問(wèn)鼎諾獎(jiǎng)6次！神舟十九號(hào)的特殊乘客——果蠅到底有怎樣的魅力？

北京時(shí)間2024年10月30日4時(shí)27分，神舟十九號(hào)載人飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心升空，10月30日11時(shí)00分，成功對(duì)接于空間站天和核心艙前向端口，航天員們又實(shí)現(xiàn)了太空會(huì)師，讓全國(guó)人民都倍感振奮。

圖片圖源：央視新聞

乘坐神舟19號(hào)進(jìn)入空間站的，除了3名航天員，還有一位特殊的乘客，那就是令人眼前一亮的——果蠅。

學(xué)過(guò)高中生物的人都知道這里面的門道有多深！

一百多年前，一只由正常紅眼突變?yōu)榘籽鄣墓墝⑺鼘氋F的白眼基因傳遞下去，幫助托馬斯·摩爾根證實(shí)了基因在染色體上的理論，奠定了現(xiàn)代遺傳學(xué)基礎(chǔ)，是最重要的里程碑式的生物學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。摩爾根因此及相關(guān)研究貢獻(xiàn)獲得1933年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。迄今為止，果蠅已助力科學(xué)家在發(fā)育、免疫、神經(jīng)、生物節(jié)律等領(lǐng)域獲得至少六次諾貝爾獎(jiǎng)。

01 為什么要讓果蠅上太空？

果蠅是一種重要的模式生物，體型較小，身長(zhǎng)只有3~4毫米。生命周期短，繁殖速度快，能夠在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的后代，染色體數(shù)目較少，便于進(jìn)行遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)。近年研究發(fā)現(xiàn)已知的75%人類致病基因與果蠅基因同源，對(duì)果蠅的研究顯著提升了我們對(duì)自然規(guī)律、人類自身的認(rèn)知。

圖片圖源：參考文獻(xiàn)2

值得一提的是，1947年2月20日，果蠅搭乘美國(guó)人繳獲的德國(guó)納粹V-2火箭登上了臨界太空、返回并存活下來(lái)。由此，果蠅成為了最早進(jìn)入太空的動(dòng)物。

02 果蠅有哪些研究?jī)r(jià)值？

根據(jù)科學(xué)家的研究，果蠅可開(kāi)展以下幾個(gè)方面的空間生物效應(yīng)研究：

1. 基本生長(zhǎng)發(fā)育研究；

2. 遺傳變異研究；

3. 免疫系統(tǒng)研究；

4. 晝夜節(jié)律及睡眠研究；

5. 組學(xué)研究；

6. 其他新型應(yīng)用方向。

01 基本生長(zhǎng)發(fā)育研究

果蠅的空間生物效應(yīng)研究始于空間環(huán)境對(duì)其發(fā)育、繁殖、活動(dòng)性、壽命等基本生命活動(dòng)的影響，且這些研究持續(xù)至今。

多次研究的結(jié)果表明，太空中微重力對(duì)果蠅基本生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)造成一定的影響：①太空飛行中果蠅能完成基本發(fā)育歷程，但是發(fā)育過(guò)程的時(shí)間有變化，例如孵化、羽化延遲；②微重力下的成蟲活動(dòng)增加，但交配和趨地性減少，推測(cè)是由于太空中翅膀發(fā)育受損或者加速等與微重力無(wú)關(guān)的飛行壓力造成的；③太空飛行中果蠅的壽命存在雌雄蟲差異，雌蟲壽命沒(méi)有明顯變化，而雄蟲壽命縮短。

02 遺傳變異研究

早期生物實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的研究表明，輻射與失重引起精子損傷和基因突變的增加，且幼蟲死亡率變高，太空飛行之前受過(guò)輻照的果蠅在飛行后第一代后代的基因突變顯著增加。此后的研究結(jié)果顯示，輻射與微重力的復(fù)合空間生物效應(yīng)，會(huì)顯著增加染色體丟失和生殖細(xì)胞損傷。

03 免疫系統(tǒng)研究

通過(guò)測(cè)定太空環(huán)境果蠅的細(xì)胞和體液免疫通路相關(guān)影響因子的變化水平來(lái)揭示免疫功能的變化。研究發(fā)現(xiàn)太空飛行改變了果蠅幼蟲的細(xì)胞和體液免疫反應(yīng)，幼蟲的細(xì)胞吞噬減少，與免疫相關(guān)的基因顯著下調(diào)。在微重力環(huán)境中的果蠅，雖然感染細(xì)菌后激活了免疫，免疫相關(guān)基因表達(dá)與地面對(duì)照組沒(méi)有變化，但是感染真菌后未能激活介導(dǎo)真菌免疫應(yīng)答通路，說(shuō)明太空果蠅的免疫功能嚴(yán)重受損。

圖源：央視新聞

04 晝夜活動(dòng)節(jié)律及睡眠系統(tǒng)研究

對(duì)我國(guó)神舟九號(hào)搭載的果蠅行為測(cè)試表明：太空飛行中果蠅保持了正常的晝夜節(jié)律活動(dòng)，但與對(duì)照組相比，晝夜節(jié)律時(shí)鐘系統(tǒng)的調(diào)節(jié)輸出基因存在差異，表明太空飛行影響晝夜節(jié)律輸出通路。同時(shí)，太空飛行后，果蠅夜晚睡眠持續(xù)時(shí)間和睡眠片段數(shù)量發(fā)生了輕微變化。

05 組學(xué)研究

對(duì)國(guó)際空間站中果蠅的全基因組轉(zhuǎn)錄譜分析表明，太空飛行導(dǎo)致了基因表達(dá)的重要改變。差異表達(dá)基因主要是影響呼吸活動(dòng)、發(fā)育過(guò)程和壓力相關(guān)變化的基因。太空飛行以及空間站的不理想環(huán)境條件使生物體受到的額外壓力，可以對(duì)基因表達(dá)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

06 其他新型應(yīng)用方向

隨著果蠅在地面研究的廣泛應(yīng)用，以及以“組學(xué)”技術(shù)為代表的現(xiàn)代生物學(xué)發(fā)展，果蠅模型在太空中正得到持續(xù)、全方位的應(yīng)用。例如，長(zhǎng)期和短期航天飛行均會(huì)對(duì)航天員心臟和心血管系統(tǒng)造成危害，果蠅體內(nèi)控制心臟發(fā)育和功能的基因和分子途徑與人類相似，被成功用作研究心臟發(fā)育的分子遺傳學(xué)基礎(chǔ)的模型。此外，國(guó)際空間站中航天員已經(jīng)出現(xiàn)氧化應(yīng)激反應(yīng)，用果蠅模型研究表明航天飛行后氧化應(yīng)激基因表達(dá)也發(fā)生了顯著變化，且太空飛行后神經(jīng)元損失增加，包括神經(jīng)元和突觸減少等。

03 果蠅在空間站住哪里？

果蠅在空間站里顯然是不能散養(yǎng)的，否則航天員工作著，旁邊飛來(lái)一群小“蒼蠅”，這畫面太美我不敢想象。

各國(guó)根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)條件研發(fā)了不同功能的果蠅專用搭載裝置。我國(guó)2012年神舟九號(hào)在軌飛行13天的果蠅搭載裝置主要由外殼盒體、樣品搭載管、電池以及光源和電路控制４個(gè)模塊組成（下圖(ａ)，(ｂ)），其中設(shè)計(jì)了研究晝夜節(jié)律和睡眠問(wèn)題所必須的晝夜光照控制系統(tǒng)。

中國(guó)果蠅太空搭載實(shí)驗(yàn)裝置（a）（b）、歐洲果蠅太空搭載實(shí)驗(yàn)裝置（c）（d）

圖源：參考文件4

NASA果蠅太空搭載實(shí)驗(yàn)裝置 圖源：參考文件4

20世紀(jì)以來(lái)，從無(wú)人探測(cè)、載人探測(cè)到空間站常駐探測(cè)，果蠅一直是太空生物效應(yīng)研究的理想模型。這次是我們國(guó)內(nèi)首次把果蠅這種動(dòng)物帶上空間站。期待這些小果蠅也能像“果蠅前輩”一樣，抖擻精神，為我們帶來(lái)更多有意義的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]https://www.nobelprize.org/

[2]帥俊全 等. 神十九將帶果蠅上太空 小鼠：等我~[EB/OL]. 微信公眾號(hào)“中科院之聲”, 2024-10-29.https://mp.weixin.qq.com/s/qByHFj3KlCF9ggLMU1wusQ

[3]比人類還早進(jìn)入太空的動(dòng)物 [J]. 學(xué)生之友(小學(xué)版)(探秘), 2009, (05): 30-33.

[4]馬玲玲,袁俊霞,印紅,等. 果蠅在空間生物學(xué)研究中的應(yīng)用 [J]. 航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程, 2020, 33 (05): 449-456.

[5]翁宜敬. 模擬微重力效應(yīng)對(duì)果蠅發(fā)育及相關(guān)基因的影響[D]. 大連海事大學(xué), 2010.

作者：郭瑋宏，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)博士、高級(jí)工程師

策劃：小小蒲公英

編輯：Tiara

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