双胞胎航天员太空飞行时有特殊使命
发布时间:2018-09-13
出品:科普中国
制作:中国科学院空间应用工程与技术中心 韩培
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  不久前去世的知名理论物理学家史蒂芬•霍金曾经指出,人类要想避免灭顶之灾,就要在100年内逃离地球。这位天才物理学家认为,地球上的生命很有可能由于某种灾难而灭绝,如突如其来的核战争、基因工程制造的病毒、或人工智能带来的威胁等,并且这种风险还在不断增长。由于地球环境变得越来越不宜居,为了人类的未来,我们必须将目光投向太空。

(图片来源:百度百科)

  那么,漫漫星际航行,宇宙射线、缺氧环境、幽闭空间等等等等,人类能够生存并且适应长期的太空飞行么?

(图片来源:www.tooopen.com

  双胞胎航天员的“特殊使命”

  空间环境会对人的身体造成什么样的影响呢?这是个非常重要并且基础的问题,因为这关系着未来星际旅行的可行性,以及人类在宇宙中到底能走多远。多年来,科学家对此问题进行苦苦思索,希望能获得真实的数据来进行参考和分析。

  举个例子,如果我们想知道长期太空飞行对人体产生的影响,就可以找两个相同的人来进行对照实验:将一个人送入太空,一个人留在地球上,一段时间之后将两人进行对比,观察进入太空的人身上发生了哪些变化,就能初步知道太空旅行对人体的影响了。

  然而,读者一定也能猜到这个对照实验的困难之处——世上并无完全一样的两个人,科学家也就无法找到理想的实验对象。克隆人? No No No,伦理问题目前还无解呢。目前最好的方法莫过于——拿一对同卵双胞胎作为“实验小白鼠”,因为同卵双胞胎已经是基因相似度最高的人类了(有些研究表明,他们还具有很强的心灵感应)。但是,问题来了,世界上的同卵双胞胎固然不少,但是在身体素质和智力水平两方面都达到航天员要求的可不多。到哪里去找这样的双胞胎呢?

  无巧不成书,NASA还真的有这么一对特殊的航天员。Scott Kelly和Mark兄弟,他们是历史上唯一一对同卵双胞胎航天员,两兄弟既满足基本的要求,也对太空实验有足够的认知,简直是完美的实验对象。

Scott Kelly和Mark兄弟

(图片来源:NASA)

(图片来源:NASA)

  双胞胎对照实验的想法最初是由Scott本人提出来的,因为双胞胎航天员的例子太稀有了,NASA接受了Scott的建议,将各个专业的科学家召集到NASA,开始进行这个史无前例的对照实验。

斯科特出发前,在隔离室内与玻璃窗与他的双胞胎兄弟对拳。

(图片来源:NASA)

  2015年3月,Scott Kelly在俄罗斯搭火箭上太空,他的兄弟Mark则留在地球作为对比参照对象。2016年3月,经过了一年的任务之后,Scott Kelly返回了地球,在Scott执行飞行任务之前、飞行期间和返回地球之后,研究人员分别采集了两个双胞胎兄弟的DNA样本,希望找出太空生活对人类身心造成的影响。

  那么,在太空飞行时,人体具体会发生哪些奇特的变化,会遇到哪些在地球上不会遇到的问题,科学家是怎样去解释这些变化,又会给出什么样的结论呢?

  “双胞胎实验”谜底揭晓

  2018年1月,在NASA举办的人类研究计划2018年调查员研讨会上,NASA公布了他们的新发现。研究人员称,在太空中时,Scott的一些基因表达发生了变化,而且回到地球几个月后,其中7%的基因表达仍然没有恢复到飞行前的状态。

(图片来源:新浪微博)

  太空飞行对基因与染色体的影响

  ①基因表达变化

  根据太空飞行对照实验,威尔康奈尔医学院发表了一篇关于“太空基因”的论文,他们研究了太空环境对双胞胎兄弟RNA和DNA化学变化的影响,他们提出,虽然93%的基因表达在Scott返回地球后恢复正常,但是仍然有数百个“太空基因”处于混乱状态。

  这个所谓的“太空基因”是什么呢?其实没那么神秘啦,只是遗传学家用的一个术语,用来指代纯粹由航天飞行而导致的基因表达出现异常变化的那些基因。

  基因表达是一个受调控的过程,具有时间和空间的特异性。例如,按照功能需要,某一特定基因的表达将严格按特定的时间顺序发生,或者是在个体生长的过程中,某种基因产物会在个体按照不同组织空间顺序出现。而且基因表达也会因为外界的刺激发生变化,生物体所处的内、外环境是在不断变化的,通过调控基因的表达,可以使得生物体表达出合适的蛋白质分子,以便更好地适应环境。在对照实验中,研究人员观察到的双胞胎基因表达的变化就是身体对空间飞行环境的一种应激反应。

  那么,7%的基因表达改变是一件很了不得的事情吗?并不是哦,这只是非常小的一个基因表达变化,这种反应与人在压力环境中,或者人在登山或潜水时的环境内出现的反应相似。基因表达发生异常变化,这是一个很重要的信号。虽然目前的研究还不能形成确定性的结论,但不可否认的是,基因表达变化可能会对免疫系统、骨骼构成、DNA损失修复等产生持久的影响,进而影响人类对环境的适应能力以及衰老的速度。

  ②端粒增长之谜

  通过太空飞行实验,科学家发现一个有趣的现象:Scott的端粒平均长度被发现显著增长,返回地球后的48小时内,Scott的端粒长度则又缩短,然后稳定在飞行前的水平。而在地球上的Mark,端粒长度则一直保持着相对稳定。

  端粒,是存在于真核细胞线状染色体末端的一小段DNA-蛋白质复合体,它是染色体末端的“保护使者”,保护染色体不被“磨损”掉。端粒就像鞋带末端的那个小帽,保持着鞋带的完整性,当这个小帽磨损,鞋带就不完整了。一旦端粒磨损、耗尽,染色体将无法正常分裂,细胞的更新也就走向终止。

图中红色的部分就是端粒,位于染色体的末端。

(图片来源:www.weixinnu.com

  因此,端粒的完好程度,能够表明细胞分裂潜力的大小:端粒越短,表明细胞的再生能力越小,剩余的分裂次数逐步逼近极限,细胞寿命越短;端粒越长,则意味着细胞的再生能力越强,剩余的分裂次数更多,机体组织将保持“年轻”。随着人的年龄增长,若端粒消耗殆尽,细胞将会慢慢走向凋亡,端粒的加长也意味着衰老速度的减缓。

  客观地说,Scott的端粒延长的机制还不是很清楚。研究人员猜测是由于在太空中,Scott执行了严格的体能训练计划,并且在饮食上限制了热量摄入。在执行任务过程中,Scott的体重下降,并伴随着体内叶酸水平的升高,因而一个很可能的原因是太空中Scott吃的食品更健康。Scott的体重下降和叶酸增加与端粒延长的研究结果相吻合,这表示更健康的生活方式可能会使得端粒延长。如果是这个原因,地球上的人们通过节食加运动延缓衰老确实是可以的哦,这对地球上的人们来说是个好消息。

(图片来源:m.sohu.com)

  太空飞行对免疫系统的影响

  空间生活对航天员身体造成伤害,航天员免疫系统会发生显著变化。

航天员在太空中抽血

(图片来源:NASA)

  ① 血液样本的过度反应

  在身体遭受不良环境时,人会出现压力。航天员血液样本在空间站内以-80℃条件进行保存后带回地球时,仅有少量冷冻血液样本得以成功进行分析,大多数带回来的新鲜血液样本都被常见致病原体污染,如真菌、细菌、疱疹等。免疫系统对一些新出现的威胁反应强烈,具体原因不明,但这意味着由于独特的环境压力,免疫系统适应了空间站上的无菌环境。

  研究发现,有航天员的血液样本中出现过度反应,并伴随着严重的免疫抑制,后续研究还将对航天员血液进行现场分析。为排除失重影响,进一步的研究将在地球上类似环境下进行,将从南极研究基地获取志愿者血液样本。

  ② 功能性免疫

  在长时间的空间飞行或深空探测任务中如何更好地保障航天员的身体健康,这是个非常重要的问题。功能性免疫是国际空间站进行的一项新研究,探索了以前未研究的身体免疫应答领域以及空间飞行是否会影响航天员对疾病的易感性。

  免疫系统是生物结构和过程的复杂结合,某一方面机能的衰退即可导致人体内疾病风险的增加。研究显示微重力下会有免疫系统修饰,这可能会造成一些航天员中出现皮疹、异常过敏和潜在的病毒激活。在微重力下,甚至在地球上的压力状况下,免疫系统任何时候都可能被削弱。而在深空任务中,免疫系统将在较长的时间内暴露于微重力环境中,科学家正在努力在任务开始之前对免疫问题进行定义,并制定缓解免疫系统问题的相关措施。

  目前的功能性免疫研究建立在其他免疫学研究的基础之上,聚焦于以前未研究的方面,以便更好地表征航天飞行对整个免疫系统的影响。了解在飞行中免疫系统如何工作将指导未来可能需要的发展对策,研究的结果将不仅仅对航天员带来好处。除了在发病之前检测和治疗疾病的能力之外,开发用于稳定运输样品的方法可用于地球上的免疫研究,例如在不容易有实验室条件的地区。

  这项研究的第一个目标是完成免疫系统的鉴定,表征完成后,即可计划抵制潜在的临床风险,使人类的“火星之旅”计划更进一步。

  太空飞行对心血管健康的影响

  据世界卫生组织统计,心血管疾病是全球头号死因。NASA希望保证航天员在太空飞行任务期间的心脏健康,进行生物医学研究预防心脏病也是NASA人类研究项目的重要内容。

  NASA心血管和视觉实验室的首席科学家Stuart Lee研究航天对心血管系统的影响,Cardio Ox是其领导的实验室最新研究之一,旨在探究太空飞行对航天员心血管生理的影响。Cardio Ox将帮助科学家确定在太空飞行过程中特定的生理应力是否增加,血管系统和功能是否受到影响。研究将测量航天员颈动脉和肱动脉的结构和功能,以及其血液和尿液中氧化压力和炎症生物标记。

  ① 心脏功能

  研究显示航天飞行将导致航天员心肺血量增加、心脏做功减少、心肌萎缩、心率下降、心律不齐等心脏结构和功能的改变,最终导致心脏功能下降。

  在中、长期航天飞行中,由于重力缺失、活动减少、代谢需求降低,机体维持在低动力状态,心脏也适应性地处于低动力水平,从而使心肌结构发生退行性改变,收缩机能下降,泵血能力也随之降低,心肌做功减少,心肌萎缩,这可能是引起心血管脱适应产生的重要原因之一。

  心血管系统功能失调将会威胁航天员健康、影响航天员正常工作,“联盟TM2一和平号”航天员拉维金因心脏多次出现期前收缩而被迫终止飞行任务提前返回。

  ② 动脉粥样硬化

  动脉粥样硬化是一种由脂质、胆固醇、钙和其他物质组成的斑块在血管内形成而引起的慢性炎症疾病。人体内血脂水平异常与动脉粥样硬化的发生及发展密切相关。

动脉粥样硬化示意图

(图片来源:tag.120ask.com)

  双胞胎兄弟接受了动脉超声检查,并且在整个任务期间持续地为研究人员提供不同时期的血液和尿液样本。NASA的研究人员观察了太空飞行后炎症应激反应对Scott血管结构和功能的影响。

  研究发现,在太空环境下,Scott血脂水平发生变化,说明带有炎症。而地球上的Mark血脂水平虽然有类似变化,但炎症情况较少。研究人员对Scott体内具有抗炎作用的细胞因子(可以调控免疫应答的小分子蛋白质)水平进行了测量,发现Scott体内有两次炎症反应最为明显,一次是在刚返回地球后,细胞因子的含量达到峰值,并且在后续的6个月一直居高不下。另一次是在飞行前,细胞因子水平上升,并在飞行任务中保持高水平。

  虽然细胞因子水平的变化已被科学家观察到,但是这种变化是否可逆,是否代表太空中的Scott动脉粥样硬化加速,目前还不能下确切的结论,未来科学家将进一步进行分析。

  ③ 人体微生物群

  近年来,人体内微生物菌群的数量及它们的重要性逐渐引起了人们的关注。大多数人对微生物的印象是有害的,但是无论是体内还是体外,都有着大量的微生物栖息在人的身体上,包括细菌、古生菌、真菌、病毒和其他微生物,它们被统称为人类微生物群。而且它们中只有极少部分对人类有害,大部分很温顺,有些对人类有诸多好处,比如帮助消化人类无法自己利用的植物纤维、合成维生素、吸收矿物质、抑制致病微生物等。

  微生物菌群影响着人类的免疫系统、心脏健康甚至体重、睡眠、情绪等等,参与着人体生理功能的方方面面。某种意义上来说,人其实是人本身和寄居其体内微生物的“超级生物体”。

(图片来源:The human microbiota and chronic disease : dysbioses as a cause of human pathology书籍封面)

  美国西北大学的研究人员对Scott和Mark体内的微生物菌群变化进行了研究。结果发现,由于饮食、环境及个体免疫水平的不同,在各个时间点,两人体内的微生物都出现了明显差异。飞行过程中,Scott体内的微生物菌群与飞行前有所不同,细菌性门拟杆菌的数量开始减少,不过Scott返回地球之后,这种减少便停止了。总体来说,空间飞行带来的人体内微生物群的变化并不大,跟地球上的人们改变生活习惯和环境变化带来的影响是类似的。

  ④ 尿蛋白与机体生理变化

  尿液中的一些蛋白质种类和含量的变化通常预示着人体多种生理代谢的变化,为了观察太空飞行中的人体生理表现,研究人员检测了双胞胎尿液中的蛋白质变化。他们对尿液标本中的蛋白质进行了生物标记,以此来观察Scott肌肉骨骼调节、代谢和心血管的变化,并且观察人体内的蛋白质通路是否能适应太空环境引起的人体体液转移。

  研究人员发现,和地面上的Mark相比,在太空飞行过程中,Scott体内关于体液调节和骨骼肌肉形成的蛋白质含量差异显著。例如在太空中,Scott尿液中的水通道蛋白2含量升高,而水通道蛋白2是调节肾脏对水通透性的主要蛋白质,在调节肾脏水平衡中起重要作用,是判断人体含水率或脱水状态的重要指标,增加的水通道蛋白2能增加肾脏对水的重吸收,这说明在太空中,人体的含水量增加。

  ⑤ 大脑与智力

  根据之前NASA的报道,宇宙射线可能会对航天员大脑造成一定程度的不良影响。在之前的研究中,科学家们把小鼠置于充满强辐射粒子的空间里,以模仿宇宙空间中充满射线的环境,结果发现,这些实验小鼠的脑部出现了炎症,并导致脑部传输紊乱。研究人员称,小鼠整个大脑中心系统都受到了影响,导致整体认知能力下降,与精神错乱的信号很相似。

(图片来源:mt.sohu.com)

  那么人类呢?

  在飞行任务之前、期间和任务结束之后,研究人员多次对双胞胎兄弟进行了专门为航天员设计的认知测试,以研究太空环境对人类认知能力的影响。令人欣慰的是,2017年公布的报告显示,太空任务时间的延长并没有使Scott认知能力出现显著下降,这可以让很多航天员大大放心了。

  不过在飞行后,Scott出现了认知速度和准度明显下降的现象,这个可能是由于Scott回到地球后,身体器官需要重新适应地球引力造成的,而且也可能与任务结束后Scott繁忙的日常安排有关,毕竟作为名人有繁忙的宣传和很多活动要出席嘛。

(图片来源:NASA)

  双胞胎研究是首次通过基因组学研究来评估人体在太空中的潜在风险,是一项具有里程碑意义的研究,但是这项研究也存在一个很大的局限性,就是只有单一的一个参与者,而且对照组也是只有一个人。所以,即便科学家发现Scott的基因活动发生了某些变化,他们也无法确定这是由航天飞行导致的,还是由其他因素导致的。听起来是不是有点沮丧,科学上的进步实在是太难了啊……

  不过,这么一小步的进步也已经是创造历史了呢,这项研究将会在未来数年内继续为NASA的人类研究项目提供研究数据。而且,收集基因信息对于未来的航天员选拔有很积极的作用,比如,如果某位航天员的基因信息显示,他对于太空辐射的电离效应非常敏感,那类似的信息将影响NASA在选派前往太空的人选时所做的决定,可以有效的帮助NASA筛选航天员。

  研究人员表示,今年的后半年,双胞胎实验陆续会有更多结果发表,到时候还会有什么新鲜的结果呢,让我们拭目以待吧。

  (本文中标明来源的图片均已获得授权)

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