想要火星旅行?　還需理解人體在太空中會(huì)怎樣變化

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(mèng)”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(huì)在太空中發(fā)生怎樣的變化？如何保證長(zhǎng)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(gè)問題就是“樣本”。目前，只有不到600個(gè)人去過太空，人類單次停留在太空中的時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(gè)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(shí)驗(yàn)，n=1

“我總是覺得我在太空中待的時(shí)間越長(zhǎng)，我感覺就越好，我從來沒有感覺完全正常過。”2015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(shí)間最長(zhǎng)的美國人。

他的同卵雙胞胎弟弟Mark也是經(jīng)驗(yàn)豐富的宇航員，曾經(jīng)有過4此航天飛機(jī)的飛行經(jīng)驗(yàn)，在近地軌道的累計(jì)飛行時(shí)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(yùn)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(chǎng)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(shí)間用來做實(shí)驗(yàn)，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(duì)動(dòng)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(shí)驗(yàn)對(duì)象的Scott身上。因此，在遠(yuǎn)離地球的太空中，Scott會(huì)對(duì)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(huì)受損，眼睛變形，肌肉和骨量也會(huì)減少。

退休的宇航員Scott Kelly（右）和他的雙胞胎兄弟

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(huì)，NASA將以他們的研究專門立項(xiàng)，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(gè)理想對(duì)照組。

這個(gè)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(píng)估太空中人體的潛在風(fēng)險(xiǎn)。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(gè)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(gè)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(xiàng)獨(dú)立的研究，涉及長(zhǎng)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(huì)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(gè)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(chǎng)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(gè)奇跡。在我的余生里，我會(huì)努力記住，這些平常的事情是多么神奇。”雨從天空落到地面，是因?yàn)榈厍虻闹亓Α＝?jīng)歷了長(zhǎng)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(shí)間的推移，你的身體會(huì)適應(yīng)它，但以我的經(jīng)驗(yàn)來看，它永遠(yuǎn)不會(huì)完全適應(yīng)。我總是感到頭腦里有壓力。”

與之對(duì)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(gè)月的時(shí)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(huì)有癥狀，甚至倚靠在桌子上也會(huì)有反應(yīng)。

此次Cell發(fā)表的一篇綜述文章，評(píng)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(huì)從5個(gè)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(shí)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(zhǎng)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(duì)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(chǎng)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50mSy。

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(huì)帶來異常的生理反應(yīng)。包括體液向上移動(dòng)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(huì)帶來骨流失和肌肉萎縮。長(zhǎng)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(huì)加劇航天員進(jìn)行長(zhǎng)期飛行任務(wù)時(shí)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(huì)帶來3倍～6倍的重力，會(huì)使人體系統(tǒng)承受壓力。

限制與隔離：深空旅行讓宇航員長(zhǎng)時(shí)間隔離在一個(gè)有限的尺寸的航天器。物理和社會(huì)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(xiǎn)。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(duì)和封閉的環(huán)境：長(zhǎng)時(shí)間在宇宙飛船中居住給宇航員的健康帶來了一個(gè)生物上不利和封閉的環(huán)境。在航天器中居住，必須監(jiān)測(cè)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(huì)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(huì)帶來危險(xiǎn)，這可能會(huì)引起心理壓力和破壞團(tuán)隊(duì)的動(dòng)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(huì)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(zhǎng)變短）長(zhǎng)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?yàn)樗鼈円蕾囅嗤拇x途徑。

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

還有一個(gè)值得注意的現(xiàn)象是端粒長(zhǎng)短變化。端粒是染色體末端的結(jié)構(gòu)，她隨著年齡增長(zhǎng)而變短。Scott的端粒在太空中變長(zhǎng)了，但回到地球后不久，他的端粒就縮回正常長(zhǎng)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(huì)出現(xiàn)端粒變長(zhǎng)。研究者認(rèn)為，這些現(xiàn)象說明端粒延長(zhǎng)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(yùn)轉(zhuǎn)功能。科學(xué)家還需要進(jìn)一步研究這一現(xiàn)象背后的通路，但估計(jì)這樣的端粒變長(zhǎng)不意味著長(zhǎng)壽。

航天旅行會(huì)給人類帶來跨越多個(gè)器官的健康風(fēng)險(xiǎn)，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(xiǎn)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(huì)發(fā)生哪些變化，并制定有效的對(duì)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。”在空間站生活了一年之后，他不想在火星上的某個(gè)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(gè)星期，除非有目的。宇宙的美麗遠(yuǎn)抵不過無聊。“風(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？”（摘自美《深科技》） （編輯/克珂）