科學也可以如此靠近

我們為什麼要為大腸桿菌單獨發射一顆衛星

7月
10
2019

2019年7月10日08時 今日科學 太空夢想

太空夢想

2017年,NASA發射了一艘天鵝座貨運飛船到國際空間站(ISS),除了正常的補給品外,該飛船還攜帶了一顆小小的衛星,裡面攜帶著數組令人厭惡、可引起人尿路等組織感染的大腸桿菌。

這些大腸桿菌將隨衛星登上國際空間站,在地面控制人員和航天員的操縱下,釋放到太空,進入地球軌道,進行失重環境下抗生素有效性的研究。

」 大腸桿菌生物衛星

在回答這個問題前

我們首先要了解太空的失重環境對微生物有哪些影響

01

加速微生物的繁殖和生長

研究證明,與地面對照組相比,太空大腸桿菌的生長期變短、生長速度明顯加快,最終的生物量增加,在同等條件下細胞的數目比地面對照多25%。研究人員還曾把裝有沙門氏菌的試管放在太空梭上,在太空中培育後,發現沙門氏菌的繁殖能力和生存能力也都增強了。

02 微生物的致病性增加

實驗證明細菌和病毒在暴露到失重環境後,致病性大增,變得更瘋狂了。地面模擬失重的實驗證明,在暴露到模擬失重環境後,沙門氏菌的致病性大增:相同劑量的沙門氏菌在暴露後,更容易造成小鼠的死亡。失重暴露後的細菌,對外界環境的變化,例如PH、滲透壓及溫度的波動有更高的耐受力。這種改變也是使細菌致病性提高的原因。

03 對抗生素敏感性下降

太空實驗證明,失重環境下需要更高濃度的抗生素才能殺死常見的細菌,表現出細菌對抗生素耐藥性增加。科學家認為,細菌在微重力環境的刺激下會激發防禦機制,從而增強對抗生素的耐藥性。

科羅拉多大學博爾德分校生物服務空間技術系的科學家進行了一項試驗,嘗試通過不同濃度的硫酸慶大黴素來消滅國際空間站上的大腸桿菌菌株。硫酸慶大黴素為氨基糖甙類廣譜抗生素,對多種革蘭陰性菌及陽性菌都具有抑菌和殺菌作用,對綠膿桿菌、產氣桿菌、肺炎桿菌、沙門氏菌屬、大腸桿菌及變形桿菌等革蘭陰性菌和金色葡萄球菌等作用較強。但到了太空中,硫酸慶大黴素的藥效明顯降低了。在太空實驗中,同地球上的對照組相比,細菌數量增加了13倍,體積減小了73%。也有研究表明,太空中藥物的藥效和保質期都下降。這意味著在太空中必須增加抗生素的濃度或換用其他更強的抗生素才能殺死病菌。這些變化無疑增加了航天員的健康風險。

04 影響微生物基因和蛋白表達

科學家們對失重時微生物基因和蛋白質表達進行了一系列研究,發現失重環境對它們有影響,例如,大腸桿菌和酵母菌在失重飛行後,DNA出現不同程度的突變和SOS效應;酵母菌在經過40天失重飛行後,部分樣品核糖體蛋白基因的突變率比地面對照組高2-3倍。

大腸桿菌是與我們日常生活關係尤其密切的一類細菌,它是寄生在人體大腸和小腸里對人體無害的一種單細胞生物。大腸桿菌結構簡單、繁殖迅速、易於培養,是生物學上進行科學研究的「模特兒」。

大腸桿菌

正常情況下,大多數大腸桿菌是非常安分守己的,它們不但不會給我們的身體健康帶來任何危害,反而還能競爭性抵禦致病菌的進攻,同時還能幫助合成維生素K2,與人類是互利共生的關係。只有在人體免疫力降低、腸道長期缺乏刺激等特殊情況下,這些平日裡的「良民」才會興風作浪,移居到腸道以外的地方,造成膽囊、尿道、膀胱、闌尾等部位的感染或全身播散性感染。

大量的實驗證明,太空飛行可以引起航天員免疫功能的下降,在這種情況下,大腸桿菌就可能興風作浪,更容易「叛變」成為致病菌。再加上太空失重環境可能引起微生物本身致病性的改變(大部分時候是致病性增加),使航天員在飛行中更容易生病,而且生病後也更難以進行有效治療。

航天員在太空也會得病,也需要服用抗生素。由於失重環境可以使細菌的致病性大增、耐藥性增強,再用地面相同的抗菌素或相同劑量的抗菌素來治療,可能達不到治療的效果。因此航天醫學家們需要知道細菌在太空發生什麼變化,用多大劑量和什麼樣的抗菌素才能消滅它們。

大腸桿菌抗微生物衛星(EcAMSat衛星)發射的目的就是對抗生素在太空中抗擊細菌的能力進行研究,具體來說,就是了解太空中與大腸桿菌感染作鬥爭的理想藥物劑量。這項研究的結果將為任務規劃人員提供更多關於對抗感染所需藥物劑量的信息。同時,也給細菌的深入研究及抗生素的研發工作帶來新的機遇。

文/沈羨雲

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《航天員》雜誌創刊於2005年10月,由中國航天員科研訓練中心主管主辦、中國航天基金會支持、北京太空夢想科技發展有限公司協辦,是面向航天界及廣大航天愛好者的權威科普期刊。

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