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太空飞行对人体有害?NASA双胞胎宇航员揭晓答案

2019年04月12日 10:36 来源于 财新网
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宇航员的大部分生物学和健康指标在一年太空飞行期间保持稳定,在回归地球后也能恢复正常,这表明宇航员在一年飞行期间可以保持健康。
“NASA双子研究”的双胞胎宇航员:马克·凯利(左)和斯科特·凯利(右)。图/NASA

  作品来源:《知识分子》(微信公号:The-Intellectual)

  撰文 | 计永胜

  责编 | 叶水送

  最近,美国国家航空航天局(NASA)表示将在未来5年内重返月球,并表示2033年将登陆火星,他们还为此专门成立了“月球及火星任务部”,探索火星及更遥远的星辰大海。

  如此雄心壮志,是否能实现?如果不考虑人类在航空航天领域的发展现状,人类的自身身体条件,是否允许长时间在太空中生活?根据目前的航天器速度往返于火星至少需要一年多的时间。

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太空失重的环境,图片来源pixabay.com

  与地面环境不同,星际旅行会让宇航员长期处于失重状态,并暴露在宇宙辐射中,生物节律也会发生改变,太空飞行会不会对他们的健康造成影响呢?

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“NASA双子研究”项目及参与的科研团队。(图源NASA.gov)

  为解开上述谜团,NASA还真的行动起来了,通过与十个科研团队合作,开展了一项长达27个月名为“NASA双子研究”(The NASA Twins Study)的科研项目[1]。他们还设立了专门的网页以及项目LOGO:https://www.nasa.gov/twins-study/

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The NASA Twins Study登上本周 Science 杂志

  该研究首次系统性地分析了长时间太空飞行对人体生理、免疫、遗传、认知等方面的影响,也得出了目前最靠谱的结论:长时间的太空飞行对人体有影响,但基本上可在回到地面后短时间恢复过来,有大约7%的基因表达在回到地球6个月后未恢复到正常水平。相关结果在线发表于4月12日的《科学》杂志上 [2]。

  NASA对此进行评论道,“双胞胎宇航员是个可遇而不可求的研究机会。但参与研究的宇航员只有两名,我们还不能说身体指标的变化完全缘于太空飞行。数据显示宇航员的大部分生物学和健康指标在一年太空飞行期间保持稳定,在回归地球后也能恢复正常,这表明宇航员在一年飞行期间可以保持健康。”

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“NASA双子研究”的两位主角。图片来源NASA

  那么谁来参与这个项目呢?对研究者来说,想比较两种不同环境人体的响应,没什么比研究一对双胞胎更加完美了。于是美国航天航空中心的同卵双胞胎宇航员进入了研究者的视野,他们分别是斯科特·凯利(Scott Kelly)和马克·凯利(Mark Kelly)。

  斯科特通过美俄联合“一年使命”(One-Year Mission)太空项目在国际空间站(International Space Station,ISS)持续生活了340天 [4],检测样本由联盟号飞船运回地面实验室,而马克则一直在地球。

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参与NASA双子研究的阵容非常豪华,图片来源NASA

  研究者具体是怎么来进行研究的?他们对包括体重、营养、端粒长度、基因组稳定性、血管健康、眼球结构、遗传物质转录和代谢、基因组化学修饰(表观遗传)、脂类水平、肠道/粪便微生物菌群及认知功能在内的10项关键健康指标进行研究,以此评估太空飞行对这些指标的影响。

  根据受影响的程度,研究人员又把这些指标分为潜在低危、潜在中(未知)危和潜在高危三类。

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研究团队分别就代谢组、蛋白组、认知、表观遗传等领域进行研究,图片来源NASA

  研究科研人员发现,与飞行前后相比,在太空飞行的宇航员其基因表达的确发生了变化,但91.3%的基因在他落地后逐渐恢复正常表达,同时太空飞行会引起免疫相关基因的修饰水平(DNA甲基化)发生波动,但全基因组的化学修饰水平并没有大幅改变。

  研究人员还发现,这名在太空飞行的宇航员斯科特在太空期间染色体端粒(保护细胞染色体免受降解的结构)长度增加,而回到地球后,端粒长度在48小时内开始缩短,并在数月后恢复到正常水平。具有相似变化趋势的指标还包括体重、微生物菌群、T细胞功能(免疫力)、细胞和组织调节水平(基因转录和代谢),这些对宇航员完成长期空间飞行任务的危险程度均较低。

  据此前报道,大约有40%的宇航员出现名为太空飞行相关神经视觉综合征(Space flight-associated Neuro-ocular Syndrome,SANS)的健康问题,如视神经乳头水肿、脉络膜皱褶等 [5]。而在本研究中,科研人员也观测到斯科特在空间站生活时出现脉络膜和视网膜厚度增加、脉络膜皱褶加重的现象。虽然上述临床表现在斯科特回到地面后消失,但科研人员并没有排除此类症状在宇航员执行更长期空间飞行任务(比如登陆火星)时持续存在的可能。

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NASA双子研究进程时间表,图片来源NASA

  除了失重状态,宇宙电离辐射会对人产生什么样的影响?众所周知,宇宙电离辐射会影响基因组的稳定性。研究发现,斯科特一年太空飞行造成的基因组不稳定在回到地球后也持续存在。

  值得一提的是,相比于在地面进行试验的马克,斯科特从空间站回到地球后的认知能力出现下降的现象。这些生理指标的变化可能与宇航员长时间失重、宇宙射线照射及着陆前后对重力的重新适应有关,由此它们被科研人员归纳为高危关联因素。此类指标还包括血管生理变化、炎症反应、基因表达异常(有约7%的基因在斯科特返回地球后未恢复正常表达)等。

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《自然》杂志对此研究的报道,图片来自 nature.com

  此外,研究人员还发现,斯科特在太空飞行期间尿液成分和血液成分也发生了变化,回到地球后染色体存在端粒缺失现象。这些变化要么危险程度中等,要么危险程度未知,被科研人员归结为潜在中(未知)危险关联因素。

  参与此项研究的约翰霍普金斯大学布隆伯格杰出教授安德鲁·费恩伯格(Andrew Feinberg)评价道,“我们需要更多的研究才能得出更加令人信服的结论。”

  据了解,迄今只有4名宇航员的持续太空飞行时间超过一年,而按照当前的技术,火星登陆飞行时间预计3年左右。但是,“ NASA双子研究”为太空飞行对人体健康的影响绘制了比较完整的画面,也为人类制定更长远的星际旅行计划提供了可参考的健康安全基础数据。

  主要参考文献:

  [1] https://www.nasa.gov/twins-study

  [2] Garrett-Bakelman et al., The NASA Twins Study: A multidimensional analysis of a year-long human spaceflight. Science 364, eaau8650 (2019).

  [3] C. S. Leach et al., Regulation of body fluid compartments during short-term spaceflight. J. Appl.Physiol. 81, 105-116 (1996). doi: 10.1152/jappl.1996.81.1.105.

  [4] https://www.nasa.gov/1ym

  [5] M. B. Stenger et al., “Evidence report: Risk of spaceflight associated neuro-ocular syndrome (SANS)”(NASA, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, 2018).

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责任编辑:冯禹丁 | 版面编辑:王影
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