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想要火星旅行?还需理解人体在太空中会怎样变化

发布人:深科技时间:2020-12-03来源:工程师

随着 SpaceX 载人航天的持续成功,人们逐渐开始相信,马斯克的 “移民火星梦” 是正在发生的历史。


只是去往太空,远不止把人类安全送离地球。离开了地球的生物和重力环境,人类的身体会在太空中发生怎样的变化?如何保证长期深空旅行中身体的健康?这些都有待航天生物学解答。


由此带来的第一个问题就是 “样本”。目前,只有不到 600 个人去过太空,人类单次停留在太空中的时间记录是 437 天,由俄罗斯宇航员瓦列里・波利亚科夫保持。


这些也是最昂贵的样本。要将生物和实验设备送进太空,成本大约是每千克 10000 美元。


一份最特别的 “样本” 来自 Scott Kelly 和他的双胞胎弟弟 Mark Kelly。在 NASA 的 “双胞胎” 实验中,哥哥 Kelly 在太空中漂浮近一年,弟弟则在地球上如常生活,以此收集两人的生命数据做对比分析。


最近,Cell 及旗下期刊发表了包括两兄弟数据分析的一系列 “航天生物学” 文章,这也是有史以来最大规模的研究。这也仅仅是一个开始,科学家知道应该关注人类身体在太空中的哪些变化。


双胞胎实验,n=1


“我总是觉得我在太空中待的时间越长,我感觉就越好,我从来没有感觉完全正常过。”2015 年 3 月 27 日,Scott 乘坐俄罗斯火箭从哈萨克斯坦的沙漠草原驶向太空。随后他在空间站生活了 340 天,成为在太空中停留时间最长的美国人。


他的同卵双胞胎弟弟 Mark 也是经验丰富的宇航员,曾经有过 4 此航天飞机的飞行经验,在近地轨道的累计飞行时间为 54 天。


在距离地球不到 400 公里的近地轨道上,空间站带着 Scott 每 90 分钟绕地球一圈。与大多数通讯卫星一样,国际空间站在距离地球表面 319.6km 到 346.9km 的轨道上运行。近地轨道属于艾伦辐射带,由近层宇宙空间中包围着地球的大量带电粒子聚集而成。这些粒子的主要是被地球磁场俘获的太阳风粒子。


在这 340 天的环地球旅行中,Scott 三分之一的时间用来做实验,除了采集自己的血液、粪便、唾液外,他还要给在太空中的小鼠抽血、照 X 光,以用来研究太空环境中对动物眼睛损伤、骨质流失、肌肉萎缩的影响。


这些变化,也发生在和小鼠同样作为实验对象的 Scott 身上。因此,在远离地球的太空中,Scott 会对小鼠生出特殊的共鸣之情。在太空中微重力和辐射环境下,人体的免疫系统会受损,眼睛变形,肌肉和骨量也会减少。


许多宇航员都签署了美国宇航员健康追踪研究(LSAH)。但是他和弟弟则提供了一次千载难逢的机会,NASA 将以他们的研究专门立项,叫做 “双胞胎研究”,两人的基因相似性为科学家提供了一个理想对照组。



这个样本数有且仅有 1 的研究,首次让科学家得以应用基因组学的方式来评估太空中人体的潜在风险。NASA 希望尽可能地使用昂贵且稀缺的样本,从全国各地调集了 84 名来自 12 所大学的研究人员共同研究。


由于组织上以及宇航员安全的考虑,科学家们获准从 Scott 身上抽取的血液比一个儿童住院期间抽取的血液量还要少。而研究人员必须想办法通过一个样本来进行有效研究。


研究人员利用这些样本进行了 10 项独立的研究,涉及长期航天飞行的分子、生理和认知效应。这些数据最终表明,即使最健康的人体,在太空任务中也会面临巨大压力;不过人类也展现出了强大的适应能力,Scott 的基因表达水平在着陆后六个月内 91.3% 恢复到正常。


研究人员强调,由于样本量之少,无法做出因果推断,双胞胎研究的意义在于为未来的研究 “生成假设与定义框架”


不过在国际空间站上,Scott 仍然一定程度上受到地球磁场的保护,可以免受宇宙射线的伤害。而未来的火星任务将使宇航暴漏在更高水平的宇宙辐射中。


太空环境有5大危害


“我明白,草闻起来很香,风的感觉令人惊讶,而雨是个奇迹。在我的余生里,我会努力记住,这些平常的事情是多么神奇。”雨从天空落到地面,是因为地球的重力。经历了长期太空旅程的 Scott,懂得了重力的珍贵。


微重力环境给 Scott 身体带来的最明显变化是航天相关神经眼综合征。这是由于血液不再通过重力吸引到腿上,而是聚集在头上,导致眼部结构突出。


Scott 说,“随着时间的推移,你的身体会适应它,但以我的经验来看,它永远不会完全适应。我总是感到头脑里有压力。”


与之对应,回到地球后,血液重新聚集到腿上,他的身体也花了几个月的时间适应地心引力。皮肤不适应地心引力,导致出现了皮疹和荨麻疹。只要受到压力,皮肤就会有症状,甚至倚靠在桌子上也会有反应。


此次 Cell 发表的一篇综述文章,评析了包括 Scott 在内 56 位进入太空的宇航员的身体变化。


太空环境会从 5 个方面带来危害。


太空辐射: 空间辐射环境包括太阳耀斑和日冕物质抛射时释放的高能太阳粒子,以及由电子和正电子(2%)、质子(85%)、氦核(12%)和高能高电荷粒子(1%)组成的高能宇宙辐射线(GCRs)。


长期接触 GCR,特别是 HZE 颗粒,由于其电离性、高穿透性和高能量沉积,对健康的影响尤其值得关注。


在国际空间站上,宇航员受到地球磁场的部分保护,但仍然暴露在平均剂量为每年 100-200 毫西弗特(mSv)的辐射下,而专业辐射工作人员每年的辐射量上限则为每年 50mSv。


微重力环境: 人类在地心引力的环境下演化至今天,而微重力的环境会带来异常的生理反应。包括体液向上移动到头部和胸部,导致下肢体积减少和代偿性心血管系统变化。


骨骼和肌肉不再经历重力负荷,这会带来骨流失和肌肉萎缩。长期的微重力加上其他空间环境危害的协同效应,可能会加剧航天员进行长期飞行任务时的复杂健康问题。


而在进入和离开大气层的过渡期内,又会带来 3 倍到 6 倍的重力,会使人体系统承受压力。


限制与隔离:深空旅行让宇航员长时间隔离在一个有限的尺寸的航天器。物理和社会隔离,以及空前的距离,将可能增加心理、行为和生理健康的风险。模拟环境研究已经证明这可能导致包括海马体受损在内的神经功能缺陷,并且增加焦虑,还可能直接导致免疫系统失调。


敌对和封闭的环境:长时间在宇宙飞船中居住给宇航员的健康带来了一个生物上不利和封闭的环境。在航天器中居住,必须监测温度、空气质量、微生物居民、压力、照明和噪音。


持续的噪音、高浓度的二氧化碳和有限的微生物生态系统共同影响心血管、神经系统和免疫系统的健康。例如,环境噪音水平已被证明会导致心血管损伤、睡眠障碍和认知缺陷。


远离地球:远离地球可能本身就会带来危险,这可能会引起心理压力和破坏团队的动力。由于通信延迟、机上医疗能力有限,以及在低地轨道以外的任务期间没有迅速撤离或立即救援,距离地球的距离将限制医疗救治选择和其他设备能力。



飞向太空,还需要航天生物学 


环境中的危害,会给宇航员身体带来六种变化。包括氧化应激(体内细胞的自由基累积过多)、DNA 损伤、线粒体功能障碍、基因调控变化、端粒 (位于染色体末端,随着年龄的增长变短) 长度变化,肠道微生物变化。


这其中,让科学家最为惊讶的线粒体功能障碍。线粒体在细胞组成,以及维持细胞功能所需的化学能量方面起着关键作用。研究人员在数十名宇航员身上发现了线粒体功能异常。


在新基因组学和蛋白质组学技术的帮助下,科学家能够大致地描述这些变化。研究者认为,线粒体功能障碍表明了宇航员在太空中出现的问题(如免疫系统缺陷、昼夜节律被打乱、和器官并发症)相互关联,因为它们依赖相同的代谢途径。


表面上看起来各个器官所展现的变化,其实是人体作为一个整体系统在变化。


还有一个值得注意的现象是端粒长短变化。端粒是染色体末端的结构,她随着年龄增长而变短。Scott 的端粒在太空中变长了,但回到地球后不久,他的端粒就缩回正常长度甚至更短。其它被研究的十名宇航员身上,也发生了这一现象。


近期发表的研究中还发现,攀登珠穆朗玛峰的人也会出现端粒变长。研究者认为,这些现象说明端粒延长是受到了氧化应激的影响。氧化应激破坏了端粒的正常运转功能。科学家还需要进一步研究这一现象背后的通路,但估计这样的端粒变长不意味着长寿。


航天旅行会给人类带来跨越多个器官的健康风险,包括心血管、中枢神经、肌肉骨骼、肝脏和免疫系统,以及增加癌症风险和扰乱昼夜节律。


研究者在综述论文结尾写道:我们所概述的生物学特征是基础性的,可能只是发现的开始。


人体如此精密复杂,它又如此依赖地球。了解人体在太空中会发生哪些变化,并制定有效的对策,将是人类未来太空探索的关键之一。


在太空中呆了 340 天之后,Scott 被问是否愿意再次航行,他回答 “我愿意去,只要是往返的。” 在空间站生活了一年之后,他不想在火星上的某个栖息地度过余生。


离开了地球很久的他最深刻的感受之一是无聊。他看来,很少有人愿意去太空生活超过一个星期,除非有目的。宇宙的美丽远抵不过无聊。“风景很好,漂浮很有趣,但是如果你没有正经的工作要做,能这样多久呢?”


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