地球作為人類目前唯一的居住和生存場所，一直無私地提供著維持人類生存和日常生活的豐富的資源。
然而，隨著地球人口迅速的增長，人類對地球有限的資源的需求量也正處於指數級的增長當中。
如何通過理論研究和先進技術的應用來改造和創造新環境，以適應人類的生存和繁衍，這個需求已變得越來越迫切。
著名的英國物理學家史蒂芬·霍金曾在加拿大滑鐵盧做了一場演講。他表示人類要想生存下去，唯一的途徑是儘快向外太空移民。隨著載人航天和太空探索技術的發展，要實現人類飛向太空已不是夢想。但擺在人類面前的首要問題是，太空環境是否會對人體的健康產生影響？人類今後可以在太空長期的生存和自由生活嗎？這是當前人類走向深空探索的研究中所面臨的一個重大的科學問題。
圖1 史蒂芬·霍金（ 圖片來源：https://tomorrowsci.com/ ）
事實上，人類從來沒有停止過對太空探索的腳步。從1961年加加林第一次乘坐飛船進入太空以來，目前已有超過560人具有太空飛行的經歷，但在太空中生活超過300天以上的只有8個人。
我們知道，太空生活對宇航員的身體帶來很多變化，而空間微重力和強輻射，被認為是長期太空飛行過程中所面臨的最主要的兩個環境因素。空間醫學和生物學研究表明，短期和長期近地軌道太空飛行會導致人體多項機能發生顯著改變，以及出現多種生理不適或病理症狀，例如骨流失、肌肉萎縮、神經系統紊亂和免疫功能下降等。
因此，當飛行器翱翔太空之際，如何確保宇航員和空間探索者的生命安全和身體健康成為世人關注的話題。
圖2 空間環境對人體健康的影響
NASA雙胞胎宇航員空間飛行試驗的想法和設計
儘管前期在多次載人航天飛行任務中，人們已開展許多有關太空環境對宇航員的生理、生化變化影響的研究，但前期大部分的研究缺乏系統性和缺少可靠的對照組，其所獲得的分子水平的數據在可靠性方面還存在一定的疑問。因此，如果能找到兩個具有相同遺傳信息的人來開展太空飛行實驗可能是一種最好的解決辦法。
有意思的是，NASA恰巧擁有這麼一對同卵雙胞胎的宇航員兄弟——Scott和Mark Kelly，兩兄弟既滿足具有多次空間飛行的經歷（Scott此前有3次太空飛行經歷，總天數達180多天，而Kelly此前也參加了4次較短時間的飛行任務，在太空中待過54天），也是完美地互為實驗組和對照組。
圖3 左邊的宇航員為地面對照組Mark，右邊的宇航員為飛行組Scott（圖片來源： NASA）
有趣的是，雙胞胎太空飛行對比實驗的想法還是兄弟倆自己先提出來的呢！他們認為自己是目前地球上唯一的一對宇航員雙胞胎，有責任和使命來完成這項工作。NASA在接受其建議後，召集了12所大學八十餘名科學家對這項工作展開了討論和研究。
在這項工作中，研究人員分別將兩名宇航員劃分為飛行實驗組（Scott）和地面實驗組（Kelly），Scott將要在國際空間站待340天。在飛行前、飛行中和飛行後對兩名宇航員的血液、糞便、尿液等樣本進行採集，整個實驗設計了一共10個方面的研究內容和分析目標，涵蓋了基因表達、表觀遺傳、蛋白質組、代謝組、微生物組、端粒長度、生化水平、生理變化、免疫系統以及認知能力這10個維度的分析。
NASA雙胞胎宇航員空間飛行試驗發現了什麼？
最近，國際學術期刊《科學》雜誌發表了這項研究的結果，在長達20頁正文，80頁附件的文章中，我們看到了一些很有意思結果和值得思考的問題。
（1）基因表達變化
研究人員對雙胞胎不同時間段收集的全血和血液細胞中單核細胞的基因表達譜進行了分析。結果表明，與地面實驗組相比較，太空飛行實驗組中宇航員出現了大量的差異表達基因，儘管該研究還發現大部分的差異表達基因（約93%）在返回地面後能夠自行恢復，但仍然有7%左右的基因表達維持太空飛行期間的水平。
這些基因在後期的長時間地球環境適應中能否進一步恢復還需要進一步觀察。
（2）端粒的變化
端粒，是存在於真核細胞線狀染色體末端的一小段DNA-蛋白質複合體，它是染色體末端的"保護使者"，保護染色體不被"磨損"掉。一般來說細胞愈老，其端粒長度愈短；細胞愈年輕，端粒愈長，端粒與細胞老化存在一定的關係。
有意思的是，Scott在太空飛行過程中其端粒平均長度被發現顯著增長，而在返回地球后的48小時內又變短了，幾乎回到了上天前的長度。不過值得注意的是，他體內一些染色體出現了倒置和易位等現象，並且較短的端粒的數量也比上天前增多了。這或許會影響Scott的壽命和增加患心血管疾病和其他特定類型癌症的風險。
圖4 Scott的染色體中出現了倒置和易位現象，飛行後短端粒的數量較飛行前多（ 圖片來源：Science發表的原文）
（3）代謝水平的變化
研究人員利用液相色譜代謝組分析技術，檢測了血漿中代謝物分子的含量，發現一些與基因毒性應激、炎症和氨基酸變化的代謝物在太空飛行中顯著地升高，這些代謝上出現的變化可能與一些線粒體基因的改變有關係。
（4）免疫系統和心血管系統
儘管研究發現在免疫系統中有一些與毒性應激、炎症反應的基因在飛行過程中表達有所變化，但回到地球后這些變化逐漸消失了，Scott的免疫系統總體來說正常。
但研究發現，在太空環境下，Scott血脂水平發生變化，對其體內具有抗炎作用的細胞因子（可以調控免疫應答的小分子蛋白質）水平進行測量，發現Scott體內有兩次明顯的炎症反應，一次是在剛返回地球后，炎症因子的含量達到峰值，並且在後續的6個月一直居高不下。另一次是在飛行前，炎症因子水平上升，並在飛行任務中保持高水平。但是這種變化是否可逆，是否會加速Scott動脈粥樣硬化目前還不清楚，還需要進一步觀察和分析。
（5）認知能力
在飛行任務之前、飛行過程中和返回地面後，研究人員多次對雙胞胎兄弟進行了專門為航天員設計的認知測試，以研究太空環境對人類認知能力的影響。
有意思的是Scott的認知能力在太空飛行中有所增加，但在返回後Scott的認知速度和準確性方面出現了一個明顯的下降現象。這可能是因為在太空飛行中Scott需要時刻保持高度專注力，而返回到地球后由於繁忙的出席日常活動和宣傳，擾亂了他的生活節奏。
為什麼說這項NASA雙胞胎研究工作意義重大？
這項雙胞胎宇航員的太空飛行實驗是世界上第一次大規模和長時間開展的工作（整個工作耗時25個月，包括天上近12個月飛行期），首次通過多組學、多維度來綜合評估宇航員在太空中存在健康風險的級別。這項研究為在接下來人類太空飛行研究提供了理論和數據參考，在航天醫學領域具有里程碑式的意義。
正如同期《科學》雜誌專文評述說的，這項工作對人類太空探索而言事實上邁出了一大步。
這項NASA雙胞胎研究工作還存在的侷限性
正如研究人員在發表的文章中談到，因為這項研究的實驗組和對照組都只有一個獨立的個體，就目前獲得新的實驗結果並不能完全確定是否真的是由於太空環境所造成的影響，還是存在其它偶然的因素，因此目前這項研究提出的一些宇航員健康風險評估指標和數據還需要在將來的空間飛行任務中進一步完善。
另外，筆者認為，在對雙胞胎宇航員的檢測和分析過程中所得到的結果或結論並沒有具體區分哪些生理、生化等指標是由於微重力造成的，哪些是因為輻射或其他因素引起的。
人類未來的星空探索征程
近年來，越來越多的國家已經向月球吹起了進軍的號角。日本的“月亮女神”繞月探測衛星H2A-13火箭升騰而起，中國的探月衛星“嫦娥四號”也在世界上首次成功登陸在月球背面。近日，NASA公佈了其有關月球基地的新計劃，其中包括在2024年前重返月球。
而在這一切的探月計劃中，月球基地、永久居住點的實現是個無法擺脫的追求。人類要實現這些宏偉的計劃就不得不考慮太空長期飛行對人體產生的長期影響了。因此，空間輻射研究專家建議對於未來月球探測和更加深空的火星飛行任務中，人類應該更加重視輻射造成的影響，以及考慮輻射和微重力聯合效應造成的健康影響。
來源：中國科學院動物研究所
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