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[[2012年]][[4月1日]]から[[2014年]][[3月22日]]まで[[讀賣テレビ放送|読売テレビ]]・[[日本テレビネットワーク協議会|日本テレビ系列]](NNS加盟29局)にて放送された。全99話。同局で青年誌の漫画を原作としたアニメが全国ネットで放送されるのは、『[[バケツでごはん]]』以来約16年振りである。開始から1年間は早朝に、その後も夕方に放送されているため、原作にある大人向けの表現は抑えられている。
 
原作では実在の日本人宇宙飛行士に相当する人物がよく似た名前(例:[[毛利衛]]→毛莉、[[野口聡一]]→野淵)に変更され登場していたが、アニメ版ではJAXAが協力しているため実名が使われている<ref group="注">番組音声字幕で確認できる。</ref>。第13話、第26話では、[[野口聡一]]が本人役のゲスト声優として出演し、第26話では野口聡一の他、[[若田光一]]と[[星出彰彦]]が声は無いが面接官として登場している。また、2012年9月には史上初の試みとして、星出が[[国際宇宙ステーション]]滞在中に本人役の声優としてアフレコを行い<ref>{{Cite news |date=2012-07-13 |url=http://www.yomiuri.co.jp/entertainment/news/20120713-OYT1T01065.htm |title=星出さん、ISSから「宇宙兄弟」声優に挑戦へ |publisher=読売新聞社 |work=YOMIURI ONLINE |accessdate=2012-07-13}}</ref>、第31話で放送された。第37話では、[[2012年ロンドンオリンピック (2012年) 日本選手団|ロンドンオリンピック柔道女子48kg級日本代表]]の[[福見友子]]が溝口の同級生役で出演した。その後第45話ではジャズシンガーの[[綾戸智恵]]が小町ミチコ役で3週続けて出演し、また、本作の原作者の漫画家小山宙哉も第45話で劇中のテレビ番組の芸人役でゲスト出演している{{Refnest|group="注"|アフレコを見学していた小山が、声優に芸人の一発ギャグの演技指導をしたところ、監督の判断で小山がそのまま実際に演じることが決まった<ref>{{Cite news |date=2013-02-08 |url=http://www.nikkansports.com/entertainment/news/f-et-tp0-20130208-1082502.html |title=「宇宙兄弟」作者小山宙哉さんが声優挑戦 |publisher=日刊スポーツ |work=nikkansports.com |accessdate=2013-03-17}}</ref>。}}。
それとは逆に、[[版権]]が関わりそうな固有名詞([[アジアの純真|原作第1話で出たPUFFYの曲]]、「[[セガール]]映画」など)は、ほとんどが別のものに置き換えられるか出番を省略されるかしている。