航天员发明“双胞胎实验”完成特殊使命

不久前去世的著名理论物理学家斯蒂芬·霍金曾指出，人类要想避免灭绝，就必须在100年内逃离地球。这位有天赋的物理学家认为，地球上的生命很可能会因为某种灾难而灭绝，比如突如其来的核战争、基因工程产生的病毒或人工智能带来的威胁，而风险仍在增加。随着地球环境变得越来越不适宜居住，为了人类的未来，我们必须探索太空。

霍金(图片来源:百度百科)

那么，由于长期星际旅行、宇宙射线、缺氧环境、幽闭恐怖症空间等，人类能够生存并适应长期太空飞行吗？

星际争霸(照片来源:www.tooopen.com)

双胞胎宇航员的“特殊使命”

空间环境会对人体产生什么样的影响？这是一个非常重要和基本的问题，因为它关系到未来星际旅行的可行性和人类在宇宙中能走多远。多年来，科学家们一直在思考这个问题，希望获得真实的数据供参考和分析。

例如，如果我们想知道长期太空飞行对人体的影响，我们可以找两个完全相同的人进行比较实验:一个被送入太空，另一个留在地球上，经过一段时间后，我们可以比较这两个人，观察进入太空的人发生了什么变化，这样我们就可以初步了解太空旅行对人体的影响。

然而，读者肯定能猜到这个比较实验的难度——世界上没有完全相同的两个人，科学家也找不到理想的实验对象。克隆人？道德问题仍未解决。目前，最好的方法是把一对同卵双胞胎作为“实验老鼠”，因为同卵双胞胎已经是具有最高遗传相似性的人类了(一些研究表明他们也有很强的心灵感应)。然而，问题已经出现。虽然世界上有许多同卵双胞胎，但在身体素质和智力水平方面能满足宇航员要求的并不多。哪里能找到这样的双胞胎？

幸运的是，美国宇航局确实有这样一对特殊的宇航员。斯科特·凯利和马克兄弟，他们是历史上唯一的一对同卵双胞胎宇航员。这两兄弟不仅符合基本要求，而且有足够的空间实验知识。它们是完美的实验对象。

斯科特·凯利和马克兄弟(照片来源:美国宇航局)

双控制实验(图片来源:美国航天局)

双胞胎控制实验的想法最初是由斯科特自己提出的，因为双胞胎宇航员的例子太罕见了。美国国家航空航天局接受了斯科特的建议，并召集各个学科的科学家到美国国家航空航天局开始这项史无前例的控制实验。

斯科特离开前，在隔离室的玻璃窗上打了他的孪生兄弟一拳。(图片来源:美国航天局)

2015年3月，斯科特·凯利在俄罗斯乘坐火箭进入太空，而他的哥哥马克留在地球作为参考。2016年3月，经过一年的任务，斯科特·凯利返回地球。在斯科特的任务之前、期间和之后，研究人员分别收集了两个双胞胎兄弟的DNA样本，希望能找出太空生命对人类身心的影响。

那么，当在太空飞行时，人体会发生什么奇怪的变化，地球上不会遇到什么问题，科学家将如何解释这些变化，他们会给出什么结论？

“孪生实验”的答案已经揭晓

2018年1月，美国航天局在美国航天局举办的2018年人类研究计划研究者研讨会上宣布了他们的新发现。研究人员称，斯科特的一些基因表达在太空中发生了变化，7%的基因表达在返回地球几个月后仍未恢复到飞行前的状态。

太空飞行对基因和染色体的影响

①基因表达变化

根据太空飞行控制实验，威尔康奈尔医学院发表了一篇关于“太空基因”的论文。他们研究了太空环境对孪生兄弟的核糖核酸和脱氧核糖核酸化学变化的影响。他们提出，尽管斯科特返回地球后，93%的基因表达恢复正常，但数百个“太空基因”仍处于混乱状态。

这个所谓的“太空基因”是什么？事实上，它并不神秘。这只是遗传学家用来指那些基因表达由于纯粹的太空飞行而异常改变的基因的术语。

基因表达是一个具有时空特异性的调控过程。例如，根据功能要求，特定基因的表达将严格按照特定的时间顺序发生，或者在个体的生长过程中，特定的基因产物将根据不同的组织空间顺序出现在个体中。此外，基因表达也会因外部刺激而改变。生物体的内外环境在不断变化。通过调节基因表达，生物体可以表达适当的蛋白质分子，以便更好地适应环境。在对照实验中，研究人员观察到的双胞胎基因表达的变化是身体对太空飞行环境的应激反应。

那么，基因表达7%的变化是一件好事吗？不完全是，这只是基因表达的一个非常小的变化，这种反应类似于在紧张的环境或人们爬山或潜水的环境中发生的反应。基因表达的异常变化是一个非常重要的信号。虽然目前的研究不能形成一个明确的结论，但不可否认的是，基因表达的变化可能对免疫系统、骨骼组成、DNA损伤修复等产生持久的影响。，从而影响人类适应环境的能力和衰老的速度。

(2)端粒增长之谜

通过太空飞行实验，科学家发现了一个有趣的现象:斯科特的平均端粒长度显著增加。回到地球后的48小时内，斯科特的端粒长度再次缩短，然后稳定在飞行前的水平。在地球标记上，端粒长度保持相对稳定。

端粒是存在于真核细胞线性染色体末端的一小部分DNA-蛋白质复合体。它是染色体末端的“保护信使”，保护染色体免受“磨损”。端粒就像鞋带末端的帽子。他们保持鞋带的完整性。当帽子戴上时，鞋带是不完整的。一旦端粒被磨损和耗尽，染色体将无法正常分裂，细胞更新也将终止。

图片中的红色部分是端粒，位于染色体的末端。(照片来源:www.weixinnu.com)

因此，端粒的完整程度可以指示细胞分裂潜能的大小:端粒越短，细胞再生能力越小，剩余分裂次数逐渐接近极限，细胞寿命越短；端粒越长，细胞再生能力越强，剩余分裂的数量越多，身体组织将保持“年轻”。随着年龄的增长，如果端粒耗尽，细胞将逐渐走向凋亡，延长端粒也意味着减缓衰老速度。

客观地说，斯科特端粒延长的机制仍然不清楚。研究人员推测，斯科特在太空中进行了严格的体能训练，并限制了饮食中的热量摄入。任务期间，斯科特体重减轻，叶酸水平上升。因此，一个可能的原因是斯科特在太空中吃更健康的食物。斯科特的体重减轻和叶酸增加与端粒延长的研究结果一致，这表明更健康的生活方式可能导致端粒延长。如果是因为这个原因，地球上的人们确实有可能通过饮食和锻炼来延缓衰老，这对地球上的人们来说是个好消息。

锻炼延缓衰老(照片来源:m.sohu.com)

太空飞行对免疫系统的影响

太空生活会对宇航员的身体造成伤害，宇航员的免疫系统也会发生重大变化。

宇航员在太空中抽血(图片来源:美国宇航局)

(1)血样反应过度

当身体遭受恶劣环境时，人们会感受到压力。当宇航员的血样被储存在空间站的-80℃并带回地球时，只有少量的冷冻血样被成功分析。大多数带回的新鲜血液样本被常见病原体污染，如真菌、细菌、疱疹等。由于未知的原因，免疫系统对一些新出现的威胁反应强烈，但这意味着由于独特的环境压力，免疫系统已经适应了空间站的无菌环境。

研究发现宇航员的血液样本反应过度，伴随着严重的免疫抑制。随后的研究还将对宇航员的血液进行现场分析。为了消除失重的影响，将在地球上类似的环境中进行进一步的研究，并将从南极研究基地获取志愿者的血样。

②功能性免疫

在长期的太空飞行或深空探测任务中，如何更好地保护宇航员的健康是一个非常重要的问题。功能性免疫是国际空间站进行的一项新研究，探索身体免疫反应的以前未探索的领域，以及太空飞行是否会影响宇航员对疾病的易感性。

免疫系统是生物结构和过程的复杂组合。一方面，功能的衰退会导致人体疾病风险的增加。研究表明，在微重力条件下，免疫系统将发生改变，这可能导致一些宇航员出现皮疹、异常过敏和潜在的病毒激活。在微重力条件下，甚至在地球的压力下，免疫系统随时都可能被削弱。在深空飞行任务中，免疫系统将长期暴露在微重力环境中。科学家们正试图在任务开始前定义免疫问题并制定相关措施来缓解免疫系统问题。

目前的功能性免疫研究是基于其他免疫学研究，并侧重于以前未探索的方面，以便更好地描述空间飞行对整个免疫系统的影响。了解免疫系统在飞行中是如何工作的将指导未来可能需要的发展对策，研究结果不仅会给宇航员带来好处。除了在发病前发现和治疗疾病的能力之外，稳定运输样品的方法的发展也可用于地球上的免疫研究，例如在实验室条件不容易获得的地区。

本研究的第一个目标是完成免疫系统的鉴定。鉴定完成后，该计划可以抵御潜在的临床风险，使人类的“火星之旅”计划更进一步。

太空飞行对心血管健康的影响

根据世界卫生组织的统计，心血管疾病是世界上第一大死因。美国宇航局希望在太空任务中确保宇航员的心脏健康。预防心脏病的生物医学研究也是美国宇航局人类研究项目的重要组成部分。

美国宇航局心血管和视觉实验室的首席科学家斯图尔特·李研究了太空飞行对心血管系统的影响。Cardox是他实验室的最新研究之一，旨在探索太空飞行对宇航员心血管生理的影响。心脏复律将帮助科学家确定特定的生理压力是否增加，以及血管系统和功能是否在太空飞行中受到影响。这项研究将测量宇航员颈动脉和肱动脉的结构和功能，以及血液和尿液中的氧化应激和炎症生物标志物。

①心脏功能

研究表明，太空飞行将导致心脏结构和功能的改变，如心脏和肺血容量增加、心脏做功减少、心肌萎缩、心率下降、心律失常等，最终导致心脏功能下降。

在中长期空间飞行中，由于缺乏重力、活动减少和代谢需求减少，身体保持在低功率状态，心脏自适应地处于低功率水平，从而导致心肌结构退化、收缩功能降低、血泵能力降低、心肌做功减少和心肌萎缩，这可能是心血管适应不良的重要原因之一。

心血管系统功能障碍会威胁宇航员的健康，影响他们的正常工作。“TM米尔联盟”的宇航员勒夫金由于心脏反复过早收缩，*终止任务并提前返回。

(2)动脉硬化

动脉粥样硬化是一种慢性炎症性疾病，由血管中形成的脂质、胆固醇、钙和其他物质组成的斑块引起。人体血脂水平异常与动脉粥样硬化的发生和发展密切相关。

动脉粥样硬化示意图(图片来源:tag.120ask.com)

这对双胞胎兄弟接受了动脉的超声波检查，并在整个任务过程中不断为研究人员提供不同时期的血液和尿液样本。美国宇航局研究人员观察了太空飞行后炎症和应激反应对斯科特血管结构和功能的影响。

研究发现，斯科特的血脂水平在太空环境中发生变化，表明存在炎症。然而，虽然马克的血脂水平在地球上也有类似的变化，但炎症较少。研究人员测量了斯科特体内具有抗炎作用的细胞因子(能调节免疫反应的小分子蛋白质)的水平，发现斯科特体内有两种最明显的炎症反应。一个是当他回到地球时，细胞因子的含量达到一个峰值，并在接下来的6个月保持高水平。另一个是细胞因子水平在飞行前升高，在飞行过程中保持高水平。

尽管科学家们已经观察到了细胞因子水平的变化，但这些变化是否是可逆的，以及它们是否代表了斯科特动脉粥样硬化在太空中的加速，仍不确定，未来的科学家将进一步分析这些变化。

(3)人类微生物群

近年来，人体内微生物菌群的数量及其重要性逐渐引起人们的关注。大多数人对微生物的印象是有害的，但无论在体内还是体外，都有大量的微生物栖息在人体内，包括细菌、古细菌、真菌、病毒和其他微生物，统称为人类微生物群。此外，它们中只有少数对人类有害，大多数是温顺的，有些对人类有许多好处，如帮助消化人类不能自己使用的植物纤维，合成维生素，吸收矿物质，抑制病原微生物等。

微生物菌群影响人体免疫系统、心脏健康甚至体重、睡眠、情绪等。，并参与人类生理功能的各个方面。从某种意义上说，人实际上是他自己和生活在他体内的微生物的“超级有机体”。

(图片来源:人类微下脚病和慢性疾病:作为人类病理原因的异常生物书封面)

西北大学的研究人员研究了斯科特和马克的微生物区系变化。结果表明，由于饮食、环境和个体免疫水平的差异，两种人体在不同时间点的微生物存在明显差异。飞行期间，斯科特体内的微生物菌群与飞行前不同。类杆菌的数量开始减少，但在斯科特返回地球后减少停止了。总的来说，太空飞行给人体带来的微生物数量变化不大，与地球上人们生活习惯和环境的变化相似。

④尿蛋白与生理变化

尿液中某些蛋白质的类型和含量的变化通常表明人体各种生理代谢的变化。为了观察太空飞行中人体的生理表现，研究人员检测了双胞胎尿液中的蛋白质变化。他们对尿样中的蛋白质进行生物标记，以观察斯科特的肌肉骨骼调节、代谢和心血管变化，并观察人体中的蛋白质通路是否能适应空间环境引起的人体体液转移。

研究人员发现，与地面上的马克相比，斯科特在太空飞行期间体液调节和骨骼肌形成中的蛋白质含量明显不同。例如，在太空中，斯科特尿液中的水通道蛋白2的含量增加，水通道蛋白2是调节肾脏水渗透性的主要蛋白质，在调节肾脏水平衡中发挥重要作用，是判断人体含水量或脱水状态的重要指标。增加的水通道蛋白2可以增加肾脏对水的再吸收，这表明人体的含水量在空间增加。

(5)大脑和智力

根据美国宇航局以前的报告，宇宙射线可能对宇航员的大脑有一些不利影响。在之前的研究中，科学家将老鼠放在充满强辐射粒子的空间中，以模拟太空中充满辐射的环境。结果表明，炎症发生在这些实验小鼠的大脑中，并引起脑传递障碍。研究人员称，老鼠的整个大脑中枢系统受到影响，导致整体认知能力下降，这与精神障碍的信号非常相似。

鼠标(照片来源:mt.sohu.com)

人类呢？

在任务之前、期间和之后，研究人员进行了专门为宇航员设计的认知测试，以研究太空环境对人类认知能力的影响。值得庆幸的是，2017年发布的报告显示，斯科特的认知能力并没有因为太空任务时间的延长而显著下降，这可以极大地安抚许多宇航员。

然而，斯科特的认知速度和准确性在飞行后明显下降。这可能是因为斯科特的身体器官在返回地球后需要适应地球的重力。这也可能与任务结束后斯科特繁忙的日常日程有关。毕竟，作为名人，他有很多宣传和活动要参加。

双胞胎宇航员(照片来源:美国航天局)

双胞胎研究首次通过基因组学研究来评估人体在太空中的潜在风险。这是一项里程碑式的研究。然而，这项研究也有很大的局限性，即只有一个参与者，而对照组只有一个人。因此，即使科学家在斯科特的基因活动中发现了一些变化，他们也不能确定这是由太空飞行还是其他因素引起的。这听起来有点压抑吗？科学进步真的太难了...

然而，如此微小的进步已经创造了历史。这项研究将在未来几年继续为美国宇航局的人类研究项目提供研究数据。此外，遗传信息的收集在未来宇航员的选择中起着非常积极的作用。例如，如果宇航员的遗传信息表明他对空间辐射的电离效应非常敏感，那么类似的信息将影响美国航天局选择候选人去太空的决定，并能有效地帮助美国航天局选择宇航员。

研究人员表示，今年下半年，双胞胎实验的更多结果将陆续公布，我们将拭目以待会有什么新的结果。

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