概要：

NASA空间基础生物学计划（以下简称“FSB 计划”）一直以来引领着世界关于重力对生命的作用与影响方面的认识。该项目在科学和技术上都取得了进步，它对人类探索做出了直接贡献。利用21世纪新的生物科技，FSB项目可以率先将新的发现应用于地球上的发展和探索。

FSB计划有三个主要目标：1)有效利用微重力和空间环境的其他特征增加人们对基本生物进程的理解；2)探索人类在太空生存更长时间的科技基础并为之做好准备；3) 应用这些知识和技术来提高美国的国际竞争力、教育水平和生活质量。

FSB将通过三个要素达到以上目标：1）细胞和分子生物学、微生物学——研究重力和空间环境对细胞、微生物和分子过程的作用；2）有机和比较生物学——研究和比较生物有机体及其系统的反应；3）发育生物学——研究空间飞行如何影响多细胞生物体的繁殖、成长、成熟和老化。

FSB研究计划规划了近十年间应实施的科学活动及实施路径。以下为该计划的内容、方向和目标。

FSB计划的目标：

1)   谋求美国在空间生物学的领先地位，包括细胞和分子生物学、微生物学、植物和动物生物学、发育生物学等领域；

2)   探求空间影响生命系统的基础知识并尽可能达成对地球生命有益的转化；

3)   探索促进人类发展的基础知识；

4)   最大限度地利用国际空间站及其他地面和飞行平台；

5)   利用现有技术/硬件技术促进科学技术的发展；

6)   在设定方向和目标时扩大社会民众参与度。

与重力相关的当前和未来的研究平台:

地面实验：研究中将模拟飞行环境，包括模拟超重和失重状态；

飞行试验：将使用最合适的和具有成本效益的平台去获得科学成果——国际空间站、自由飞行器、亚轨道飞行器。

FSB的研究目标:

1)   为下一个十年重建美国空间生物学用户群；

2)   发挥国际空间站在动物和植物生物学方面的科研功能；

3)   尽可能通过先进的自动化技术提升研究能力和分析能力。

 

 

第一章    项目简介

在长达约38亿年的时间里，微生物、植物和动物在地球上生存并慢慢进化，生命所处的物理环境具有一致性，处在地心引力的作用下并部分屏蔽了磁场和外太空的辐射。在过去的50多年里,空间生物学家已经能够识别并区分宇宙飞行对生命系统的诸多影响，从细胞、组织、系统层面到整个有机体等层面。我们已知晓很多关于生命如何应对太空飞行和空间环境的挑战,但生命体用以感知和应对这些挑战的机制很多仍然未知。

    空间生物学是什么?宇宙中地球是我们已知的唯一存在生命的星球。每一个已知的生物都受到地球引力、大气和辐射的共同影响。带着探求新发现、新发展和新应用的使命，太空探索可以通过不同的方式来完成，例如人类在宇宙飞船上进行实验或利用机器人来完成实验。FSB计划研究如何最有效地将人类空间探索的成果应用于实际生活。

要将人送到太空需要一个足以在出发地、目的地乃至在国际空间站外的太空中维持生命的人造环境。这需要充分了解人类对所能提供的人造环境的适应能力和限制。为实现在国际空间站外的太空居住或太空殖民需要进行远距离探索，为进行远距离探索我们需要更多地了解太空的生态环境和允许人类高效工作和成长的科学技术。为提高人类健康和安全,我们运送其他生物到太空中,通过研究它们的适应能力,来了解人类生活在微重力或其他重力水平环境的能力。人类携带着动植物在封闭的空间环境中形成新的生态系统。

这些挑战均在空间生物学研究范围内，并且我们发现人类、植物和动物在微重力或其他重力水平下会经历诸多变化。许多生物的基因代码仅在离开地球环境时才能被观察到，我们已经通过该类基因得到了生物体的一些发现。

空间基础生物学计划(FSBP)是从NASA 1960年的生命科学项目延伸而来。最初称为空间生物学,该项目在1996年从NASA总部转移到NASA埃姆斯研究中心(ARC)。在转移后的几年里，FSBP越来越注重用迅速发展的细胞和分子生物学回答空间环境对生命进程影响等基础问题。FSBP将研究太空飞行对微生物、植物和动物的影响，并侧重探究从超重到失重重力变化产生的影响。同时它也涵盖异变的辐射线、异变的磁场的生物学效应，以及在不同寻常的太空、宇宙飞船环境中物种之间的相互作用。

 

 

学科范围：

1．细胞、微生物和分子生物学

以细胞为基础的微重力科学在空间探索和地球应用方面服务于多个基础和应用研究领域。在微重力科学研究中使用细胞，具有质量小、能耗低、可复制、适应各种任务场景、人员要求少、可实时分析等优点。此外,有许多模拟设置可用于定义和细化飞行实验从而增加空间实验的成功概率。

对细胞中的基因表达变化的认识有助于我们理解组织、器官、系统及有机体的变化本质。这种方法可以应用于涵盖人类健康、基础生物学、生物医学的研究中。

了解细胞对微重力的反应可以揭示细胞功能的潜在机制，不仅可以提升我们的基础认知，而且将提供独特的生物技术与商业发展机会。

FSB在细胞、微生物、分子生物学的科研方向和选择的首要问题包括：

1)重力的改变如何影响以下方面：

a. 细胞和微生物复制，包括遗传和代谢调节；

b. 真核细胞生成和保持它们复杂的内部细胞结构的能力,包括细胞骨架、专门的膜结合细胞器和膜区域，它们均是细胞生长与形状调节不可或缺的部分；

c. 细胞间交互作用与通讯；

d. 微生物的生物膜形成和/或改变微生物致病性；

2)微重力可以用做研究和操纵细胞组织形态发生的工具吗？

3) 太空鼠伤寒沙门氏菌中发现的更强毒性是否在其他物种中存在？

4)有没有一个维持正常的细胞和微生物形状与功能的重力临界值，例如干细胞能否在超重或失重状态下维持多能性？

 

2.有机体生物学和比较生物学

有机体生物学和比较生物学科研方向和选择的首要问题包括：

1）生命体用以感知和响应重力影响的器官和系统是什么？它们是如何工作的？在重力连续的情况，例如从超重到失重状态下，他们能够正常发挥功能吗？

2）重力的变化如何影响动物的肌肉骨骼系统的调节机制和植物的木质素形成？

3）重力的变化是否影响生命的基本代谢率与新陈代谢系统？是否影响生命体的寿命？

4）生命体的正常防御系统是否会在部分或完全超重力状态下失效，例如哺乳动物的免疫系统在超重力环境下仍具有伤口愈合、骨折修复能力吗？

 

蓝图绘制，2016-2010

假设在过去的五年里能在国际空间站中开发出动物栖息地和一块植物生长地，动物和植物的研究无疑将在这5年中得到加强。科学家可以利用不断进步的生物技术和增加的转基因生物体，在分子水平上揭示动植物应对重力变换的机制。长时间对动物进行研究，例如3-6个月或更长时间，可以揭示其肌肉骨骼系统在微重力状态下随着时间推移产生的变化及长时间飞行对其免疫系统的影响。为了解微重力对植物的长期影响及揭示植物对未来生命支持系统的潜在用途和可靠性，也需要对植物进行几代的研究。可以合理预计，我们将继续与国际伙伴合作，在国际空间站和自由飞行器上进行研究。此外，先进技术不断发展将赋予微卫星越来越多的能力。

 

第二章 项目实施

简介

为完成本计划在第一章中提到的科学目标，NASA需要组织实施一个全面的地面和飞行研究项目。本章将描述这个项目的具体组成部分，以及NASA如何参与和提供支持以使世界级的科学研究在地面和空间顺利实施。本章重点描述FSB项目地面实验和微重力环境实验的专用设施。

 

地面和飞行研究设施:

大学和私营企业有数十亿美元投资于现代生物学研究实验室。理想状态下，FSB项目将提供独特的空间环境及地面设施来研究生命系统以完成它的目标。这些设施包括：

地面设施:

1)   旋转和线性加速设施：用以研究超重力和加速度对生命体的生理和行为影响；

2)   实验室：在发射前和着陆后研究生物在飞行实验中的发展和表现；

3)   模拟在轨环境温度和湿度的设施（可通过装备观察其温度与湿度）；

4)   任务操作设备：可监视和控制空间实验的操作装置；

5)   样本和数据库：在科研社区内共享的信息库；

6)   动物护理设施：在飞行实验中用来支持动物培养的设备。

飞行设施：

1) 通过国际空间站、微卫星和自由飞行器的飞行任务实现微重力环境；

2)   保持细胞、组织、小生物、啮齿目动物和植物在微重力条件下的生活环境（现有生活环境已在附件中描述）；

3)   用离心机提供极小重力以模拟月球和火星研究，并提供在轨1-g控制；

4)   样本取样与制剂配制设备，以在轨捕获细胞和组织，保存它们以备在轨分析；

5)   现场分析设备，从在轨生物样本分析获取科学数据以减少样本返回需求；

6)   样本保存和存储设备,包括各种化学固定剂、冰箱和冰柜,确保样本保存在适当条件下，可以返回地球继续研究。

 

科学和有效载荷运控：

在过去的50年,随着数以百计太空任务的成功执行，NASA在生物研究载荷方面已经具备了核心竞争力。这项技术至关重要，可以帮助科学家在具有挑战性的空间环境进行他们想开展的科学研究。帮助科学家们实现他们的科学目标是NASA的科学家和有效载荷运控人员的头号目标。为此他们帮助科学家开展以下工作:

1)合理安排并简化实验来提高实验在有限的时间、体力和有限负载能力下的可行性；

2)调整实验以适应现有系统，同时开发新系统支持科学研究;

3)提高实验安全性，保证实验人员及设备的安全;

4)将实验有效载荷集成入航天器或实验室；

5)监测在轨实验并为科学家提供实时数据和指令能力;

6)支持发射前和着陆后的地面操作。

技术开发

空间基础生物学研究依赖于先进技术并可以促进先进技术发展。近来生物技术的进步使科学家洞察到基因和蛋白质现象在推动生物系统发展的作用。在地面实验室分析遗传学和分子化学的工具和技术已相对常见,但在空间实验室进行此类研究尚在发展阶段。未来10年,FSB计划将努力探究生物技术多个领域的发展，以增强在空间研究生物技术的能力，力求解决空间探索的技术难题。历史已经证明，生物学研究的发现也可以推动技术发展。FSB实验已为生物医学研究团队提供了知识与生物医药方法，也为广大公众带来了福利(请参见本计划第三章“对地球的益处”以获取更多信息)。

 

第三章对地球的益处

NASA资助的空间基础生物学研究带来实实在在的益处，这主要体现在：

1） 将基因革命引入太空而发现了微重力和其他空间环境特征对基础生物进程的影响；

2） 为人类更安全更有效率地进一步探索太空奠定了科技基础；

3） 通过征集与设计实验等有效利用研究发现的知识和技术，以提高国家的竞争力、教育实力和在地球的生活质量。

 

附件1：用于国际空间站的FSB飞行硬件

欧洲模式生物培育系统（英文缩写EMCS）

 

欧洲模式生物培育系统（EMCS）是进行微重力生物学实验的设备。它可以进行精准控制条件下的生物实验并允许培育、刺激和航天员辅助的实验操作。通过不同的专用实验装置，可以适用于不同研究，例如大型植物和无脊椎动物。EMCS实验使用了实验容器（EC），在实验容器中含有独特的实验设备（EUE）。

植物生长EC的设计支持进行小型植物实验（如拟南芥植株）。每个EC内部大约是60 x 60 x 160毫米，带有一个透明罩, 8个EC可以集成于一个EMCS。EC与EMCS协同工作，提供照明、水、环境控制与监控，并可拍摄录像和图像。

单环细胞培养（SLCC）

单环细胞培养系统（SLCC）是单独的、自给自足的空间细胞培养系统，具有自动的启动、喂养、亚培养和取样的功能。细胞都生长和存放在一个严格控制的细胞培养皿（CSC）中。膨胀罐提供冲刷功能和液体介质。SLCC使用足够的灌注液来提供营养和空气，并通过将废弃的液体排入废弃的膨胀罐来处理废物。使用磁耦合搅拌器可以使细胞停止或暂停生长。每个系统都包含一个细胞培养皿和六个可移动取样/接芽箱。可移动箱可以在多个时间点取得细胞样品，且在轨飞行时就能稳定保存下来以待着陆后进行基因或形态分析，并分析微重力的影响。

微生物低温罐

微生物实验在微生物低温罐中进行。该装置装有冷冻管，可以在起飞、飞行和降落过程中用于严格控制环境温度。每个组合微生物低温罐包含一个铝罐，每个铝罐包含三个8毫升的聚丙烯瓶。聚丙烯瓶都嵌有玻璃瓶套来促进接触、提高热传递，并用压缩垫来消除瓶身和罐盖的间隙。该装置可以在模拟环境温度或在轨恒温箱中使用。

生物研究罐(BRIC)

生物研究罐(BRIC)是一种阳极电镀铝汽缸，用于装载小生物以研究太空飞行对小生物的影响。BRIC含有多种配置，已经应用于多种在航天飞机上进行的研究。

BRIC-60可以容纳最多12个,60毫米直径的培养皿(每罐共24个培养皿)，或最多13聚四氟乙烯管(每罐共有26个管)，不需要电源。

BRIC-100可以容纳9个直径100毫米的聚碳酸酯培养皿。每个罐的底部和顶部盖子有25个直径 0.5毫米的孔和特氟隆膜(孔隙0.5微米)。间隙中有两个隔板允许气体进入。盖子下面贴有半透膜，由阳极电镀铝环连接和支撑。环和膜组由5个不锈钢螺丝固定。如果不需要交换气体,半透膜和捕捉环可以由铝制捕捉板替代，这样就形成一个封闭的实验环境。每个罐子内的培养皿用培养皿架插入并固定位置。

     BRIC-100VC罐可以容纳直径100毫米的标准实验室培养皿。BRIC-100VC罐可以为标本及其相关硬件提供控制和结构支撑。罐的盖子使用一个拨动开关和组合圆环，可以快速密封或打开盖子。罐的底部有足够的空间可以放温度和湿度记录仪。

   BRIC-LED使用了一套辅助硬件即培养皿固定装置(PDFU)。PDFU是专与标准60毫米培养皿配套使用的支撑物，它可以在培养皿中固定标本。FDFU嵌入到BRIC-LED中，每个BRIC-LED可以嵌入6个FDFU，电源要求为6瓦。

 每个BRIC-LED的盖子使用10个螺丝钉固定，并在盖子和底座间使用一个硅胶垫片来密封。BRIC-LED盖子上有6个孔以便插入FDFU螺线管将标本固定，每个孔的密封使用硅胶隔片。BRIC-LED盖子设有电路板，包含照明标本用的红色嵌入led灯以及控制开关（每个BRIC6个），并包含验证红色LED灯开关状态用的绿色嵌入LED灯（每个BRIC6个）。红色LED灯安装在电路板的底部，与之相应的绿色LED灯安装在盖子的上方。绿色LED灯可以使研究人员方便地检查红色LED灯的照明/操作。每个红色LED通过耐热灯管向罐子里的标本发射640-660毫微米波长的红光。开关位于电路板顶部以适时打开或关闭LED灯。另一束橙色LED灯安装在电路板上方，以观察罐子里的电路是正常供电的。BRIC-LED罐子及电力配电箱存放在一个定制的托盘上。托盘材料是阳极电镀铝，并有一个电源连接器，以便在飞行前连接上飞行器的电源。内置风扇可以防止样品达到过高温度。

 

高级生物研究系统（ABRS）

    高级生物研究系统（ABRS）是一个舱内锁柜可更换设施。作为一个可更换设施，ABRS可同时与航天飞机和国际空间站机柜兼容。在实验舱内，ABRS可以看作是一个尾部排气的锁柜,用作主要生物研究设施或上下行样本的运输设备。在EXPRESS机柜中, ABRS是一个次机柜有效载荷，充分利用温度环(MTL) 的优点，即尾部排气和中间冷却。

数据和图像通过以太网从EXPRESS机柜传送到地面。地面人员或舱内航天员可以通过笔记本电脑控制ABRS。目前的运控方案有两种，包括舱内低功耗的上行模式和在国际空间站的永久性研究设施。

被动辐射测量系统(PDS)

被动辐射测量系统(PDS)的硬件包括两种的辐射测量器和一个电子阅读器。

辐射测量定器之一是热释光剂量计，简称TLD。该剂量计用于测量穿过它们的电离辐射（质子、中子、电子、重带电粒子,γ射线）。每个热释剂量计类似一支大钢笔，在中空的玻璃管中含有硫酸钙晶体，这些晶体可以吸收电离辐射的热量，吸收过程导致晶体中电子能级逐渐上升。

另一个辐射测量器是一组塑胶的核跟踪探测器(PNTDs)。PNTDs由塑胶薄板组成,类似于某些眼镜使用的材料。当带电离子通过PNTDs时，剂量计表面变得坑坑洼洼。当PNTDs返回地球后,将该塑胶薄板蚀刻来扩大蚀坑。然后使用显微镜计算蚀坑的数量、分析其形状及大小。这些信息可以提高TLDs记录的辐射剂量的准确性，提高对辐射的生物效应的估计。

热释光剂量计和电子阅读器目前装载在国际空间站上使用。核跟踪探测器（PNTDs）需要在每个单独的实验中开启以配合完成实验。

生物技术样品温度控制器(BSTC)

生物技术样品温度控制器(BSTC)为CBOSS（细胞生物技术操作科学系统）研究提供了一个微重力环境研究细胞间相互作用及功能细胞聚合过程的平台。

BSTC是一个设备齐全的装置，其设计允许同时进行多个不同细胞类型的实验。它具有多个细胞恒温箱，旨在4-50摄氏度（39.2-122华氏度）间培植三维的组织培养模（TCMs）。TCMs是含有大约30毫升（1盎司）的培养液的氟聚合袋。BSTC还可以重新配置为包括一个气体净化系统、二氧化碳监测系统,和一个连接到国际空间站计算机的以太网的系统。BSTC配备了系统和温度监控装置以检测其内部的环境。