地球生命特别是极端环境生命为地外生命研究提供了唯一的类比对象。《科技导报》邀请相关领域专家围绕地球上类似地外海洋、类火星等极端环境生命和人的生存模式，探讨了相关研究的科学技术问题和重要研究方向。建议通过多学科深度交叉融合，聚焦类地外极端环境下微生物的多样性和多层次适应机制、机体在极端环境下的代谢模式和生存策略、类地外极端环境生命研究关键共性技术开发等重要研究方向，推动相关领域基于大数据和人工智能的研究范式变革。

人类在宇宙中是否孤独、地外生命是否存在，这是亘古以来的未解之谜，也是人类不懈探索的前沿科学问题。人类能否实现地外生存、实现星际移民和文明拓展，这是人类一直以来的梦想，也是重大的技术挑战。地球上存在不少类似地外行星环境的天然极端环境，它们可能具备与生命起源或特定演化阶段相似的环境特征，因此立足地球，通过对地球生命特别是极端环境生命的认识、研究，可以为地外生命探测提供重要参考。深入研究类似环境下的生命现象和规律，特别是生命生存适应模式和人的生存策略，对地外生命探测和载人深空探测并最终实现人的长期地外生存具有重要而深远的意义。这需要从战略高度进行前瞻布局，在重大研究计划实施、平台条件建设等方面加大投入，促进多学科深度交叉融合，造就一支跨专业创新研究队伍，支撑我国载人航天和深空探测战略任务。

1、类地外极端环境

随着航天技术的进步和深空探测任务的开展，人类对太阳系主要天体都进行了不同程度的探测，地外生命的探测是其中的重要方面。目前认为，火星、土卫二（Enceladus）、土卫六（Titan）、木卫二（Europa）是太阳系内最有可能存在生命的天体。

火星是行星探测的热点之一，1960 年至今，人类已经实施了48次探测活动。我国“天问一号”通过一次任务完成了火星的环绕、着陆和巡视三大目标，迈出了我国深空探测的坚实步伐。火星虽然位于太阳系的潜在宜居带，但是对于地球生命仍是极端环境。研究发现，早期火星表面可能存在液态水活动和适合嗜酸微生物存活的酸性盐湖，现代火星也可能有暂时性的地表水、地下水冰。火星上还可能存在潜在的生物标志物磷酸盐。一系列结果都暗示火星可能存在或曾经存在生命，但是都缺乏直接的证据，未来火星采样返回将为这一问题提供重要线索。

土星、木星的一些冰卫星也是地外生命探测的重点关注对象。其冰层之下可能因潮汐力或放射性衰变的加热作用而存在液态海洋，存在支持生命起源的基本元素，具备生命产生的条件和一定的宜居性。

目前全球已有30多个类比地外天体研究点或环境，我国柴达木盆地也被列为类火星基地。未来也会有更多高寒荒漠、冰川冻土、海洋蓝洞等类地外极端环境被发现。对地球上类似地外环境的类比研究可以为地外生命探测提供新的思路和线索。

极端环境中的主要生命形式是微生物，极端微生物的发现既拓展了生命对物理化学环境的极限适应能力，也拓宽了宜居环境范围和生物圈的行星边界参数。人类探索宇宙、寻找地外生命，除了满足自身好奇心，还有一个重要的目标是实现人的长期地外生存，实现星际移民和地球文明的空间拓展。

2、核心科学技术问题和目标

极端环境生命极其多样，相关的科学问题和研究方向也复杂多样。极端环境下微生物的发现、时空分布和多样性是有关微生物的基本科学问题；极端微生物有何独特生理代谢机制和适应调控；未培养微生物（微生物“暗物质”）如何识别挖掘，极端微生物独特的基因、蛋白和代谢产物等资源如何开发利用；人在星际飞行环境下采用何种生存模式和生存策略，如何实现；如何研究发现积累极端环境下人生理心理多维度变化特征规律、适应等。这一系列问题的解决需要通过生命科学、地球科学、海洋科学、天体生物学等多学科交叉融合，结合大数据、人工智能等新技术手段开展系统性研究。通过极端环境下生命生存模式和生存策略研究，可深化对生命本质和生命边界的认识，丰富对人的适应规律和生存模式的理解，同时有利于支撑国家载人航天和深空探测任务，为地外生命探测特别是人的地外长期、健康生存提供前瞻性的理论指导和技术储备。

3、重要研究方向

极端环境下生命生存策略的研究不仅限于实验室研究，也需深入类极端环境实地，通过原位研究、规范采样、实验室研究、多模态数据处理、模拟仿真等方式的紧密结合。

3.1 类地外海洋环境生命及适应机制研究

地球生命很可能起源于海洋，有些地外天体表面或固体表面以下也可能存在液态水、甲烷或氨等成分的海洋，对地外海洋的探索是地外生命探测、认识生命起源和演化的重要窗口。地球上类似地外海洋的极端环境如深海热液、海洋蓝洞、水岩界面等，被认为可能是生命起源的热点。

研究类地外海洋环境中高丰度微生物的独特生理代谢途径和环境适应性机制。研究微生物之间、微生物与环境相互作用和协同演化。为特定生态系统响应外界环境变化甚至全球气候变化系统研究提供模式，也为地外生存小型生态系统的构建提供参考。

3.2 类火星环境生命及适应机制研究

对地球上与火星过去或现在有类似特征的环境及其生命研究，对评估火星的宜居性、生命信号保存和探测具有重要意义。研究微生物适应类火星综合极端环境的策略和机制。从微生物对环境信号的感知识别、信号转导、基因表达调控、代谢网络重塑等层面揭示其响应机制，特别是从进化角度解析相关组分或代谢途径的演化历程。临近空间生命研究既包括对临近空间生物多样性的发现，也包括将模式生物带入临近空间环境后的响应和适应机制研究。

3.3 类地外极端环境下机体的生存模式和生存策略

在未来载人深空探测中，航天员需要经历长时间、物资缺乏、地外孤独环境下的星际飞行，威胁生理、心理健康，最理想方式是进行低代谢休眠。因此，对人进行可控的低代谢状态的“休眠”很可能是星际飞行的关键技术。国内外基于动物模型开展了一系列研究。然而大部分研究还是基于非灵长类动物，基于灵长类休眠动物的休眠研究可能为人工诱导休眠提供重要线索。合适的动物模型是进行休眠相关研究的重要基础，通过建立并优化能够进行冬眠或“夏日”休眠的动物模型，在研究代谢、体温、呼吸频率、心率以及生物节律等冬眠生理学研究基础上，研究冬眠进入、维持和觉醒的分子机制及代谢调控模式。

休眠与肠道微生物关系是相关领域的重要研究方向。研究肠道微生物在宿主休眠的进入、维持中的作用及其机制有助于从不同角度开发人工诱导冬眠策略。

低代谢及休眠与机体免疫和感染状态的关系也是值得关注的课题。已有研究发现，休眠显著减少白细胞的数量，降低补体水平，影响细胞吞噬能力、细胞因子产生、淋巴细胞增殖和抗体产生，可能会增加感染风险。

低代谢及休眠与抗逆的关系研究（图1）。研究发现，在肿瘤化疗过程中，癌细胞的耐药和复发很可能和癌细胞休眠密切相关。针对休眠癌细胞的控制可能为癌症治疗提供新的思路。从某种意义上说，药物处理对细胞是一种胁迫压力环境，休眠是对抗胁迫环境的一种有效生存策略。而在机体水平上，低代谢及休眠是否可以提高抗逆性（如抗微重力或空间辐射）是一个值得关注的问题。

图1 类地外极端环境下生命现象和规律研究方向

3.4 类地外极端环境生命研究关键共性技术和平台

极端环境生命研究需要科学与技术的紧密结合。由于生存环境的特殊性，相关研究需要适应极端环境的微生物保真采样技术、原位观测分析技术和现代微生物检测分析技术等一系列关键共性技术的支撑。同时有必要在一些关键典型的区域建立野外观测站，进行长时间的系统观测。

围绕原位观测探测技术，特别是在拉曼、荧光、质谱、色谱等常用原位检测技术基础上，开发高灵敏度、高稳定性，适应特定极端环境的原位探测和分析技术。结合深度学习和生物特征识别等人工智能技术，实现原位生物过程、化学过程等数据的多参数、长时程获取，为后续地外天体原位探测和采样返回提供技术储备。选择若干典型类地外极端环境，开发类地外环境原位研究装置，实现集环境监测、评价、预警信息化一体化平台，进行长时间、系统性的环境及生物多样性监测研究，积累和丰富基础性检测数据。

微生物暗物质资源挖掘。极端环境中存在大量未培养微生物，利用宏基因组技术获得的海量基因组数据，需要开发准确高效的序列分析算法，识别微生物物种和遗传的多样性、识别新的基因和潜在功能。

集成不同极端环境下的样本、环境参数和实验（基因组、转录组、蛋白质组、代谢组等）数据，加强对极端微生物资源数据的系统整合，提高数据标准化、数据可视化水平。

人类在未来载人深空探测和长期地外生存过程中，实时精准感知个体和群体的健康状态，实现高效的人机交互和智能决策具有重要意义。

4、展望

对地球生命特别是极端环境生命的研究是地外生命探测的基石，通过对类地外极端环境下生命生存策略的研究，深化对生命本质和生命边界的认识，丰富对人的生存模式和生存策略的认识。支撑国家载人航天和深空探测任务，为地外生命探测，地外生存提供基础性和前瞻性的理论和技术储备。

中国在相关领域特别是极端微生物领域研究在广度和深度上有了长足进步，但是研究力量和成果分散，还没有形成合力。因此，当前需要紧密抓住国家航天强国、海洋强国战略机遇，充分利用我国有组织科研的经验和优势，从战略高度和长远角度进行前瞻布局，在重大研究计划实施、关键技术攻关、平台条件建设等方面加大投入，推动国际合作并积极牵头主导相关领域国际大科学计划，提升中国科学家影响力和国际话语权，促进多学科深度交叉融合，打造跨专业的创新研究队伍，推动原创性科学发现和重大技术突破。

本文作者：李莹辉、何光军、丁帅、杨超

作者简介：李莹辉，中国航天员科研训练中心航天医学全国重点实验室，研究员，研究方向为航天医学。

文章来源：李莹辉, 何光军, 丁帅, 杨超. 关于开展类地外极端环境下生命现象和规律研究的建议[J]. 科技导报, 2025, 43(8): 27-37.