Scott，上天回來，你哥哥還是你哥哥
作者：韓培 （中國科學院空間應用工程與技術中心）
Scott，上天回來，你哥哥還是你哥哥
剛剛去世的知名理論物理學家史蒂芬·霍金曾經指出，人類要想避免滅頂之災，就要在100年內逃離地球。這位天才物理學家認為，地球上的生命很有可能由於某種災難而滅絕，如突如其來的核戰爭、基因工程製造的病毒、或人工智慧帶來的威脅等，並且這種風險還在不斷增長。由於地球環境變得越來越不宜居，為了人類的未來，我們必須將目光投向太空。
那麼，漫漫星際航行，宇宙射線、缺氧環境、幽閉空間等等等等，人類能夠生存並且適應長期的太空飛行么？
空間環境會對人的身體造成什麼樣的影響呢？這是個非常重要並且基礎性的問題，因為這關係著未來星際旅行的可行性，以及人類能在宇宙中到底能走多遠。多年來，科學家對此問題進行苦苦思索，希望能獲得真實的數據來進行參考和分析。
對照實驗，是研究中常用的也是有效的科學研究方法。在實驗中，將兩個相同的實驗對象分別作為實驗組和對照組，在實驗組身上施加一個或多個的因素，觀察實驗組的變化，看其與不施加影響因素的對照組有什麼區別，就能夠知道這些因素對實驗對象產生的影響。那麼，如果我們想知道長期太空飛行對人體產生的影響，就需要找兩個相同的人來進行對照實驗：將一個人送入太空，一個人留在地球上，一段時間之後，將兩人進行對比，觀察進入太空的人身上發生了哪些變化，就能初步知道太空旅行對人體的影響了。
然而，讀者一定也能猜到這個對照實驗的困難之處——世上並無完全一樣的兩個人，科學家也就無法找到理想的實驗對象，克隆人? No No No，倫理問題目前還無解呢。目前最好的方法莫過於——拿一對同卵雙胞胎作為實驗小白鼠，因為同卵雙胞胎已經是基因相似度最高的人類了（有些研究表明，他們還具有很強的心靈感應）。但是，問題來了，世界上的同卵雙胞胎固然不少，但是在身體素質和智力水平兩方面都達到航天員要求的可不多。到哪裡去找這樣的雙胞胎呢？
無巧不成書，NASA還真的有這麼一對特殊的航天員。Scott Kelly和Mark Kelly兄弟，他們是歷史上唯一一對同卵雙胞胎航天員，兩兄弟既滿足基本的要求，也對太空實驗有足夠的認知，簡直是完美的實驗對象。
雙胞胎對照實驗的想法最初是由Scott本人提出來的，因為雙胞胎航天員的例子太稀有了，NASA接受了Scott的建議，將各個專業的科學家召集到NASA，開始進行這個史無前例的對照實驗。
Scott出發前，在隔離室內與玻璃窗與他的雙胞胎兄弟Mark對拳
2015年3月，Scott Kelly在俄羅斯搭火箭上太空，他的兄弟Mark則留在地球作為對比參照對象，2016年3月，經過了一年的任務之後，Scott Kelly返回了地球，在Scott Kelly執行飛行任務之前、飛行期間和返回地球之後，研究人員分別採集了兩個雙胞胎兄弟的DNA樣本，希望找出太空生活對人類身心造成的影響。
2018年1月，在NASA舉辦的人類研究計劃2018年調查員研討會上，NASA公布了他們的新發現。研究人員宣稱，在太空中時，Scott的一些基因表達發生了變化，而且回到地球幾個月後，其中7％的基因表達仍然沒有恢復到到飛行前的狀態。
「基因表達變化」
根據太空飛行對照實驗，威爾康奈爾醫學院發表了一篇關於「太空基因」的論文，他們研究了太空環境對雙胞胎兄弟RNA和DNA化學變化的影響，他們提出，雖然93%的基因表達在Scott返回地球後恢復正常，但是仍然有數百個「太空基因」處於混亂狀態。
這個所謂的「太空基因」是什麼呢？其實沒那麼神秘啦，只是遺傳學家用的一個術語，用來指代純粹由航天飛行而導致的基因表達出現異常變化的那些基因。
那麼，基因表達指的是什麼意思呢？
科學的定義是，基因表達是指細胞在生命過程中，把儲存在DNA序列中的遺傳信息經過轉錄和翻譯，轉變成具有生物活性的蛋白質分子的一個過程，而眾所周知，人體一系列的生理變化和正常的工作都是靠蛋白質來完成的。
基因表達過程示意
-轉錄：在RNA聚合酶的催化下,以DNA為模板合成mRNA，mRNA負責把DNA的遺傳信息傳遞給蛋白質的過程。
- 翻譯：就是以mRNA作為模板，將氨基酸在核糖體上裝配為蛋白質多肽鏈的過程。
簡單的來說，基因表達就是選擇性的將我們體內的DNA信息表達出來，以構造體內特定的細胞結構或者適應不同的環境，基因表達發生變化，但DNA本身並沒有發生根本性的改變。
基因表達是一個受調控的過程，具有時間和空間的特異性，例如，按照功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發生，或者是在個體生長的過程中，某種基因產物會在個體按照不同組織空間順序出現。而且基因表達也會因為外界的刺激發生變化，生物體所處的內、外環境是在不斷變化的，通過調控基因的表達，可以使得生物體表達出合適的蛋白質分子，以便更好地適應環境，在對照實驗中，研究人員觀察到的雙胞胎基因表達的變化就是身體對空間飛行環境的一種應激反應。
那麼，7％的基因表達改變是一件很了不得的事情嗎？並不是哦，這只是非常小的一個基因表達變化，這種反應與人在壓力環境中，或者人在登山或潛水時的環境內出現的的反應是相似的。
不過基因表達發生異常變化是一個重要的信號，雖然目前的研究還不能形成確定性的結論，但不可否認的是，基因表達變化可能會對免疫系統、骨骼構成、DNA損失修復等產生持久的影響，進而影響人類對環境的適應能力以及衰老的速度。
那麼，讓我們看看科學家們這次在雙胞胎兄弟身上發現了什麼有意思的不同點吧。
端粒增長之謎
通過太空飛行實驗，科學家發現一個有趣的現象：Scott的端粒平均長度在飛行中顯著增長，而在返回地球後的48小時內，Scott的端粒長度則又縮短，然後穩定在飛行前的水平。地球上的哥哥Mark，端粒長度則一直保持著相對穩定。
那麼端粒是什麼？它對人體的重要性表現在哪裡？端粒的長度變化又說明什麼呢？
端粒，是存在於真核細胞線狀染色體末端的一小段DNA-蛋白質複合體，它是染色體末端的「保護使者」，保護染色體不被「磨損」掉。
圖中紅色的部分就是端粒,位於染色體的末端
端粒就像鞋帶末端的那個小帽，保持著鞋帶的完整性，當這個小帽磨損，鞋帶就不完整了。一旦端粒磨損、耗盡，染色體將無法正常分裂，細胞的更新也就走向終止。所以，端粒的完好程度，能夠表明細胞分裂潛力的大小：端粒越短，表明細胞的再生能力越小，剩餘的分裂次數逐步逼近極限，細胞壽命越短；端粒越長，則意味著細胞的再生能力越強，剩餘的分裂次數更多，機體組織將保持「年輕」。隨著人的年齡增長，若端粒消耗殆盡，細胞將會慢慢步向凋亡，端粒的加長也意味著衰老速度的減緩。
客觀地說，Scott在太空中端粒延長的原因還不是很清楚，研究人員猜測，可能是由於在太空中，Scott執行了嚴格的體能訓練計劃，並且在飲食上限制了熱量攝入。在太空飛行過程中Scott的體重出現了下降，而且他體內的葉酸水平在飛行後也有所升高，一個很可能的原因是，太空中Scott吃的食品更健康。Scott的體重下降和葉酸增加與端粒延長的研究結果相吻合，這表示更健康的生活方式可能會使得端粒延長。如果是這個原因，地球上的人們通過節食加運動延緩衰老確實是可以的哦，這對地球上的人們來說是個好消息，想永葆青春的同志們，趕緊動起來吧！
太空中打疫苗有用么？
地球上人們為了預防疾病，可以注射疫苗，防止許多重大疾病。那麼在太空中呢？在空間中給航天員打疫苗會管用嗎？
為了研究人類在太空中的免疫反應，Scott在執行飛行任務之前、期間和之後都注射了流感疫苗，作為對比，Mark在地球上也在同樣的時間注射了同樣劑量的疫苗。
Scott（右）和Mark分別在地球和太空站注射流感疫苗
研究人員發現，每次接種疫苗後，這對雙胞胎對流感的免疫能力都會增強，而且增強的水平一樣，這說明，在太空注射流感疫苗也是有效果的，而且跟在地球注射具有相似的免疫效果。
那麼，以後在長期星際航行中，航天員就可以通過注射疫苗未雨綢繆來預防一些疾病的發生啦，大大提升航天員的存活率！
太空飛行會讓人變「腦殘」嗎？
根據之前NASA的報道，宇宙射線可能會對航天員大腦造成一定程度的不良影響。在之前的研究中，科學家們把小鼠置於充滿強輻射粒子的空間里，以模仿宇宙空間中充滿射線的環境，結果發現，這些實驗小鼠的腦部出現了炎症，並導致腦部傳輸紊亂。研究人員稱，小鼠整個大腦中心系統都受到了影響，導致整體認知能力下降，與精神錯亂的信號很相似。
那麼人類呢？
在飛行任務之前、期間和任務結束之後，研究人員多次對雙胞胎兄弟進行了專門為航天員設計的認知測試，以研究太空環境對人類認知能力的影響。認知測試由十項簡短的經過驗證的神經心理學測試組成。
令人欣慰的是，2017年公布的報告顯示，太空任務時間的延長並沒有使Scott認知能力出現顯著下降，這可以讓很多航天員大大放心了。只不過在飛行後，Scott出現了認知速度和準度明顯下降的現象，這個可能是由於Scott回到地球後，身體器官需要重新適應地球引力造成的，而且也可能與任務結束後Scott繁忙的日常安排有關，畢竟作為名人有繁忙的宣傳和很多活動要出席嘛。
太空中動脈粥樣硬化加速？
動脈粥樣硬化是一種由脂質、膽固醇、鈣和其他物質組成的斑塊在血管內形成而引起的慢性炎症疾病。人體內血脂水平異常與動脈粥樣硬化的發生及發展密切相關。
動脈粥樣硬化示意圖
雙胞胎兄弟接受了動脈超聲檢查，並且在整個任務期間持續地為研究人員提供不同時期的血液和尿液樣本。NASA的研究人員觀察了太空飛行後炎症和應激反應對Scott血管結構和功能的影響。
研究發現，在太空環境下，Scott血脂水平發生變化，說明帶有炎症。而地球上的Mark血脂水平雖然有類似變化，但炎症情況較少。研究人員對Scott體內具有抗炎作用的細胞因子（可以調控免疫應答的小分子蛋白質）水平進行了測量，發現Scott體內有兩次炎症反應最為明顯，一次是在剛返回地球後，細胞因子的含量達到峰值，並且在後續的6個月一直居高不下。另一次是在飛行前，細胞因子水平上升，並在飛行任務中保持高水平。
雖然細胞因子水平的變化已被科學家觀察到，但是這種變化是否可逆，是否代表太空中的Scott動脈粥樣硬化加速，目前還不能下確切的結論，未來科學家將進一步進行分析。
人體微生物群變化？
近年來，人體內微生物菌群的數量及它們的重要性逐漸引起了人們的關注。大多數人對微生物的印象是有害的，但是無論是體內還是體外，都有著大量的微生物棲息在人的身體上，包括細菌、古生菌、真菌、病毒和其他微生物，它們被統稱為人類微生物群。而且它們中只有極少部分對人類有害，大部分很溫順，有些對人類有諸多好處。比如：幫助消化人類無法自己利用的植物纖維、合成維生素、吸收礦物質、抑制致病微生物等，影響著人類的免疫系統、心臟健康甚至體重、睡眠、情緒等等，參與著人體生理功能的方方面面。某種意義上來說，人其實是人本身和寄居其體內微生物的「超級生物體」。
美國西北大學的研究人員對Scott和Mark體內的微生物菌群變化進行了研究。結果發現，由於飲食、環境及個體免疫水平的不同，在各個時間點，兩人體內的微生物都出現了明顯差異。飛行過程中，Scott體內的微生物菌群與飛行前有所不同，細菌性門擬桿菌的數量開始減少，不過Scott返回地球之後，這種減少便停止了。總體來說，空間飛行帶來的人體內微生物群的變化並不大，跟地球上的人們改變生活習慣和環境變化帶來的影響是類似的。
尿蛋白變化說明機體生理變化？
尿液中的一些蛋白質種類和含量的變化通常預示著人體多種生理代謝的變化，為了觀察太空飛行中的人體生理表現，研究人員檢測了雙胞胎尿液中的蛋白質變化。他們對尿液標本中的蛋白質進行了生物標記，以此來觀察Scott肌肉骨骼調節、代謝和心血管的變化，並且觀察人體內的蛋白質通路是否能適應太空環境引起的人體體液轉移。
研究人員發現，和地面上的Mark相比，在太空飛行過程中，Scott體內關於體液調節和骨骼肌肉形成的蛋白質含量差異顯著。例如在太空中，Scott尿液中的水通道蛋白2含量升高，而水通道蛋白2是調節腎臟對水通透性的主要蛋白質，在調節腎臟水平衡中起重要作用，是判斷人體含水率或脫水狀態的重要指標。
雙胞胎研究是首次通過基因組學研究來評估人體在太空中的潛在風險，是一項具有里程碑意義的研究，但是這項研究也存在一個很大的局限性，就是只有單一的一個參與者，而且對照組也是只有一個人。所以，即便科學家發現斯科特的基因活動發生了某些變化，他們也無法確定這是由航天飛行導致的，還是由其他因素導致的。聽起來是不是有點沮喪，科學上的進步實在是太難了啊……..
不過，這麼一小步的前進也已經是創造歷史了呢，這項研究將會在未來數年內繼續為NASA的人類研究項目提供數據支持。而且，收集基因信息對於未來的航天員選拔有很積極的作用，比如，如果某位航天員的基因信息顯示，他對於太空輻射的電離效應非常敏感，那類似的信息將影響NASA在選派前往太空的人選時所做的決定，可以有效的幫助NASA篩選航天員。
研究人員表示，今年的後半年，雙胞胎實驗陸續會有更多結果發表，到時候還會有什麼新鮮的結果呢，讓我們拭目以待吧。
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