导 读
中国空间站成功实现了斑马鱼在封闭水生生态系统中的稳定生存，长达43天。这不仅实现了太空生命支持技术的新突破，还为未来宇航员执行长期太空任务提供了重要的技术支持。这一成果展示了自给自足生态系统在太空环境中运行的可行性，确保人类在未来的太空探索过程中能够更好地生存和发展，如在月球或火星建立长期基地，从而探索更远的宇宙边界。
图 1 中国空间站上密闭水生生态系统的示意图
2024年6月，中国空间站的密闭水生生态系统(Closed Aquatic Ecosystem，CAES)取得了显著的成就：斑马鱼在43天内完成了从生长发育到繁殖的生命阶段，创下了太空生态实验的新纪录。这一里程碑不仅标志着中国太空生态系统技术的重大进步，还为未来执行太空任务提供了关键数据和技术支持。这一显著成就主要归功于CAES的创新设计，它代表了一个先进的科学实验平台，包含生物再生生命支持系统、气体平衡控制系统和微生物处理系统，该平台实现了高度集成和自动化调控，确保了斑马鱼在各生命阶段中的存活。
斑马鱼作为一种脊椎动物模型生物，其基因与人类有70%以上的相似性，在生命科学、健康科学和生物医学研究中发挥着重要作用。CAES系统巧妙地将生命科学与工程技术结合起来，创造了一个适合斑马鱼长期生存的环境。在中国空间站上，这些斑马鱼不仅是研究对象，也是CAES的重要组成部分。斑马鱼、金鱼藻和微生物形成了一个和谐的微型生态系统，水生植物通过光合作用吸收CO2并产生O2，在CAES的气体循环中发挥着关键作用。斑马鱼通过代谢过程吸收O2并产生CO2。附着在斑马鱼体表和肠道内的微生物也在废物分解和水体净化中发挥着重要作用（图1）。由于控制系统的集成和自动化，CAES培养舱的容积得到了进一步优化。同时，CAES培养舱的设计考虑了生物量和空间的平衡，动物培养舱的容积为750mL，植物培养舱的容积为500mL。培养舱的总容积是神舟八号密闭水生生态系统的20.8倍，能够维持更多的生物量和更丰富的生物群落。斑马鱼和水生植物被一个带孔的隔板分开，这些孔为O2和CO2循环提供了重要通道。CAES系统集成了传感器网络和智能算法，实现了照明时间、温度控制、废物过滤和喂食模块的全自动化控制，建立了一个自循环环境，确保斑马鱼的长期存活。
精确控制O2和CO2循环是斑马鱼在CAES中长期存活的关键因素。基于金鱼藻的生物特性，CAES创新地调节LED光源的运行时间，以控制光合作用产生的溶解O2浓度。该软件通过传感器网络和LED光源实时监测并调整水中的溶解O2浓度，维持在适合斑马鱼生存的5-7mg/L的理想范围内。同时，传感器还持续监测水质参数，如pH值和电导率，以确保水生环境的安全和可持续性。此外，CAES还配备了液体泵装置，以增强鱼类和植物培养舱之间的流体交换。实验结果表明，CAES中溶解O2浓度的精确控制在斑马鱼从生长到繁殖的生命阶段中起到了关键作用。因此，斑马鱼在CAES中成功存活了43天，大幅提高了斑马鱼在太空密闭生态系统中的存活时间，打破了此前德国科学家在封闭平衡生物水生系统（CEBAS）中培育的剑尾鱼存活16天的记录。这一成功归功于自循环生态系统，它为太空中生命的长期存活提供了必要的技术和环境条件。实验分别在第10天(开始期)，第20天(稳定期)和第43天(结束期)三个不同时间点采集了水样，并送回地球进行进一步分析。实验结束后，斑马鱼的组织样本被固定并进行了无害化处理，从而为后续实验提供了宝贵的样本资源。
斑马鱼在中国空间站上的密闭生态系统的成功运行是空间生命科学领域的一个重要发展。随着CAES技术的不断进步和实践，我们期待未来将开发出更先进的生命支持系统，以支持更长期的太空探索。这些系统将确保在长期太空任务中O2和食物的充足提供，推动人类探索太空，并在月球和火星上建立基地。这一进展无疑将为人类在太空中的长期生存和居住铺平道路，使人类在太空中生活的愿景变得更加现实。
总结与展望
中国空间站密闭水生生态系统（CAES）取得了显著进展，斑马鱼在该系统中完成了43天的生长、发育和繁殖。这一成就为太空生态系统技术的发展提供了重要的参考，尤其是在长期太空任务中维持生命支持系统技术领域。CAES通过结合生物再生、气体平衡控制和微生物处理等技术，实现了对O2和CO2循环的精确调控，从而确保了斑马鱼在不同生命阶段的生存。该技术的成功应用为未来太空自给自足生命支持系统提供了重要的技术储备，并为人类在月球、火星等星体上的长期生存奠定了基础。这一进展为未来深空探索和长期居住任务的可行性提供了科学依据。
责任编辑
王文兵 上海大学
刘 宁 香港城市大学
本文内容来自Cell Press 合作期刊The Innovation 第五卷第六期发表的News & Buzz文章“Breakthrough in enclosed aquatic ecosystems in space: Supporting zebrafish survival for 43 days” (投稿: 2024-08-14；接收: 2024-10-04；在线刊出: 2024-10-05)。
DOI：https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100711
引用格式：Xie M., Tian Q., Wang G., et al. (2024). Breakthrough in enclosed aquatic ecosystems in space: Supporting zebrafish survival for 43 days. The Innovation 5(6):100711.
作者简介
王少伟 华东师范大学教授，博士生导师，国家级人才计划入选者，国家重点研发专项首席科学家，中国光学工程学会、上海市红外与遥感学会理事。上海市青年科技启明星、中科院青年创新促进会优秀会员，中国物理学会谢希德奖、国家重点研发计划重点专项、上海市科学技术奖等评审专家。主要研究方向为微纳光场调控与探测技术应用研究。2003年博士毕业于中科院上海技物所，英国卢瑟福.阿普尔顿实验室访问学者。主持国家重点研发专项等项目20余项。撰写Elsevier出版社手册等章节2章；发表Adv. Mater.等SCI论文100余篇，被引用2840余次；获国家发明专利授权50余项（其中美国1项）。曾任Elsevier出版社Microelectronics engineering学术期刊副主编及Nature electronics等审稿人，在SPIE等重要国际会议上20多次作邀请报告或分会主席。
郑伟波 中国科学院上海技术物理研究所研究员，博士生导师，上海市宇航学会空间应用专委会委员。主要从事空间站生物技术和生命生态科学实验系统的研制工作，作为主要技术负责人先后圆满完成了国家载人航天工程、中科院知识创新工程、中科院先导专项等多个航天研制任务，同时负责完成了多项863计划和中科院支撑技术项目的研究工作。获上海市技术发明一等奖1项，上海市科技进步二等奖2项，专项科技进步二等奖3项。
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期刊简介
The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球58个国家；已被151个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员，来自22个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区)等收录。2023年影响因子为33.2，2023年CiteScore为38.3。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。
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