NASA双胞胎宇航员马克(左)和斯科特(右)(摄于2015年)。(图片:NASA)
NASA双胞胎宇航员马克(左)和斯科特(右)(摄于2015年)。(图片:NASA)

对世界上唯一的双胞胎宇航员分子水平的对比研究,结果超乎人的想象 对人类其他成员有意义吗?

文思敏
2019-05-10 18:40
对世界上唯一的一对美国双胞胎宇航员,在分子水平进行对比研究,结果超乎人们的想象。人类在太空环境中会面临怎样的危险?这项研究对其他人类成员有意义吗?

对世界上唯一的,都在外太空飞行过的美国双胞胎宇航员的对比研究,经过美国国家航空航天署(NASA)人类研究项目(HRP)组织的十个科学家小组4年左右的努力,终于在今年4月有了人们期待已久的结果。在美国著名《科学》(Science)学术期刊上,研究人员发表了他们的综合性研究论文,从太空旅行对宇航员身体、分子、认知等方面产生的影响,揭示出一些有关人体怎样自我调节以适应外太空极端环境,回到地面后又怎样重新调适以适应地球环境的有趣的、令人惊讶的,然而在某种程度上又是让人放心的结果。

同卵双胞胎宇航员成为完美的对比研究对象

马克·凯利(Mark Kelly)和斯科特·凯利(Scott Kelly)生于1964年2月21日,是同卵双胞胎。马克在太空的累计停留时间只有54天,2011年结束他的最后一次太空任务后就宣布退休,以后就一直待在地面了。而斯科特直到2016年才退休,而且保持着单次持续在外太空停留最长时间的记录,达到340天,累计太空停留时间有520天。

NASA宇航员斯科特·凯利
斯科特·凯利在国际空间站(ISS)中。(图片:NASA)

人类目前共有559人进入过太空,但是在太空长期停留(超过300天)执行任务的,仅有8人。人类要想探索宇宙——如去到火星,一个来回就要大概3年时间,了解长时间太空环境对人体、大脑及整个生理机能的影响就非常重要。

由于同卵双胞胎具有相同的基因组成,因此双胞胎研究为科学家探索人类的健康如何受到周围环境的影响提供了一条途径,这种方法不依赖于大多数人作为个体,受到自然环境的影响而发生的物理变化。因此凯利兄弟自然成了科学家们感兴趣的研究对象。

2015年3月,斯科特进入国际空间站执行为期一年(实际时间是340天)的长期太空任务,研究在太空生活和工作的长期影响。因此在此期间对斯科特在太空中的各种测试,可以提供人类在极端环境下身体的各项数据,而对地面上马克的各种测试则提供了一个基线,可以用来比较在太空中和在地球上的测量结果。斯科特返回地面后,科学家对他继续进行各项监测研究,看人体重新适应地球环境的情况。

研究人员对他们两人在生理学、端粒、转录组学、表观遗传学、蛋白质组学、代谢组学、免疫学、微生物学、心血管学、视觉相关和认知等多方面的情况,了2年多的数据。通过84名研究人员在美国8个州12个研究地点进行各项分析研究,各项结果最后整合为一个包容性的研究成果,为当代人类如何应对太空环境提供了一个全面、综合的分子水平的观点。虽然这个研究很重要,但是仅从研究一个个体在太空环境中的数据,很难对所有人类和将来的宇航员作出什么结论。

NASA双胞胎宇航员
有十小组对双胞胎宇航员斯科特和马克进行各种数据采集和研究(图片:NASA)

对双胞胎宇航员进行对比研究得到的结果可以分为四类:没有因太空旅行受到显著影响的生理功能,因太空旅行发生显著变化但在研究期间恢复的数据类型,少数因太空旅行的影响发生变化而返回地球六个月后仍持续存在的数据类型,还有一些是在返回地球后才观察到受到显著影响的指标。

综合研究结果也表明,一个人体在太空度过一年后仍然能保持强劲和弹性。

没有因太空旅行受到显著影响的生理功能

免疫反应:斯科特在出发前、在国际空间站期间及返回地球后进行了三次流感疫苗注射,每次身体都正常反应。因此NASA对人体免疫系统应对太空旅行,即使是长期太空任务,都很有信心。

因太空旅行发生显著变化,但在研究期间恢复的数据类型

端粒:每条DNA链的两端都有特别的端粒保护染色体,就像跳绳两端的塑料柄可以保护跳绳。端粒长度会随着年龄增长而变短,然而,生活方式的因素,如紧张,所处的环境等也会影响端粒变短的速度。

双胞胎研究最令人注目的发现之一是斯科特在太空中和返回地面几天后端粒长度的变化动态。在太空中长度增加的端粒,在返回地球后几天后,就开始缩短,大多数端粒都缩短了。这项研究可以帮助评估一般健康状况并识别潜在的长期风险。

基因表达:通过基因表达的过程DNA指导身体细胞制造有价值的成分,如用于构建和修复组织的蛋白质。马克在地球上也会经历正常范围内的基因表达变化,但斯科特的不一样,这些变化可能归因于斯科特在太空中的长期停留。大部分这些变化,约91.3%在返回地球后恢复正常。

表观基因组学:从这方面的研究可以看出环境变化对DNA甲基化反应的影响,进而会对身体的很多生化反应产生显著影响。研究发现,斯科特的大部分表观基因变化是在太空任务的后半年才开始观察到的,在短期任务中观察不到这种显著变化,而这些指标的变化在返回地面后恢复正常,但是发生过变化的基因组区域与马克的对比还是不一样了,为研究者确定对太空环境影响反应最大的基因开辟了一条路。

研究人员处理斯科特的血液
研究人员处理斯科特的血液(图片:NASA/Chris Mason, Ph.D., Weill Cornell Medicine)

微生物:人体肠道中各种各样的微生物和人体健康是息息相关的。在太空中斯科特的肠道菌群发生了很大变化,返回地面后肠道微生物群组成就恢复了。虽然其他的特殊空间环境因素可能也会对此有影响,主要因素是,在空间站吃的食物主要是冷冻干燥或热稳定的预包装食品。

微生物恢复正常也让研究人员感到放心,他们将来也可能通过调整宇航员的饮食结构让有益的肠道微生物生长旺盛,以保持人体健康。

其他恢复正常的还有:对表观基因和转录数据进行调控的基因,体重,颈动脉尺寸,中心凹下脉络膜厚度,视乳头周围总视网膜厚度,以及血清代谢物。

返回地球六个月后变化仍持续存在的数据类型

因太空旅行的影响发生变化,而返回地球六个月后这些变化仍持续存在的表征数据,包括以下各项中的一小部分:基因表达,端粒动力学,DNA破坏,颈动脉增厚,眼球改变和一些认知功能。

返回地球后才观察到受到显著影响的指标

斯科特的一些身体指标,在太空中并没有观察到有显著的变化,反而是返回地球后才观察到的, 包括炎症细胞因子、免疫应答基因网络以及认知表现。

例如,在执行太空任务期间,与马克在地面上的表现对比,从典型的为期6个月的国际空间站任务,增加到一年的任务,持续时间的延长并没有导致斯科特的认知表现(如精神的警觉性,空间定位,情绪的识别)显著下降。然而回到地面后,斯科特在认知的速度和准确度上却有明显下降,并持续了6个月。这可能是由于重新置身于地球引力环境中需要调适,以及斯科特完成太空飞行后陷入繁忙的日程所导致。

双胞胎宇航员马克和斯科特
NASA双胞胎宇航员斯科特和马克(图片:NASA)

人类在太空环境中面临的危险

太空旅行会对人类造成各方面影响,目前已知的有:人体健康和表现的变化,生理机能变化,很多细胞和分子过程的变化会造成骨质疏松、认知表现发生变化、微生物移位和基因调控的改变。

总体来说,人类在太空中面临五个方面的危险和挑战。

太空辐射

太空旅行最大的威胁就是太空辐射。在地球磁场保护范围内运转的国际空间站面对的是十倍于地球的辐射,而这比深层空间的辐射要小得多。强辐射会增加致癌危险,还会损害中枢神经系统,导致认知功能减退,行为发生变化。表现为呕吐、厌食、疲惫、白内障、心脏疾病、血液循环疾病等。

隔离和禁闭

一群人长期拥挤在一个狭小的空间,不管他们受到过怎样良好的培训,出现行为问题是不可避免的。虽然执行太空任务的宇航员都是精心挑选、培训、得到支持的,但是长期类似监禁的环境是人们难以想象的。可能一些因素的变化,如噪音环境,增加的日照时间,禁闭的压力,大负荷的工作和乏味的时段交替进行,都会导致出现情绪、认知和精神状态的衰弱,以及人际冲突、睡眠紊乱。

持续缺乏多样的新鲜食物也可能会加强单调的感觉,导致营养不良,引起心理和生理失衡。这些个人发生的状况都可能导致团队交流不畅。

距离地球遥远

月亮距地球约36万公里,但是如果去火星,距地球有2亿多公里,一个来回要大约3年,没有可能得到重新补给,预先计划的自给自足成为基本要求。单程约20分钟的通讯滞后,可能的设备故障及医疗急救等都需要宇航员自己有能力解决。

从地球到火星
从地球到火星(示意图片:NASA)

引力场变化

进入太空不同的区域,引力都会发生变化,会引起手眼不协调,运动平衡能力发生变化,空间定位能力下降,心脏、骨骼、肌肉都会受到影响。没有重力的情况下,每个月骨骼密度会下降1%。宇航员需要适应引力的变化。

恶劣/封闭的环境

太空环境对人体是不利也不适宜的,因此航天器内生活空间的空气、温度、灯光、噪音、压力都要模拟地球环境。微生物会改变封闭空间的状态,人体自身的微生物也容易互相传播,压力导致的人体免疫系统的变化也会使人容易感染疾病。

双胞胎宇航员研究对未来宇航员及人类其他成员的意义

虽然仅仅通过一项对双胞胎宇航员的研究,并不能给出所有问题的答案,但是至少对未来研究的重点指出了方向,对未来更遥远的太空探索,可以在运动、营养、辐射防护、合理的工作量、精心选择乘员等方面提供预防措施和对策,促进宇航员的身体和精神健康。

太空旅行导致的人体应激会改变人的认知功能、新陈代谢、胃肠道菌群、免疫系统和基因,双胞胎研究增进了人们对这些变化的理解。研究结果可用于开发新的治疗方法和预防措施,以应对地球上与压力有关的健康风险。下面举几个例子。

端粒方面,通过研究端粒和端粒酶,确定太空飞行中独特的容易受到端粒变化影响的个人因素,可以做出努力,减轻老化和疾病对人类的影响。

代谢组学方面的研究,对身体内系统范围的变化(包括与环境相关的在基因表达和新陈代谢方面的变化)如何与疾病(如动脉粥样硬化)风险因素发生联系,提供了新的深刻见解。

免疫方面能让人更好地理解和对待个体对季节性流感疫苗接种的免疫反应。

蛋白质组学的研究结果对其他方面的研究也会产生影响,包括创伤性脑损伤,脑积水,其他与颅内压增高有关的疾病,以及视觉系统的青光眼和其他疾病。

 

(本文由希望之声编辑编译综合,保留版权。未经希望之声书面授权,不得转载。)

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