科學也可以如此靠近

把同卵雙胞胎航天員中的一個送上太空,NASA這次證明了什麼?

9月
18
2018

2018年9月18日20時 今日科學 中國科普博覽

中國科普博覽

出品:科普中國

製作:中國科學院空間應用工程與技術中心 韓培

監製:中國科學院計算機網絡信息中心

不久前去世的知名理論物理學家史蒂芬·霍金曾經指出,人類要想避免滅頂之災,就要在100年內逃離地球。這位天才物理學家認為,地球上的生命很有可能由於某種災難而滅絕,如突如其來的核戰爭、基因工程製造的病毒、或人工智慧帶來的威脅等,並且這種風險還在不斷增長。由於地球環境變得越來越不宜居,為了人類的未來,我們必須將目光投向太空。

(圖片來源:百度百科)

那麼,漫漫星際航行,宇宙射線、缺氧環境、幽閉空間等等等等,人類能夠生存並且適應長期的太空飛行麼?

(圖片來源:www.tooopen.com)

雙胞胎航天員的"特殊使命"

空間環境會對人的身體造成什麼樣的影響呢?這是個非常重要並且基礎的問題,因為這關係著未來星際旅行的可行性,以及人類在宇宙中到底能走多遠。多年來,科學家對此問題進行苦苦思索,希望能獲得真實的數據來進行參考和分析。

舉個例子,如果我們想知道長期太空飛行對人體產生的影響,就可以找兩個相同的人來進行對照實驗:將一個人送入太空,一個人留在地球上,一段時間之後將兩人進行對比,觀察進入太空的人身上發生了哪些變化,就能初步知道太空旅行對人體的影響了。

然而,讀者一定也能猜到這個對照實驗的困難之處——世上並無完全一樣的兩個人,科學家也就無法找到理想的實驗對象。複製人? No No

No,倫理問題目前還無解呢。目前最好的方法莫過於——拿一對同卵雙胞胎作為"實驗小白鼠",因為同卵雙胞胎已經是基因相似度最高的人類了(有些研究表明,他們還具有很強的心靈感應)。但是,問題來了,世界上的同卵雙胞胎固然不少,但是在身體素質和智力水平兩方面都達到航天員要求的可不多。到哪裡去找這樣的雙胞胎呢?

無巧不成書,NASA還真的有這麼一對特殊的航天員。Scott Kelly和Mark兄弟,他們是歷史上唯一一對同卵雙胞胎航天員,兩兄弟既滿足基本的要求,也對太空實驗有足夠的認知,簡直是完美的實驗對象。

Scott Kelly和Mark兄弟(圖片來源:NASA)

(圖片來源:NASA)

雙胞胎對照實驗的想法最初是由Scott本人提出來的,因為雙胞胎航天員的例子太稀有了,NASA接受了Scott的建議,將各個專業的科學家召集到NASA,開始進行這個史無前例的對照實驗。

斯科特出發前,在隔離室內與玻璃窗與他的雙胞胎兄弟對拳(圖片來源:NASA)

2015年3月,Scott Kelly在俄羅斯搭火箭上太空,他的兄弟Mark則留在地球作為對比參照對象。2016年3月,經過了一年的任務之後,Scott

Kelly返回了地球,在Scott執行飛行任務之前、飛行期間和返回地球之後,研究人員分別採集了兩個雙胞胎兄弟的DNA樣本,希望找出太空生活對人類身心造成的影響。

那麼,在太空飛行時,人體具體會發生哪些奇特的變化,會遇到哪些在地球上不會遇到的問題,科學家是怎樣去解釋這些變化,又會給出什麼樣的結論呢?

"雙胞胎實驗"謎底揭曉

2018年1月,在NASA舉辦的人類研究計劃2018年調查員研討會上,NASA公布了他們的新發現。研究人員稱,在太空中時,Scott的一些基因表達發生了變化,而且回到地球幾個月後,其中7%的基因表達仍然沒有恢復到飛行前的狀態。

(圖片來源:新浪微博)

太空飛行對基因與染色體的影響

①基因表達變化

根據太空飛行對照實驗,威爾康奈爾醫學院發表了一篇關於"太空基因"的論文,他們研究了太空環境對雙胞胎兄弟RNA和DNA化學變化的影響,他們提出,雖然93%的基因表達在Scott返回地球後恢復正常,但是仍然有數百個"太空基因"處於混亂狀態。

這個所謂的"太空基因"是什麼呢?其實沒那麼神秘啦,只是遺傳學家用的一個術語,用來指代純粹由航天飛行而導致的基因表達出現異常變化的那些基因。

基因表達是一個受調控的過程,具有時間和空間的特異性。例如,按照功能需要,某一特定基因的表達將嚴格按特定的時間順序發生,或者是在個體生長的過程中,某種基因產物會在個體按照不同組織空間順序出現。而且基因表達也會因為外界的刺激發生變化,生物體所處的內、外環境是在不斷變化的,通過調控基因的表達,可以使得生物體表達出合適的蛋白質分子,以便更好地適應環境。在對照實驗中,研究人員觀察到的雙胞胎基因表達的變化就是身體對空間飛行環境的一種應激反應。

那麼,7%的基因表達改變是一件很了不得的事情嗎?並不是哦,這只是非常小的一個基因表達變化,這種反應與人在壓力環境中,或者人在登山或潛水時的環境內出現的反應相似。基因表達發生異常變化,這是一個很重要的信號。雖然目前的研究還不能形成確定性的結論,但不可否認的是,基因表達變化可能會對免疫系統、骨骼構成、DNA損失修復等產生持久的影響,進而影響人類對環境的適應能力以及衰老的速度。

②端粒增長之謎

通過太空飛行實驗,科學家發現一個有趣的現象:Scott的端粒平均長度被發現顯著增長,返回地球後的48小時內,Scott的端粒長度則又縮短,然後穩定在飛行前的水平。而在地球上的Mark,端粒長度則一直保持著相對穩定。

端粒,是存在於真核細胞線狀染色體末端的一小段DNA-蛋白質複合體,它是染色體末端的"保護使者",保護染色體不被"磨損"掉。端粒就像鞋帶末端的那個小帽,保持著鞋帶的完整性,當這個小帽磨損,鞋帶就不完整了。一旦端粒磨損、耗盡,染色體將無法正常分裂,細胞的更新也就走向終止。

(圖片來源:www.weixinnu.com)

因此,端粒的完好程度,能夠表明細胞分裂潛力的大小:端粒越短,表明細胞的再生能力越小,剩餘的分裂次數逐步逼近極限,細胞壽命越短;端粒越長,則意味著細胞的再生能力越強,剩餘的分裂次數更多,機體組織將保持"年輕"。隨著人的年齡增長,若端粒消耗殆盡,細胞將會慢慢走向凋亡,端粒的加長也意味著衰老速度的減緩。

客觀地說,Scott的端粒延長的機制還不是很清楚。研究人員猜測是由於在太空中,Scott執行了嚴格的體能訓練計劃,並且在飲食上限制了熱量攝入。在執行任務過程中,Scott的體重下降,並伴隨著體內葉酸水平的升高,因而一個很可能的原因是太空中Scott吃的食品更健康。Scott的體重下降和葉酸增加與端粒延長的研究結果相吻合,這表示更健康的生活方式可能會使得端粒延長。如果是這個原因,地球上的人們通過節食加運動延緩衰老確實是可以的哦,這對地球上的人們來說是個好消息。

(圖片來源:m.sohu.com)

太空飛行對免疫系統的影響

空間生活對航天員身體造成傷害,航天員免疫系統會發生顯著變化。

航天員在太空中抽血(圖片來源:NASA)

1 血液樣本的過度反應

在身體遭受不良環境時,人會出現壓力。航天員血液樣本在空間站內以-80℃條件進行保存後帶回地球時,僅有少量冷凍血液樣本得以成功進行分析,大多數帶回來的新鮮血液樣本都被常見致病原體污染,如真菌、細菌、皰疹等。免疫系統對一些新出現的威脅反應強烈,具體原因不明,但這意味著由於獨特的環境壓力,免疫系統適應了空間站上的無菌環境。

研究發現,有航天員的血液樣本中出現過度反應,並伴隨著嚴重的免疫抑制,後續研究還將對航天員血液進行現場分析。為排除失重影響,進一步的研究將在地球上類似環境下進行,將從南極研究基地獲取志願者血液樣本。

2 功能性免疫

在長時間的空間飛行或深空探測任務中如何更好地保障航天員的身體健康,這是個非常重要的問題。功能性免疫是國際空間站進行的一項新研究,探索了以前未研究的身體免疫應答領域以及空間飛行是否會影響航天員對疾病的易感性。

免疫系統是生物結構和過程的複雜結合,某一方面機能的衰退即可導致人體內疾病風險的增加。研究顯示微重力下會有免疫系統修飾,這可能會造成一些航天員中出現皮疹、異常過敏和潛在的病毒激活。在微重力下,甚至在地球上的壓力狀況下,免疫系統任何時候都可能被削弱。而在深空任務中,免疫系統將在較長的時間內暴露於微重力環境中,科學家正在努力在任務開始之前對免疫問題進行定義,並制定緩解免疫系統問題的相關措施。

目前的功能性免疫研究建立在其他免疫學研究的基礎之上,聚焦於以前未研究的方面,以便更好地表征航天飛行對整個免疫系統的影響。了解在飛行中免疫系統如何工作將指導未來可能需要的發展對策,研究的結果將不僅僅對航天員帶來好處。除了在發病之前檢測和治療疾病的能力之外,開發用於穩定運輸樣品的方法可用於地球上的免疫研究,例如在不容易有實驗室條件的地區。

這項研究的第一個目標是完成免疫系統的鑑定,表征完成後,即可計劃抵制潛在的臨床風險,使人類的"火星之旅"計劃更進一步。

太空飛行對心血管健康的影響

據世界衛生組織統計,心血管疾病是全球頭號死因。NASA希望保證航天員在太空飛行任務期間的心臟健康,進行生物醫學研究預防心臟病也是NASA人類研究項目的重要內容。

NASA心血管和視覺實驗室的首席科學家Stuart Lee研究航天對心血管系統的影響,Cardio Ox是其領導的實驗室最新研究之一,旨在探究太空飛行對航天員心血管生理的影響。Cardio

Ox將幫助科學家確定在太空飛行過程中特定的生理應力是否增加,血管系統和功能是否受到影響。研究將測量航天員頸動脈和肱動脈的結構和功能,以及其血液和尿液中氧化壓力和炎症生物標記。

1 心臟功能

研究顯示航天飛行將導致航天員心肺血量增加、心臟做功減少、心肌萎縮、心率下降、心律不齊等心臟結構和功能的改變,最終導致心臟功能下降。

在中、長期航天飛行中,由於重力缺失、活動減少、代謝需求降低,機體維持在低動力狀態,心臟也適應性地處於低動力水平,從而使心肌結構發生退行性改變,收縮機能下降,泵血能力也隨之降低,心肌做功減少,心肌萎縮,這可能是引起心血管脫適應產生的重要原因之一。

心血管系統功能失調將會威脅航天員健康、影響航天員正常工作,"聯盟TM2一和平號"航天員拉維金因心臟多次出現期前收縮而被迫終止飛行任務提前返回。

② 動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化是一種由脂質、膽固醇、鈣和其他物質組成的斑塊在血管內形成而引起的慢性炎症疾病。人體內血脂水平異常與動脈粥樣硬化的發生及發展密切相關。

動脈粥樣硬化示意圖(圖片來源:tag.120ask.com)

雙胞胎兄弟接受了動脈超聲檢查,並且在整個任務期間持續地為研究人員提供不同時期的血液和尿液樣本。NASA的研究人員觀察了太空飛行後炎症和應激反應對Scott血管結構和功能的影響。

研究發現,在太空環境下,Scott血脂水平發生變化,說明帶有炎症。而地球上的Mark血脂水平雖然有類似變化,但炎症情況較少。研究人員對Scott體內具有抗炎作用的細胞因子(可以調控免疫應答的小分子蛋白質)水平進行了測量,發現Scott體內有兩次炎症反應最為明顯,一次是在剛返回地球後,細胞因子的含量達到峰值,並且在後續的6個月一直居高不下。另一次是在飛行前,細胞因子水平上升,並在飛行任務中保持高水平。

雖然細胞因子水平的變化已被科學家觀察到,但是這種變化是否可逆,是否代表太空中的Scott動脈粥樣硬化加速,目前還不能下確切的結論,未來科學家將進一步進行分析。

3 人體微生物群

近年來,人體內微生物菌群的數量及它們的重要性逐漸引起了人們的關注。大多數人對微生物的印象是有害的,但是無論是體內還是體外,都有著大量的微生物棲息在人的身體上,包括細菌、古生菌、真菌、病毒和其他微生物,它們被統稱為人類微生物群。而且它們中只有極少部分對人類有害,大部分很溫順,有些對人類有諸多好處,比如幫助消化人類無法自己利用的植物纖維、合成維生素、吸收礦物質、抑制致病微生物等。

微生物菌群影響著人類的免疫系統、心臟健康甚至體重、睡眠、情緒等等,參與著人體生理功能的方方面面。某種意義上來說,人其實是人本身和寄居其體內微生物的"超級生物體"。

(圖片來源:The human microbiota and chronic disease : dysbioses as a cause of human pathology書籍封面)

美國西北大學的研究人員對Scott和Mark體內的微生物菌群變化進行了研究。結果發現,由於飲食、環境及個體免疫水平的不同,在各個時間點,兩人體內的微生物都出現了明顯差異。飛行過程中,Scott體內的微生物菌群與飛行前有所不同,細菌性門擬桿菌的數量開始減少,不過Scott返回地球之後,這種減少便停止了。總體來說,空間飛行帶來的人體內微生物群的變化並不大,跟地球上的人們改變生活習慣和環境變化帶來的影響是類似的。

4 尿蛋白與機體生理變化

尿液中的一些蛋白質種類和含量的變化通常預示著人體多種生理代謝的變化,為了觀察太空飛行中的人體生理表現,研究人員檢測了雙胞胎尿液中的蛋白質變化。他們對尿液標本中的蛋白質進行了生物標記,以此來觀察Scott肌肉骨骼調節、代謝和心血管的變化,並且觀察人體內的蛋白質通路是否能適應太空環境引起的人體體液轉移。

研究人員發現,和地面上的Mark相比,在太空飛行過程中,Scott體內關於體液調節和骨骼肌肉形成的蛋白質含量差異顯著。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是調節腎臟對水通透性的主要蛋白質,在調節腎臟水平衡中起重要作用,是判斷人體含水率或脫水狀態的重要指標,增加的水通道蛋白2能增加腎臟對水的重吸收,這說明在太空中,人體的含水量增加。

5 大腦與智力

根據之前NASA的報導,宇宙射線可能會對航天員大腦造成一定程度的不良影響。在之前的研究中,科學家們把小鼠置於充滿強輻射粒子的空間裡,以模仿宇宙空間中充滿射線的環境,結果發現,這些實驗小鼠的腦部出現了炎症,並導致腦部傳輸紊亂。研究人員稱,小鼠整個大腦中心系統都受到了影響,導致整體認知能力下降,與精神錯亂的信號很相似。

(圖片來源:mt.sohu.com)

那麼人類呢?

在飛行任務之前、期間和任務結束之後,研究人員多次對雙胞胎兄弟進行了專門為航天員設計的認知測試,以研究太空環境對人類認知能力的影響。令人欣慰的是,2017年公布的報告顯示,太空任務時間的延長並沒有使Scott認知能力出現顯著下降,這可以讓很多航天員大大放心了。

不過在飛行後,Scott出現了認知速度和準度明顯下降的現象,這個可能是由於Scott回到地球後,身體器官需要重新適應地球引力造成的,而且也可能與任務結束後Scott繁忙的日常安排有關,畢竟作為名人有繁忙的宣傳和很多活動要出席嘛。

(圖片來源:NASA)

雙胞胎研究是首次通過基因組學研究來評估人體在太空中的潛在風險,是一項具有里程碑意義的研究,但是這項研究也存在一個很大的局限性,就是只有單一的一個參與者,而且對照組也是只有一個人。所以,即便科學家發現Scott的基因活動發生了某些變化,他們也無法確定這是由航天飛行導致的,還是由其他因素導致的。聽起來是不是有點沮喪,科學上的進步實在是太難了啊……

不過,這麼一小步的進步也已經是創造歷史了呢,這項研究將會在未來數年內繼續為NASA的人類研究項目提供研究數據。而且,收集基因信息對於未來的航天員選拔有很積極的作用,比如,如果某位航天員的基因信息顯示,他對於太空輻射的電離效應非常敏感,那類似的信息將影響NASA在選派前往太空的人選時所做的決定,可以有效的幫助NASA篩選航天員。

研究人員表示,今年的後半年,雙胞胎實驗陸續會有更多結果發表,到時候還會有什麼新鮮的結果呢,讓我們拭目以待吧。

(本文中標明來源的圖片均已獲得授權)


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