图为前NASA宇航员、同卵双胞胎Scott Kelly（右）和Mark Kelly。2015-2016年，Scott在国际空间站工作了一年，而Mark则留在地球上，这让科学家们得以研究太空生活对Scott身体的影响，并将其变化与Mark进行了比较。
摄影：ROBERT MARKOWITZ，NASA
撰文：SHI EN KIM
经历过中年的人都知道，衰老过程会对身体造成很大的负担。骨骼中的钙开始流失，肌肉开始萎缩，免疫系统减弱，甚至可能出现关节炎。不良的姿势和糟糕的平衡感会影响你的活动，而白内障和视力减退会损害你的视力。随着不断接近生命的终点，人们最终会出现心脏问题和认知功能下降。 然而，上述这些症状也可能是由一些不太常见的原因引起的：太空旅行。 太空飞行对生物学产生了巨大的影响，太空中的人似乎比地球上的人更容易衰老。现在，科学家们比以往任何时候都更加了解太空旅行对生物的影响。最近发表在《细胞》、《细胞通讯》、iScience、《细胞系统》和Patterns等杂志上的29篇论文研究了太空飞行对56名宇航员造成的生物性危害，这一数字超过去过太空的人总数的10%。
NASA宇航员Terry Virts（右）和Scott Kelly正在为Rodent Research-2项目做实验。Rodent Research-2项目是一项关于太空飞行对老鼠肌肉、骨骼和神经系统影响的商业调查，这些老鼠于2015年4月14日被送到国际空间站。
图源：NASA
新的研究让我们进一步了解人类在太空生活的生物反应机制。200多名科学家证明，太空会扰乱细胞中的基因、线粒体功能和化学平衡，从而对太空中的人和动物的健康产生一系列更广泛的影响。
“整个身体都会受到影响，因为（太空）是一个与众不同和极端的环境，”科罗拉多州立大学的放射线研究者 Susan Bailey说，她参与了多项新研究。
太空飞行引起的健康影响与衰老相关的疾病有一些相似之处，比如癌症和骨质疏松症。虽然太空飞行与衰老的相关之处是长期载人任务（如前往火星的载人飞行任务）担心的问题，但独特的太空环境也为研究衰老的生理机制提供了独特的机会。
据估计，心脏、血管、骨骼和肌肉在太空中的衰老速度是自然衰老速度的10倍以上。这意味着要研究衰老过程，科学家们不必等待其生物研究对象在地球上自然衰老，而是可以通过在国际空间站进行实验来获取太空造成的加速的健康影响。
科学家们强调，太空旅行带来的症状与衰老并不完全相同，一旦人们回到地球，许多变化就会逆转，但二者的比较仍然很有用。太空飞行对旅行者而言是一种沉浸式体验，而衰老却发生在每个地球人身上，无论我们是否喜欢。因此，太空生活是理解衰老这一慢性过程的一个良好模型，Bailey说。贫瘠的外太空甚至可能为我们揭示抵御衰老进程的新方法。
图为NASA的啮齿动物栖息地，为国际空间站上的啮齿动物提供了长期的栖息场所，两个通道门中的一个是打开的。
摄影：DOMINIC HART，NASA
太空环境
地球上的所有生命都是在地球引力的作用下进化的，因此我们并不适合在其他任何环境中生活。国际空间站国家实验室的临时首席科学家Michael Roberts说，太空以不同的方式影响不同的细胞。“例如，细胞并不是急性接触有毒物质，而是长期的、慢性的、持久的。”太空生活会重置身体的平衡水平，以达到最佳的功能，从而重启细胞应对太空环境的生理标准，他补充说。
在微重力环境下，心脏、骨骼和肌肉不需要像在地球上那样辛勤工作，因此都会因为不常使用而逐渐退化。液体在太空中的流动方式不同，可能会改变充满液体的组织的形状，比如大脑中的组织。地球大气层外更高水平的背景辐射也可能破坏DNA，增加患癌症的风险。甚至国际空间站中稍微高一些的二氧化碳水平也会影响宇航员的生理机能。
关于太空飞行对健康影响的新研究，与之前NASA对双胞胎宇航员Kelly兄弟的全面健康分析的结果遥相呼应。NASA的双胞胎研究涉及10个研究小组，分别监测Scott在太空逗留一年期间及之后所经历的分子和生理变化。研究人员将这些变化与Scott的孪生兄弟Mark进行了比较，后者在此期间一直呆在地球。
从300多个生物样本中，研究小组列出了双胞胎宇航员的一系列身体差异，包括宇航员的基因表达、微生物群、认知功能和血管系统的变化。
在双胞胎研究中，Bailey获得了一个惊人的发现：Scott的端粒长度发生了变化。端粒插在染色体末端，可保护染色体不受损伤，就像防止鞋带磨损的塑料盖一样。Bailey说，端粒是衰老的指标，其长度受到地球生活各个方面的影响，从我们的饮食到我们的生活方式，甚至我们的心理健康。端粒会随着年龄的增长而缩短，而缩短的速度则是健康的一个重要标志。
在Scott的太空生活期间，科学家们意外发现他的端粒整体上变长了。然而，当他返回地球后，他的端粒迅速变短。“尽管他的端粒在太空飞行中变长了，但最终还是比开始时更短，” Bailey说。
“端粒长度的改变与心血管疾病等疾病有关，特别是较短的端粒，”她补充说。然而，Scott在太空期间端粒变长也不是一个好迹象。“更长的端粒也与癌症有关。无论如何，你都赢不了这场比赛。”
尽管双胞胎研究很有启发性，但样本量只有一个：Scott Kelly和双胞胎兄弟Mark。现在，研究人员通过对数十名在太空待了多月的宇航员进行检查，证实了新研究的发现，包括端粒的变化。与双胞胎研究一样，研究人员记录了一系列生理变化，并试图确定导致这些变化的机制，比如特定的蛋白质或基因。
宇航员在外太空飞行一段时间后，太空飞行导致的一些症状似乎趋于稳定，比如血容量减少和心肺的变化。不过，宇航员在国际空间站上生活的时间还不够长，科学家们不能肯定这些身体变化最终是否会达到稳定状态。
“我们现在已经进行了一些基础研究，” Bailey指出，“但现在下结论还是为时过早。”
老鼠与肌肉
太空还是科学家测试与衰老有关的候选药物的合适环境。在最近的一项研究中，美国礼来制药公司的一个研究小组在国际空间站上测试了一种抗体药物是否可以阻止老鼠的肌肉流失。（该公司还研发了一种治疗COVID-19的抗体疗法，最近获得了FDA的紧急批准。）这个团队利用太空的生物压力环境诱发了类似衰老和癌症的肌肉萎缩。
“在太空中，动物的整个身体都处于微重力环境下，”研究负责人、礼来公司退休的细胞生物学者Rosamund Smith说。在地球上进行一项类似的衰老实验，需要在失重的环境中饲养老鼠：用吊索吊住老鼠的后肢，或者是等待老鼠自然变老。不过，地球上的人工老化方法并不能让全身的肌肉同时老化，Smith说。
礼来公司的研究人员证实，太空确实会导致国际空间站上的老鼠的肌肉萎缩，功能衰退，这与之前对宇航员的观察结果相符。将抗体药物注射到老鼠体内，保护了老鼠的肌肉。在长期载人任务中，这类药物可以对抗微重力对宇航员的有害影响，并在宇航员返回地球后用作治疗药物。
“微重力对人类身体的影响范围之广令人惊叹，” Smith说。“认识和利用太空有助于我们了解人类生理学，进而认识人类疾病。”
生物芯片
科学家们还转向了一种新的研究平台：组织芯片，该平台对人类生理的模拟效果优于动物。这些USB接口大小的设备含有浸泡在液体中的细胞腔室和通道。组织芯片通常承载着代表某一特定人体器官的细胞混合物。芯片中的流体流动能够复制人体内部的剪切力和拉伸力，芯片的内壁为细胞提供了排列和生长的固定位置。本质上，组织芯片就像人体内部的一个微观世界。
加州大学旧金山分校的免疫学者Sonja Schrepfer领导了一项合作项目，在美国推进转化科学中心的“太空组织芯片计划”的资助下，于2018年在国际空间站开展了首个组织芯片实验。Schrepfer的研究旨在弄清楚免疫系统的老化，以及免疫力衰退后是否可以重新恢复。
如果太空导致细胞过早老化，那么从太空带回来的细胞可能会阻止或逆转老化进程，Schrepfer说。“如果我们明白了老化过程可逆的原因，找到其中的机制，那么就可以在病人身上启动该机制。”
Scott Kelly返回地球后，变长的端粒延长开始缩短，而太空飞行的其他影响，比如基因表达改变和骨质疏松，在宇航员返回地球后也消失了。
如果在组织芯片中观察到类似的变化，Schrepfer的团队打算寻找一个分子触发器。确定其中涉及的蛋白质和基因可以帮助研究人员开发针对老年人和免疫系统异常衰弱患者的逆转衰老疗法。研究人员正在为国际空间站的第二轮实验做准备，实验将于2021年3月启动。
一个极佳的机会
由于太空的极端环境，研究人员可以寻求促进人类健康的创造性解决方案。一些新的研究工作包括研发可诱导干细胞补充骨组织的金属纳米颗粒药物，以及利用几乎无法摧毁的缓步类动物的蛋白质在人类细胞中工作。
许多这类疗法都受到了提高人类对太空适应能力的启发，反过来又可以解决困扰人类的许多与衰老相关的疾病。最终，太空适应和抗衰老治疗的研究得以相互促进。
与此同时，愿意勇敢面对太空暴露职业危害的宇航员并不少。Bailey说，人类对太空的兴趣永远不会衰退，尽管存在健康风险，国际空间站的宇航员仍可能会从工作中找到乐趣。
“大多数（宇航员）看起来就像是在享受一段漂浮的美好时光，”她说。“当然，尽管要做很多工作，但对他们来说，这是一种激情和乐趣。我禁不住想，这或许也有助于保持他们的端粒长度。”
（译者：流浪狗）
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