对活机体的影响。它不仅在理论上，而且在载人航天实践上也有重要意义。尤其在长期载人航天中，重粒子的累积效应及其对神经元的损伤作用特别值得注意。高真空和极端温度对空间生命的生存有直接作用，也是载人航天中不可忽视的环境因素，因而都属于环境生物学研究的对象。研究宇宙空间环境中各种因素影响生物体功能的一般规律性的学科。重力生物学和等已从空间环境生物学中分化出去，成为独立的分支学科。空间环境生物学的主要内容包括宇宙辐射生物效应、高（低）温生物效应、真空生物效应、应激、复合效应等。宇宙空间主要有两种辐射，即粒子辐射和太阳电磁辐射。通常又将辐射粒子分成轻核和重核。轻核包括氢原子核（质子）和氦原子核（粒子），重核指原子序数大于2的元素的原子核。和中的粒子，大部分属于轻核，重核的数量较少。生物损害重核对生物体的损害极大，可使生物体产生不可逆的病变，因此，重粒子的生物效应成为宇宙辐射生物学研究的重点。宇宙辐射生物效应的大小与传能线密度（LET：指粒子在单位长度径迹上所消耗的平均能量，单位是千电子伏/微米）值密切相关，一般说，传能线密度值越大，生物效应也越大。根据细胞学的研究，重粒子所产生的生物效应不仅比轻核大，而且对生物组织的损害在性质上也不同。当照射剂量足够大时，氦粒子主要影响增生迅速的组织，如骨髓、上皮组织和生殖器官组织等，但受影响的组织有时还能维持其功能；而重粒子对于非增生性组织，即使是极低的剂量也可产生特殊的生物效应。重粒子生物效应的显著特点是，当它击中细胞的适当部位，其能量并非均匀地分布于被作用的微细结构，而是更多地作用于组织深部，并集中于其所经过的径迹。正因为如此，所以它的危害程度很大。高、低温生物效应简单生物对高、低温的反应的一般特点是：①在一次相对高的温度作用后微生物仍能生长，但重复多次相同的高温作用，会引起微生物的死亡；②温度很低能够抑制微生物的繁殖，但如结合细胞脱水，则可延长其生存；③温度缓慢下降时，某些细菌会在－5℃下生长，如快速从30℃下降至0℃，则会引起一些细菌的死亡；④低温下细胞干燥，不会使整个细胞群完全死亡，其死亡率随细胞种类不同而不同；⑤微生物因温度变化引起周期性发展的复苏状态，对其随后的代谢能力、生长以及繁殖没有影响。除以上一般反应外，低温（－75～－273℃）有以下特殊生物效应：①不少细菌、酵母菌、霉菌、藻类、原虫、蠕虫、昆虫和人类的精子，以及部分高等植物的种子，能够经受－190℃低温的作用；②一些细菌在 
  空间生命科学接近绝对零度（－273℃）的条件下，仍能生存，显示它们对极端温度环境的特别稳定性；③地球上的微生物在很低温度的宇宙空间或行星上没有死亡的事实表明，宇宙间的低温没有杀菌作用；④企鹅和北极熊等动物所以能在－20～－50℃的环境中生活，是因为这些恒温动物即使在上述环境中仍能产生大量热量，保持其生长和繁殖等生理功能的正常进行。高温也有其特殊生物效应。生物对高温的耐受力差异很大。生活在南极地带2℃水中的鱼，会在6℃水中死亡；大多数无芽胞的细菌将在60℃条件下10分钟内失去生命力，而带有芽胞的细菌在干燥消毒时，通常在150～160℃下尚能承受30分钟，在120℃下高压消毒1小时便会死亡。一般来说，温度愈高，细胞死亡愈快；细胞所含水分愈少或愈能经受干燥的不良条件，则愈能耐受高温。微生物对高温的抵抗力受许多因素的影响。这些因素包括：细胞总数、细胞发育阶段、培养基成分、细胞含水量及静水压等等。低温和高温的上述效应对行星的检疫、飞船的消毒均具有一定的指导意义。温度变化载人飞船由地面起飞，进入轨道运行，到最后返回地面，经历不同的温度环境。在发射段和返回段，飞船外壳受到气动力加热，可达数千度，舱内温度也相应升高。当飞船进入轨道后，处于真空环境，周围温度相当于4K，飞船外壳向空间辐射散热，温度逐渐下降。此时存在着太阳辐射、地球对太阳的反照和地球本身的红外辐射，这些都给飞船加热，其中起决定作用的为太阳辐射。此外，舱内人员的代谢产热，以及仪表设备的散热，都会影响飞船座舱温度。人体通常感到舒适的温度为16.6～24℃，当环境温度变化在9.5～36℃的情况下，依靠调节机制，仍能保持体温正常。人体对高温的耐受时间，取决于暴露的温度强度、着装条件以及身体活动程度。由于生理耐受限度和身体积热程度密切相关，实验表明，达到耐受限度的热蓄积值为84卡/米。
空间重力生物学
综述主要研究空间失重因素对生物的影响，这是载人航天中遇到的重要课题。30多年来的空间生命科学研究表 
  空间生命科学明，失重在生命过程的不同水平上产生不同的影响。已初步证明失重环境中动植物细胞的代谢水平和发育生长过程有一定的变化，但较为轻微，结果也不太一致。普遍认为，重力因素主要影响较高水平的机体功能、较复杂的器官和系统以及整体活动。在适应地球重力场过程中发展起来的骨骼肌肉系统、心血管系统、尤其是中枢神经系统和大脑功能受到严重而持久的影响。研究生物进入宇宙空间后，重力因素（主要是失重）对生物影响的学科。自从有生命以来，生物一直生活在地球表面引力环境中。在实现了人造卫星绕地球作轨道飞行后，才遇到较长时间的失重问题绕地球作轨道飞行引起失重是因为物体加速到第一宇宙速度（7.9公里/秒）时，所产生的惯性离心力与地球引力大小相等，方向相反，互相抵消，物体就失去重量，处于失重状态。实际上，由于惯性离心力与地球引力不能完全相等，因此严格地说，生物是处于微重力状态，即在零到千分之几G的范围内波动。失重对植物生长的影响在地球上生长的植物的根总是朝着重力作用的方向生长，称正向地性，而茎总是背着重力作用方向生长，称负向地性。这是由于植物内部有感觉重力的器官“平衡石”所致。细胞中的淀粉颗粒（可能还有高尔基氏体）就是一种“平衡石”。当植物种子处于横放位置发芽时，因受重力的影响，平衡石可以累积在根和茎细胞的最下部，刺激生长素从一个细胞输送到另一个细胞。它对茎细胞的作用是使下部细胞扩大较快，使上部细胞扩大较慢，于是茎就逐渐向上弯曲。对根来说，则相反，根的下部细胞扩大较慢，而上部细胞扩大较快，于是根就向下弯曲。当植物处于失重时，平衡石在细胞内处于均匀分布状态。如果在生物卫星中把植物种子的胚芽朝上下左右不同方向放置，则根、茎生长方向很不规则，长出的根长度差别也大（1～20毫米）。大部分植物在失重时，生长和发育过程加快，可增加产量，有一些作物则发育很慢。航天过程中，可以看到所有的小球藻生存率明显地低于对照组。对小球藻的影响除失重这一因素外，可能还与其他因素如温度、的作用有关系。可以认为，短期飞行，对小球藻细胞没有多大影响，但当飞行持续时间较长（如22天）或者作地球-月球-地球飞行，空间因素对小球藻的细胞发育是有影响的。失重对小麦苗正常生长影响很小，但发射时的震动可以使麦苗出现畸形。失重对遗传的影响失重对细胞分裂和突变没有直接的影响。至于失重对微生物亚细胞结构的影响到目前为止还不清楚美国产  空间生命科学的一种叫底的（Fundulushote-roclitns）小鱼的卵，在失重时，孵化速度比通常慢些，在宇宙空间孵出的小鱼没有发现空间定向的破坏。失重时，果蝇雌性配子里不论是高或低的突变品系的隐性致死性突变发生频率比地面对照组有显著增加，同时低突变品系的果蝇精子细胞里的突变比高突变品系的果蝇精子要多。此外，航天中的早期和后期的雌果蝇幼虫的染色体隐性突变的频率也明显增加。还发现处于幼虫阶段的果蝇，航天后在Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ染色体之间易位有明显增加。寄生蜂在航天后也出现了明显的隐性致死性突变频率增加。航天后，小白鼠的骨髓和脾细胞染色体重新组合的次数明显增加，这种变化持续较长时间。小白鼠在飞行后细胞染色体重新组合的频率增加。小麦和豌豆在航天后染色体重新组合的频率也增加，小根的细胞染色体突变谱发生了变化。染色体的重新组合频率增加与航天时间长短的关系并不明显。失重能使紫鸭跖草的微形孢子出现畸形有丝分裂和细胞生长过程的破坏。正常的植物小根分生细胞大部分中期细胞核具有1～8个核仁，多数为4个，只有一个核仁的细胞为数不多，占0.39%，然而处于失重状态下的植物中期细胞核含有1～5个核仁，多数为3个，具有一个核仁的细胞数占5.62%。这说明失重促进核仁集聚形成染色体。代谢的变化失重下的大白鼠气体代谢明显低下。失重后再适应的第一天，水负荷没有什么变化。但在失重状态下的动物水负荷实验后，随着尿排出的Na（比处于人工重力条件下的和地面对照的动物排出的要多。在再适应的第二天给动物K（负荷，K（排出比处于人工重力条件下的要多，也比地面对照组多。大白鼠肾单位功能没有任何变化，电解质代谢的变化是机体代谢总变化的结果，首先是肌肉系统代谢的结果。狗经22天失重飞行，体重减轻，血清中总蛋白质量降低，白蛋白相对降低，血中胆固醇量增加。航行后返回地面5～7天内，大白鼠的肾上腺比对照组重量增加。肾上腺皮质酮浓度比对照组高，肾上腺皮 
  空间生命科学层束状带细胞核容积增大，脂肪减少，这种变化是返回和着陆后急性应激反应的结果。此外，还发现改变儿茶酚胺合成速度的酶的活性比对照组高。失重初期，狗的心率有短时的加快（约加快30～40次/分）。这与进入失重前加速度作用有关，以后逐渐下降，但心率恢复到原来水平的时间相当于地面时的3倍。对心率进行最大及最小参数比例的差异分析，可以看到失重时有的动物交感神经占优势，有的副交感神经占优势。血压在失重初期也升高约10～60毫米汞柱，以后逐渐下降。失重初期，心电图可出现R波和P波幅度增高，这可能与动物体位改变有关，以后随着副交感神经作用增强，R波和P波幅度也下降。在失重时，心脏的兴奋性和传导性功能没有非常重要的变化。还可看到经19.5天失重，心肌球蛋白、三磷酸腺苷酶的活性降低。肌浆蛋白的含量增加。血液和淋巴系统的变化绕地球作轨道飞行时，大白鼠的红细胞数减少，骨髓里有两种巨核细胞：一种是正常型的巨核细胞，具有多液的结构，清楚的核和颗粒性细胞浆；另一种是萎缩性的细胞核和嗜酸性无结构的细胞浆。航天后5～11小时，不正常的巨核细胞数增加到总数的27%，而对照组不超过6%，经过25天，不正常的巨核细胞数接近正常。在自发性红细胞溶解速度方面，对照组平均血流速度每天为0.38%，而经19.5天航天后，则为每天1.1%。红细胞寿命对照组平均为62.4天，而失重组为59天。经22天航天，狗和大白鼠的中性白细胞增多，淋巴球和嗜伊红白细胞减少。飞行后，大白鼠经2～3天，白细胞数恢复正常，而狗经30天还未完全恢复。大白鼠经19.5天航天后，在淋巴系统可以见到两种变化：第一种是胸腺和淋巴结里淋巴球破坏和脾脏出现嗜中性浸润现象；第二种是淋巴小囊萎缩，胸腺和淋巴结的皮层缩小。处于失重状态下的动物，咽腔里存在变型杆菌和在血清里免疫球蛋白的水平降低，说明机体预防疾病能力有某些变弱。肌肉和骨骼系统变化大白鼠经22天失重飞行，蝶状肌、腓肠肌、大腿四头肌、肩二头肌等重量都减轻，肌纤维变薄，细胞核增多，电子显微镜检查线粒体有变化，神经肌肉末稍也有变化。失重后第2天，后腿部肌肉组织的O2摄入量（ΔO2）和无机磷吸收量（ΔP）都较对照组和模拟舱组明显下降（下降40～50%），P/O2之比保持不变。失重后第26天，ΔO2和ΔP与对照组和模拟舱组比较，没有什么异常。以上结果说明失重时会引起肌肉细胞能量下降，但返回地面后过一段时间就可以恢复正常。由于失重所产生的功能负荷不足还表现在骨骼的变化上。失重时，大白鼠的大腿骨骨膜组成降低，海绵状部分变松软。在接近软骨极区的松质面积减少，骨组织矿物质形成减慢，钙代谢加强，骨硬度降低，机械强度下降30%。失重时，钙、磷、氮等物质排出量增加，人体氮的损失每天可达4.5克，六个月的失重可损失身体全部钙量的2%。猫在失重时姿势反射消失。大白鼠在失重时从空中掉下来不会翻转。失重初期，动物不能正常行走和维持姿势。失重时，测量蛙的第八脑神经单个纤维电位变化，发现神经冲动的发放呈周期性。在失重的头24小时，神经冲动的发放率明显减少，以后又突然增加，如此反复，直至渐趋正常。没有疑问，失重时前庭器官在活动性方面是有变化的，但经过100小时以后，可以慢慢地调节到正常状态。
地外生物学
研究地球以外天体上生命的生存、分布及其特征的学科。是空间生命科学的一个分支。地外生物学的研究涉及的领域很广，如天文学、生物学、空间物理学、空间化学和生物化学等。目前，地外生物学的研究主要限于地外有无生命的探索，随着空间科学技术的发展，对地外生命的探索，已由设想、推论而进入直接的观察实验阶段。
对地外有无生命，存在两种不同的观点：一种认为，生命的发生纯属偶然现象，在第二颗行星上重演的可能性极小；另一种认为，宇宙中可以有生命，但对生命的发生和组成有争论。如瑞典的阿亨尼斯（G.O.S.Arrhenius）认为生命及其胚胎能从一个天体迁移到另一个天体，当它落到适合于生长的天体时，就继续生长，并成为该天体所有生物的祖先。但另一些人则认为，生命是通过演化而产生，如苏联的奥巴林（А．Ч．Опарин）认为，生命的产生是一个演化过程，在具备生命起源的条件时，生命可以重新发生。对生命的组成成分有人认为不是碳，而是硅或锗，其溶剂不是水而是乙二醇。也有人认为，生命的概念和有无生命的标准应该是以地球上活的生物的概念为标准，所有生物都是由碳氢化合物构成，以蛋白质的形式存在，以核酸作为遗传的物质基础。目前在地外生命的探索中，大多是以此为依据。生命的起源和演化及其存在的条件地球上的生命是从无机物演化来的。当原始大气成分，如水蒸气、二氧化碳、氢、氨、甲烷等无机物，在外界光、热、电等因素作用下，合成简单的有机小分子（如单糖、氨基酸、核苷酸），有机小分子逐步组合成为生物大分子（如蛋白质、核酸、多糖）。这个过程发生在约40亿年前。人们发现在32亿年前的岩石中有古代细菌和蓝藻的化石。也就是说，在那时已存在原始生物。原始生物再经过漫长的岁月，逐渐由低级到高级，由简单到复杂，产生出各种微生物、植物和动物。从地球上生命的起源和演化过程看，生命存在的必要条件是：①生物大分子的存在。②要有供生命生长、繁殖所必需的营养物质的存在。③必要的大气成分。大气不仅是生物体新陈代谢过程中氧的提供者，而且大气覆盖天体表面，也可以保护生命免受宇宙线、紫外线和陨石等的损害，防止水分逸失。④要有合适的温度。⑤要有代谢过程中不可缺少的物质──水的存在。⑥必要的时间。因为生命的发生和进化，都需要有漫长的时间。地外生命的探索要确认天体上有无生命，应该直接观察某一天体上有无生命物质或者生命体的残骸。但在行星际航行实现以前，主要是通过研究行星表面化学的和物理的条件，以此同生命所必需的条件相比较，间接推论生命存在的可能性。通过对陨石的分析研究发现，陨石中含有多种不同的氨基酸。经化学家研究表明，碳氢化合物及其衍生物在自然界中可以通过无机化合物的方式产生，也就是说，这样合成的氨基酸是属于非生物源性的。非生物源性氨基酸的特点是具有相等的L型和D型结构。而地球上生物源性氨基酸都是L型结构。目前，在陨石中发现的氨基酸种类中，有些是在地球上活细胞中见到过的，例如1969年9月陨落于澳大利亚的陨石中含有18种氨基酸，其中有8～10种在地球上的活细胞中见到过。它们作为生物前分子的可能性是存在的。对火星、木星、土星的探测　根据天文学知识，在太阳系中，只有火星在某些方面同地球相似。如火星的两极与地球一样有极冠,冬季增大，夏季缩小或消失；火星上也有四季和昼夜的变化，表面有随季节而变化的色斑；火星的表面温度也较接近生命生存的适宜范围。因此，人们差不多有一世纪之久猜测火星上可能有生命。从20世纪60年代开始，美国、苏联分别发射了“水手”号、“火星”号等火星探测器，对火星的大气成分、地表温度等环境进行了多方面的探测。探测结果表明，火星的极冠是由冰组成的，火星上有沙漠，火星表面经常扬起巨大的尘暴，火星表面的色斑变化就是尘埃移动的结果，并不是植物。1975年，美国发射了两个“海盗”号探测器，以考察火星上是否存在低级生命形式。在该探测器上进行了3种探测火星土壤微生物的实验。实验发现，火星土壤释放出氧和二氧化碳等气体，科学家认为这种气体是非生物源性的，可能是某种化学反应的结果。到目前为止，还没有在火星上找到生命存在的证据。
“旅行者”号对木星、土星及其卫星的探测，发现在它们的大气层中都有化学演化的某些迹象，尤其在“土卫六”的大气层中发现了丰富的、各种各样的有机分子，认为这个星体提供了一个特别有意义的自然实验室。大量的地面模拟试验表明，自然界可以有很多提供能量的手段，使无机分子转变为不同的有机物。宇宙空间产生有机物质和原始生命的机会比我们原来想象的要大得多，而且，即使太阳系的其他天体上都不存在生命，也不表明宇宙间不存在生命。因为银河系中有亿万颗行星具有孕育生命的条件，还有其他行星上生命存在的形式和特征由于环境的不同，其结构、功能和反应等都可能不同。因此，很难假定在其他行星上生存的生物类型会同地球上的生物完全一样。由于生物进化过程中外界环境的影响，差别也可能更大。地外信息的监测在20世纪60年代，美国提出奥斯莫计划，对来自宇宙空间的无线电信号进行监测，不过没有获得任何结果。70年代，美国国家航空和航天局又提出一个塞提计划（SETI，地外智力的探测），对地球邻近的一些星体进行探索，并监测来自外层空间的无线电信号、红外信号和光信号。监测正在进行中，还没有获得结果。
前景展望
随着空间科学技术的发展，除继续对太阳系进行探测外，也对太阳系以外的空间进行探测。空间生命科学作为一门新学科已经形成。在空间环境因素的生物效应方面，已经进行了多方面的试验研究，取得了丰富的实验资料，从而使人类开始认识到像重力场等因素对生命演化和生理活动的意义，并且利用这些知识保证了载人航天的成功，显示了这一新兴学科的生命力。
但是，由于这一新兴学科的发展只有20多年的历史，所以目前尚处于雏形阶段，很多问题有待进一步研究解决。在可以预见的将来，航天飞机和大型航天站的使用，会给空间生命科学的研究提供更为优越的条件。估计长期失重的生物效应仍将是这门学科的中心内容，研究工作将在微观的细胞分子水平和宏观的整体综合水平上深入下去。此外，由于长期航天的需要，宇宙辐射的累积效应也将得到进一步的研究。对生命起源和地外生命的探索是当代自然科学研究最有吸引力的课题之一，空间生命科学将对这一课题作出应有的贡献。