神舟十二號的三名航天員“出差”3個月,今天重返地球家園了!離開中國空間站,回到地球后,航天員的身體發(fā)生了哪些變化?要闖過哪些“健康”風(fēng)險關(guān)?

人類對載人航天的未來有著越來越宏偉的計劃,同時,隨著新技術(shù)的出現(xiàn),科學(xué)家們正在努力解決另一個關(guān)鍵問題:人體能否在太空中維持更長時間?一次火星探索任務(wù)可能需要兩三年時間,而迄今為止,大多數(shù)太空探險只持續(xù)了6個月或更短的時間。超出地球軌道的擴展任務(wù)可能會對宇航員的身體產(chǎn)生怎樣的潛在風(fēng)險?

為了研究長時間太空飛行中微重力、輻射等影響,美國宇航局曾選擇雙胞胎兄弟斯科特·凱利和馬克·凱利作為研究對象。這對同卵雙胞胎都擔(dān)任過 NASA 試飛員和宇航員,斯科特被選中執(zhí)行為期一年的國際空間站 (ISS) 任務(wù),而將他的兄弟——自己的基因副本——留在地球上。研究人員將地球上的馬克用作對照對象,以比較斯科特在太空一年中的變化,時間是從 2015 年 3 月 27 日到 2016 年 3 月 1 日。

10個科學(xué)家小組研究了這對雙胞胎在健康和生物學(xué)的不同方面,從基因表達到腸道細菌再到認知。這些數(shù)據(jù)是在為期一年的任務(wù)期間以及前后幾個月從雙胞胎身上收集的,研究結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。具有參考意義。

· 1 · 老化問題

由科羅拉多州立大學(xué)輻射和癌癥生物學(xué)教授蘇珊·貝利 (Susan Bailey) 領(lǐng)導(dǎo)的 10 個團隊中的一個專注于端粒,即保護 DNA 鏈末端的“帽子”。在地球上,每當(dāng)細胞分裂產(chǎn)生新細胞時,端粒就會變短,直到端粒達到一個臨界長度,這時細胞也失去活性而死亡,所以端粒會隨著細胞個體的衰老而變短。

當(dāng)貝利的團隊分析斯科特白細胞中的端粒時,他們發(fā)現(xiàn)這些細胞中的平均端粒長度在任務(wù)期間出乎意料地增加了——在他到達太空目的地時平均延長了 14．5%。這是地球上的研究人員試圖通過端粒酶實現(xiàn)的效果,端粒酶是一種維持和構(gòu)建端粒的酶。

但是在太空中免費的東西在地球上是要付出代價的。斯科特返回地球后幾乎立即——在著陸后的 48 小時內(nèi)——凱利的端粒恢復(fù)到基線長度,更糟糕的是,在飛行后的幾個月里,出現(xiàn)更多的端粒丟失或嚴(yán)重縮短,有些端粒實際上比任務(wù)前更短。這可能是一個令人擔(dān)憂的發(fā)現(xiàn),因為端�？s短和丟失與衰老和年齡相關(guān)疾病的易感性有關(guān),包括心血管問題和癌癥。

研究人員還不確定這些端粒變化是如何或為什么發(fā)生的。該團隊希望分析端粒酶的活性,端粒酶是一種延長端粒但在大多數(shù)成年體細胞中被關(guān)閉的酶,看看它是否在斯科特飛行時以某種方式被激活。然而,他們需要的材料“在太空中丟失了”。血液樣本通過聯(lián)盟號航天器運回地球,但端粒酶活性在抵達時就停止了,這可能是通過地球大氣層再入過程中溫度變化的結(jié)果。

· 2 ·太空中的基因表達

研究人員還研究了斯科特的基因組,看看基因表達是否在飛行過程中發(fā)生了變化,因為它往往會在壓力情況下發(fā)生變化。

空間對基因組的影響很顯著——而且發(fā)生得很快�！八箍铺匾贿M入太空,一千個基因就開始發(fā)生變化,”威爾康奈爾醫(yī)學(xué)中心生物醫(yī)學(xué)副教授克里斯托弗·梅森在相關(guān)新聞中說。“它們包括影響 DNA 維護和修復(fù)的東西,以及在需要時增強免疫系統(tǒng)。”

遺傳變化包括所謂的染色體倒位(其中基因序列實際上端到端顛倒)和轉(zhuǎn)座(其中單個基因改變?nèi)旧�體上的位置),已知這兩者都與空間輻射有關(guān)。在斯科特回歸后,并非所有變化都消失了——或者至少不會很快消失。

他們觀察到基因表達方式的一些變化,這些變化在任務(wù)的最后六個月加速了。與飛行開始時相比,后半段出現(xiàn)的基因表達差異是其 6 倍多。

約翰霍普金斯大學(xué)教授兼醫(yī)學(xué)研究員 Andrew Feinberg 和他的團隊專注于甲基——通常表示基因表達變化的化學(xué)標(biāo)記——并發(fā)現(xiàn)兩兄弟的表觀遺傳變化量相似。

任務(wù)結(jié)束后,90% 的修改后的基因表達恢復(fù)到飛行前的基線——這是一個好兆頭,表明身體可以在長期任務(wù)后恢復(fù)。其他 10% 的基因包含 800 多個基因,包括與免疫反應(yīng)和 DNA 修復(fù)相關(guān)的基因,在斯科特回歸6個月后仍以不同的方式表達。科學(xué)家解釋說,這是因為在某種程度上,似乎身體中有足夠多的細胞對發(fā)生的事情有記憶,因此仍然有一些持續(xù)的適應(yīng)和重新校準(zhǔn)以返回地球。

· 3 ·  太空飛行對精神認知的影響

在一個可能令人擔(dān)憂的結(jié)果中,一個研究認知的團隊發(fā)現(xiàn),斯科特在一系列認知測試中的表現(xiàn)在飛行后階段有所下降。

盡管斯科特在飛行中的測量是穩(wěn)定的,但他的“認知效率”,或者說他完成測試的速度和準(zhǔn)確性,一旦回到地球就會下降。在他回來后的6個月里,這種減少一直存在。

雖然斯科特在長達一年的太空飛行過程中沒有表現(xiàn)出任何令人擔(dān)憂的認知影響,但與他之前從 2010 年10月到2011年3月在計劃火星任務(wù)時,認知結(jié)果可能是一個“危險信號”,因為宇航員必須在著陸后執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)。

科學(xué)家認為,在未來的任務(wù)中應(yīng)該監(jiān)測這些認知變化——因為人類評估自己的認知狀態(tài)時,往往傾向于接受他們當(dāng)前的狀態(tài),即使它們實際上比以前更糟。

· 4 · 太空探索者的身體

航天員長期在太空的微重力環(huán)境下生活,肌肉和骨骼不再受到地球上的重力刺激,會導(dǎo)致骨質(zhì)流失、肌肉質(zhì)量和力量減弱、出現(xiàn)心臟和血管以及視力模糊等問題。

在整個飛行過程中,斯科特自己對頸動脈和肱動脈進行超聲檢查,并定期監(jiān)測血壓并收集尿液和血液樣本。馬克接受了相同的測試。動脈監(jiān)測產(chǎn)生了最顯著的結(jié)果,斯科特的頸動脈在進入軌道后不久膨脹和增厚,并一直保持到返回后四天。

炎癥的循環(huán)標(biāo)志物也出現(xiàn)了激增,尤其是所謂的 c 反應(yīng)蛋白 (CRP),它可以預(yù)測心血管問題。最大的問題之一,從他離開車站到著陸時,CRP 增加了八倍。他的水平在 36 天內(nèi)沒有恢復(fù)到基線水平。

他的免疫系統(tǒng)也受到了打擊。在斯科特升空之前,這對雙胞胎的 T 細胞和其他免疫成分的豐度和功能或多或少是相同的。但在他在太空期間,62 項細胞因子(干擾素、白細胞介素和其他免疫系統(tǒng)蛋白質(zhì))中的 50 項發(fā)生了顯著變化。

好消息是,凱利回家后的免疫狀況或多或少地恢復(fù)到基線水平。更好的消息是,在一項研究中,雙胞胎在任務(wù)期間都接種了流感疫苗,他們的身體反應(yīng)幾乎沒有區(qū)別,這意味著即使斯科特的化學(xué)反應(yīng)變得異常,他的免疫反應(yīng)仍然保持良好。

在此之外,在斯科特身體的其余部分,研究人員觀察到與太空飛行有關(guān)的其他變化。在對微生物組(人類腸道中的細菌群落)進行的一項研究中,由西北大學(xué)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個團隊發(fā)現(xiàn),斯科特在太空的這一年中,不同類型細菌的比例發(fā)生了變化。然而,細菌的整體多樣性并未減少,這是微生物組保持健康的好兆頭。

由加州大學(xué)圣地亞哥分校健康科學(xué)研究人員Brinda Rana 領(lǐng)導(dǎo)的一個團隊發(fā)現(xiàn),在太空飛行過程中,幾種蛋白質(zhì)也發(fā)生了變化。斯科特在國際空間站上時的尿液樣本含有高水平的膠原蛋白,一種結(jié)構(gòu)蛋白。Rana 說,將這一測量值與生理變化(如在斯科特的眼球和血管系統(tǒng)中觀察到的變化)一起觀察,可能表明身體正在重組。研究人員還觀察到水通道蛋白 2 水平升高,這種蛋白質(zhì)往往是脫水的標(biāo)志。

然而,一旦斯科特回到地球,研究團隊和其他人觀察到的絕大多數(shù)變化就消失了。Rana團隊認為,這顯示了身體的彈性,以及人體對不同環(huán)境的適應(yīng)性。“在太空中待一年——身體可以應(yīng)付。”

由于美國宇航局雙胞胎研究的樣本量很小,研究人員強調(diào)這可能不是一個普遍結(jié)果,也不能證明太空飛行與他們的觀察之間存在直接因果關(guān)系。盡管如此,但該項研究為 NASA 提供了一些關(guān)于宇航員在太空飛行期間可能會在哪些方面發(fā)生生物變化的線索——該研究稱,這是一個“有價值的路線圖”,以了解更遠距離進入太陽系的可能風(fēng)險。

斯考特．凱利在2017年出版的《Endurance: My Year in Space, A Lifetime of Discovery》一書中寫道,“這并沒有特別困擾我,為推進人類知識做出貢獻是值得的�！�

謹以此文,致敬中國航天!讓我們一起迎接神舟十二號航天員回家!