太空生活会改变基因吗？NASA 这对双胞胎告诉我们
2017-02-19 佚名 科研圈
如果在国际空间站的零重力环境下漂浮着生活一整年，人体会发生什么变化呢？2017年1月23日，NASA 公布了“双胞胎对比实验”（the Twins Study）的初步结果，为研究人员们提供了前所未有的好思路。
撰文 Ashley Strickland
翻译 费尔顿
审校 张士超
在人类迈向太空更深处之前，科学家希望研究清楚星际旅行对宇航员会产生怎样的影响。然而人与人之间总会存在个体差异，目前又无法将大批宇航员送入太空以扩大样本量、获取统计数字。那么，如何在现有条件下最大限度降低个体差异造成的影响呢？
美国国家航空航天局（NASA）找到了一个绝佳的方案——“双胞胎对比实验”。将宇航员斯科特？凯利（Scott Kelly）去空间站执行任务之前、之中和之后的各项生理数据与他同为宇航员的双胞胎哥哥、现已退役回到地球的马克？凯利（Mark Kelly）进行比较。
从2015年3月27日到2016年3月1日，斯科特？凯利在国际空间站生活了340天之久，而马克则留在地球上。来自美国12所不同大学的科学家们同时观察这对兄弟的生活，并在全程中提取兄弟俩的血样进行分析研究。这项特殊的研究，以及斯科特和俄罗斯宇航员米哈伊尔？科尔尼延科（Mikhail Kornienko）在空间站执行的为期一年的任务已得到初步结果，并于2017年1月23日的 NASA 人类研究项目年度研讨会上发布。
这些结果为科学家们展望未来长期的火星任务打开了新思路。
太空归来，身体发生了哪些变化？
10组研究人员正从多方面比较凯利兄弟的健康状况，如免疫反应、骨形成、肠道菌群，以及太空生活对 DNA 造成的影响等。
参与该计划的双胞胎航天员凯利兄弟。图片来源：NASA
在基因组层面，他们正试图确认在太空中飞行期间，斯科特体内的“太空基因”（space gene）是否被激活。通过对双胞胎体内白细胞的 DNA 和 RNA 进行测序，研究人员发现，与常人相比，斯科特和马克体内均有几百处变异，超过200，000个 RNA 分子表现出不同。
在太空飞行期间，斯科特体内的 DNA 化学修饰程度降低，回到地球后马上恢复正常。对比实验进行到一半时，马克体内的 DNA 化学修饰程度也出现了变动，但最终恢复正常。研究人员认为，这表明无论是在太空还是地球，基因对环境的变化十分敏感。
通过对比双胞胎体内白细胞内端粒（染色体两臂末端由特定的 DNA 重复序列构成的结构，使正常的染色体端部间不发生融合）的衰减速率，研究人员有了惊奇的发现：在太空期间，斯科特体内的端粒增长了。当他回到地球时，端粒又再次缩短。
一般来说，端粒会随着年龄的增长而缩短。斯科特的端粒增长或许意味着“延年益寿”，但研究人员倾向于认为，该变化可能缘于斯科特在空间站期间运动量增加、热量摄入减少。
他们还检测了双胞胎体内的端粒酶——一种可以修复和延长端粒的逆转录酶。斯科特和马克体内的端粒酶均于2015年11月变得更加活跃，这可能与当时发生的一项“重大、紧张的家庭事务”有关。
斯科特的新骨形成减少，但其体内一种维持骨骼和肌肉健康的激素明显上升，很可能是宇航员在太空期间为弥补骨质和肌肉流失而每日锻炼所致。他体内的应激激素皮质醇水平恒定，但在着陆地球时突发了一些炎症——这很可能是回到大气环境所致。
尽管斯科特和马克消化道内的菌群组成存在差别，但这很可能是因为他们所处的环境、所吃的食物不同；而斯科特消化道内的两种主要菌群，在其生活在太空和地球期间各占据过一次主导地位。
通向火星之路
执行火星任务时，宇航员登陆这颗红色星球后的第一个动作至关重要。但在外太空遨游6个月之久后，他们或许很难再快速、高效地完成任务，哪怕那些行动攸关生死。
为了了解更多，也就是斯科特和科尔尼延科完成空间站的一年任务回到地球之后，研究人员为二人安排了一系列测试。
参与双胞胎对比实验的研究人员。图片来源：NASA
他们的太空舱垂直着陆在干燥的大地上，这意味着在地面人员协助他们走出太空舱之前，他们必须先靠自己将半个身子探出舱外。斯科特坚信，这在火星上会容易得多，因为那颗星球上的引力更小。
这次前往国际空间站的任务由一系列帮助未来人类登陆火星的实验组成。斯科特完成了每项现场试验——均为模拟宇航员登陆火星时可能经历的各种情况而设计。
对斯科特和科尔尼延科来说，最难的是诸如肌肉敏捷性、姿势控制和保护稳定等功能性任务测试（Functional Task Test）。他们必须完成爬梯、下跳、打开舱门、使用各种工具、摔倒后迅速站立起来、避开障碍等任务。但在这些测试中，他们取得的成绩与只在太空中生活了6个月的宇航员相比，并不存在显着区别。
NASA宇航员斯科特？凯利在接受小肌肉运动技能测试
研究人员还检测了两人在零重力环境下生活一年后的小肌肉运动技能。他们安排宇航员在一块平板电脑的屏幕上用手指点、拖拽、描出图形的形状，以及捏住旋转的物体，而这些检测与开发宇航员登陆火星后可能用到的工具密切相关。早些时候的检测结果表明，宇航员们行动的精确性与反应速度都有一定程度的下降。
着陆后，宇航员们恢复身体机能所需的时长不同，但这也依赖于行前训练或总体的经验。目前，研究人员认为，更充分全面的训练能帮助未来的宇航员们尽快恢复适应地球上的重力环境——与在太空中执行6个月计划的宇航员们相比，由于身体行动力的变化，斯科特和科尔尼延科恢复适应的速度更慢。
长期以来，科学家们都在努力帮助宇航员们延长睡眠时间、提高睡眠质量。作息日程表的安排愈加合理，随着轮岗次数的减少与空间站建造工程的完工，执行一年任务的宇航员们平均每晚可以得到7小时的睡眠时间。执行空间站短期任务的宇航员们平均可以睡6小时。
以上都还只是些初步的实验结果，研究还在继续。2017年晚些时候，NASA 将发布更详尽、深入的研究报告。
“国际空间站一年任务以及同时开展的双胞胎对比实验……暂时还没有为人类未来的长期太空飞行提供令人拍手叫绝的发现，”NASA 人类研究项目的首席科学家约翰？查尔斯（John Charles）在一份声明中说道。
“有些结果，例如之前未曾预料到的、斯科特？凯利体内端粒的增长，还需要经过进一步的分析，并与其他研究人员的检测结果进行比较——有可能只是一种假象或短暂的变化。总的来说，初步结果表明，在太空中生活一年的压力并没有比在生活6个月大多少。但是，更确切的结果还需要等待进一步的分析，这其中包括样本和支持数据、全部研究结果之间的相关性，以及对参与此次国际空间站任务的宇航员与未来长期任务参与者的基因检测——尽管很不幸的是，没有更多的双胞胎样本了。”
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