空間生命科學基本概述
空間生命科學人類要想在宇宙空間中長期生存，對宇宙空間進行開發，就需要研究解決一系列空間生命課題。如失重、真空、宇宙輻射、高溫（或低溫）等宇宙環境因素對生命過程的影響。30多年來的探測、研究表明，失重對生物系統的作用機理主要表現為生理適應反應，失重在生命過程的不同水平上產生不同的影響。宇宙輻射對生物機體有很大影響，必須通過各種實驗測出不同類型宇宙輻射的生物學效應。生物的種類、機能狀態、組織、部位和細胞種類和分裂周期狀態等對輻射有不同的效應。高真空和極端溫度對空間生命的生存有直接作用，是空間生物學研究的主要對象。人在宇宙空間長期活動造成的生理變化也是生命科學研究的重要課題。
利用空間飛行器來探索研究地外生命和探尋地外文明，是令人們感興趣、也是空間生命科學的重要課題。經過對行星的探查，特別是對火星的重點探查，尚未發現宇宙空間存在生命跡象。但對地外生命和地外文明的探索將繼續下去。
研究歷史
空間生命科學從60年代初第一艘載人飛船上天，到60年代末，是生物衛星和載人飛船的研究階段。載人航天的實現，使空間生命科學的研究從理論性探討進入實踐階段。為了保證人在空間的生命安全，進行了廣泛的生命科學研究，促進了空間醫學、空間生理學、空間心理學和空間醫學工程學的發展。為了更深入地了解空間環境中的生命現象，除載人飛船實驗外，美、蘇都進行了生物衛星實驗。這一階段的主要成就是：①表明人在必要的防護下，不僅能在空間健康地生存，而且還能有效地工作；②初步研究了失重對生物體功能的影響，描述了人體在失重狀態下的生理反應及其表現形式。
從70年代初開始進入了空間站和行星探測階段，這一階段主要特點是長期載人空間站的出現,如美國的“天空實驗室”、蘇聯的“禮炮號”和歐洲的“空間實驗室”，以及配置有自動生物學實驗室的行星際探測器（如美國的“海盜”號、“旅行者”號，蘇聯的“金星”號、“土星”號和“太陽神”號）。空間站的出現給空間生命科學提出了新的研究課題，如長期航天，特別是長期失重對人體的影響和宇宙線重粒子的累積作用；在長期航天過程中，如何保證航天員的身體健康、工作效率和心理穩定等。自動生物學實驗室對太陽系行星進行的探查，使地外生命的研究進入了實測階段。
空間環境生物學
空間失重狀態研究宇宙空間環境中各種因素影響生物體功能的一般規律性的學科。重力生物學和等已從空間環境生物學中分化出去，成為獨立的分支學科。空間環境生物學的主要內容包括宇宙輻射生物效應、高（低）溫生物效應、真空生物效應、應激、複合效應等。宇宙空間主要有兩種輻射，即粒子輻射和太陽電磁輻射。通常又將輻射粒子分成輕核和重核。輕核包括氫原子核（質子）和氦原子核(粒子)，重核指原子序數大於2的元素的原子核。和中的粒子，大部分屬於輕核，重核的數量較少。
重核對生物體的損害極大，可使生物體產生不可逆的病變,因此,重粒子的生物效應成為宇宙輻射生物學研究的重點。宇宙輻射生物效應的大小與傳能線密度（LET:指粒子在單位長度徑跡上所消耗的平均能量，單位是千電子伏／微米）值密切相關，一般說，傳能線密度值越大，生物效應也越大。根據細胞學的研究，重粒子所產生的生物效應不僅比輕核大，而且對生物組織的損害在性質上也不同。當照射劑量足夠大時，氦粒子主要影響增生迅速的組織，如骨髓、上皮組織和生殖器官組織等,但受影響的組織有時還能維持其功能;而重粒子對於非增生性組織，即使是極低的劑量也可產生特殊的生物效應。重粒子生物效應的顯著特點是，當它擊中細胞的適當部位，其能量並非均勻地分布於被作用的微細結構，而是更多地作用於組織深部，並集中於其所經過的徑跡。正因為如此，所以它的危害程度很大。
空間生命科簡單生物對高、低溫的反應的一般特點是：①在一次相對高的溫度作用後微生物仍能生長，但重複多次相同的高溫作用，會引起微生物的死亡；②溫度很低能夠抑制微生物的繁殖，但如結合細胞脫水，則可延長其生存；③溫度緩慢下降時，某些細菌會在－5℃下生長，如快速從30℃下降至0℃，則會引起一些細菌的死亡；④低溫下細胞乾燥，不會使整個細胞群完全死亡，其死亡率隨細胞種類不同而不同；⑤微生物因溫度變化引起周期性發展的復甦狀態，對其隨後的代謝能力、生長以及繁殖沒有影響。
除以上一般反應外,低溫(－75～－273℃)有以下特殊生物效應：①不少細菌、酵母菌、黴菌、藻類、原蟲、蠕蟲、昆蟲和人類的精子，以及部分高等植物的種子，能夠經受－190℃低溫的作用；②一些細菌在接近絕對零度(－273℃)的條件下，仍能生存,顯示它們對極端溫度環境的特別穩定性；③地球上的微生物在很低溫度的宇宙空間或行星上沒有死亡的事實表明，宇宙間的低溫沒有殺菌作用；④企鵝和北極熊等動物所以能在－20～－50℃的環境中生活，是因為這些恆溫動物即使在上述環境中仍能產生大量熱量，保持其生長和繁殖等生理功能的正常進行。
高溫也有其特殊生物效應。生物對高溫的耐受力差異很大。生活在南極地帶2℃水中的魚，會在6℃水中死亡；大多數無芽胞的細菌將在60℃條件下10分鐘內失去生命力，而帶有芽胞的細菌在乾燥消毒時,通常在150～160℃下尚能承受30分鐘,在120℃下高壓消毒1小時便會死亡。一般來說，溫度愈高，細胞死亡愈快；細胞所含水分愈少或愈能經受乾燥的不良條件，則愈能耐受高溫。微生物對高溫的抵抗力受許多因素的影響。這些因素包括：細胞總數、細胞發育階段、培養基成分、細胞含水量及靜水壓等等。低溫和高溫的上述效應對行星的檢疫、飛船的消毒均具有一定的指導意義。
載人飛船由地面起飛，進入軌道運行，到最後返回地面,經歷不同的溫度環境。在發射段和返回段,飛船外殼受到氣動力加熱，可達數千度，艙內溫度也相應升高。當飛船進入軌道後，處於真空環境，周圍溫度相當於4K，飛船外殼向空間輻射散熱，溫度逐漸下降。此時存在著太陽輻射、地球對太陽的反照和地球本身的紅外輻射，這些都給飛船加熱，其中起決定作用的為太陽輻射。此外，艙內人員的代謝產熱，以及儀表設備的散熱，都會影響飛船座艙溫度。人體通常感到舒適的溫度為16.6～24℃，當環境溫度變化在9.5～36℃的情況下,依靠調節機制，仍能保持體溫正常。人體對高溫的耐受時間，取決於暴露的溫度強度、著裝條件以及身體活動程度。由於生理耐受限度和身體積熱程度密切相關,實驗表明，達到耐受限度的熱蓄積值為84卡／米。
空間重力生物學
空間細胞結構在適應地球重力場過程中發展起來的骨骼肌肉系統、心血管系統、尤其是中樞神經系統和大腦功能受到嚴重而持久的影響。研究生物進入宇宙空間後，重力因素(主要是失重)對生物影響的學科。自從有生命以來，生物一直生活在地球表面引力環境中。在實現了人造衛星繞地球作軌道飛行後,才遇到較長時間的失重問題繞地球作軌道飛行引起失重是因為物體加速到第一宇宙速度(7.9公里/秒)時，所產生的慣性離心力與地球引力大小相等，方向相反，互相抵消，物體就失去重量，處於失重狀態。實際上，由於慣性離心力與地球引力不能完全相等，因此嚴格地說，生物是處於微重力狀態,即在零到千分之幾G的範圍內波動。
失重對植物生長的影響
在地球上生長的植物的根總是朝著重力作用的方向生長，稱正向地性，而莖總是背著重力作用方向生長，稱負向地性。這是由於植物內部有感覺重力的器官“平衡石”所致。細胞中的澱粉顆粒（可能還有高爾基氏體）就是一種“平衡石”。當植物種子處於橫放位置發芽時，因受重力的影響，平衡石可以累積在根和莖細胞的最下部，刺激生長素從一個細胞輸送到另一個細胞。它對莖細胞的作用是使下部細胞擴大較快，使上部細胞擴大較慢，於是莖就逐漸向上彎曲。對根來說，則相反，根的下部細胞擴大較慢，而上部細胞擴大較快，於是根就向下彎曲。當植物處於失重時，平衡石在細胞內處於均勻分布狀態。如果在生物衛星中把植物種子的胚芽朝上下左右不同方向放置，則根、莖生長方向很不規則,長出的根長度差別也大（1～20毫米）。大部分植物在失重時，生長和發育過程加快，可增加產量，有一些作物則發育很慢。航天過程中，可以看到所有的小球藻生存率明顯地低於對照組。對小球藻的影響除失重這一因素外，可能還與其他因素如溫度、的作用有關係。可以認為，短期飛行，對小球藻細胞沒有多大影響，但當飛行持續時間較長（如22天）或者作地球-月球-地球飛行，空間因素對小球藻的細胞發育是有影響的。失重對小麥苗正常生長影響很小，但發射時的震動可以使麥苗出現畸形。
失重對遺傳的影響
失重對細胞分裂和突變沒有直接的影響。至於失重對微生物亞細胞結構的影響到目前為止還不清楚美國產的一種叫底的(Fundulushote-roclitns)小魚的卵，在失重時，孵化速度比通常慢些，在宇宙空間孵出的小魚沒有發現空間定向的破壞。失重時，果蠅雌性配子裡不論是高或低的突變品系的隱性致死性突變發生頻率比地面對照組有顯著增加，同時低突變品系的果蠅精子細胞里的突變比高突變品系的果蠅精子要多。此外，航天中的早期和後期的雌果蠅幼蟲的染色體隱性突變的頻率也明顯增加。還發現處於幼蟲階段的果蠅，航天后在Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ染色體之間易位有明顯增加。寄生蜂在航天后也出現了明顯的隱性致死性突變頻率增加。航天后，小白鼠的骨髓和脾細胞染色體重新組合的次數明顯增加，這種變化持續較長時間。小白鼠在飛行後細胞染色體重新組合的頻率增加。小麥和豌豆在航天后染色體重新組合的頻率也增加，小根的細胞染色體突變譜發生了變化。染色體的重新組合頻率增加與航天時間長短的關係並不明顯。失重能使紫鴨跖草的微形孢子出現畸形有絲分裂和細胞生長過程的破壞。正常的植物小根分生細胞大部分中期細胞核具有1～8個核仁，多數為4個，只有一個核仁的細胞為數不多,占0.39％，然而處於失重狀態下的植物中期細胞核含有1～5個核仁，多數為3個,具有一個核仁的細胞數占5.62％。這說明失重促進核仁集聚形成染色體。
空間生命科學失重下的大白鼠氣體代謝明顯低下。失重後再適應的第一天，水負荷沒有什麼變化。但在失重狀態下的動物水負荷實驗後,隨著尿排出的Na(比處於人工重力條件下的和地面對照的動物排出的要多。在再適應的第二天給動物K(負荷,K(排出比處於人工重力條件下的要多，也比地面對照組多。大白鼠腎單位功能沒有任何變化，電解質代謝的變化是機體代謝總變化的結果，首先是肌肉系統代謝的結果。狗經22天失重飛行，體重減輕，血清中總蛋白質量降低，白蛋白相對降低，血中膽固醇量增加。
航行後返回地面5～7天內，大白鼠的腎上腺比對照組重量增加。腎上腺皮質酮濃度比對照組高，腎上腺皮層束狀帶細胞核容積增大，脂肪減少，這種變化是返回和著陸後急性應激反應的結果。此外，還發現改變兒茶酚胺合成速度的酶的活性比對照組高。
失重初期，狗的心率有短時的加快（約加快30～40次／分）。這與進入失重前加速度作用有關，以後逐漸下降，但心率恢復到原來水平的時間相當於地面時的3倍。對心率進行最大及最小參數比例的差異分析，可以看到失重時有的動物交感神經占優勢，有的副交感神經占優勢。血壓在失重初期也升高約10～60毫米汞柱，以後逐漸下降。失重初期，心電圖可出現R波和P波幅度增高，這可能與動物體位改變有關，以後隨著副交感神經作用增強，R波和P波幅度也下降。在失重時，心臟的興奮性和傳導性功能沒有非常重要的變化。還可看到經19.5天失重，心肌球蛋白、三磷酸腺苷酶的活性降低。肌漿蛋白的含量增加。
血液和淋巴系統的變化
繞地球作軌道飛行時，大白鼠的紅細胞數減少，骨髓里有兩種巨核細胞：一種是正常型的巨核細胞，具有多液的結構，清楚的核和顆粒性細胞漿；另一種是萎縮性的細胞核和嗜酸性無結構的細胞漿。航天后5～11小時,不正常的巨核細胞數增加到總數的27％，而對照組不超過6％，經過25天,不正常的巨核細胞數接近正常。在自發性紅細胞溶解速度方面，對照組平均血流速度每天為0.38％，而經19.5天航天后，則為每天1.1％。紅細胞壽命對照組平均為62.4天，而失重組為59天。經22天航天，狗和大白鼠的中性白細胞增多，淋巴球和嗜伊紅白細胞減少。飛行後，大白鼠經2～3天，白細胞數恢復正常，而狗經30天還未完全恢復。大白鼠經19.5天航天后，在淋巴系統可以見到兩種變化：第一種是胸腺和淋巴結里淋巴球破壞和脾臟出現嗜中性浸潤現象；第二種是淋巴小囊萎縮，胸腺和淋巴結的皮層縮小。處於失重狀態下的動物，咽腔里存在變型桿菌和在血清里免疫球蛋白的水平降低，說明機體預防疾病能力有某些變弱。
肌肉和骨骼系統變化
大白鼠經22天失重飛行，蝶狀肌、腓腸肌、大腿四頭肌、肩二頭肌等重量都減輕，肌纖維變薄，細胞核增多，電子顯微鏡檢查線粒體有變化，神經肌肉末稍也有變化。失重後第2天,後腿部肌肉組織的O2攝入量(ΔO2)和無機磷吸收量(ΔP)都較對照組和模擬艙組明顯下降（下降40～50％），P/O2之比保持不變。失重後第26天,ΔO2和ΔP與對照組和模擬艙組比較，沒有什麼異常。以上結果說明失重時會引起肌肉細胞能量下降，但返回地面後過一段時間就可以恢復正常。由於失重所產生的功能負荷不足還表現在骨骼的變化上。失重時，大白鼠的大腿骨骨膜組成降低，海綿狀部分變鬆軟。在接近軟骨極區的松質面積減少，骨組織礦物質形成減慢，鈣代謝加強，骨硬度降低,機械強度下降30％。失重時，鈣、磷、氮等物質排出量增加，人體氮的損失每天可達4.5克，六個月的失重可損失身體全部鈣量的2％。貓在失重時姿勢反射消失。大白鼠在失重時從空中掉下來不會翻轉。失重初期，動物不能正常行走和維持姿勢。失重時，測量蛙的第八腦神經單個纖維電位變化，發現神經衝動的發放呈周期性。在失重的頭24小時，神經衝動的發放率明顯減少，以後又突然增加，如此反覆，直至漸趨正常。沒有疑問，失重時前庭器官在活動性方面是有變化的，但經過100小時以後，可以慢慢地調節到正常狀態。
地外生物學
空間生命科學對地外有無生命，存在兩種不同的觀點：一種認為，生命的發生純屬偶然現象，在第二顆行星上重演的可能性極小;另一種認為，宇宙中可以有生命，但對生命的發生和組成有爭論。如瑞典的阿亨尼斯(G.O.S.Arrhenius)認為生命及其胚胎能從一個天體遷移到另一個天體，當它落到適合於生長的天體時，就繼續生長，並成為該天體所有生物的祖先。但另一些人則認為，生命是通過演化而產生，如蘇聯的奧巴林（А．Ч．Опарин）認為,生命的產生是一個演化過程,在具備生命起源的條件時,生命可以重新發生。對生命的組成成分有人認為不是碳，而是矽或鍺,其溶劑不是水而是乙二醇。也有人認為,生命的概念和有無生命的標準應該是以地球上活的生物的概念為標準，所有生物都是由碳氫化合物構成，以蛋白質的形式存在，以核酸作為遺傳的物質基礎。目前在地外生命的探索中，大多是以此為依據。
生命的起源和演化及其存在的條件
地球上的生命是從無機物演化來的。當原始大氣成分，如水蒸氣、二氧化碳、氫、氨、甲烷等無機物，在外界光、熱、電等因素作用下，合成簡單的有機小分子（如單糖、胺基酸、核苷酸），有機小分子逐步組合成為生物大分子（如蛋白質、核酸、多糖）。這個過程發生在約40億年前。人們發現在32億年前的岩石中有古代細菌和藍藻的化石。也就是說，在那時已存在原始生物。原始生物再經過漫長的歲月，逐漸由低級到高級，由簡單到複雜，產生出各種微生物、植物和動物。
從地球上生命的起源和演化過程看，生命存在的必要條件是：①生物大分子的存在。②要有供生命生長、繁殖所必需的營養物質的存在。③必要的大氣成分。大氣不僅是生物體新陳代謝過程中氧的提供者，而且大氣覆蓋天體表面，也可以保護生命免受宇宙線、紫外線和隕石等的損害，防止水分逸失。④要有合適的溫度。⑤要有代謝過程中不可缺少的物質──水的存在。⑥必要的時間。因為生命的發生和進化，都需要有漫長的時間。
地外生命的探索
要確認天體上有無生命，應該直接觀察某一天體上有無生命物質或者生命體的殘骸。但在行星際航行實現以前，主要是通過研究行星表面化學的和物理的條件，以此同生命所必需的條件相比較，間接推論生命存在的可能性。通過對隕石的分析研究發現，隕石中含有多種不同的胺基酸。經化學家研究表明，碳氫化合物及其衍生物在自然界中可以通過無機化合物的方式產生，也就是說，這樣合成的胺基酸是屬於非生物源性的。非生物源性胺基酸的特點是具有相等的L型和D型結構。而地球上生物源性胺基酸都是L型結構。目前,在隕石中發現的胺基酸種類中，有些是在地球上活細胞中見到過的，例如1969年9月隕落於澳大利亞的隕石中含有18種胺基酸,其中有8～10種在地球上的活細胞中見到過。它們作為生物前分子的可能性是存在的。
空間生命科學“旅行者”號對木星、土星及其衛星的探測,發現在它們的大氣層中都有化學演化的某些跡象，尤其在“土衛六”的大氣層中發現了豐富的、各種各樣的有機分子，認為這個星體提供了一個特別有意義的自然實驗室。大量的地面模擬試驗表明，自然界可以有很多提供能量的手段，使無機分子轉變為不同的有機物。宇宙空間產生有機物質和原始生命的機會比我們原來想像的要大得多，而且，即使太陽系的其他天體上都不存在生命，也不表明宇宙間不存在生命。因為銀河系中有億萬顆行星具有孕育生命的條件，還有其他行星上生命存在的形式和特徵由於環境的不同，其結構、功能和反應等都可能不同。因此，很難假定在其他行星上生存的生物類型會同地球上的生物完全一樣。由於生物進化過程中外界環境的影響，差別也可能更大。
地外信息的監測
在20世紀60年代，美國提出奧斯莫計畫，對來自宇宙空間的無線電信號進行監測，不過沒有獲得任何結果。70年代，美國國家航空和航天局又提出一個塞提計畫（SETI，地外智力的探測），對地球鄰近的一些星體進行探索，並監測來自外層空間的無線電信號、紅外信號和光信號。監測正在進行中，還沒有獲得結果。
前景展望
空間生命科學但是，由於這一新興學科的發展只有20多年的歷史，所以目前尚處於雛形階段，很多問題有待進一步研究解決。在可以預見的將來，太空梭和大型航天站的使用，會給空間生命科學的研究提供更為優越的條件。估計長期失重的生物效應仍將是這門學科的中心內容，研究工作將在微觀的細胞分子水平和巨觀的整體綜合水平上深入下去。此外，由於長期航天的需要，宇宙輻射的累積效應也將得到進一步的研究。 對生命起源和地外生命的探索是當代自然科學研究最有吸引力的課題之一，空間生命科學將對這一課題作出應有的貢獻。
