一個在太空,一個在地球,雙胞胎宇航員生理比對
2019年04月12日09:47

  “不要溫和地走進那個良夜”——狄蘭·托馬斯

  昨天,首張黑洞照片的問世,讓居於太陽系第三顆行星上的人類將目光聚焦浩瀚太空。今日,最新一期《科學》雜誌的封面研究,則為人類飛往群星閃耀之處,帶來了生物學層面的最新洞見。通過比對兩名雙胞胎宇航員分別來自地球和太空的生理數據,我們第一次知道,長期生活在宇宙中,會給人體帶來怎樣的變化和影響。

一個在太空,一個在地球
一個在太空,一個在地球

  我們的征途是星辰大海。誕生於地球的人類,從未甘願在數十億年後隨太陽系的衰退而滅絕。在我們心中,早就把未來的家園,投向那無人的深空。

  隨著太空旅行技術的發展,月球之外,火星成為了人類近年期望登陸的又一顆天體。樂觀者估計,到2035年,我們將啟動火星登陸計劃。然而,遙遠的距離讓這場征途註定不會輕鬆。迄今為止,只有559名人類曾離開母星,前往太空。其中,在太空生活超過300天以上的人類只有8位,屈指可數。關於星際長途飛行給人類帶來的影響,我們還知之甚少。

▲馬克·凱利(左)與斯考特·凱利(右)兄弟(圖片來源:NASA / Robert Markowitz)
▲馬克·凱利(左)與斯考特·凱利(右)兄弟(圖片來源:NASA / Robert Markowitz)

  美國同卵雙胞胎宇航員馬克·凱利(Mark Kelly)與斯考特·凱利(Scott Kelly)成為了人類獲取新知的突破口。這對兄弟在2015年接受了一項特殊的科研任務——斯考特將前往太空,在國際空間站上工作一年。與此同時,馬克將駐留地球,作為對照。

  主導這項研究的科學家們想要知道,在太空生活一年,究竟會給人體帶來怎樣的影響。

  20頁《科學》論文

  我們知道,太空生活理應會給宇航員帶來諸多變化:失重環境與地球上的生活截然不同、狹窄封閉的空間容易給宇航員帶來壓力、太空中的電離輻射也將穿透飛船的金屬外殼,潛在影響人體。但具體的研究和數據其實還相當不足。

▲狹小的居住環境也會給宇航員帶來壓力(圖片來源:NASA)
▲狹小的居住環境也會給宇航員帶來壓力(圖片來源:NASA)

  為了深入理解這些變化,NASA的人類研究項目組彙集了12所大學的80多名科學家,設計了10大研究專題,涵蓋了生化水平、認知能力、表觀遺傳學、基因表達、免疫系統、代謝能力、微生物組、蛋白質組、生理學、以及端粒長度等多個維度。除了在兩位雙胞胎宇航員之間作比較,研究人員們還在斯考特前往太空的前後收集了大量樣本和數據,與在太空期間的數據進行比對,進行整合分析。

  斯考特在2016年3月回到了地球,大規模的分析也就此展開。3年後的今天,這些分析結果發表在了頂尖學術期刊《科學》雜誌上,長達20頁。從中,我們發現了一些不可思議的變化。

  並不溫和的良夜

  研究論文指出,長期生活在太空環境下,在分子、生理、以及行為上都給宇航員帶來了不少改變。根據潛在的風險,這些變化又可以被分為三檔。

  第一檔被歸為“低風險”,其中主要的變化來自腸道菌群。在人體內,超過90%的腸道菌群來自厚壁菌(Firmicutes)和擬杆菌(Bacteroidetes)。通過比對,研究人員們發現斯考特的腸道菌群中,這兩類細菌的比例出現了明顯的變化——厚壁菌變得更多,而擬杆菌數量則有所降低。當他回到地球後,兩者之間的比例才逐漸恢復正常。

  對此,研究人員們並沒有一個很好的解釋:畢竟失重環境、宇航員特殊食物、電離輻射、生物鍾紊亂等種種原因,都有可能導致這一現象。此外,研究人員們也無從判斷,這種腸道菌群比例的變化,究竟對人體是有益還是有害。

▲本研究的設計(圖片來源:參考資料[1])
▲本研究的設計(圖片來源:參考資料[1])

  研究人員們將心血管的變化歸為“中等風險”。由於失重現象,宇航員體內的體液分佈與在地球上有很大的不同,這會影響到血管的生理。具體來說,斯考特的頸動脈出現擴張,而頸動脈壁的最內兩層出現增厚,這可能與潛在的心腦血管疾病相關。頸動脈外,他的視網膜脈管系統也出現了一定的異常變化,可能會幹擾到他的視力。

  對基因組的顯著影響

  在這項研究里,太空生活對基因組的顯著影響無疑最為人所關注,相應的變化也被列為了“高風險”。首先,研究人員們觀察到,斯考特一些細胞里的染色體出現了異常變化——他體內的一些染色體片段發生了倒置,這可能是高能宇宙粒子穿過細胞所造成的破壞。研究人員們評估,要造成這樣的損傷,大約等同於在地球上接受長達50年的背景輻射。而在太空,短短1年的生活就會造成這樣的後果。

▲斯考特染色體中出現了倒置和易位等變異 (圖片來源:參考資料[1])
▲斯考特染色體中出現了倒置和易位等變異 (圖片來源:參考資料[1])

  另外,研究人員們還發現,斯考特的端粒長度也發生了明顯的變化。在太空期間,他的端粒出現了明顯的延長。一般來說,端粒的長度與壽命有著關聯。這雖然可能會延長他的壽命,但同時也會增加癌症的風險。要知道,許多細胞癌變的第一步,就是延長端粒,讓細胞永生。

  而當斯考特回到地球後,端粒延長的效果很快就消失了。在地球上,人們發現他的端粒出現了“加速縮短”的現象。相比上太空之前,斯考特的端粒在回到地球後,縮短得實在太多。研究人員稱,這將他置於“加速衰老”的風險之中。

▲斯考特的太空生活給他的生理帶來了明顯變化(圖片來源:NASA)
▲斯考特的太空生活給他的生理帶來了明顯變化(圖片來源:NASA)

  這些變化也影響到了斯考特體內的基因表達狀況。嚴格意義上說,基因表達會受環境和生活方式的影響,因此“發生變化”本身並不應該那麼令人驚訝。但研究人員們還是被斯考特基因表達變化的數量之多所震驚了。分析表明,這些變化很多來自線粒體的基因,這可能反映了能量代謝上所出現的變化。此外,免疫系統中的一些基因表達也出現了變化,但總體而言,斯考特的免疫系統一切正常。同樣,回到地球之後,大約90%的變化逐漸消失,回歸正常。

  星際公民

  正如許多研究人員們所指出的那樣,這些研究的結論看似並不明確:我們知道有人上了太空,我們知道他的生理狀況發生了變化。但很多時候,我們不知道這些變化究竟是好是壞。此外,宇航員回到重力環境後會出現大量應激反應,地面上的後續媒體採訪和其他科研任務也同樣並不輕鬆,這可能會影響到斯考特的生理狀況,從而給研究結論帶來一些干擾。

  但需要指出的是,這是人類第一次如此詳盡對長期太空生活造成的影響做深入分析和評估,同卵雙胞胎的身份更讓這項研究的意義非凡。群星閃耀的彼岸,我們終究將成為星際公民。“這項研究對於人類而言,邁出的遠不止一小步”,《科學》雜誌專文評述的最後這樣說道。

  來源:學術經緯

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