我国空间站内发现微生物新物种天宫尼尔菌，其有哪些独特性？具有哪些研究意义？

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近日，科研人员首次公布在我国空间站发现的一个微生物新物种，并将其命名为“天宫尼尔菌（Niallia tiangongensis）”，相关科研成果在线发表于国际权威期刊《International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology》上。



什么是微生物新物种？
微生物是地球上最古老、最多样化的生命形式之一，体型微小却分布广泛。从空气悬浮颗粒到土壤深处，从深海高压环境到人体共生菌群，微生物构成了地球上庞大的“隐形”群落。微生物的世界就像一个神秘的宝藏，每发现一个微生物新物种，就像打开了一扇通往未知世界的大门。
什么是微生物新物种呢？简单来说，就是那些以前从未被人类发现、研究和命名的微生物。空间站内微重力、辐射、密闭、寡营养等复杂条件相互交织，其中蕴藏着多少未知的微生物新物种呢？科学家们对这些充满了好奇和想象。

天宫尼尔菌是如何被发现的？

此次微生物新物种发现是在空间站工程航天技术试验项目支持下实现的。研究团队聚焦于我国空间站长期运营过程中环境微生物的动态变化和安全控制，设计了多批次、全舱段、全景式的居留舱微生物监测任务CHAMP（China Space Station Habitation Area Microbiome Program）。
2023年5月，神舟十五号航天员乘组利用无菌采样擦巾对空间站舱内表面微生物进行在轨采集和低温储存。下行后，经过地面实验分析，科研人员发现了一种全新的微生物物种——天宫尼尔菌。该研究综合运用了形态观察、基因组测序、系统发育分析和代谢分析等多学科手段，最终确认了这一独特物种。



△航天员在轨进行微生物采样


原文地址：https://www.zhihu.com/question/1906985997612315539

长长的路

想起伪科学论者之前说，大肠杆菌放50年还是大肠杆菌，大肠杆菌繁殖非常快，上万代大肠杆菌还是大肠杆菌，说明进化不存在。真是可笑。

继续前进

所以这么多人说了这么多意义，从官方新闻稿到这几十个答主，就没有一个人说说这物种的来源，是从地球带上去的还是在太空变异出来的？

大力水手

空间站的微生物群落比我们想象得要丰富得多！

自神舟十二号至神舟十四号，航天员对中国空间站三个舱段中的工作区、睡眠区与卫生区进行分区采样，一共14个采样点，共采集50个环境微生物样品，然后分两批带回地球，着陆后24小时内被带到实验室，12小时内进行样品处理和微生物分析，全程密封，保温，还没做消毒。



采样点

最后得出结论，舱内微生物数量范围为0～2.83×109CFU/100cm2，有分属于25个属的103种细菌和分属于18个属的27种真菌。
在微生物种类方面，主要的可培养细菌包括芽孢杆菌属和葡萄球菌属，分别占所有细菌的45.63%和14.56%，；
而主要的真菌属包括曲霉属、枝孢菌属和青霉属，分别占只有真菌的18.52%、14.81%和7.41%
舱内的优势细菌属为假单胞菌属，嗜麦芽窄食单胞菌属、甲基杆菌-甲基红细菌属、鞘氨醇单胞菌属、芽孢杆菌属、葡萄球菌属和诺卡氏菌属，优势真菌属为曲霉属、枝孢菌属和青霉属。
其中乳酸菌为在中国空间站建设期间各舱段区域都始终存在的唯一微生物种属。
从微生物来源方面来看，舱内有58.80%的微生物源自人类皮肤和口腔环境。



可培养细菌，分为18科，有11个子组：SZ-12工作区、12睡眠区、13工作区、13睡眠区、13卫生区、14-TH工作区、14-TH睡眠区、14-TH卫生区、14-WT工作区、14-WT睡眠区和14-MT工作区。



可培养真菌，有10科

而且微生物的组成和多样性在时间和空间上有显著变化，十二、十三、十四，三次任务微生物的平均数量呈逐次上升趋势，卫生区的微生物平均数量明显高于睡眠区，工作区的细菌存活比例最低，卫生区的细菌存活比例最高。
这次发现的天宫尼尔菌JL1B1071T，显然不属于优势细菌，这是一类革兰氏阳性的产芽孢细菌（有氧，有孢子形成），隶属于细胞杆菌科（Cytobacillaceae）尼尔属（Niallia），近亲为Niallia circulans ATCC 4513T，它在空间站里适应得还挺好，可以在营养有限的环境中利用明胶作为底物，摄取营养。



天宫尼尔菌与近缘物种之间蛋白质结构差异

同时，天宫尼尔菌与其近亲的蛋白质BshB1和SplA的结构和功能差异，这可能会增强生物膜的形成、氧化应激反应和辐射损伤修复，从而有助于其在太空环境中的生存。
好家伙，它也是当代死侍！

怎么发现的呢？空间站开展了居留舱微生物监测任务（CHAMP），就是现在发现天宫尼尔菌的设备。




中国空间站居留舱微生物监测计划的采样设计与环境微生物整体调查结果

这张图超级全，（A）展示了中国空间站与地面AIT设施，以及中心环境样本采集位点信息；（B）中国空间站环境微生物采集模块与实施；（C）对中国空间站与地面AIT环境样本培养得到的微生物分类；（D）中国空间站与ISS不同批次在多采样位点上的相对丰度展示；（E）中国空间站环境样本与ISS环境样本物种组成在不同分类水平上相对丰度差异。
它首次以微生物组学视角全景展现我国空间站运营早期环境微生物变化，如下图揭示了中国空间站和国际空间站微生物种水平共现性网络。


资料来源：

Niallia tiangongensis sp. nov., isolated from the China Space Station
An early microbial landscape: inspiring endeavor from the China Space Station Habitation Area Microbiome Program (CHAMP)
On-orbit microbial succession patterns of the China Space Station during the construction period - Microbiome
太空“微”世界：中国空间站微生物生态研究首度全景揭秘
张莹团队揭示中国载人空间站微生物群落结构演替规律及溯源

长长的路

太空中的生物安全是我们探索太空时最应优先考虑的事项。在航天器严格消毒的条件下，我们在天宫站上发现了一种新的微生物。这种名为天宫尼尔菌（Niallia tiangongensis）的细菌的发现，有可能让我们对生命如何适应地外条件的机制有更进一步的了解。
这篇论文在3月初就发布了[1]，但今天央视发通稿了，有很多媒体转载，所以我简单写一下吧。
从太空返回的强大的小生命

我们知道，神十五是是中国空间站建造阶段最后一次飞行任务，2023年5月，也就是神十五乘组要返回地面的前一个月，航天员按照居留舱微生物监测任务CHAMP[2]的要求，用无菌采样擦巾对空间站舱内表面进行多批次、全舱段、全景式的擦拭取样，采集有可能的微生物并进行低温储存。在神十五返回地面后，这些采样就送去实验室进行分析了，很快，科研人员利用形态观察、基因组测序、系统发育分析和代谢分析等多学科手段后，发现了这种此前未记录的全新独特微生物物种——天宫尼尔菌，论文于2024年11月提交，并于2025年2月被接受。



合成图

虽然之前的半个世纪里，人类已经在在小卫星、空间站以及其他空间实验平台上配备了大量的生物实验模块载荷，但这些实验大多都是以保证微生物维持自身生存为首要目标[3]，只有一小部分的研究目标是发现新菌种，这次便是再次找到了变异的新菌种。
这类发现的重要性不言而喻。由于微生物会对人类健康和航天器的正常运行构成潜在风险，因此对天宫空间站微生物的研究始终是当务之急[4]。当空间站进入长期运营后，只有掌握舱内环境的微生物的动态变化，才能有效保障航天员的健康与项目安全。
如果眼光放长远一点看，对此类生物体的研究有助于了解生命生存能力的极限，这对未来火星和月球任务至关重要。如果这些微生物落在其他星球上，就有可能会产生意外的生态系统。就算是只考虑地球的话，变异菌株在返回地球时也可能会变得很危险。[5]



凤凰号任务中，从极端条件下的洁净室的215个菌株中分离出26个新物种

变异的革兰氏阳性菌

在天宫空间站设备上发现的这个JL1B1071T菌株，有着超强的适应性，是生存游戏界的“冠军”。
它属于芽孢杆菌属，是一类能产生抗力内生孢子的革兰氏阳性菌，以其强大的生存能力和独特的适应机制而闻名。细胞像一个杆子的形状，最里面是一种高度浓缩的、惰性的染色体，而最外的细胞壁是很厚很厚的蛋白质组成的耐受性极强的芽孢衣。芽孢状态下的细菌几乎停止代谢，可抵御极端温度、干燥和辐射，待环境改善后再恢复活性。DNA分析表明，它在基因上与尼氏芽孢杆菌比较像，但也具有独特的特征。实验发现，这种形式的生命体可以在高真空、高辐射和-150到+120°C的温差中生存。这种特性使其能在空间站内长期“潜伏”。
能在空间站环境中活下来的“幸存者”，有可能在长期暴露中进化出新的生物学功能。
比如，它在食物短缺的情况下有分解蛋白质的能力，能过分泌多种蛋白酶来分解舱内的有机物（如皮肤细胞残留或食物碎屑）作为营养来源，也就是新闻中所说的“表现出独特的水解明胶的能力”。对于封闭系统中的生物来说，这就是不挑食的吃货，能广泛利用营养。这在资源匮乏的太空环境中尤为重要，使其能够在营养物质稀缺的条件下获取能量。这种能力还有可能用于处理太空中的各种有机废物，有可能设计出封闭的蛋白质循环。另外，深入了解其生存机制有助于改进太空探测器的灭菌技术，防止微生物对其他星球生态系统造成潜在威胁。
它还能在辐射损伤和生物膜形成后强力修复受损的DNA，这对于想在遍布宇宙射线的外太空中生存是极为有利的，可以大大增强自身的生存能力。同时，它能形成生物膜以抵御外界的不利因素，其细胞膜中富含特定的脂肪酸成分，增加其在腐蚀性极端环境中的稳定性，这些技能树的点亮，能让细菌在微重力、低剂量辐射和有限的资源中茁壮成长，为科学研究开辟了新的空间。
同时，这种微生物的存在也为开发适应太空环境的生命支持系统提供了新的思路，且有助于防止微生物在太空设备表面形成厚壁甚至生物膜，从而避免对设备性能和人类文明产生不利影响。


空间站内外的生命

自1960年苏联东方1K-2（Спутник 5）发射以来，人类已经在地球轨道上进行了多次细菌等生物实验。几年前，国际空间站中也曾在不同舱室提取了甲基杆菌属的多种新菌株[6]，其中三种为革兰氏阴性的新物种，能以甲烷或甲醇作为碳和能量来源进行生长[7]，有可能参与到火星种植的固氮、溶磷、非生物压力耐受、生长促进及防治植物病原菌等的工作中，还有五种对抗生素有耐药性的全新的革兰氏阳性菌[8]。


现在大家已经知道，与地球行为相比，在太空中生长的细菌表现出许多差异，比如改善生物膜形成、对抗生素的敏感性降低[9]，这些发现，对为那种执行长期太空任务的宇航员潜在感染的治疗提出了挑战，了解这些微生物对于保护宇航员的健康和维护航天器的功能至关重要。



空间站中不仅有细菌，还有尘螨，它们存在于和平号空间站和其他太空任务中，by CSIRO

生命有可能不仅存活在空间站内。2016年，参与BioRisk-MSV项目的俄罗斯研究人员称在国际空间站俄罗斯段的外表面发现了能生活在外太空的活细菌[10]，并在太空行走期间收集的宇宙尘埃样本中发现了若干细菌[11]，这些微生物有可能是从上层大气中漂到太空中的（甚至，它们有可能起源于外太空？无证据）。
对人类行星际文明的影响

从更宏观的层面来看，在空间站中发现的变异菌株，有可能对人类文明的进化具有深远意义。往虚里说，它拓展了我们对生命极限的认知，为人类探索宇宙提供了新的视角；往实里说，这种微生物的生存策略可能为人类在其他星球上建立永久性居住地能提供启示，帮助我们应对未知的挑战，推动人类文明向行星际文明迈进，为人类探索宇宙奥秘和实现星际旅行的梦想带来了新的希望和动力。
为了避免地球微生物污染其他星球（如火星），航天器在发射前需严格消毒。然而，天宫尼尔菌的存活表明，现有灭菌技术可能无法完全消灭某些顽强的变异微生物。特别令人担忧的是，在以后的行星际长期任务期间，外太空环境可能会为不良的基因组变化提供积极的选择。这种变化可能会影响微生物抗生素的敏感性，表现出增强的生长和致病毒性，需要更高浓度的抗生素才能被杀死。这要求开发更高效的消毒方法，需要改进空间站的清洁和监测技术，以防止微生物积累，从而确保行星殖民的有效执行。



国际空间站采样的细菌和真菌在培养基上愉快地生长

在未来的月球基地或火星殖民地，微生物可能成为隐形的潜在威胁。例如，芽孢类细菌可能污染殖民地的水循环系统或农业设施，影响生态平衡。因此，开发适应深空环境的生物安全技术将是行星际文明的关键。当然，另一方面，它的这种适应机制也可能为生物技术带来灵感。例如，其DNA修复机制可用于开发抗辐射作物，保障火星农业的可行性；其蛋白酶可用于设计高效的废物循环系统，减少深空任务对资源的依赖。这些技术进步将为人类在其他星球上建立可持续定居点奠定基础。
太空环境极其恶劣，真空、强辐射、极端温度变化等条件对生命构成了严峻挑战。然而，天宫尼尔菌等一众微生物却能在这样的环境中存活下来，展现出惊人的适应能力。它的顽强生存能力表明，生命可能比我们想象的更普遍，甚至可能在宇宙中广泛分布。这为泛种论（生命种子可通过陨石等在星际间传播）提供了间接支持，激励我们重新思考生命的起源和分布。
一粒微小的芽孢能在空间站的环境中存活，人类文明也有可能在未来的行星际文明中寻找到立足之地，从而迈向更广阔的星辰大海。
毕竟，谁能想象，37亿年前的一群单细胞微生物，在今天能造出宇宙飞船呢？

大力水手

当前地球和近地轨道上可能有超过一万亿种尚未被科学描述的细菌、古菌、病毒，题述的细菌“天宫尼尔菌”是其中之一。天宫尼尔菌由我国航天员从天宫空间站内表面取样获得、在地球上鉴定，它们大概是跟随我国发射的航天器从地面前往太空，而不是由其他细菌在空间站上突变成种。
这件事的新闻价值有很大一部分源于这是我国研究人员首次描述生活在空间站的未被科学描述过的物种。国外研究人员在国际空间站有过类似发现，相关论文发表于 2021 年（https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.639396 ）。
天宫尼尔菌与一同分类至芽孢杆菌纲-核衣细菌目-细胞杆菌科-尼尔属的其他物种有一些序列差异，尤其是在 BshB1 蛋白和 SplA 蛋白的结构上存在统计显著的差异。这些差异可能关系到天宫尼尔菌的氧化应激响应增强、代谢调控变化等，大概是在空间站环境施加的选择压下特化的。

• 尼尔属细菌是兼性厌氧的，生活在土壤、污水、人类食物、人粪等处，能够运动、能够产生内生孢子。研究较多的该属物种环状芽孢杆菌 Niallia circulans （旧学名 Bacillus circulans）的最佳生长温度为 30 到 37 摄氏度，可用于水产养殖、生物修复、水处理、生产酶，亦可作为机会致病菌感染免疫力低下的人，严重时导致脓毒症。
  
• 看起来，天宫尼尔菌在生理特征上的独特性有限，“以杆菌硫醇调控应对氧化应激、维持氧化还原平衡，形成生物膜、提高附着能力和抗逆性，在辐射损伤下进行修复”等特征是与多种已知细菌共有的。新闻引用的“该菌对某些有机物的高效利用能力，为空间站内资源循环利用提供了新思路”是描述细菌新物种的论文常见的论调，实际上这些细菌大多无法期待实用化。
  
• 许多细菌具有较强的环境抗性，能够在微重力下生存繁衍，还能对一些有机物进行有效分解。不同的细菌分解特定类型有机物的能力各不相同，有些能够搭配使用。这些事实不代表在空间站上配备基于细菌的垃圾处理设备会有成本效益。古菌、真菌、昆虫等同理。
  
• 细菌适应空间站生活的其他方法例如缩小体积并成团生长、形成更多囊泡[1]。在地球上培养的天宫尼尔菌的状态可能和在空间站生长时不同。
  

我国航天员有兴趣的话，可以测试包括天宫尼尔菌在内的各种细菌和若干古菌在空间站外表面的生存情况——如果它们能够像一些已知细菌那样耐受近真空、强辐射、大温差，那么它们的研究价值会比现在多。在进行进一步研究前，媒体、自媒体要是将这个新物种的“研究意义”各种拔高，结果大抵是虚无缥缈的。
一些媒体、一些自媒体声称天宫尼尔菌是“六边形战士”，或是将其比喻为“细菌中的水熊虫”，我认为这是不恰当的。已知的尼尔菌的环境耐性在细菌里并不位于前列。俗称水熊虫的缓步动物在隐生状态的环境耐性弱于许多细菌——不限于细菌芽孢。
顺便说，过去数十年间，人类发射的空间站上的微生物多样性一向低于人们在地表的日常生活环境，国际空间站上常见的微生物是人的皮肤微生物群成员，例如葡萄球菌[2]。偏低的微生物多样性可能会影响航天员的免疫系统健康。在空间站种植植物带来的一些土壤微生物、水生微生物可能对航天员有益，天宫尼尔菌可能作为土壤微生物或多或少地参与其中。关于如何在空间站、外星基地等场所配置适当的微生物群落并防止危险病原体的研究还在进行中。