原文發表于《科技導報》2025年第 8 期 《關于開展類地外極端環境下生命現象和規律研究的建議 》

地球生命特別是極端環境生命為地外生命研究提供了唯一的類比對象。《科技導報》邀請相關領域專家圍繞地球上類似地外海洋、類火星等極端環境生命和人的生存模式，探討了相關研究的科學技術問題和重要研究方向。建議通過多學科深度交叉融合，聚焦類地外極端環境下微生物的多樣性和多層次適應機制、機體在極端環境下的代謝模式和生存策略、類地外極端環境生命研究關鍵共性技術開發等重要研究方向，推動相關領域基于大數據和人工智能的研究范式變革。

人類在宇宙中是否孤獨、地外生命是否存在，這是亙古以來的未解之謎，也是人類不懈探索的前沿科學問題。人類能否實現地外生存、實現星際移民和文明拓展，這是人類一直以來的夢想，也是重大的技術挑戰。地球上存在不少類似地外行星環境的天然極端環境，它們可能具備與生命起源或特定演化階段相似的環境特征，因此立足地球，通過對地球生命特別是極端環境生命的認識、研究，可以為地外生命探測提供重要參考。深入研究類似環境下的生命現象和規律，特別是生命生存適應模式和人的生存策略，對地外生命探測和載人深空探測并最終實現人的長期地外生存具有重要而深遠的意義。這需要從戰略高度進行前瞻布局，在重大研究計劃實施、平臺條件建設等方面加大投入，促進多學科深度交叉融合，造就一支跨專業創新研究隊伍，支撐我國載人航天和深空探測戰略任務。

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類地外極端環境

隨著航天技術的進步和深空探測任務的開展，人類對太陽系主要天體都進行了不同程度的探測，地外生命的探測是其中的重要方面。目前認為，火星、土衛二（Enceladus）、土衛六（Titan）、木衛二（Europa）是太陽系內最有可能存在生命的天體。

火星是行星探測的熱點之一，1960 年至今，人類已經實施了48次探測活動。我國“天問一號”通過一次任務完成了火星的環繞、著陸和巡視三大目標，邁出了我國深空探測的堅實步伐。火星雖然位于太陽系的潛在宜居帶，但是對于地球生命仍是極端環境。研究發現，早期火星表面可能存在液態水活動和適合嗜酸微生物存活的酸性鹽湖，現代火星也可能有暫時性的地表水、地下水冰。火星上還可能存在潛在的生物標志物磷酸鹽。一系列結果都暗示火星可能存在或曾經存在生命，但是都缺乏直接的證據，未來火星采樣返回將為這一問題提供重要線索。

土星、木星的一些冰衛星也是地外生命探測的重點關注對象。其冰層之下可能因潮汐力或放射性衰變的加熱作用而存在液態海洋，存在支持生命起源的基本元素，具備生命產生的條件和一定的宜居性。

目前全球已有30多個類比地外天體研究點或環境，我國柴達木盆地也被列為類火星基地。未來也會有更多高寒荒漠、冰川凍土、海洋藍洞等類地外極端環境被發現。對地球上類似地外環境的類比研究可以為地外生命探測提供新的思路和線索。

極端環境中的主要生命形式是微生物，極端微生物的發現既拓展了生命對物理化學環境的極限適應能力，也拓寬了宜居環境范圍和生物圈的行星邊界參數。人類探索宇宙、尋找地外生命，除了滿足自身好奇心，還有一個重要的目標是實現人的長期地外生存，實現星際移民和地球文明的空間拓展。

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核心科學技術問題和目標

極端環境生命極其多樣，相關的科學問題和研究方向也復雜多樣。極端環境下微生物的發現、時空分布和多樣性是有關微生物的基本科學問題；極端微生物有何獨特生理代謝機制和適應調控；未培養微生物（微生物“暗物質”）如何識別挖掘，極端微生物獨特的基因、蛋白和代謝產物等資源如何開發利用；人在星際飛行環境下采用何種生存模式和生存策略，如何實現；如何研究發現積累極端環境下人生理心理多維度變化特征規律、適應等。這一系列問題的解決需要通過生命科學、地球科學、海洋科學、天體生物學等多學科交叉融合，結合大數據、人工智能等新技術手段開展系統性研究。通過極端環境下生命生存模式和生存策略研究，可深化對生命本質和生命邊界的認識，豐富對人的適應規律和生存模式的理解，同時有利于支撐國家載人航天和深空探測任務，為地外生命探測特別是人的地外長期、健康生存提供前瞻性的理論指導和技術儲備。

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重要研究方向

極端環境下生命生存策略的研究不僅限于實驗室研究，也需深入類極端環境實地，通過原位研究、規范采樣、實驗室研究、多模態數據處理、模擬仿真等方式的緊密結合。

3.1 類地外海洋環境生命及適應機制研究

地球生命很可能起源于海洋，有些地外天體表面或固體表面以下也可能存在液態水、甲烷或氨等成分的海洋，對地外海洋的探索是地外生命探測、認識生命起源和演化的重要窗口。地球上類似地外海洋的極端環境如深海熱液、海洋藍洞、水巖界面等，被認為可能是生命起源的熱點。

研究類地外海洋環境中高豐度微生物的獨特生理代謝途徑和環境適應性機制。研究微生物之間、微生物與環境相互作用和協同演化。為特定生態系統響應外界環境變化甚至全球氣候變化系統研究提供模式，也為地外生存小型生態系統的構建提供參考。

3.2 類火星環境生命及適應機制研究

對地球上與火星過去或現在有類似特征的環境及其生命研究，對評估火星的宜居性、生命信號保存和探測具有重要意義。研究微生物適應類火星綜合極端環境的策略和機制。從微生物對環境信號的感知識別、信號轉導、基因表達調控、代謝網絡重塑等層面揭示其響應機制，特別是從進化角度解析相關組分或代謝途徑的演化歷程。臨近空間生命研究既包括對臨近空間生物多樣性的發現，也包括將模式生物帶入臨近空間環境后的響應和適應機制研究。

3.3 類地外極端環境下機體的生存模式和生存策略

在未來載人深空探測中，航天員需要經歷長時間、物資缺乏、地外孤獨環境下的星際飛行，威脅生理、心理健康，最理想方式是進行低代謝休眠。因此，對人進行可控的低代謝狀態的“休眠”很可能是星際飛行的關鍵技術。國內外基于動物模型開展了一系列研究。然而大部分研究還是基于非靈長類動物，基于靈長類休眠動物的休眠研究可能為人工誘導休眠提供重要線索。合適的動物模型是進行休眠相關研究的重要基礎，通過建立并優化能夠進行冬眠或“夏日”休眠的動物模型，在研究代謝、體溫、呼吸頻率、心率以及生物節律等冬眠生理學研究基礎上，研究冬眠進入、維持和覺醒的分子機制及代謝調控模式。

休眠與腸道微生物關系是相關領域的重要研究方向。研究腸道微生物在宿主休眠的進入、維持中的作用及其機制有助于從不同角度開發人工誘導冬眠策略。

低代謝及休眠與機體免疫和感染狀態的關系也是值得關注的課題。已有研究發現，休眠顯著減少白細胞的數量，降低補體水平，影響細胞吞噬能力、細胞因子產生、淋巴細胞增殖和抗體產生，可能會增加感染風險。

低代謝及休眠與抗逆的關系研究（圖1）。研究發現，在腫瘤化療過程中，癌細胞的耐藥和復發很可能和癌細胞休眠密切相關。針對休眠癌細胞的控制可能為癌癥治療提供新的思路。從某種意義上說，藥物處理對細胞是一種脅迫壓力環境，休眠是對抗脅迫環境的一種有效生存策略。而在機體水平上，低代謝及休眠是否可以提高抗逆性（如抗微重力或空間輻射）是一個值得關注的問題。

圖1 類地外極端環境下生命現象和規律研究方向

3.4 類地外極端環境生命研究關鍵共性技術和平臺

極端環境生命研究需要科學與技術的緊密結合。由于生存環境的特殊性，相關研究需要適應極端環境的微生物保真采樣技術、原位觀測分析技術和現代微生物檢測分析技術等一系列關鍵共性技術的支撐。同時有必要在一些關鍵典型的區域建立野外觀測站，進行長時間的系統觀測。

圍繞原位觀測探測技術，特別是在拉曼、熒光、質譜、色譜等常用原位檢測技術基礎上，開發高靈敏度、高穩定性，適應特定極端環境的原位探測和分析技術。結合深度學習和生物特征識別等人工智能技術，實現原位生物過程、化學過程等數據的多參數、長時程獲取，為后續地外天體原位探測和采樣返回提供技術儲備。選擇若干典型類地外極端環境，開發類地外環境原位研究裝置，實現集環境監測、評價、預警信息化一體化平臺，進行長時間、系統性的環境及生物多樣性監測研究，積累和豐富基礎性檢測數據。

微生物暗物質資源挖掘。極端環境中存在大量未培養微生物，利用宏基因組技術獲得的海量基因組數據，需要開發準確高效的序列分析算法，識別微生物物種和遺傳的多樣性、識別新的基因和潛在功能。

集成不同極端環境下的樣本、環境參數和實驗（基因組、轉錄組、蛋白質組、代謝組等）數據，加強對極端微生物資源數據的系統整合，提高數據標準化、數據可視化水平。

人類在未來載人深空探測和長期地外生存過程中，實時精準感知個體和群體的健康狀態，實現高效的人機交互和智能決策具有重要意義。

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展望

對地球生命特別是極端環境生命的研究是地外生命探測的基石，通過對類地外極端環境下生命生存策略的研究，深化對生命本質和生命邊界的認識，豐富對人的生存模式和生存策略的認識。支撐國家載人航天和深空探測任務，為地外生命探測，地外生存提供基礎性和前瞻性的理論和技術儲備。

中國在相關領域特別是極端微生物領域研究在廣度和深度上有了長足進步，但是研究力量和成果分散，還沒有形成合力。因此，當前需要緊密抓住國家航天強國、海洋強國戰略機遇，充分利用我國有組織科研的經驗和優勢，從戰略高度和長遠角度進行前瞻布局，在重大研究計劃實施、關鍵技術攻關、平臺條件建設等方面加大投入，推動國際合作并積極牽頭主導相關領域國際大科學計劃，提升中國科學家影響力和國際話語權，促進多學科深度交叉融合，打造跨專業的創新研究隊伍，推動原創性科學發現和重大技術突破。

本文作者：李瑩輝、何光軍、丁帥、楊超

作者簡介：李瑩輝，中國航天員科研訓練中心航天醫學全國重點實驗室，研究員，研究方向為航天醫學。

文章來 源 ：李瑩輝, 何光軍, 丁帥, 楊超. 關于開展類地外極端環境下生命現象和規律研究的建議[J]. 科技導報, 2025, 43(8): 27-37 .

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