太空生物學（Astrobiology）顧名思義就是研究生物和外空間物體的相互作用的科學。其中一個重要課題就是地球上的生物能夠在太空與外星環(huán)境下生存，并進一步改造外星環(huán)境使之更適于地球生物。雖然現(xiàn)在我們已經(jīng)能夠在空間站上開展太空環(huán)境下的相關(guān)研究，但由于技術(shù)限制，我們還沒辦法在外星直接進行這樣的研究工作。

中國天宮空間站中的生菜與小麥培養(yǎng)實驗（轉(zhuǎn)自中國載人航天）

但科學家們還是想盡辦法在地球上開展太空生物學研究。他們結(jié)合太空觀測數(shù)據(jù)，合理推測外星球的環(huán)境條件，通過控制光強、光譜、光周期、大氣組成、營養(yǎng)條件等來模擬外星的環(huán)境條件來培養(yǎng)地球上的藻類和植物，然后利用葉綠素熒光技術(shù)為代表的植物表型分析技術(shù)來評估其生長狀態(tài)，尤其是這些藻類和植物能否穩(wěn)定地進行光合作用。

葉綠素熒光成像技術(shù)廣泛應用于藻類、植物生長狀態(tài)與光合生理評估，左圖：基因編輯擬南芥抗病毒檢測；中圖：利用微藻進行高通量環(huán)境毒性生物標記檢測；右圖：國際空間站使用FluorPen葉綠素熒光儀進行植物生長狀態(tài)檢測

下面我們通過兩個微藻相關(guān)研究案例來說明相關(guān)的太空生物學技術(shù)方案：

案例一、藍藻利用火星風化層來支持火星殖民

葡萄牙阿威羅大學的科學家研究了3種藍藻（柱孢魚腥藻Anabaena cylindrica、念珠藻Nostoc muscorum和鈍頂節(jié)旋藻Arthrospira platensis）和1種綠藻（小球藻Chlorella vulgaris）能否利用火星現(xiàn)有資源生活。他們利用美國月球和小行星表面科學中心提供的火星風化層模擬物（MGS-1）制作成水提物，之后將這幾種微藻分別培養(yǎng)在純水、火星風化層水提物和17%螺旋藻培養(yǎng)基中，定期測量其光密度OD440并使用FluorCam葉綠素熒光成像系統(tǒng)測量其最大光化學效率Fv/Fm。

OD440動態(tài)曲線表明微藻生物量的生長變化，而Fv/Fm的高低則直接反映微藻光系統(tǒng)活性以及受損程度。這兩項數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在

火星的營養(yǎng)條件下，念珠藻的生長狀況是Zui 好的，而鈍頂節(jié)旋藻和小球藻則幾乎無法生存。因此念珠藻應該成為未來研究的目標，不僅因為它們在氧氣生產(chǎn)中的作用，也因為它們可以被用作食物來源。

4種微藻在不同培養(yǎng)基中的OD440動態(tài)曲線和Fv/Fm動態(tài)曲線

案例二、實驗室模擬藍藻在M矮星的宜居性

近十年的研究發(fā)現(xiàn)，40%的M矮星擁有“超級地球”（最小質(zhì)量在1到30個地球質(zhì)量之間，軌道周期短于50天，半徑介于地球和海王星之間）。但M矮星的光譜特性與太陽有很大的差別，其波長更長，在可見光范圍內(nèi)主要集中在遠紅光區(qū)（FR）。而藍藻由于可以合成葉綠素d和葉綠素f，因此可以使其光合利用波長延長至750nm。

左圖：M矮星示意圖；右圖：太陽G2與M矮星M7的光譜曲線

由此，意大利國家天文物理研究所、蘇黎世聯(lián)邦理工學院等合作，控制培養(yǎng)光譜、光強、大氣組分（CO₂濃度）、溫度等環(huán)境條件，檢測Chlorogloeopsis fritschii PCC 6912、Chroococcidiopsis thermalis PCC 7203、Synechococcus PCC 7335、Synechocystis sp. PCC 6803這4種藍藻在太陽光、M矮星M7光譜、遠紅光下的生長狀況，從而評估這些藻類在M矮星的宜居性。

微藻的生長和光合狀況主要使用FluorCam葉綠素熒光成像系統(tǒng)進行檢測。葉綠素最小熒光F₀（也稱原初熒光、本底熒光）在很大程度上與葉綠素濃度和微藻細胞數(shù)正相關(guān)，因此F₀增長率被用來衡量生長量的變化。最大光化學效率Fv/Fm則直接反映其光合效率。結(jié)果很令人驚訝，所有微藻在M7光譜條件下的生長狀況與在太陽光下類似，而且遠好于只在遠紅光下的生長狀況。M7這種奇異光譜的可見光與遠紅光比例可能是其中的關(guān)鍵因素。

                                              4種藍藻在太陽光、M7光照、遠紅光下的Fv/Fm

4種藍藻在太陽光、M7光照、遠紅光下的照片和F0增長率

易科泰微藻太空生物學技術(shù)方案

1.     智能培養(yǎng)與在線監(jiān)測

l  全LED光源，培養(yǎng)光強最高達3000 μmol photons m^-2 s^-1，光譜組成可根據(jù)用戶需求定制

l  實時調(diào)控光強、光譜、光周期、溫度、氣體組分等，并可配備恒化（恒定pH）或恒濁（自動補充培養(yǎng)基并恒定OD）培養(yǎng)模塊，實現(xiàn)穩(wěn)定半連續(xù)培養(yǎng)

l  實時在線檢測葉綠素熒光、OD光密度、溫度、pH、溶解氧、溶解CO₂等

l  容積包括100ml、400ml、1000ml、3000ml、25L、100L等，可靈活定制

2.     藻類葉綠素熒光與表型成像技術(shù)

l  測量樣品包括大型藻、微藻（液體/固體培養(yǎng)基均可）。可研究微藻群體，也可連接顯微鏡研究單個藻類細胞

l  可測量葉綠素熒光成像、高光譜成像、UV激發(fā)熒光成像等，無損檢測藻類生長狀況、光合生理、脅迫抗性、色素組成等

l  儀器型號和配置功能靈活多樣，可根據(jù)客戶實際需要靈活定制

參考文獻：

1.     Macário I P E, Veloso T, Frankenbach S, et al. Cyanobacteria as candidates to support Mars colonization: growth and biofertilization potential using Mars regolith as a resource. Frontiers in Microbiology, 2022, 13.

2.     Claudi R, et al. 2020. Super-Earths, M Dwarfs, and Photosynthetic Organisms: Habitability in the Lab. Life 11(1): 10

北京易科泰生態(tài)技術(shù)公司提供藻類培養(yǎng)與表型研究全面技術(shù)方案：

l  AquaPen、FluorCam藻類葉綠素熒光/多光譜熒光技術(shù)

l  SL3500、AlgaeTron/FytoScope智能LED光源與生長箱

l  SpectraPen/PolyPen、Specim高光譜測量技術(shù)

l  FKM多光譜熒光動態(tài)顯微成像系統(tǒng)

l  FMT150藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)

l  MC1000 8通道藻類培養(yǎng)系統(tǒng)

l  ET-PSI多功能藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)

l  AlgaTech®高通量藻類表型成像分析平臺