神舟十二号的三名航天员“出差”3个月,今天重返地球家园了!离开中国空间站,回到地球后,航天员的身体发生了哪些变化?要闯过哪些“健康”风险关?
人类对载人航天的未来有着越来越宏伟的计划,同时,随着新技术的出现,科学家们正在努力解决另一个关键问题:人体能否在太空中维持更长时间?一次火星探索任务可能需要两三年时间,而迄今为止,大多数太空探险只持续了6个月或更短的时间。超出地球轨道的扩展任务可能会对宇航员的身体产生怎样的潜在风险?
为了研究长时间太空飞行中微重力、辐射等影响,美国宇航局曾选择双胞胎兄弟斯科特·凯利和马克·凯利作为研究对象。这对同卵双胞胎都担任过 NASA 试飞员和宇航员,斯科特被选中执行为期一年的国际空间站 (ISS) 任务,而将他的兄弟——自己的基因副本——留在地球上。研究人员将地球上的马克用作对照对象,以比较斯科特在太空一年中的变化,时间是从 2015 年 3 月 27 日到 2016 年 3 月 1 日。
10个科学家小组研究了这对双胞胎在健康和生物学的不同方面,从基因表达到肠道细菌再到认知。这些数据是在为期一年的任务期间以及前后几个月从双胞胎身上收集的,研究结果发表在《科学》杂志上。具有参考意义。
· 1 · 老化问题
由科罗拉多州立大学辐射和癌症生物学教授苏珊·贝利 (Susan Bailey) 领导的 10 个团队中的一个专注于端粒,即保护 DNA 链末端的“帽子”。在地球上,每当细胞分裂产生新细胞时,端粒就会变短,直到端粒达到一个临界长度,这时细胞也失去活性而死亡,所以端粒会随着细胞个体的衰老而变短。
当贝利的团队分析斯科特白细胞中的端粒时,他们发现这些细胞中的平均端粒长度在任务期间出乎意料地增加了——在他到达太空目的地时平均延长了 14．5%。这是地球上的研究人员试图通过端粒酶实现的效果,端粒酶是一种维持和构建端粒的酶。
但是在太空中免费的东西在地球上是要付出代价的。斯科特返回地球后几乎立即——在着陆后的 48 小时内——凯利的端粒恢复到基线长度,更糟糕的是,在飞行后的几个月里,出现更多的端粒丢失或严重缩短,有些端粒实际上比任务前更短。这可能是一个令人担忧的发现,因为端粒缩短和丢失与衰老和年龄相关疾病的易感性有关,包括心血管问题和癌症。
研究人员还不确定这些端粒变化是如何或为什么发生的。该团队希望分析端粒酶的活性,端粒酶是一种延长端粒但在大多数成年体细胞中被关闭的酶,看看它是否在斯科特飞行时以某种方式被激活。然而,他们需要的材料“在太空中丢失了”。血液样本通过联盟号航天器运回地球,但端粒酶活性在抵达时就停止了,这可能是通过地球大气层再入过程中温度变化的结果。
· 2 ·太空中的基因表达
研究人员还研究了斯科特的基因组,看看基因表达是否在飞行过程中发生了变化,因为它往往会在压力情况下发生变化。
空间对基因组的影响很显著——而且发生得很快。“斯科特一进入太空,一千个基因就开始发生变化,”威尔康奈尔医学中心生物医学副教授克里斯托弗·梅森在相关新闻中说。“它们包括影响 DNA 维护和修复的东西,以及在需要时增强免疫系统。”
遗传变化包括所谓的染色体倒位(其中基因序列实际上端到端颠倒)和转座(其中单个基因改变染色体上的位置),已知这两者都与空间辐射有关。在斯科特回归后,并非所有变化都消失了——或者至少不会很快消失。
他们观察到基因表达方式的一些变化,这些变化在任务的最后六个月加速了。与飞行开始时相比,后半段出现的基因表达差异是其 6 倍多。
约翰霍普金斯大学教授兼医学研究员 Andrew Feinberg 和他的团队专注于甲基——通常表示基因表达变化的化学标记——并发现两兄弟的表观遗传变化量相似。
任务结束后,90% 的修改后的基因表达恢复到飞行前的基线——这是一个好兆头,表明身体可以在长期任务后恢复。其他 10% 的基因包含 800 多个基因,包括与免疫反应和 DNA 修复相关的基因,在斯科特回归6个月后仍以不同的方式表达。科学家解释说,这是因为在某种程度上,似乎身体中有足够多的细胞对发生的事情有记忆,因此仍然有一些持续的适应和重新校准以返回地球。
· 3 · 太空飞行对精神认知的影响
在一个可能令人担忧的结果中,一个研究认知的团队发现,斯科特在一系列认知测试中的表现在飞行后阶段有所下降。
尽管斯科特在飞行中的测量是稳定的,但他的“认知效率”,或者说他完成测试的速度和准确性,一旦回到地球就会下降。在他回来后的6个月里,这种减少一直存在。
虽然斯科特在长达一年的太空飞行过程中没有表现出任何令人担忧的认知影响,但与他之前从 2010 年10月到2011年3月在计划火星任务时,认知结果可能是一个“危险信号”,因为宇航员必须在着陆后执行复杂的任务。
科学家认为,在未来的任务中应该监测这些认知变化——因为人类评估自己的认知状态时,往往倾向于接受他们当前的状态,即使它们实际上比以前更糟。
· 4 · 太空探索者的身体
航天员长期在太空的微重力环境下生活,肌肉和骨骼不再受到地球上的重力刺激,会导致骨质流失、肌肉质量和力量减弱、出现心脏和血管以及视力模糊等问题。
在整个飞行过程中,斯科特自己对颈动脉和肱动脉进行超声检查,并定期监测血压并收集尿液和血液样本。马克接受了相同的测试。动脉监测产生了最显著的结果,斯科特的颈动脉在进入轨道后不久膨胀和增厚,并一直保持到返回后四天。
炎症的循环标志物也出现了激增,尤其是所谓的 c 反应蛋白 (CRP),它可以预测心血管问题。最大的问题之一,从他离开车站到着陆时,CRP 增加了八倍。他的水平在 36 天内没有恢复到基线水平。
他的免疫系统也受到了打击。在斯科特升空之前,这对双胞胎的 T 细胞和其他免疫成分的丰度和功能或多或少是相同的。但在他在太空期间,62 项细胞因子(干扰素、白细胞介素和其他免疫系统蛋白质)中的 50 项发生了显著变化。
好消息是,凯利回家后的免疫状况或多或少地恢复到基线水平。更好的消息是,在一项研究中,双胞胎在任务期间都接种了流感疫苗,他们的身体反应几乎没有区别,这意味着即使斯科特的化学反应变得异常,他的免疫反应仍然保持良好。
在此之外,在斯科特身体的其余部分,研究人员观察到与太空飞行有关的其他变化。在对微生物组(人类肠道中的细菌群落)进行的一项研究中,由西北大学的研究人员领导的一个团队发现,斯科特在太空的这一年中,不同类型细菌的比例发生了变化。然而,细菌的整体多样性并未减少,这是微生物组保持健康的好兆头。
由加州大学圣地亚哥分校健康科学研究人员Brinda Rana 领导的一个团队发现,在太空飞行过程中,几种蛋白质也发生了变化。斯科特在国际空间站上时的尿液样本含有高水平的胶原蛋白,一种结构蛋白。Rana 说,将这一测量值与生理变化(如在斯科特的眼球和血管系统中观察到的变化)一起观察,可能表明身体正在重组。研究人员还观察到水通道蛋白 2 水平升高,这种蛋白质往往是脱水的标志。
然而,一旦斯科特回到地球,研究团队和其他人观察到的绝大多数变化就消失了。Rana团队认为,这显示了身体的弹性,以及人体对不同环境的适应性。“在太空中待一年——身体可以应付。”
由于美国宇航局双胞胎研究的样本量很小,研究人员强调这可能不是一个普遍结果,也不能证明太空飞行与他们的观察之间存在直接因果关系。尽管如此,但该项研究为 NASA 提供了一些关于宇航员在太空飞行期间可能会在哪些方面发生生物变化的线索——该研究称,这是一个“有价值的路线图”,以了解更远距离进入太阳系的可能风险。
斯考特．凯利在2017年出版的《Endurance: My Year in Space, A Lifetime of Discovery》一书中写道,“这并没有特别困扰我,为推进人类知识做出贡献是值得的。”
谨以此文,致敬中国航天!让我们一起迎接神舟十二号航天员回家!
