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一人上太空,一人留地球:NASA双胞胎实验得出怎样的成果?

Carl Zimmer2019-04-17 06:52:08

实验结果将为探究长期太空生活对人体健康的影响提供参考。

本文只能在《好奇心日报》发布,即使我们允许了也不许转载*

整整 340 天的时间里,斯科特·凯利(Scott Kelly)一直都在国际空间站内绕地球飞行,不断收集自己的健康数据。

他从自己手臂的静脉里抽血,保存自己的尿液,玩各种检测记忆力和反应速度的电脑游戏,检查自己眼睛的形状。

距离国际空间站 240 英里之外的地球上,斯科特的哥哥马克·凯利(Mark Kelly,也是一名宇航员)也在接受同样的测试。两人的健康数据对比为我们提供了宝贵的机会,让我们得以从分子水平了解太空生活对人体健康所能产生的影响

斯科特今年 55 岁,三年之前顺利返回地球。上周四(当地时间 4 月 11 日) ,NASA 的研究人员在报告中指出,他的身体在绕地球飞行过程中出现大量变化:部分细胞出现 DNA 突变,免疫系统合成许多新的信号分子,微生物组内也出现了新的细菌。

斯科特身上的很多生物学变化看上去对身体健康没有损害,返回地球后不久就逐渐消失。但还有一些(基因突变,返回地球后认知测验分数下降)始终存在,让科学家感到有些担忧。

部分科学家认为,斯科特的健康风险处于可控范围内。但是也有科学家想知道飞往火星或者宇宙中更远位置的旅程对宇航员来说是否安全。要想找到最终答案,我们还要在更多宇航员身上开展实验研究。

马克·凯利和他的双胞胎兄弟斯科特·凯利。图片版权:Robert Markowitz/JSC/NASA

斯克利普斯应用科学研究所(Scripps Research Translational Institute)所长埃里克·托普尔博士(Eric Topol)表示:“我觉得这是有史以来综合性最强的人类健康数据评估项目。据我所知,没有任何一个科研项目能和它媲美。”据悉,托普尔博士并没有参加 NASA 组织的双胞胎宇航员研究。

从大约 60 年前人类首次进入太空到现在,不断有宇航员在太空中执行航天任务。虽然如此,科学家依旧不清楚太空生活能对人体会产生何种影响。NASA 研究人员在《科学》杂志上发表了“双胞胎实验”(Twins Study)的研究成果。通过类似项目,NASA 希望在安排宇航员执行时间更长的太空任务前了解太空环境对人体的影响。

2012 年,NASA 安排斯科特与俄罗斯宇航员米哈伊尔·科尔尼延科(Mikhail Kornienko)搭档,执行在国际空间站中工作一整年的艰巨任务。这比此前的研究项目时间长了一倍。

宣布任务之前,斯科特问 NASA 官员是否制定了将他和双胞胎哥哥对比的计划。他得到了这样的答复:“我们手上有两个基因一模一样的宇航员,他们是很好的实验对象。”

NASA 官员一开始说没有制定对比计划,但很快又决定接受斯科特的提议。马克同意参与研究,于是 NASA 的“双胞胎实验”正式诞生。(马克已于 2011 年从 NASA 退休,他的夫人是前任众议员加布里埃尔·吉福兹[Gabrielle Giffords]。目前,马克正在竞选因约翰·麦凯恩[John McCain]去世而空缺的亚利桑那州参议员席位。)

对比双胞胎兄弟的身体数据后,NASA 能够更清楚地了解斯科特在太空飞行期间经历了哪些生理变化。

科罗拉多州立大学(Colorado State University)的肿瘤生物学家苏珊·贝莉(Susan Bailey)是“双胞胎实验”研究成果的联合作者之一。她表示:“他们是同卵双胞胎,这在很大程度上缩小了实验的变量。所以我们可以说,据我们所知,斯科特身上出现的变化都是由太空飞行引起的。”

2015 年 9 月,斯科特在太空中为自己注射流感疫苗。这是“双胞胎实验”项目中的一个研究课题。图片版权:JSC/NASA

共有十个研究团队参与了“双胞胎实验”的设计工作,期待从两人身上收集大量的研究数据。但是对斯科特而言,本次太空旅行与此前几次任务没有太大不同。

比如说,在失重环境中为自己抽血就是熟悉的例行工作。斯科特表示:“抽血过程中,血液溅出去了很多次。你只能伸手去够,一点一点把漂浮的血液抓回来。”

从很多角度来看,科学家发现斯科特的身体变化与在国际空间站中工作半年的宇航员基本类似。斯科特身体的生物学变化速度最终逐渐变慢,这说明人体可能在太空环境中达到了新的平衡状态。

但是,斯科特的身体也出现了一些令人惊讶的改变。

贝莉博士负责研究斯科特 DNA 上一个叫做端粒(telomere)的特殊位置。端粒位于染色体的两端,主要作用是保证染色体的完整性。

随着年龄的增长,人们体内的端粒不断缩短。外界压力——比如辐射和污染——可能导致端粒磨损速度加快,加速人体衰老进程。

奇怪的是,在太空执行任务期间,斯科特端粒的平均长度不断没有减少,反而还有所增加。总体来看,他的细胞似乎变得越来越年轻。

贝莉博士介绍说,定期锻炼和健康饮食可能是造成这一现象的部分原因。不过,太空环境可能也唤醒了斯科特体内一部分本来非常安静的干细胞。

换言之,斯科特体内已有的细胞可能没有发育出更长的端粒。相反,他的身体也许制造出一批具有更长端粒的新细胞。

被激活的基因

太空旅行也导致斯科特的基因出现变化。斯科特体内成千上万原本非常安静的基因活跃度增加。作为对比,科学家发现马克体内相同的基因依旧非常安静。斯科特在太空中停留的时间越长,体内被激活的基因数量就越多。

部分被激活的基因主要负责合成帮助修复受损 DNA 的蛋白质。这种现象的出现具有合理性,因为国际空间站的辐射水平高于地球表面。

据康奈尔大学威尔·康奈尔医学院(Weill Cornell Medicine)的遗传学家克里斯托弗·梅森(Christopher Mason)估计,一年的实验过程中,斯科特在太空承受的辐射量是地球上平均辐射量的 48 倍。因此,他的细胞一直忙于修复辐射给身体带来的损伤。

2015 年 12 月,斯科特进行太空行走。图片版权:NASA, via Associated Press

不过,另外一些被激活的基因则是在免疫系统中发挥重要作用。导致这种变化的原因目前尚不清楚。

也许是国际空间站的总体生活压力导致宇航员的免疫系统出现变化。但是最新的研究发现,宇航员体内潜伏的病毒也被太空环境所唤醒。

人体免疫系统从来没有为应对太空环境而发生过进化。也许免疫系统只是在宇航员进入太空后感到“困惑不解”罢了。

作为“双胞胎实验”研究成果的联合作者之一,梅森博士这样评价宇航员免疫系统活跃度增加:“这是好事还是坏事?要想找到确切答案,我们就要在更多宇航员身上开展研究。”

2016 年 3 月 1 日,斯科特从太空返回地球。从生物学角度来看,这是整个“双胞胎实验”中最重要的事件之一。落地后,斯科特的身体呈现出非常紧张的迹象,免疫系统也处于高速运转状态。

斯坦福大学遗传学家迈克尔·斯奈德(Michael Snyder)是“双胞胎实验”研究成果的联合作者之一。当时他就警告说,斯科特的身体反应与正常情况有所区别。他推测道:“斯科特可能感染了病毒。正因他的表现不同寻常,我们才想在更多宇航员身上开展实验。”

虽然部分健康数据在初回地球时有些波动,但斯科特的大部分身体指标很快恢复到与执行任务前基本一致的水平。比如说在太空工作时,他肠道内的部分细菌数量快速增加,但回到地球后这些细菌的数量又减少到正常水平。

回到地球的 48 小时内,斯科特体内奇怪的端粒增长现象就消失不见。实际上,贝莉博士和同事渐渐发现斯科特体内有很多细胞的端粒比他去太空之前还短。

贝莉博士说:“人们问我去太空能不能让人青春永驻。在我看来,答案是否定的。如果太空真的能让人永葆青春,你可能就必须在太空一直待着,永远不能返回地球。”

“在流沙之中拼命挣扎”

斯科特也有部分身体指标没有恢复到执行任务之前的水平。

回到地球半年后,8.7% 的基因的行为方式依旧没有回归正常。因为所涉及基因的数量比较小,所以斯奈德博士才说这些属于“适度”的身体变化。

研究人员还发现,斯科特的认识测验分数不如执行任务之前高。宾夕法尼亚大学的认知科学家马赛厄斯·巴斯纳博士(Mathias Basner)表示:“在几乎所有的测试中,他的反应速度变慢,反应精准度也有所下降。”

导致这一现象的原因可能是斯科特身上的部分生物学变化。但是巴斯纳博士指出,斯科特回来之后要处理大量繁杂的事务,比如接受大量电视采访,发表公众演讲。

不知不觉中,斯科特可能也不再强迫自己保持专注。巴斯纳博士说:“着陆的那个瞬间,他基本上就正式退休了。所以他可能不再有动力时刻保持良好的状态。”

定期锻炼和健康饮食(不过他在太空中吃了不少 M&M 豆)可能是导致斯科特细胞端粒长度增加的部分原因。驻扎在国际空间站期间,他的体重下降了 15 磅。图片版权:JSC/NASA

在 2017 年出版的回忆录《忍耐力》(Endurance)中,斯科特描述了自己回到地球后与疼痛、睡眠问题以及其他困难斗争的心路历程。某天晚上,他感觉自己好像“在流沙之中拼命挣扎”。

一次接受采访时,斯科特说他怀疑自己遭受的各种痛苦可能是导致认知能力下降的根源。他表示:“你很难在感觉不舒服时集中注意力。”

斯科特身上另一个变化也引起了科学家的注意:回到地球后,在太空中出现的许多基因突变依旧存在。梅森博士说:“这些基因突变出现在太空飞行过程中。任务结束后,它们还一直存在于斯科特体内。”

有时候,辐射会引发一种导致细胞在分裂时产生更多基因突变的基因突变。最后,受到影响的细胞可能会开始疯狂生长,不再接受身体的控制。贝莉博士说:“照这样发展下去,人们就会罹患癌症。”

英国维康桑格研究院(Wellcome Sanger Institute)的肿瘤生物学家彼得·坎贝尔(Peter Campbell)并没有参与“双胞胎实验”。他说科学家并没有办法预测太空造成的基因突变会对斯科特的健康产生什么具体影响。

坎贝尔表示:“我们很难确定具体影响。但我觉得这样规模基因突变增加可能会导致一定程度的患癌风险增加。”

斯科特身上两个恢复缓慢的身体变化——认识水平下降和 DNA 突变——让许多专家倍感忧虑。他们担心长达一年的前往火星之旅可能给宇航员带来更多风险。

哈佛大学医学院的心理学家加里·斯特兰曼(Gary Strangman)提出,反应速度和反应准确度的下降“可能给长期太空任务带来严重的后果。”

经历漫长而疲惫的太空旅行后,抵达火星的宇航员可能刚一落地就需要做出迅速而精准的反应。

佛罗里达大学的认知神经科学家瑞秋·塞德勒(Rachael Seidler)说:“如果你在一段时间内存在认知处理速度变慢、难以掌握平衡以及眼-脑协调问题,那么你的一举一动都可能给自己带来风险。”

大量基因突变可能不会立即给宇航员的健康造成危害,但从长远角度来看,这可能提高他们一生中罹患癌症的可能。

梅森博士估计称,执行火星任务宇航员所承受的辐射可能是斯科特所承受辐射的八倍。

英国弗朗西斯·克里克研究所(Francis Crick Institute)的肿瘤生物学家查尔斯·斯旺顿(Charles Swanton)没有参与“双胞胎实验”。他在接受采访时表示:“我们要竭尽所能,最大程度降低宇航员在长期太空旅行中所承受的辐射。”

斯克利普斯应用科学研究所的托普尔博士指出,他从斯科特的太空经历感受到了残酷的启示。

他说:“NASA 研究人员根据各种客观数据撰写出论文。看完之后,我最大的感受是为什么会有人愿意奔赴火星,或者前往太空呢?这是一个非常可怕的工作。”

得克萨斯大学西南医学中心(University of Texas Southwestern Medical Center)的细胞生物学家杰瑞·谢伊(Jerry Shay)则更为乐观。他相信我们能找到应对策略,保护宇航员的生命健康。

目前,谢伊和同事正在测试能够刺激细胞主动修复受辐射损伤的 DNA 的药物。他说:“我觉得所有的问题都有解决之道。”

NASA 已经开始对“双胞胎实验”的所有数据和研究结果进行筛选审查,为制定下一次前往国际空间站的航天任务做准备。

NASA 人类研究项目(Human Research Program)的首席科学家詹妮弗·福格蒂(Jennifer Fogarty)说:“下一次国际空间站任务与‘双胞胎实验’有所不同。我们会从这次的实验中吸取经验教训,提出更多准确而关键的问题。我们还会收集很多让人着迷的数据,只不过需要一定时间才能搞清楚数据究竟反映了什么现象。”

贝莉博士则计划继续研究斯科特身上令人困惑的端粒。如果能成功解决这个问题,她的研究成果可能会给研究正常衰老以及衰老所伴随疾病的项目带来启示。

她说:“我们想要指导为什么斯科特的端粒会出现变化,以及端粒出现变化的工作机制是什么。这是一个重要的问题,不仅事关宇航员的健康,也关系到在地球上生活普罗大众的福祉。”

2011 年 3 月,从国际空间站返回地球的斯科特降落在哈萨克斯坦境内。他乘坐直升飞机离开着陆现场。图片版权:Bill Ingalls/NASA


翻译:糖醋冰红茶

题图为 2011 年,宇航员斯科特·凯利在国际空间站的穹顶舱内工作。图片版权:JSC/NASA

© 2019 THE NEW YORK TIMES

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