國際空間站並非“世外桃源”:那些太空中的傳染病
2020年03月28日09:36

  來源:科普中央廚房 | 北京科技報

  新媒體編輯/陳炫之撰文/記者 劉辛味 圖文編輯/陳永傑

  地球新冠病毒肆虐,國際空間站會不會是“世外桃源”?那裡是否曾有傳染病爆發?人類把病原體帶入過太空嗎?又帶回來什麼?

▲國際空間站(圖源:NASA Johnson)
▲國際空間站(圖源:NASA Johnson)

  如果問在新冠疫情期間哪裡最安全,你心中肯定有答案,就是我們自己家中!有人則給出了另一個答案:國際空間站(ISS)。

  這個在我們頭頂400公里處環繞的巨大機器可能會被當成一個避難所。但是,有一個前提是宇航員不要帶病原體上去。

  美國國家航空航天局(NASA)表示,所有宇航員在進入太空艙之前都進行了兩週的隔離,他們要保持健康穩定狀態,另外對物資和實驗設備也採取了嚴格的消毒措施。但是,那樣狹小的空間里非常適合傳播疾病,航天史上是否存在過傳染病爆發?人類把病原體帶入過太空嗎?

  一場感冒引發的“叛變”

  宇航員夜以繼日的訓練就為了抵抗失重的影響,保持健康,他們可能算是地球上最健康的一類人。可在太空中,航天員會患上各種疾病,那是否也會出現傳染病?如果把感冒算上,答案是肯定的。

  1968年10月11日,美國的阿波羅7號登空,這是阿波羅計劃首次載人飛行任務。阿波羅1號曾因火災導致3名宇航員喪生,此後NASA便致力於改進安全性能,發射多次無人飛行任務,而本次測試相當於登月的試飛,需要測試登月艙對接系統。在當時的國際背景下,為期11天的環繞地球飛行無疑是一趟重振信心之旅。

▲從阿波羅7號看到土星火箭二階段(圖源:Sen-spaceTV)
▲從阿波羅7號看到土星火箭二階段(圖源:Sen-spaceTV)

  三位宇航員施艾拉(Wally Schirra)、埃斯利(Donn F。 Eisele)和坎寧安(Walter Cunningham)完成了任務,過程卻並不順利,整個飛行過程小問題不斷,包括對接點火時的震動,命令模塊的工程故障,燃料電池系統問題等等,但這些都不算是嚴重的問題。意料之外的是,指揮長施艾拉遭遇了感冒,這次感冒讓整個旅途變得更加困難。

  指令長施艾拉是NASA資深人物,是唯一參加過水星計劃(美國首個載人航天計劃)、雙子座計劃和阿波羅計劃三項載人航天計劃的宇航員,美國登入太空第五人。然而就是這位經驗豐富的老將,又獲得了一個第一——美國首例在太空感冒的宇航員。太空中,病原體並不會輕易附著在物體表面上而是懸浮在空氣中,在狹小的艙室內,施艾拉的感冒傳染給了另外兩位航天員。儘管後來他們回憶的說法各不相同,可以肯定的是施艾拉的症狀最為嚴重。

▲感冒中的施艾拉,他後來還給當時用鼻藥Actifed代言推銷(圖源:NASA)
▲感冒中的施艾拉,他後來還給當時用鼻藥Actifed代言推銷(圖源:NASA)

  坎寧安回憶說,“我們溫馨的小飛船很快就變成了一個用過的紙巾盒”。艙內到處都是用過的紙巾,以至於讓他想到是否會因為紙巾問題而取消任務。

  由於航天員處於失重狀態,鼻涕堆積在鼻腔內,不能順利排出,他們只能忍著耳膜的痛苦用力去擤,除此之外唯一能做的就是吃藥,最後把提前準備的阿司匹林和鼻減充血劑都用光了。再加之本身在太空中的生理問題,這場普通的小感冒讓施艾拉疲憊不堪。

  難受的身體與高強度的工作讓訓練有素的施艾拉心態炸了。雖然本次飛行的主要目的是飛行測試,但還是有很多科學實驗需要進行。作為指揮長,施艾拉要負責高難度飛行操作。他本人對攜帶的科學試驗並不感興趣,只是按照時間計劃進行。可是地面工作人員不斷地提出新要求,讓施艾拉變得十分暴躁,甚至對地面負責人說“去死吧”。

▲1968年10月14日阿波羅7號成員進行歷史首次太空直播(圖片來自網絡)
▲1968年10月14日阿波羅7號成員進行歷史首次太空直播(圖片來自網絡)

  阿波羅7號首次進行了電視直播,當施艾拉接到命令開啟視通話時,他拒絕了,“我們沒配置好……還沒吃飯……我感冒了,我拒絕這樣弄亂時間表”。其實他只需要接通信號,打開開關就行了。更嚴重的違反命令是準備飛回地球時,機組人員被要求返回時穿壓力服和頭盔,以防突然失去壓力。施艾拉則擔心鼻塞會導致耳膜破裂,決定不帶頭盔。經過激烈的爭論後,最終施艾拉贏得“戰鬥”,不帶頭盔順利返回地球。

  在宇宙航行並非電影情節,可以想像如果宇航員胡亂操作會發生什麼結果,更何況三人都是軍人。之後有些人把這次行動稱之為叛變。拋開感冒,這本身一次完美的任務,卻最終成為了他們最後一次太空之旅,也成為唯一沒有獲得NASA最高榮譽“傑出服務獎章”的任務組,直到40年後才給他們補發,而此時施艾拉和埃斯利已經去世。

▲阿波羅7號任務成員,左起埃斯利(Donn F。 Eisele),施艾拉(Wally Schirra)坎寧安(Walter Cunningham)(圖源:NASA)
▲阿波羅7號任務成員,左起埃斯利(Donn F。 Eisele),施艾拉(Wally Schirra)坎寧安(Walter Cunningham)(圖源:NASA)

  至於施艾拉的病因,NASA並未找到真正的病原體。坎寧安的回憶是,他們在發射前3天進行了一次戶外獵鳥之行,一場寒雨讓他患上感冒,但在發射時已經沒有了症狀,就正常上天了。

  為了降低地球病原體的影響,太空機構在上世紀70年代起開始實施發射前醫學隔離。NASA指導方針規定,宇航員進入一個特定的設施內隔離7天,進行詳細的身體檢查。發射場相關工作人員也要進行隔離。後來還有學者提出了修改意見,隔離天數延長到14天。事實上,最令航天醫生擔心的就是感冒或流感這樣的日常疾病,美國宇航局約翰遜航天中心的醫生Robert Mulcahy說,“我們不希望像感冒之類的疾病影響機組人員的操作,尤其是在發射、對接操作等關鍵時期。”

  搭便車上天的微生物

  微生物無處不在,在人體內的數量也遠大於正常細胞,它們會搭便車進入太空,這些與人類相安無事的微生物是否會在此時影響人體?現已發現人體免疫系統在太空飛行時會變得脆弱,而有些微生物卻生龍活虎,因此科學家在尋求這一問題的答案,而歷史經驗告訴我們不可小覷這些微生物。

  1970年,NASA發射了阿波羅13號,這個在西方看來不吉利的編號著實命途多舛。在返回時,由於缺水,宇航員海斯(Fred Haise)患上了嚴重的尿路感染,後來發現病因是銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)感染。當然,要問缺水的原因,宇航員的細菌感染或許都不值得一提:在奔向月球的過程中服務艙發生了爆炸。

▲銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)(圖源:CDC)
▲銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)(圖源:CDC)

  這次任務還差點把風疹病毒帶上去,發射前,任務成員馬丁利(Ken Mattingly)接觸過風疹患者,儘管馬丁利堅持認為自己沒傳染,他還是被斯威格特(Jack Swigert)替換。幸運的是,服務艙駕駛員斯威格特被認為是所有航天員中最懂命令程式的,在地面任務組的配合下,他們最終平安回到地球。

  事實上,海斯的感染並不是孤例,被自身攜帶或環境內細菌感染的例子在美蘇宇航員中都出現過,所以對帶入太空的微生物進行檢測成了航天工程中的重要組成部分。

  科學家也不會浪費太空這樣特殊的試驗場,把微生物主動送上太空研究培養。最早的一批試驗品可以追溯到1960年,蘇聯發射了一顆攜帶大腸杆菌、葡萄球菌和產氣腸杆菌的衛星,他們首先證明了細菌可以在微重力和宇宙輻射條件下生存。之後的幾十年里,超過百種微生物進入太空或模擬微重力實驗室,科學家研究它們的形態、生長速率、代謝、毒性、耐藥性以及基因表達等等。

  其中自然少不了銅綠假單胞菌。2011年,亞利桑那州立大學While Nickerson團隊發現銅綠假單胞菌和沙門氏菌在太空飛行狀態下具有相同的調節機製。這是兩種截然不同的常見細菌,沙門氏菌會引發傷寒和腹瀉(非傷寒型血清);銅綠假單胞菌平時安分的生活在健康人體內,在免疫系統受損時則會引起嚴重的疾病。

  太空中低流體剪切力的情況下,環境與體自然感染所需關鍵條件相似,便使細菌更容易感染。他們的研究不僅意味著更加瞭解微生物致病原因,保護未來的宇航員,也可能會給地球病菌的治療提供新方法。

▲亞特蘭蒂斯號宇航員Heidemarie M。 Stefanyshyn-Pipe在太空中操作實驗,這次旅途發現沙門氏菌在太空中毒性增強。(圖源:NASA)
▲亞特蘭蒂斯號宇航員Heidemarie M。 Stefanyshyn-Pipe在太空中操作實驗,這次旅途發現沙門氏菌在太空中毒性增強。(圖源:NASA)

  除了人體內的細菌,航天器內還有一批常住居民,它們從航天器建設起就已經存在,以及從地球大氣帶出來的,存在於航天器外表面。航天器內封閉且合適的溫度、濕度的環境讓它們更易繁殖。

  2019年,科學家把國際空間站的微生物進行了編目,發現了其組成與存在於地球公共環境內的微生物組成相似。雖然研究尚未能證實這些環境微生物能否對航天員產生影響,但它們對航天器材料的影響是實打實的。某些微生物生長繁殖的代謝產物和生物膜會腐蝕材料,例如真菌繁殖造成電路板元器件短路,破壞材料安全性能等,甚至會縮短航天器壽命。

  為瞭解決這些問題,一方面微生物學家研究如何遏製源頭,以及控製它們在環境內的流動,另一方面材料學家在研發新型的抗菌材料。

▲監測國際空間中的微生物(圖源:NASA)
▲監測國際空間中的微生物(圖源:NASA)

  當然,我們不能都認為這些微生物有潛在危害,空間微生物的研究已經體現了它們服務於人類的潛力,比如乳酸菌在內的多種細菌在食品、製藥等工業上顯示出了良好的前景,或許它們對人類未來離開地球起到重要作用。

  從宇宙帶回來未知病毒?

  航天員上天前進行了隔離是怕他們把病原體帶上去,而從太空回來後也要隔離,主要目的是是為了身體恢復,監測身體狀態。但在50多年前,NASA科學家擔心:從月球會不會帶回未知的病原體,引發月球瘟疫大流行?

  NASA生物醫學研究和環境科學部主任Judith Hayes表示,“一開始,NASA認為他們只需要一個潔淨室,以便處理月球樣品的包裝。後來才認真考慮(病原體),儘管我認為大多數科學家並不認為存在危險”。

  上世紀60年代,正是疫苗發展的黃金時期,脊灰、麻疹等疫苗的出現讓人們的非常樂觀,許多人認為戰勝所有傳染病指日可待,但NASA還是仔細考慮了未知病原體的風險。

  科學家認為儘管出現未知病毒的概率極低,一旦出現爆發流行的概率卻很高,可又沒有任何相應的公共衛生經驗,他們只能選擇最原始也最有效的方法——隔離,NASA設定了21天的隔離時間,從關閉登月艙門返回地球開始計算。

▲阿波羅11號三位宇航員和一位工作人員從返回艙出來(圖源:NASA)
▲阿波羅11號三位宇航員和一位工作人員從返回艙出來(圖源:NASA)

  阿波羅11號的三位宇航員阿姆斯特朗(Neil Armstrong),柯林斯(Michael Collins)和奧爾德林(Buzz Aldrin)在發射前就進行了三週的隔離。如果真帶回來病毒,可以確保它來自月球。

  返回後的隔離對幾位宇航員來說成為了一段趣事。1969年7月24日,返回艙降落在太平洋。穿著隔離服的救援人員打開艙門給三位人類英雄送上了同款隔離服。

  柯林斯後來回憶,一開門,“所有該死的細菌都出來了!” 隨後他們在救生筏中進行了消毒,還把用過的東西扔進了海里,奧爾德林還想,這些細菌能在大洋海底生存嗎?接著他們被直升機送到航母上,進入移動隔離設施(MQF)——NASA與汽車公司特別改裝的一輛拖車,在裡面接受了當時美國總統尼克遜的接見。

  最後整套設施通過運輸機運送到了NASA總部特別準備的實驗室(LRL),這裏可以與MQF相連,各種生活設施齊全,用於研究宇航員帶回來的月球岩石樣本。與三位宇航員一起隔離的還有十幾名工作人員,他們只在操作樣本時進行了武裝,絕大多數人都不會認為有問題。

▲阿波羅11號三位宇航員在MQF內與尼克遜交流(圖源:NASA)
▲阿波羅11號三位宇航員在MQF內與尼克遜交流(圖源:NASA)

  已年過九旬的奧爾德林最近被問到了新冠疫情期間的隔離之法,回憶了當年往事,他笑著說:“我們看到了地板上有個裂縫,螞蟻爬進爬出”——這意味著微生物也能進出。

  科研人員緊鑼密鼓的進行檢疫操作,把各種地球上的生物靠近月球岩石,包括小鼠、昆蟲、植物等,再檢測它們是否有新出現的感染。他們一起還順便慶祝了阿姆斯特朗的39歲生日,最終在一片祥和氛圍下結束了隔離生活——並沒有未知危險。這樣的隔離措施持續到了阿波羅14號,之後NASA科學家認為不會有月球微生物的影響,取消了嚴格的流程。

▲研究月球物質對植物影響(圖源:NASA)
▲研究月球物質對植物影響(圖源:NASA)
▲阿姆斯特朗在隔離時過生日(圖源:NASA)
▲阿姆斯特朗在隔離時過生日(圖源:NASA)

  然而,民間一直流傳著月球細菌的傳說——阿波羅12號的航天員在月球上回收了之前發射航天器設備,帶回進行科學檢查,最終在一台攝像機上發現了鏈球菌。它們真的是月球細菌嗎?直到2011年,一個NASA聯合團隊才給出了可信的解答:他們通過回顧歷史錄像,發現這些細菌是由於不規範的操作和不衛生的實驗室所汙染的。

  總之,我們目前還沒有把病毒傳播到太空,也沒有從太空帶回未知病毒,宇航員的感染與之間的傳播相對罕見事件。面對在太空中的疾病,現在已經建立起一套相對完善的應對策略。

  但是,人類未來會探索火星和更遙遠的宇宙,必然會經曆長期的太空旅行,面對更多的未知的風險。尤其在太空傳染病這一方面,正如科幻故事一樣,有一天也可能在人類殖民太空的過程中爆發的COVID-XXX,期待有科學家說找出了對抗方法,然後說:

  “這是我個人研究的一小步,卻是人類對抗病毒的一大步。”

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