NASA大手笔研究太空中人类变化
发布时间:2019-05-05
出品:科普中国
制作:谭璞 (密西根大学)
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  在第四个中国航天日到来之际,不光中国航天领域传出了关于空间站建设、长征五号复飞和玉兔二号超期服役等引人注意的消息,国外的航天同行也像来“凑热闹”一样,传出了一些非常吸引眼球的“大新闻”。 

  相信不少读者已经注意到了,上周,美国航天局NASA公布了一条消息,称其完成了第一项关于航天飞行对航天员基因表达的研究。研究论文《The NASA Twins Study: A multidimensional analysis of a year-long human spaceflight》发表在了美国顶尖学术期刊《科学》(Science)上。文章发表之后,大量国内外媒体都进行了转发报道。 

参与实验的航天员 凯利兄弟 左边的是Scott,右边的是Mark。图片来自NASA官网(参考文献1) 

双胞胎研究任务臂章,图片来自NASA官网(参考文献1) 

    

  双胞胎太空实验 太空旅行会改变基因表达? 

  作者最初是在新华社的报道中看到这条消息的(参考文献2),该报道中提到,NASA招募了一对双胞胎航天员凯利兄弟参与这项研究(同卵双胞胎),将弟弟斯科特(Scott)送到国际空间站进行了为期一年的在轨驻留,而他的哥哥马克(Mark)则一直留在地面上作为实验对照。在这项为期两年的实验中,科研人员发现斯科特的一部分基因的表达发生改变,这种改变在回到地面后大部分得到了恢复,但有一部分截至实验结束仍然没有恢复到出发前的状态。 

  笔者最初读到这篇报道的时候,只是觉得NASA这次实验的创意很有意思。众所周知,同卵双胞胎应该是这个世界上能找到的差异最小的两个个体。他们出生时的遗传信息完全相同,面对环境刺激产生的变化强度也应该大致相同。即便在漫长的成长生活过程中,DNA发生了部分突变,或者基因表达情况出现了一些由外界环境导致的改变,这二者基因间的差别仍然能称得上是微乎其微。使用同卵双胞胎进行这一实验,可以说是控制变量的不二法门。能想到借由一对同卵双胞胎来进行这类实验,美国科学工作者也称得上是非常用心了! 

  可针对实验中涉及到的各项测试,乍看起来并不算特别吸引眼球,尤其是实验得出的结论是绝大多数人已经预料到的。由于国内媒体对这项实验的细节着墨甚少,笔者一开始也以为,这项科研只是对两人抽了些血样,对两人在空间飞行前后的基因表达状况进行了测序类的分析,而这也算不上什么非常特别的操作。甚至觉得媒体对此进行连篇累牍的报道,有小题大做的嫌疑。 

  作为一个多年的航天爱好者,光看媒体的报道是远远满足不了的好奇心的。出于对上述问题的好奇,笔者决定亲自去看看论文的原文。这一看可吓了一大跳,简直能称得上是笔者平生仅见的一篇奇文。简而言之,两个字:土豪!三个字:大手笔!四个字:信息量大! 

两名航天员接受了十大类检测。图片来自论文原文。(参考文献3 

    

  “无死角”全方位深入检查 长达100多页的信息量 

  不同于我之前猜测的简单DNA检测,这项研究几乎是对这两个航天员进行了全方位的深入检查。包括血液生化,认知水平,表观遗传,基因表达,免疫,代谢,微生物菌群,蛋白质组学,生理学,端粒分析在内的十余项检查。每一个研究方向内,又包含了数种不同的测试。用于简述实验结果的论文正文足有20页之多,而用于介绍这些实验步骤及原理的论文补充材料更是长达83页之多,这篇幅在公开发表的论文里是非常罕见的! 

实验中涉及的不同样本和使用的各种分析方法。图片来自论文原文。(参考文献3 

  下面我就针对自己最熟悉的生化检测领域向大家做一下简单介绍。 

  如下图所示,本次实验中所涉及的实验样品共有三大类,包括尿液,大便和血液。其中血液样本分成了血清样本和血细胞样本两个大类。其中尿液样本进行了尿液生化,氧化应激,炎性反应,定向代谢产物分析,蛋白质组学(定向+全局)等检测。大便样本进行了针对微生物菌群的宏基因组学研究。 

  血清样本进行了血清生化,游离细胞因子,氧化应激,炎性反应,代谢产物(分为定向和全局两种),全局蛋白质组学测试。血细胞样本分不同的细胞类型,进行了针对基因表达,表观遗传修饰,免疫反应功能,端粒活性及长度的多项测试。各项测试的名称及作用可参见下面的图表。可以说,目前能检测的参数指标,除了难以采集和运输的气体样本(包括呼吸和屁)以外都进行了测量。 

本次实验中涉及到的部分检测方法及其用途 (表格为自制) 

  这样一个全方位,几乎无死角的研究,其科学意义不容忽视。通过这次实验,研究团队不仅发现了基因表达层面上的变化,还发现了一些非常有趣的现象。比如在航天飞行过程中,航天员血细胞的端粒会有一定程度的伸长,而返回后则会恢复正常。而一般认为,端粒的长度和细胞的生命活性有一定关系。这是否意味着在航天飞行过程中,航天员的细胞活性提高了呢?答案目前还不得而知。 

  此外,在飞行过程中收集了航天员大便样本。分析发现一些肠道菌群失调。在飞行的后期,航天员的认知水平甚至出现了一定程度的下降。在航天员返回地面后,他的免疫功能也出现了一些短时的异常。虽然导致这几个现象的机理仍然不明确,但也并不能排除其存在相互作用的可能,结果还需要等待下一阶段更有针对性的研究。 

  当然,这次实验的设计仍然有不少不足之处。比如针对肠道菌群的研究,在空间站的航天员出现的菌群失调,究竟是微重力封闭环境影响更大,还是长期食用太空食品影响更大。值得注意的是,由于本次实验的目的是进行全方位测试,最大的亮点是“无死角”,所以对每项单独的测试并没有进行特别深入的分析。作者认为,在接下来的实验里,NASA很可能会对本次实验中发现的有趣现象进行更加深入的研究。 

  另外,本次实验中,参与测试的仅有一对同卵双胞胎航天员,而这也导致个体差异对实验结论的影响无法忽视。通过这次实验观察到的这些现象也未必具有很高的普适性。如果想要得到更有说服力的科学结论,招募更多组类似情况的同卵双胞胎航天员是必要的。 

    

  “烧钱”研究展现航天强国实力 “天宫”是中国未来航天希望 

  比起科学成果,其实还有一些东西更值得我国的科研团队注意。其中最重要的一点,进行这样一项研究,所动用的人力物力资源简直是天文数字。举几个简单的例子: 

  第一,在空间飞行过程中,科研团队对斯科特进行了两次血细胞采集及四次血清,尿液和粪便采集。血细胞等不稳定的样品均由定期交班返回的联盟号飞船在采样一天之内带回。而尿液和大便样品也在空间站进行了离心分离,短期冻存等预处理,这些操作都需要一个长期稳定在轨运行,定期进行人员轮换,货物上下行运输便利,且拥有一定生命科学实验能力的大型空间站。 

  第二,这项研究中动用的生化检测技术多达十余种数十项,均为目前在生命科学研究领域处于前沿的昂贵检测技术。这些生化检测测试,分别由位于美国日本德国的24个大学与研究机关完成,其中包括了大家耳熟能详的哈佛大学,康奈尔大学,约翰霍普金斯大学等多所名校。能调动起这么多个顶尖科研单位合作完成这项任务,需要一个非常完善且能力互补的科研体系。 

  以愚见,美国航天局在目前这个时候公布这项研究的初步结果,其科学意义倒在其次,更重要的是借这个项目展现了美国这个传统航天强国在航天医学科研方面的强劲实力。与美国相比,我国目前的综合实力距离完成此类科学实验仍有一定距离。得益于近些年我国生物医疗技术的飞速发展,生化方面的检测技术差距其实不大。但我国尚没有条件进行长达一年之久的长期空间站驻留,而这正是完成这一实验的先决条件。与此同时,能招募一对同卵双胞胎航天员进行这次测试,从某种程度上也是得益于美国巨大的航天员总数,这也是我国暂时难以企及的。 

  目前,我国的天宫空间站建设正在进行紧锣密鼓的进行。在空间站完全建成后,我国独立进行关于长期空间驻留方面的科学研究将成为可能。进行为时长于一年的载人空间驻留(也包括未来的月面驻留),也一定会是我国航天界所关注的方向。 

  希望,美国同行的这项科研,能够为我国的航天医学工作者提供一些研究方法上的新启发。同时,也希望我国的航天科技工作者在空间站功能设计上有一些独特的创新,以便能在空间站上进行真正意义上的在轨采样、在轨检测和在轨分析。在一部分功能上实现对国际空间站科研能力的“弯道超车”。相信到那个时候,一定会有更多有趣的科学发现在等待着我们。 

    

  参考文献: 

  1.  NASA twin study website: https://www.nasa.gov/twins-study 

  2.  新华社报道: http://www.xinhuanet.com/2019-04/14/c_1124365029.htm 

  3.  论文原文:Garrett-Bakelman, Francine E., et al. "The NASA Twins Study: A multidimensional analysis of a year-long human spaceflight." Science 364.6436 (2019): eaau8650. 

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