NASA雙胞胎宇航員馬克(左)和斯科特(右)(攝於2015年)。(圖片:NASA)
NASA雙胞胎宇航員馬克(左)和斯科特(右)(攝於2015年)。(圖片:NASA)

對世界上唯一的雙胞胎宇航員分子水平的對比研究,結果超乎人的想象 對人類其他成員有意義嗎?

文思敏
2019-05-10 18:40
對世界上唯一的一對美國雙胞胎宇航員,在分子水平進行對比研究,結果超乎人們的想象。人類在太空環境中會面臨怎樣的危險?這項研究對其他人類成員有意義嗎?

對世界上唯一的,都在外太空飛行過的美國雙胞胎宇航員的對比研究,經過美國國家航空航天署(NASA)人類研究項目(HRP)組織的十個科學家小組4年左右的努力,終於在今年4月有了人們期待已久的結果。在美國著名《科學》(Science)學術期刊上,研究人員發表了他們的綜合性研究論文,從太空旅行對宇航員身體、分子、認知等方面產生的影響,揭示出一些有關人體怎樣自我調節以適應外太空極端環境,回到地面後又怎樣重新調適以適應地球環境的有趣的、令人驚訝的,然而在某種程度上又是讓人放心的結果。

同卵雙胞胎宇航員成為完美的對比研究對象

馬克·凱利(Mark Kelly)和斯科特·凱利(Scott Kelly)生於1964年2月21日,是同卵雙胞胎。馬克在太空的累計停留時間只有54天,2011年結束他的最後一次太空任務後就宣布退休,以後就一直待在地面了。而斯科特直到2016年才退休,而且保持着單次持續在外太空停留最長時間的記錄,達到340天,累計太空停留時間有520天。

NASA宇航員斯科特·凱利
斯科特·凱利在國際空間站(ISS)中。(圖片:NASA)

人類目前共有559人進入過太空,但是在太空長期停留(超過300天)執行任務的,僅有8人。人類要想探索宇宙——如去到火星,一個來回就要大概3年時間,了解長時間太空環境對人體、大腦及整個生理機能的影響就非常重要。

由於同卵雙胞胎具有相同的基因組成,因此雙胞胎研究為科學家探索人類的健康如何受到周圍環境的影響提供了一條途徑,這種方法不依賴于大多數人作為個體,受到自然環境的影響而發生的物理變化。因此凱利兄弟自然成了科學家們感興趣的研究對象。

2015年3月,斯科特進入國際空間站執行為期一年(實際時間是340天)的長期太空任務,研究在太空生活和工作的長期影響。因此在此期間對斯科特在太空中的各種測試,可以提供人類在極端環境下身體的各項數據,而對地面上馬克的各種測試則提供了一個基線,可以用來比較在太空中和在地球上的測量結果。斯科特返回地面後,科學家對他繼續進行各項監測研究,看人體重新適應地球環境的情況。

研究人員對他們兩人在生理學、端粒、轉錄組學、表觀遺傳學、蛋白質組學、代謝組學、免疫學、微生物學、心血管學、視覺相關和認知等多方面的情況,了2年多的數據。通過84名研究人員在美國8個州12個研究地點進行各項分析研究,各項結果最後整合為一個包容性的研究成果,為當代人類如何應對太空環境提供了一個全面、綜合的分子水平的觀點。雖然這個研究很重要,但是僅從研究一個個體在太空環境中的數據,很難對所有人類和將來的宇航員作出什麼結論。

NASA雙胞胎宇航員
有十小組對雙胞胎宇航員斯科特和馬克進行各種數據採集和研究(圖片:NASA)

對雙胞胎宇航員進行對比研究得到的結果可以分為四類:沒有因太空旅行受到顯著影響的生理功能,因太空旅行發生顯著變化但在研究期間恢復的數據類型,少數因太空旅行的影響發生變化而返回地球六個月後仍持續存在的數據類型,還有一些是在返回地球後才觀察到受到顯著影響的指標。

綜合研究結果也表明,一個人體在太空度過一年後仍然能保持強勁和彈性。

沒有因太空旅行受到顯著影響的生理功能

免疫反應:斯科特在出發前、在國際空間站期間及返回地球後進行了三次流感疫苗注射,每次身體都正常反應。因此NASA對人體免疫系統應對太空旅行,即使是長期太空任務,都很有信心。

因太空旅行發生顯著變化,但在研究期間恢復的數據類型

端粒:每條DNA鏈的兩端都有特別的端粒保護染色體,就像跳繩兩端的塑料柄可以保護跳繩。端粒長度會隨着年齡增長而變短,然而,生活方式的因素,如緊張,所處的環境等也會影響端粒變短的速度。

雙胞胎研究最令人注目的發現之一是斯科特在太空中和返回地面幾天後端粒長度的變化動態。在太空中長度增加的端粒,在返回地球後幾天後,就開始縮短,大多數端粒都縮短了。這項研究可以幫助評估一般健康狀況並識別潛在的長期風險。

基因表達:通過基因表達的過程DNA指導身體細胞製造有價值的成分,如用于構建和修復組織的蛋白質。馬克在地球上也會經歷正常範圍內的基因表達變化,但斯科特的不一樣,這些變化可能歸因於斯科特在太空中的長期停留。大部分這些變化,約91.3%在返回地球後恢復正常。

表觀基因組學:從這方面的研究可以看出環境變化對DNA甲基化反應的影響,進而會對身體的很多生化反應產生顯著影響。研究發現,斯科特的大部分表觀基因變化是在太空任務的後半年才開始觀察到的,在短期任務中觀察不到這種顯著變化,而這些指標的變化在返回地面後恢復正常,但是發生過變化的基因組區域與馬克的對比還是不一樣了,為研究者確定對太空環境影響反應最大的基因開闢了一條路。

研究人員處理斯科特的血液
研究人員處理斯科特的血液(圖片:NASA/Chris Mason, Ph.D., Weill Cornell Medicine)

微生物:人體腸道中各種各樣的微生物和人體健康是息息相關的。在太空中斯科特的腸道菌群發生了很大變化,返回地面後腸道微生物群組成就恢復了。雖然其他的特殊空間環境因素可能也會對此有影響,主要因素是,在空間站吃的食物主要是冷凍乾燥或熱穩定的預包裝食品。

微生物恢復正常也讓研究人員感到放心,他們將來也可能通過調整宇航員的飲食結構讓有益的腸道微生物生長旺盛,以保持人體健康。

其他恢復正常的還有:對錶觀基因和轉錄數據進行調控的基因,體重,頸動脈尺寸,中心凹下脈絡膜厚度,視乳頭周圍總視網膜厚度,以及血清代謝物。

返回地球六個月後變化仍持續存在的數據類型

因太空旅行的影響發生變化,而返回地球六個月後這些變化仍持續存在的表徵數據,包括以下各項中的一小部分:基因表達,端粒動力學,DNA破壞,頸動脈增厚,眼球改變和一些認知功能。

返回地球後才觀察到受到顯著影響的指標

斯科特的一些身體指標,在太空中並沒有觀察到有顯著的變化,反而是返回地球後才觀察到的, 包括炎症細胞因子、免疫應答基因網絡以及認知表現。

例如,在執行太空任務期間,與馬克在地面上的表現對比,從典型的為期6個月的國際空間站任務,增加到一年的任務,持續時間的延長並沒有導致斯科特的認知表現(如精神的警覺性,空間定位,情緒的識別)顯著下降。然而回到地面後,斯科特在認知的速度和準確度上卻有明顯下降,並持續了6個月。這可能是由於重新置身於地球引力環境中需要調適,以及斯科特完成太空飛行後陷入繁忙的日程所導致。

雙胞胎宇航員馬克和斯科特
NASA雙胞胎宇航員斯科特和馬克(圖片:NASA)

人類在太空環境中面臨的危險

太空旅行會對人類造成各方面影響,目前已知的有:人體健康和表現的變化,生理機能變化,很多細胞和分子過程的變化會造成骨質疏鬆、認知表現發生變化、微生物移位和基因調控的改變。

總體來說,人類在太空中面臨五個方面的危險和挑戰。

太空輻射

太空旅行最大的威脅就是太空輻射。在地球磁場保護範圍內運轉的國際空間站面對的是十倍于地球的輻射,而這比深層空間的輻射要小得多。強輻射會增加致癌危險,還會損害中樞神經系統,導致認知功能減退,行為發生變化。表現為嘔吐、厭食、疲憊、白內障、心臟疾病、血液循環疾病等。

隔離和禁閉

一群人長期擁擠在一個狹小的空間,不管他們受到過怎樣良好的培訓,出現行為問題是不可避免的。雖然執行太空任務的宇航員都是精心挑選、培訓、得到支持的,但是長期類似監禁的環境是人們難以想象的。可能一些因素的變化,如噪音環境,增加的日照時間,禁閉的壓力,大負荷的工作和乏味的時段交替進行,都會導致出現情緒、認知和精神狀態的衰弱,以及人際衝突、睡眠紊亂。

持續缺乏多樣的新鮮食物也可能會加強單調的感覺,導致營養不良,引起心理和生理失衡。這些個人發生的狀況都可能導致團隊交流不暢。

距離地球遙遠

月亮距地球約36萬公里,但是如果去火星,距地球有2億多公里,一個來回要大約3年,沒有可能得到重新補給,預先計劃的自給自足成為基本要求。單程約20分鐘的通訊滯後,可能的設備故障及醫療急救等都需要宇航員自己有能力解決。

從地球到火星
從地球到火星(示意圖片:NASA)

引力場變化

進入太空不同的區域,引力都會發生變化,會引起手眼不協調,運動平衡能力發生變化,空間定位能力下降,心臟、骨骼、肌肉都會受到影響。沒有重力的情況下,每個月骨骼密度會下降1%。宇航員需要適應引力的變化。

惡劣/封閉的環境

太空環境對人體是不利也不適宜的,因此航天器內生活空間的空氣、溫度、燈光、噪音、壓力都要模擬地球環境。微生物會改變封閉空間的狀態,人體自身的微生物也容易互相傳播,壓力導致的人體免疫系統的變化也會使人容易感染疾病。

雙胞胎宇航員研究對未來宇航員及人類其他成員的意義

雖然僅僅通過一項對雙胞胎宇航員的研究,並不能給出所有問題的答案,但是至少對未來研究的重點指出了方向,對未來更遙遠的太空探索,可以在運動、營養、輻射防護、合理的工作量、精心選擇乘員等方面提供預防措施和對策,促進宇航員的身體和精神健康。

太空旅行導致的人體應激會改變人的認知功能、新陳代謝、胃腸道菌群、免疫系統和基因,雙胞胎研究增進了人們對這些變化的理解。研究結果可用于開發新的治療方法和預防措施,以應對地球上與壓力有關的健康風險。下面舉幾個例子。

端粒方面,通過研究端粒和端粒酶,確定太空飛行中獨特的容易受到端粒變化影響的個人因素,可以做出努力,減輕老化和疾病對人類的影響。

代謝組學方面的研究,對身體內系統範圍的變化(包括與環境相關的在基因表達和新陳代謝方面的變化)如何與疾病(如動脈粥樣硬化)風險因素髮生聯繫,提供了新的深刻見解。

免疫方面能讓人更好地理解和對待個體對季節性流感疫苗接種的免疫反應。

蛋白質組學的研究結果對其他方面的研究也會產生影響,包括創傷性腦損傷,腦積水,其他與顱內壓增高有關的疾病,以及視覺系統的青光眼和其他疾病。

 

(本文由希望之聲編輯編譯綜合,保留版權。未經希望之聲書面授權,不得轉載。)

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