NASA双胞胎研究：人类能否在太空长期生存

来源：中科院之声

地球作为人类目前唯一的居住和生存场所，一直无私地提供着维持人类生存和日常生活的丰富的资源。

然而，随着地球人口迅速的增长，人类对地球有限的资源的需求量也正处于指数级的增长当中。

如何通过理论研究和先进技术的应用来改造和创造新环境，以适应人类的生存和繁衍，这个需求已变得越来越迫切。

著名的英国物理学家史蒂芬·霍金曾在加拿大滑铁卢做了一场演讲。他表示人类要想生存下去，唯一的途径是尽快向外太空移民。随着载人航天和太空探索技术的发展，要实现人类飞向太空已不是梦想。但摆在人类面前的首要问题是，太空环境是否会对人体的健康产生影响？人类今后可以在太空长期的生存和自由生活吗？这是当前人类走向深空探索的研究中所面临的一个重大的科学问题。

图1 史蒂芬·霍金（ 图片来源：https://tomorrowsci.com/ ）

事实上，人类从来没有停止过对太空探索的脚步。从1961年加加林第一次乘坐飞船进入太空以来，目前已有超过560人具有太空飞行的经历，但在太空中生活超过300天以上的只有8个人。

我们知道，太空生活对宇航员的身体带来很多变化，而空间微重力和强辐射，被认为是长期太空飞行过程中所面临的最主要的两个环境因素。空间医学和生物学研究表明，短期和长期近地轨道太空飞行会导致人体多项机能发生显著改变，以及出现多种生理不适或病理症状，例如骨流失、肌肉萎缩、神经系统紊乱和免疫功能下降等。

因此，当飞行器翱翔太空之际，如何确保宇航员和空间探索者的生命安全和身体健康成为世人关注的话题。

图2 空间环境对人体健康的影响

NASA双胞胎宇航员空间飞行试验的想法和设计

尽管前期在多次载人航天飞行任务中，人们已开展许多有关太空环境对宇航员的生理、生化变化影响的研究，但前期大部分的研究缺乏系统性和缺少可靠的对照组，其所获得的分子水平的数据在可靠性方面还存在一定的疑问。因此，如果能找到两个具有相同遗传信息的人来开展太空飞行实验可能是一种最好的解决办法。

有意思的是，NASA恰巧拥有这么一对同卵双胞胎的宇航员兄弟——Scott和Mark Kelly，两兄弟既满足具有多次空间飞行的经历（Scott此前有3次太空飞行经历，总天数达180多天，而Kelly此前也参加了4次较短时间的飞行任务，在太空中待过54天），也是完美地互为实验组和对照组。

图3 左边的宇航员为地面对照组Mark，右边的宇航员为飞行组Scott（图片来源： NASA）

有趣的是，双胞胎太空飞行对比实验的想法还是兄弟俩自己先提出来的呢！他们认为自己是目前地球上唯一的一对宇航员双胞胎，有责任和使命来完成这项工作。NASA在接受其建议后，召集了12所大学八十余名科学家对这项工作展开了讨论和研究。

在这项工作中，研究人员分别将两名宇航员划分为飞行实验组（Scott）和地面实验组（Kelly），Scott将要在国际空间站待340天。在飞行前、飞行中和飞行后对两名宇航员的血液、粪便、尿液等样本进行采集，整个实验设计了一共10个方面的研究内容和分析目标，涵盖了基因表达、表观遗传、蛋白质组、代谢组、微生物组、端粒长度、生化水平、生理变化、免疫系统以及认知能力这10个维度的分析。

NASA双胞胎宇航员空间飞行试验发现了什么？

最近，国际学术期刊《科学》杂志发表了这项研究的结果，在长达20页正文，80页附件的文章中，我们看到了一些很有意思结果和值得思考的问题。

（1）基因表达变化

研究人员对双胞胎不同时间段收集的全血和血液细胞中单核细胞的基因表达谱进行了分析。结果表明，与地面实验组相比较，太空飞行实验组中宇航员出现了大量的差异表达基因，尽管该研究还发现大部分的差异表达基因（约93%）在返回地面后能够自行恢复，但仍然有7%左右的基因表达维持太空飞行期间的水平。

这些基因在后期的长时间地球环境适应中能否进一步恢复还需要进一步观察。

（2）端粒的变化

端粒，是存在于真核细胞线状染色体末端的一小段DNA-蛋白质复合体，它是染色体末端的"保护使者"，保护染色体不被"磨损"掉。一般来说细胞愈老，其端粒长度愈短；细胞愈年轻，端粒愈长，端粒与细胞老化存在一定的关系。

有意思的是，Scott在太空飞行过程中其端粒平均长度被发现显著增长，而在返回地球后的48小时内又变短了，几乎回到了上天前的长度。不过值得注意的是，他体内一些染色体出现了倒置和易位等现象，并且较短的端粒的数量也比上天前增多了。这或许会影响Scott的寿命和增加患心血管疾病和其他特定类型癌症的风险。

图4  Scott的染色体中出现了倒置和易位现象，飞行后短端粒的数量较飞行前多（ 图片来源：Science发表的原文）

（3）代谢水平的变化

研究人员利用液相色谱代谢组分析技术，检测了血浆中代谢物分子的含量，发现一些与基因毒性应激、炎症和氨基酸变化的代谢物在太空飞行中显著地升高，这些代谢上出现的变化可能与一些线粒体基因的改变有关系。

（4）免疫系统和心血管系统

尽管研究发现在免疫系统中有一些与毒性应激、炎症反应的基因在飞行过程中表达有所变化，但回到地球后这些变化逐渐消失了，Scott的免疫系统总体来说正常。

但研究发现，在太空环境下，Scott血脂水平发生变化，对其体内具有抗炎作用的细胞因子（可以调控免疫应答的小分子蛋白质）水平进行测量，发现Scott体内有两次明显的炎症反应，一次是在刚返回地球后，炎症因子的含量达到峰值，并且在后续的6个月一直居高不下。另一次是在飞行前，炎症因子水平上升，并在飞行任务中保持高水平。但是这种变化是否可逆，是否会加速Scott动脉粥样硬化目前还不清楚，还需要进一步观察和分析。

（5）认知能力

在飞行任务之前、飞行过程中和返回地面后，研究人员多次对双胞胎兄弟进行了专门为航天员设计的认知测试，以研究太空环境对人类认知能力的影响。

有意思的是Scott的认知能力在太空飞行中有所增加，但在返回后Scott的认知速度和准确性方面出现了一个明显的下降现象。这可能是因为在太空飞行中Scott需要时刻保持高度专注力，而返回到地球后由于繁忙的出席日常活动和宣传，扰乱了他的生活节奏。

为什么说这项NASA双胞胎研究工作意义重大？

这项双胞胎宇航员的太空飞行实验是世界上第一次大规模和长时间开展的工作（整个工作耗时25个月，包括天上近12个月飞行期），首次通过多组学、多维度来综合评估宇航员在太空中存在健康风险的级别。这项研究为在接下来人类太空飞行研究提供了理论和数据参考，在航天医学领域具有里程碑式的意义。

正如同期《科学》杂志专文评述说的，这项工作对人类太空探索而言事实上迈出了一大步。

这项NASA双胞胎研究工作还存在的局限性

正如研究人员在发表的文章中谈到，因为这项研究的实验组和对照组都只有一个独立的个体，就目前获得新的实验结果并不能完全确定是否真的是由于太空环境所造成的影响，还是存在其它偶然的因素，因此目前这项研究提出的一些宇航员健康风险评估指标和数据还需要在将来的空间飞行任务中进一步完善。

另外，笔者认为，在对双胞胎宇航员的检测和分析过程中所得到的结果或结论并没有具体区分哪些生理、生化等指标是由于微重力造成的，哪些是因为辐射或其他因素引起的。

人类未来的星空探索征程

近年来，越来越多的国家已经向月球吹起了进军的号角。日本的“月亮女神”绕月探测卫星H2A-13火箭升腾而起，中国的探月卫星“嫦娥四号”也在世界上首次成功登陆在月球背面。近日，NASA公布了其有关月球基地的新计划，其中包括在2024年前重返月球。

而在这一切的探月计划中，月球基地、永久居住点的实现是个无法摆脱的追求。人类要实现这些宏伟的计划就不得不考虑太空长期飞行对人体产生的长期影响了。因此，空间辐射研究专家建议对于未来月球探测和更加深空的火星飞行任务中，人类应该更加重视辐射造成的影响，以及考虑辐射和微重力联合效应造成的健康影响。