雙胞胎研究

隨著SpaceX載人航天的持續(xù)成功，人們逐漸開始相信，馬斯克的“移民火星夢”是正在發(fā)生的歷史。

只是去往太空，遠(yuǎn)不止把人類安全送離地球。離開了地球的生物和重力環(huán)境，人類的身體會在太空中發(fā)生怎樣的變化？如何保證長期深空旅行中身體的健康？這些都有待航天生物學(xué)解答。

由此帶來的第一個問題就是“樣本”。目前，只有不到600個人去過太空，人類單次停留在太空中的時間記錄是437天，由俄羅斯宇航員瓦列里波利亞科夫保持。

這些也是最昂貴的樣本。要將生物和實驗設(shè)備送進(jìn)太空，成本大約是每千克1萬美元。

一份最特別的“樣本”來自Scott Kelly和他的雙胞胎弟弟Mark Kelly。在 NASA的“雙胞胎”實驗中，哥哥Kelly在太空中漂浮近一年，弟弟則在地球上如常生活，以此收集兩人的生命數(shù)據(jù)做對比分析。

最近，Cell及旗下期刊發(fā)表了包括兩兄弟數(shù)據(jù)分析的一系列“航天生物學(xué)”文章，這也是有史以來最大規(guī)模的研究。這也僅僅是一個開始，科學(xué)家知道應(yīng)該關(guān)注人類身體在太空中的哪些變化。

雙胞胎實驗，n=1

“我總是覺得我在太空中待的時間越長，我感覺就越好，我從來沒有感覺完全正常過?！?015年3月27日，Scott乘坐俄羅斯火箭從哈薩克斯坦的沙漠草原駛向太空。隨后他在空間站生活了340天，成為在太空中停留時間最長的美國人。

他的同卵雙胞胎弟弟Mark也是經(jīng)驗豐富的宇航員，曾經(jīng)有過4此航天飛機(jī)的飛行經(jīng)驗，在近地軌道的累計飛行時間為54天。

在距離地球不到400公里的近地軌道上，空間站帶著Scott每90分鐘繞地球一圈。與大多數(shù)通訊衛(wèi)星一樣，國際空間站在距離地球表面319.6千米到346.9千米的軌道上運行。近地軌道屬于艾倫輻射帶，由近層宇宙空間中包圍著地球的大量帶電粒子聚集而成。這些粒子的主要是被地球磁場俘獲的太陽風(fēng)粒子。

在這340天的環(huán)地球旅行中，Scott 1/3的時間用來做實驗，除了采集自己的血液、糞便、唾液外，他還要給在太空中的小鼠抽血、照X光，以用來研究太空環(huán)境中對動物眼睛損傷、骨質(zhì)流失、肌肉萎縮的影響。

這些變化，也發(fā)生在和小鼠同樣作為實驗對象的Scott身上。因此，在遠(yuǎn)離地球的太空中，Scott會對小鼠生出特殊的共鳴之情。在太空中微重力和輻射環(huán)境下，人體的免疫系統(tǒng)會受損，眼睛變形，肌肉和骨量也會減少。

許多宇航員都簽署了美國宇航員健康追蹤研究（LSAH）。但是他和弟弟則提供了一次千載難逢的機(jī)會，NASA將以他們的研究專門立項，叫做“雙胞胎研究”，兩人的基因相似性為科學(xué)家提供了一個理想對照組。

退休的宇航員 Scott Kelly（右）和他的雙胞胎兄弟

這個樣本數(shù)有且僅有1的研究，首次讓科學(xué)家得以應(yīng)用基因組學(xué)的方式來評估太空中人體的潛在風(fēng)險。NASA希望盡可能地使用昂貴且稀缺的樣本，從全國各地調(diào)集了84名來自12所大學(xué)的研究人員共同研究。

由于組織上以及宇航員安全的考慮，科學(xué)家們獲準(zhǔn)從Scott身上抽取的血液比一個兒童住院期間抽取的血液量還要少。而研究人員必須想辦法通過一個樣本來進(jìn)行有效研究。

研究人員利用這些樣本進(jìn)行了10項獨立的研究，涉及長期航天飛行的分子、生理和認(rèn)知效應(yīng)。這些數(shù)據(jù)最終表明，即使最健康的人體，在太空任務(wù)中也會面臨巨大壓力；不過人類也展現(xiàn)出了強(qiáng)大的適應(yīng)能力，Scott的基因表達(dá)水平在著陸后六個月內(nèi)91.3%恢復(fù)到正常。

太空環(huán)境的危害及影響

研究人員強(qiáng)調(diào)，由于樣本量之少，無法做出因果推斷，雙胞胎研究的意義在于為未來的研究“生成假設(shè)與定義框架”。

不過在國際空間站上，Scott仍然一定程度上受到地球磁場的保護(hù)，可以免受宇宙射線的傷害。而未來的火星任務(wù)將使宇航暴漏在更高水平的宇宙輻射中。

太空環(huán)境有 5大危害

“我明白，草聞起來很香，風(fēng)的感覺令人驚訝，而雨是個奇跡。在我的余生里，我會努力記住，這些平常的事情是多么神奇?！庇陱奶炜章涞降孛?，是因為地球的重力。經(jīng)歷了長期太空旅程的Scott，懂得了重力的珍貴。

微重力環(huán)境給Scott身體帶來的最明顯變化是航天相關(guān)神經(jīng)眼綜合征。這是由于血液不再通過重力吸引到腿上，而是聚集在頭上，導(dǎo)致眼部結(jié)構(gòu)突出。

Scott說“隨著時間的推移，你的身體會適應(yīng)它，但以我的經(jīng)驗來看，它永遠(yuǎn)不會完全適應(yīng)。我總是感到頭腦里有壓力。”

與之對應(yīng)，回到地球后，血液重新聚集到腿上，他的身體也花了幾個月的時間適應(yīng)地心引力。皮膚不適應(yīng)地心引力，導(dǎo)致出現(xiàn)了皮疹和蕁麻疹。只要受到壓力，皮膚就會有癥狀，甚至倚靠在桌子上也會有反應(yīng)。

此次Cell發(fā)表的一篇綜述文章，評析了包括Scott在內(nèi)56位進(jìn)入太空的宇航員的身體變化。

太空環(huán)境會從5個方面帶來危害。

太空輻射：空間輻射環(huán)境包括太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射時釋放的高能太陽粒子，以及 由 電 子 和 正 電 子（ 2 % ） 、 質(zhì) 子（85%）、氦核（12%）和高能高電荷粒子（1%）組成的高能宇宙輻射線（GCRs）。

Scott 在空間站給自己抽血

長期接觸GCR，特別是HZE顆粒，由于其電離性、高穿透性和高能量沉積，對健康的影響尤其值得關(guān)注。

在國際空間站上，宇航員受到地球磁場的部分保護(hù)，但仍然暴露在平均劑量為每年100-200毫西弗特（mSv）的輻射下，而專業(yè)輻射工作人員每年的輻射量上限則為每年50mSv。

微重力環(huán)境：人類在地心引力的環(huán)境下演化至今天，而微重力的環(huán)境會帶來異常的生理反應(yīng)。包括體液向上移動到頭部和胸部，導(dǎo)致下肢體積減少和代償性心血管系統(tǒng)變化。

骨骼和肌肉不再經(jīng)歷重力負(fù)荷，這會帶來骨流失和肌肉萎縮。長期的微重力加上其他空間環(huán)境危害的協(xié)同效應(yīng)，可能會加劇航天員進(jìn)行長期飛行任務(wù)時的復(fù)雜健康問題。

而在進(jìn)入和離開大氣層的過渡期內(nèi)，又會帶來3倍～6倍的重力，會使人體系統(tǒng)承受壓力。

限制與隔離：深空旅行讓宇航員長時間隔離在一個有限的尺寸的航天器。物理和社會隔離，以及空前的距離，將可能增加心理、行為和生理健康的風(fēng)險。模擬環(huán)境研究已經(jīng)證明這可能導(dǎo)致包括海馬體受損在內(nèi)的神經(jīng)功能缺陷，并且增加焦慮，還可能直接導(dǎo)致免疫系統(tǒng)失調(diào)。

敵對和封閉的環(huán)境：長時間在宇宙飛船中居住給宇航員的健康帶來了一個生物上不利和封閉的環(huán)境。在航天器中居住，必須監(jiān)測溫度、空氣質(zhì)量、微生物居民、壓力、照明和噪音。

Cell 航天生物學(xué)專題系列

持續(xù)的噪音、高濃度的二氧化碳和有限的微生物生態(tài)系統(tǒng)共同影響心血管、神經(jīng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)的健康。例如，環(huán)境噪音水平已被證明會導(dǎo)致心血管損傷、睡眠障礙和認(rèn)知缺陷。

遠(yuǎn)離地球：遠(yuǎn)離地球可能本身就會帶來危險，這可能會引起心理壓力和破壞團(tuán)隊的動力。由于通信延遲、機(jī)上醫(yī)療能力有限，以及在低地軌道以外的任務(wù)期間沒有迅速撤離或立即救援，距離地球的距離將限制醫(yī)療救治選擇和其他設(shè)備能力。

飛向太空，還需要航天生物學(xué)

環(huán)境中的危害，會給宇航員身體帶來六種變化。包括氧化應(yīng)激（體內(nèi)細(xì)胞的自由基累積過多 ) 、DNA損傷、線粒體功能障礙、基因調(diào)控變化、端粒 （位于染色體末端，隨著年齡的增長變短 ) 長度變化，腸道微生物變化。

這其中，讓科學(xué)家最為驚訝的線粒體功能障礙。線粒體在細(xì)胞組成，以及維持細(xì)胞功能所需的化學(xué)能量方面起著關(guān)鍵作用。研究人員在數(shù)十名宇航員身上發(fā)現(xiàn)了線粒體功能異常。

在新基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的幫助下，科學(xué)家能夠大致地描述這些變化。研究者認(rèn)為，線粒體功能障礙表明了宇航員在太空中出現(xiàn)的問題（如免疫系統(tǒng)缺陷、晝夜節(jié)律被打亂、和器官并發(fā)癥）相互關(guān)聯(lián)，因為它們依賴相同的代謝途徑。

表面上看起來各個器官所展現(xiàn)的變化，其實是人體作為一個整體系統(tǒng)在變化。

還有一個值得注意的現(xiàn)象是端粒長短變化。端粒是染色體末端的結(jié)構(gòu)，她隨著年齡增長而變短。Scott的端粒在太空中變長了，但回到地球后不久，他的端粒就縮回正常長度甚至更短。其它被研究的十名宇航員身上，也發(fā)生了這一現(xiàn)象。

近期發(fā)表的研究中還發(fā)現(xiàn)，攀登珠穆朗瑪峰的人也會出現(xiàn)端粒變長。研究者認(rèn)為，這些現(xiàn)象說明端粒延長是受到了氧化應(yīng)激的影響。氧化應(yīng)激破壞了端粒的正常運轉(zhuǎn)功能?？茖W(xué)家還需要進(jìn)一步研究這一現(xiàn)象背后的通路，但估計這樣的端粒變長不意味著長壽。

航天旅行會給人類帶來跨越多個器官的健康風(fēng)險，包括心血管、中樞神經(jīng)、肌肉骨骼、肝臟和免疫系統(tǒng)，以及增加癌癥風(fēng)險和擾亂晝夜節(jié)律。

研究者在綜述論文結(jié)尾寫道：我們所概述的生物學(xué)特征是基礎(chǔ)性的，可能只是發(fā)現(xiàn)的開始。

人體如此精密復(fù)雜，它又如此依賴地球。了解人體在太空中會發(fā)生哪些變化，并制定有效的對策，將是人類未來太空探索的關(guān)鍵之一。

在太空中呆了340天之后，Scott被問是否愿意再次航行，他回答 ：“我愿意去，只要是往返的?！痹诳臻g站生活了一年之后，他不想在火星上的某個棲息地度過余生。

離開了地球很久的他最深刻的感受之一是無聊。他看來，很少有人愿意去太空生活超過一個星期，除非有目的。宇宙的美麗遠(yuǎn)抵不過無聊?！帮L(fēng)景很好，漂浮很有趣，但是如果你沒有正經(jīng)的工作要做，能這樣多久呢？”