想要火星旅行？還需理解人體在太空中會怎樣變化

隨著 SpaceX 載人航天的持續成功，人們逐漸開始相信，馬斯克的 「移民火星夢」 是正在發生的歷史。

只是去往太空，遠不止把人類安全送離地球。離開了地球的生物和重力環境，人類的身體會在太空中發生怎樣的變化？如何保證長期深空旅行中身體的健康？這些都有待航天生物學解答。

由此帶來的第一個問題就是 「樣本」。目前，只有不到 600 個人去過太空，人類單次停留在太空中的時間記錄是 437 天，由俄羅斯太空人瓦列裡・波利亞科夫保持。

這些也是最昂貴的樣本。要將生物和實驗設備送進太空，成本大約是每千克 10000 美元。

一份最特別的 「樣本」 來自 Scott Kelly 和他的雙胞胎弟弟 Mark Kelly。在 NASA 的 「雙胞胎」 實驗中，哥哥 Kelly 在太空中漂浮近一年，弟弟則在地球上如常生活，以此收集兩人的生命數據做對比分析。

圖 | 退休的太空人 Scott Kelly（右）和他的雙胞胎兄弟

最近，Cell 及旗下期刊發表了包括兩兄弟數據分析的一系列 「航天生物學」 文章，這也是有史以來最大規模的研究。這也僅僅是一個開始，科學家知道應該關注人類身體在太空中的哪些變化。

雙胞胎實驗，n=1

「我總是覺得我在太空中待的時間越長，我感覺就越好，我從來沒有感覺完全正常過。」2015 年 3 月 27 日，Scott 乘坐俄羅斯火箭從哈薩克斯坦的沙漠草原駛向太空。隨後他在空間站生活了 340 天，成為在太空中停留時間最長的美國人。

他的同卵雙胞胎弟弟 Mark 也是經驗豐富的太空人，曾經有過 4 此太空梭的飛行經驗，在近地軌道的累計飛行時間為 54 天。

在距離地球不到 400 公裡的近地軌道上，空間站帶著 Scott 每 90 分鐘繞地球一圈。與大多數通訊衛星一樣，國際空間站在距離地球表面 319.6km 到 346.9km 的軌道上運行。近地軌道屬於艾倫輻射帶，由近層宇宙空間中包圍著地球的大量帶電粒子聚集而成。這些粒子的主要是被地球磁場俘獲的太陽風粒子。

在這 340 天的環地球旅行中，Scott 三分之一的時間用來做實驗，除了採集自己的血液、糞便、唾液外，他還要給在太空中的小鼠抽血、照 X 光，以用來研究太空環境中對動物眼睛損傷、骨質流失、肌肉萎縮的影響。

這些變化，也發生在和小鼠同樣作為實驗對象的 Scott 身上。因此，在遠離地球的太空中，Scott 會對小鼠生出特殊的共鳴之情。在太空中微重力和輻射環境下，人體的免疫系統會受損，眼睛變形，肌肉和骨量也會減少。

許多太空人都籤署了美國太空人健康追蹤研究（LSAH）。但是他和弟弟則提供了一次千載難逢的機會，NASA 將以他們的研究專門立項，叫做 「雙胞胎研究」，兩人的基因相似性為科學家提供了一個理想對照組。

圖 | 雙胞胎研究（來源：NASA）

這個樣本數有且僅有 1 的研究，首次讓科學家得以應用基因組學的方式來評估太空中人體的潛在風險。NASA 希望儘可能地使用昂貴且稀缺的樣本，從全國各地調集了 84 名來自 12 所大學的研究人員共同研究。

由於組織上以及太空人安全的考慮，科學家們獲準從 Scott 身上抽取的血液比一個兒童住院期間抽取的血液量還要少。而研究人員必須想辦法通過一個樣本來進行有效研究。

研究人員利用這些樣本進行了 10 項獨立的研究，涉及長期航天飛行的分子、生理和認知效應。這些數據最終表明，即使最健康的人體，在太空任務中也會面臨巨大壓力；不過人類也展現出了強大的適應能力，Scott 的基因表達水平在著陸後六個月內 91.3% 恢復到正常。

研究人員強調，由於樣本量之少，無法做出因果推斷，雙胞胎研究的意義在於為未來的研究 「生成假設與定義框架」。

不過在國際空間站上，Scott 仍然一定程度上受到地球磁場的保護，可以免受宇宙射線的傷害。而未來的火星任務將使宇航暴漏在更高水平的宇宙輻射中。

太空環境有5大危害

「我明白，草聞起來很香，風的感覺令人驚訝，而雨是個奇蹟。在我的餘生裡，我會努力記住，這些平常的事情是多麼神奇。」雨從天空落到地面，是因為地球的重力。經歷了長期太空旅程的 Scott，懂得了重力的珍貴。

微重力環境給 Scott 身體帶來的最明顯變化是航天相關神經眼症候群。這是由於血液不再通過重力吸引到腿上，而是聚集在頭上，導致眼部結構突出。

Scott 說，「隨著時間的推移，你的身體會適應它，但以我的經驗來看，它永遠不會完全適應。我總是感到頭腦裡有壓力。」

與之對應，回到地球後，血液重新聚集到腿上，他的身體也花了幾個月的時間適應地心引力。皮膚不適應地心引力，導致出現了皮疹和蕁麻疹。只要受到壓力，皮膚就會有症狀，甚至倚靠在桌子上也會有反應。

此次 Cell 發表的一篇綜述文章，評析了包括 Scott 在內 56 位進入太空的太空人的身體變化。

圖 | 太空環境的危害及影響（來源：Cell）

太空環境會從 5 個方面帶來危害。

太空輻射： 空間輻射環境包括太陽耀斑和日冕物質拋射時釋放的高能太陽粒子，以及由電子和正電子（2%）、質子（85%）、氦核（12%）和高能高電荷粒子（1%）組成的高能宇宙輻射線（GCRs）。

長期接觸 GCR，特別是 HZE 顆粒，由於其電離性、高穿透性和高能量沉積，對健康的影響尤其值得關注。

在國際空間站上，太空人受到地球磁場的部分保護，但仍然暴露在平均劑量為每年 100-200 毫西弗特（mSv）的輻射下，而專業輻射工作人員每年的輻射量上限則為每年 50mSv。

微重力環境： 人類在地心引力的環境下演化至今天，而微重力的環境會帶來異常的生理反應。包括體液向上移動到頭部和胸部，導致下肢體積減少和代償性心血管系統變化。

骨骼和肌肉不再經歷重力負荷，這會帶來骨流失和肌肉萎縮。長期的微重力加上其他空間環境危害的協同效應，可能會加劇航天員進行長期飛行任務時的複雜健康問題。

而在進入和離開大氣層的過渡期內，又會帶來 3 倍到 6 倍的重力，會使人體系統承受壓力。

限制與隔離：深空旅行讓太空人長時間隔離在一個有限的尺寸的太空飛行器。物理和社會隔離，以及空前的距離，將可能增加心理、行為和生理健康的風險。模擬環境研究已經證明這可能導致包括海馬體受損在內的神經功能缺陷，並且增加焦慮，還可能直接導致免疫系統失調。

敵對和封閉的環境：長時間在宇宙飛船中居住給太空人的健康帶來了一個生物上不利和封閉的環境。在太空飛行器中居住，必須監測溫度、空氣品質、微生物居民、壓力、照明和噪音。

持續的噪音、高濃度的二氧化碳和有限的微生物生態系統共同影響心血管、神經系統和免疫系統的健康。例如，環境噪音水平已被證明會導致心血管損傷、睡眠障礙和認知缺陷。

遠離地球：遠離地球可能本身就會帶來危險，這可能會引起心理壓力和破壞團隊的動力。由於通信延遲、機上醫療能力有限，以及在低地軌道以外的任務期間沒有迅速撤離或立即救援，距離地球的距離將限制醫療救治選擇和其他設備能力。

圖 | Scott 在空間站給自己抽血（來源：NASA）

飛向太空，還需要航天生物學

環境中的危害，會給太空人身體帶來六種變化。包括氧化應激（體內細胞的自由基累積過多)、DNA 損傷、線粒體功能障礙、基因調控變化、端粒 （位於染色體末端，隨著年齡的增長變短) 長度變化，腸道微生物變化。

這其中，讓科學家最為驚訝的線粒體功能障礙。線粒體在細胞組成，以及維持細胞功能所需的化學能量方面起著關鍵作用。研究人員在數十名太空人身上發現了線粒體功能異常。

在新基因組學和蛋白質組學技術的幫助下，科學家能夠大致地描述這些變化。研究者認為，線粒體功能障礙表明了太空人在太空中出現的問題（如免疫系統缺陷、晝夜節律被打亂、和器官併發症）相互關聯，因為它們依賴相同的代謝途徑。

表面上看起來各個器官所展現的變化，其實是人體作為一個整體系統在變化。

還有一個值得注意的現象是端粒長短變化。端粒是染色體末端的結構，她隨著年齡增長而變短。Scott 的端粒在太空中變長了，但回到地球後不久，他的端粒就縮回正常長度甚至更短。其它被研究的十名太空人身上，也發生了這一現象。

近期發表的研究中還發現，攀登珠穆朗瑪峰的人也會出現端粒變長。研究者認為，這些現象說明端粒延長是受到了氧化應激的影響。氧化應激破壞了端粒的正常運轉功能。科學家還需要進一步研究這一現象背後的通路，但估計這樣的端粒變長不意味著長壽。

航天旅行會給人類帶來跨越多個器官的健康風險，包括心血管、中樞神經、肌肉骨骼、肝臟和免疫系統，以及增加癌症風險和擾亂晝夜節律。

研究者在綜述論文結尾寫道：我們所概述的生物學特徵是基礎性的，可能只是發現的開始。

圖 | Cell 航天生物學專題系列（來源：Cell）

人體如此精密複雜，它又如此依賴地球。了解人體在太空中會發生哪些變化，並制定有效的對策，將是人類未來太空探索的關鍵之一。

在太空中呆了 340 天之後，Scott 被問是否願意再次航行，他回答 「我願意去，只要是往返的。」 在空間站生活了一年之後，他不想在火星上的某個棲息地度過餘生。

離開了地球很久的他最深刻的感受之一是無聊。他看來，很少有人願意去太空生活超過一個星期，除非有目的。宇宙的美麗遠抵不過無聊。「風景很好，漂浮很有趣，但是如果你沒有正經的工作要做，能這樣多久呢？」