地球上的生命已適應重力，我們的細胞和組織在太空中會發生什麼？

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有一種力量如此深刻地影響著我們每天的生活以至於我們很可能不認為它很重要：重力（gravity，或者說萬有引力）。重力是導致物體質量之間引力產生的力量。這就是為什麼當你放下一支鋼筆時，它落在地上。但是，由於萬有引力與物體的質量成正比，僅像行星等較大的物體產生明顯的引力。這就是為什麼對重力的研究傳統上集中在像行星這樣的龐大物體上。

然而，我們的首個載人航天任務完全改變了我們對重力如何影響生物系統的看法。重力不僅讓我們呆在地上；它也影響我們的身體如何在最小的尺度上發揮功能。如今，因可能存在更長的航天任務，研究人員正在努力找出重力缺乏對我們的生理學特徵意味著什麼，如何去加以彌補。

免受重力的控制

直到探索者到太空旅行時，地球上的生物才會在微環境下度過時間。

科學家們已觀察到從太空返回的宇航員長得更高些，而且具有顯著下降的骨質和肌肉質量[1]。令人好奇的是，研究人員開始比較動物和宇航員在太空旅行之前和之後的血液樣品和組織樣品[2]以便評估重力對生理學性質的影響。在很大程度上是無重力的國際空間站（International Space Station）環境中的宇航員科學家已開始研究細胞在太空中如何生長[3]。

不過，這個領域的大多數實驗實際上是在地球上利用模擬的微重力開展的。通過在離心機中快速地旋轉物體（如細胞），你能夠產生這些重力下降的條件。

我們的細胞經過進化已適應存在重力的環境中的力量；如果它們突然免受重力的影響，事情開始變得奇怪起來。

在細胞水平上檢測力量

圖片來自Efazzari, CC BY-SA

隨著我們體內的條件發生變化，除了重力的影響之外，我們的細胞也遭受其他的力量，如張應力和剪應力。

我們的細胞需要有檢測這些力量的方法。被廣泛接受的機制之一是利用機械敏感性離子通道來進行檢測。這些離子通道是位於細胞膜表面上的孔，依賴於它們檢測到的力量，讓特定的帶電荷分子進出細胞[4]。

作為這類機械敏感性受體的一個例子，PIEZO離子通道在幾乎所有細胞中發現[4]。依賴於它們在體內的位置，它們協調觸覺和痛覺。比如，捏一下手臂會激活感覺神經元中的PIEZO離子通道，讓它打開通道。在幾微妙內，鈣離子等離子進入細胞中，傳遞手臂被捏了的信息。這一系列事件最終以手臂收回告終。這種力量檢測是至關重要的，這樣細胞能夠快速地對環境條件作出反應。 當重力不存在時，這些作用於機械敏感性離子通道上的力量失去平衡，導致異常的離子遷移。離子調節著很多細胞活動；如果它們在應當去的時候沒有前往它們應當去的地方，那麼細胞就會陷入混亂。蛋白合成和細胞代謝受到破壞。

在不存在重力時的生理學性質

在過去的三年里，研究人員已仔細地梳理哪些類型的細胞和身體系統受到微重力的影響。

大腦：從二十世紀八十年代以來，科學家們已觀察到重力的缺乏會導致上半身中的血液滯留時間增加，因此增加大腦中的血壓。近期的研究提示著這種增加的血壓降低神經遞質釋放[5]。神經遞質是腦細胞用來通信的關鍵分子。這一發現已促進人們研究從太空返回的宇航員存在的常見認知問題，如學習困難[6]。

骨骼和肌肉：太空的失重狀態能夠導致每個月減少1%以上的骨質，即便對已經歷嚴格鍛煉計劃的宇航員而言，也是如此。如今，科學家們正在利用基因組學（研究DNA序列）和蛋白組學（研究蛋白）上取得的進展來鑒定骨細胞代謝如何受到重力的調節[7]。在重力缺乏時，科學家們已發現負責骨形成的細胞類型受到抑制。與此同時，負責骨降解的細胞類型被激活。總之，這會加快骨質流失。研究人員也已鑒定出控制這些過程的一些關鍵分子[2]。

免疫系統：宇宙飛船遭受嚴格的消毒以便阻止外來有機體的進入。不過，在阿波羅13號任務期間，一種機會性病原菌感染了宇航員Fred Haise[8]。這種病原菌，即銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa），通常僅感染免疫缺陷的人。這一插曲讓人們對免疫系統如何適應太空感到特別好奇。通過比較宇航員在執行他們的太空任務之前和之後的血液樣品，研究人員發現重力缺乏會減弱T細胞的功能[9]。T細胞是一類特定的免疫細胞，負責抵抗一系列疾病，如普通感冒和致命性敗血症。

彌補重力的缺乏

美國宇航局（NASA）和其他的航天機構正在投資支持將讓人進行更長距離的太空旅行的策略[10]。找出如何承受微重力將是這些策略的一個重要的部分。

當前克服重力缺乏的最好方法是以另一種方式（通過鍛煉）增加細胞的負載。宇航員通常每天花費至少兩個小時在跑步和舉重以便維持健康的血容量，降低骨質和肌肉丟失[11]。不幸的是，嚴格的鍛煉僅能夠延緩而不能夠完全阻止宇航員健康的惡化。

服用補充劑是研究人員正在研究的另一種方法。通過大規模基因組學和蛋白質組學研究，科學家們已成功地鑒定出受到重力影響的特定的細胞-化學物相互作用[2]。如今，我們知道重力影響控制細胞生長、分裂和遷移等過程的關鍵分子。比如，在國際空間站微重力環境下生長的神經元具有更少的神經遞質GABA（即γ-氨基丁酸）受體[5]。神經遞質GABA控制著神經運動和視力。加入更多的GABA會恢復功能，但是其中的確切機制仍然是未知的。

NASA也正在研究加入益生菌（probiotics）到太空食物中增強宇航員的消化系統和免疫系統是否可能有助阻止微重力的負面影響[12]。

在太空旅行的早期，首批挑戰之一是找出如何克服重力，這樣火箭能夠掙脫地球的引力。如今，所面臨的挑戰是如何抵消重力缺乏導致的生理學影響，特別是在長期的太空飛行期間。

參考資料：

1.Physical and Psychological Challenges of Space Travel: An Overview

Psychosomatic Medicine, November/December 2001, 63(6):859-861

2.Proteomics and genomics of microgravity

Physiological Genomics, Published 1 August 2006, 26(3):163-171,

3.Using space-based investigations to inform cancer research on Earth

Nature Reviews Cancer, May 2013, 13:315-327,

4.Micro- and nano-technologies to probe the mechano-biology of the brain

Lab on a Chip, 2016 May 24, 16(11):1962-1977,

5.Effects of simulated microgravity on the expression of presynaptic proteins distorting the GABA/glutamate equilibrium – A proteomics approach

Proteomics, November 2015, 15(22):3883–3891,

6.Effect of Simulated Microgravity on Human Brain Gray Matter and White Matter – Evidence from MRI

PLoS ONE, Published: August 13, 2015,

7.Unloading Induces Osteoblastic Cell Suppression and Osteoclastic Cell Activation to Lead to Bone Loss via Sympathetic Nervous System

The Journal of Biological Chemistry, August 26, 2005, 280:30192-30200,

8.Spacebound Bacteria Inspire Earthbound Remedies

9.Alterations in adaptive immunity persist during long-duration spaceflightnpj Microgravity, Published online:03 September 2015,

10.Pioneering Next Steps in Space Exploration

11.KEEPING FIT IN SPACE A REAL WORKOUT FOR NASA HUMAN RESEARCH TEAMS

12.Probiotics in the Space Food System: Delivery, Microgravity Effects, and the Potential Benefit to Crew Health

13.Life on Earth is used to gravity – so what happens to our cells and tissues in space?