一个在太空,一个在地球,双胞胎宇航员生理比对

来源:学术经纬“不要温和地走进那个良夜”——狄兰·托马斯昨天,首张黑洞照片的问世,让居于太阳系第三颗行星上的人类将目光聚焦浩瀚太空。今日,最新一期《科学》杂志的封面研究,则为人类飞往群星闪耀之处,带来了生物学层面的最新洞见。通过比对两名双胞胎宇航员分别来自地球和太空的生理数据,我们第一次知道,长期生活在宇宙中,会给人体带来怎样的变化和影响。一个在太空,一个在地...

一个在太空,一个在地球,双胞胎宇航员生理比对

  来源:学术经纬

  “不要温和地走进那个良夜”——狄兰·托马斯

  昨天,首张黑洞照片的问世,让居于太阳系第三颗行星上的人类将目光聚焦浩瀚太空。今日,最新一期《科学》杂志的封面研究,则为人类飞往群星闪耀之处,带来了生物学层面的最新洞见。通过比对两名双胞胎宇航员分别来自地球和太空的生理数据,我们第一次知道,长期生活在宇宙中,会给人体带来怎样的变化和影响。

一个在太空,一个在地球
一个在太空,一个在地球

  我们的征途是星辰大海。诞生于地球的人类,从未甘愿在数十亿年后随太阳系的衰退而灭绝。在我们心中,早就把未来的家园,投向那无人的深空。

  随着太空旅行技术的发展,月球之外,火星成为了人类近年期望登陆的又一颗天体。乐观者估计,到 2035 年,我们将启动火星登陆计划。然而,遥远的距离让这场征途注定不会轻松。迄今为止,只有 559 名人类曾离开母星,前往太空。其中,在太空生活超过 300 天以上的人类只有 8 位,屈指可数。关于星际长途飞行给人类带来的影响,我们还知之甚少。

▲马克·凯利(左)与斯考特·凯利(右)兄弟(图片来源:NASA/RobertMarkowitz)
▲马克·凯利(左)与斯考特·凯利(右)兄弟(图片来源:NASA/RobertMarkowitz)

  美国同卵双胞胎宇航员马克·凯利(MarkKelly)与斯考特·凯利(ScottKelly)成为了人类获取新知的突破口。这对兄弟在 2015 年接受了一项特殊的科研任务——斯考特将前往太空,在国际空间站上工作一年。与此同时,马克将驻留地球,作为对照。

  主导这项研究的科学家们想要知道,在太空生活一年,究竟会给人体带来怎样的影响。

  20 页《科学》论文

  我们知道,太空生活理应会给宇航员带来诸多变化:失重环境与地球上的生活截然不同、狭窄封闭的空间容易给宇航员带来压力、太空中的电离辐射也将穿透飞船的金属外壳,潜在影响人体。但具体的研究和数据其实还相当不足。

▲狭小的居住环境也会给宇航员带来压力(图片来源:NASA)
▲狭小的居住环境也会给宇航员带来压力(图片来源:NASA)

  为了深入理解这些变化,NASA 的人类研究项目组汇集了 12 所大学的 80 多名科学家,设计了 10 大研究专题,涵盖了生化水平、认知能力、表观遗传学、基因表达、免疫系统、代谢能力、微生物组、蛋白质组、生理学、以及端粒长度等多个维度。除了在两位双胞胎宇航员之间作比较,研究人员们还在斯考特前往太空的前后收集了大量样本和数据,与在太空期间的数据进行比对,进行整合分析。

  斯考特在 2016 年 3 月回到了地球,大规模的分析也就此展开。3 年后的今天,这些分析结果发表在了顶尖学术期刊《科学》杂志上,长达 20 页。从中,我们发现了一些不可思议的变化。

  并不温和的良夜

  研究论文指出,长期生活在太空环境下,在分子、生理、以及行为上都给宇航员带来了不少改变。根据潜在的风险,这些变化又可以被分为三档。

  第一档被归为“低风险”,其中主要的变化来自肠道菌群。在人体内,超过 90% 的肠道菌群来自厚壁菌(Firmicutes)和拟杆菌(Bacteroidetes)。通过比对,研究人员们发现斯考特的肠道菌群中,这两类细菌的比例出现了明显的变化——厚壁菌变得更多,而拟杆菌数量则有所降低。当他回到地球后,两者之间的比例才逐渐恢复正常。

  对此,研究人员们并没有一个很好的解释:毕竟失重环境、宇航员特殊食物、电离辐射、生物钟紊乱等种种原因,都有可能导致这一现象。此外,研究人员们也无从判断,这种肠道菌群比例的变化,究竟对人体是有益还是有害。

▲本研究的设计(图片来源:参考资料[1])
▲本研究的设计(图片来源:参考资料[1])

  研究人员们将心血管的变化归为“中等风险”。由于失重现象,宇航员体内的体液分布与在地球上有很大的不同,这会影响到血管的生理。具体来说,斯考特的颈动脉出现扩张,而颈动脉壁的最内两层出现增厚,这可能与潜在的心脑血管疾病相关。颈动脉外,他的视网膜脉管系统也出现了一定的异常变化,可能会干扰到他的视力。

  对基因组的显著影响

  在这项研究里,太空生活对基因组的显著影响无疑最为人所关注,相应的变化也被列为了“高风险”。首先,研究人员们观察到,斯考特一些细胞里的染色体出现了异常变化——他体内的一些染色体片段发生了倒置,这可能是高能宇宙粒子穿过细胞所造成的破坏。研究人员们评估,要造成这样的损伤,大约等同于在地球上接受长达 50 年的背景辐射。而在太空,短短 1 年的生活就会造成这样的后果。

▲斯考特染色体中出现了倒置和易位等变异(图片来源:参考资料[1])
▲斯考特染色体中出现了倒置和易位等变异(图片来源:参考资料[1])

  另外,研究人员们还发现,斯考特的端粒长度也发生了明显的变化。在太空期间,他的端粒出现了明显的延长。一般来说,端粒的长度与寿命有着关联。这虽然可能会延长他的寿命,但同时也会增加癌症的风险。要知道,许多细胞癌变的第一步,就是延长端粒,让细胞永生。

  而当斯考特回到地球后,端粒延长的效果很快就消失了。在地球上,人们发现他的端粒出现了“加速缩短”的现象。相比上太空之前,斯考特的端粒在回到地球后,缩短得实在太多。研究人员称,这将他置于“加速衰老”的风险之中。

▲斯考特的太空生活给他的生理带来了明显变化(图片来源:NASA)
▲斯考特的太空生活给他的生理带来了明显变化(图片来源:NASA)

  这些变化也影响到了斯考特体内的基因表达状况。严格意义上说,基因表达会受环境和生活方式的影响,因此“发生变化”本身并不应该那么令人惊讶。但研究人员们还是被斯考特基因表达变化的数量之多所震惊了。分析表明,这些变化很多来自线粒体的基因,这可能反映了能量代谢上所出现的变化。此外,免疫系统中的一些基因表达也出现了变化,但总体而言,斯考特的免疫系统一切正常。同样,回到地球之后,大约 90% 的变化逐渐消失,回归正常。

  星际公民

  正如许多研究人员们所指出的那样,这些研究的结论看似并不明确:我们知道有人上了太空,我们知道他的生理状况发生了变化。但很多时候,我们不知道这些变化究竟是好是坏。此外,宇航员回到重力环境后会出现大量应激反应,地面上的后续媒体采访和其他科研任务也同样并不轻松,这可能会影响到斯考特的生理状况,从而给研究结论带来一些干扰。

  但需要指出的是,这是人类第一次如此详尽对长期太空生活造成的影响做深入分析和评估,同卵双胞胎的身份更让这项研究的意义非凡。群星闪耀的彼岸,我们终究将成为星际公民。“这项研究对于人类而言,迈出的远不止一小步”,《科学》杂志专文评述的最后这样说道。

源文地址:https://www.guoxiongfei.cn/itnews/10490.html