【科技.未來】NASA雙胞胎實驗出爐 停留太空一年人體變化是…

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1961年4月12日,蘇聯太空人加加林(Yuri Gagarin)成為首個到達太空的人類,但科學家至今對在太空生活的影響仍所知不多。

五十八年後的同一天,美國太空總署(NASA)的「雙胞胎研究」(NASA's Twins Study)刊於《科學》(Science)期刊,嘗試回應這些疑問。

在國際太空站(ISS)生活近一年後的太空人Scott Kelly與身處地球的孖生大哥Mark Kelly相比,身體起了甚麼變化?

NASA以Mark Kelly(左)和Scott這對雙胞胎作實驗的研究,為人類進行長期太空旅程帶來不少啟示。

Scott和Mark是NASA史上唯一一對雙胞胎太空人。2011年,Mark從NASA退役,現正競逐亞利桑那州參議員。Scott則從2015年3月底開始在國際太空站生活,至翌年3月初返回地球。在國際太空站上圍繞地球轉了340天期間,55歲的Scott從手臂抽血、保存尿液、打機測試記憶和反應速度、量度眼球形狀……收集身體數據。而在386公里下的地球,Mark進行着相同的測試。

雙胞胎實驗由10個組別、來自全球不同大學共82位科學家設計,實驗的理念很簡單,因為雙胞胎的基因極相似,任何出現在Scott身上、而在Mark身上沒有的轉變,都極可能是長期太空旅程所致。實驗成果在本月中正式發表,NASA希望藉此回答太空旅行的種種未知問題。Scripps Research Translational Institute總監Eric Topol讚揚:「這是至今對人類(在太空的變化)最深入全面的評估,我不知道有哪項研究可與之相比。」

前太空人Mark Kelly 2011年從NASA退役,正競逐亞利桑那州參議員。 (Wikimedia Commons)

在Scott那次歷時近一年的太空任務途中和前後,他與Mark進行了相同的認知和生理測試,科學家取了他們的糞便、尿液、血液等共317個樣本,分析它們在表觀遺傳、代謝物組、轉錄組、蛋白質組、微菌叢(microbiome)等方面有何轉變。NASA過往從未如此全面分析一個太空人,這一切都是首次進行。

在太空中實驗並不容易。「有些日子,可能一星期一次,我幾乎整天都在收集樣本。早上一醒來就抽血,經離心機處理後再雪藏。然後收集第一坨小便,接着整天繼續收集小便。這實在很麻煩,你要尿到袋裏,然後從那裝滿尿液的袋中拿走試管,再貼上條碼,掃描,放到雪櫃。雪櫃也有點複雜,每次不能打開太久,攝氏負80度可能會把人凍傷。同一天還要收集皮膚和糞便樣本。」 Scott回憶道。

Scott在太空上進行多種測試和身體狀況監測。圖為他正注射流感疫苗以測試免疫系統反應。(NASA照片)

收集到樣本後,研究工作才剛開始。Scott的樣本要以聯合號太空船(Soyuz)運回地球,血液會被分離成血漿和不同細胞,包括那些負責免疫功能的細胞。所有樣本都要化驗,數據由10個小組分享和分析。難怪整個計劃用了超過四年才完成。

在地球的Mark也跟Scott進行相同測試。這樣,身體變化差異很大機會都是在太空所致。(NASA照片)

歷來已有逾500人上過太空。那些執行任務不足一至六個月的太空人,在太空時身體都會出現一些共同毛病,例如因重力減少,體內會有更多液體流向頭部和身體其他器官,因而引發多種不適:太空人一般會頭痛和作嘔;容易臉部泛紅,耳朵或感到阻塞或壓力;也容易患上原因不明的「太空飛行相關神經眼部症候群」(Spaceflight Associated Neuro-Ocular Syndrome)。在國際太空站有40%太空人眼部都出現一定程度的損傷,包括視神經盤水腫、眼球扁平化、脈絡膜皺褶等。

此外,除非在太空劇烈運動,否則肌肉和骨質也會流失;人工光線及24小時內出現16次的日出日落,會打亂太空人的生理時鐘,導致失眠。

太空人普遍出現眼部不適、骨質和肌肉流失、睡眠失調等毛病。圖為Scott所攝,在國際太空站看到的日出景象。(NASA照片)

不止火花 而是煙花

Scott在太空長達一年,身體有甚麼重大變化?首先是「基因表達」(gene expression),即DNA控制細胞產生各種成分(例如蛋白質)的方式。Scott某些基因在太空中會「關掉」再「開啟」,特別是與循環和免疫系統相關的部分。領導基因小組的威爾康奈爾醫學院(Weill Cornell Medicine)遺傳學家Christopher Mason說,在太空任務前半程,Scott有近1,500個基因改變了表達,後半程改變的數量更是前半程的六倍。這或許表示人體在太空的每個階段都會改變,而非只在到達之時。

整個太空旅程,Scott共有逾10,000個基因表達改變了,Mason形容這改變「不止是火花,而像天空上的煙花」:「人類基因組約有58,000個已知基因,所以,我們看到他的身體有不少反應。」但返回地球六個月後,91.3%已改變的基因表達都回復了正常。

科羅拉多大學腫瘤學家Susan Bailey負責研究Scott的「端粒」(telomere),那是位於染色體末端的保護帽,會隨年齡增長和細胞分裂而變短。輻射或污染可令端粒加速變短,進而加速老化。但出奇地, Scott的平均端粒長度在太空中反而變長了14.5%。

雖然Scott在太空出現的身體變化,大部分在回到地球後都已回復正常,但也有些沒有恢復過來,或反映太空對人體健康潛在風險。(NASA照片)

Scott的腸道微菌叢也有變化。人體逾九成腸道細菌不是屬於厚壁菌門(Firmicutes),就是擬桿菌門(Bacteroidetes)。在太空中,Scott體內的微菌叢比例改變,厚壁菌門增加而擬桿菌門減少。

雖然在返回地球一周內,Scott的端粒大幅變短,六個月後平均長度回復正常,微菌叢比例亦然,但他身體出現了永久性變化,例如短端粒數量異常地增多。端粒變短和缺失,或表示患癌及老化相關疾病風險增加。Scott某一類基因表達也沒有改變過來,而這811個來自不同細胞的基因幾乎都與免疫功能和DNA修復有關。這對未來太空旅程或許是壞消息,因為正是這些基因在保護太空人免受輻射。

Scott Kelly在太空一年身體變化及太空輻射風險

Scott回到地球後測驗了認知能力,成績也不及離開地球前。賓夕法尼亞大學認知科學家Mathias Basner說,那些測試專為太空人而設,測量記憶、專注力、動作辨識、風險承擔等能力:「他幾乎在各種測試中都變慢了,準確度也差了。」六個月後這情況仍然持續,「沒有再變差,但也並無好轉。」

研究也發現,升空前Scott和Mark都有某種DNA損傷,但Scott的損傷在到達太空後開始擴大,重返地球數月後仍然持續。Scott在國際太空站期間受到約146毫希沃特(mSv)太空輻射,相當於接受10至15次腹部電腦斷層掃描(CT)。Bailey的團隊認為Scott的DNA損傷與輻射有關:「這可增加他的基因不穩定性風險,這正是其中一種與癌症相關的因素。」

NASA心血管及視力實驗室首席研究科學家Stuart Lee還為Kelly兄弟測量頸動脈壁厚度:「Scott的頸動脈壁在旅程早期變厚了,在剩下的旅程中都維持這種情況。」這或許是心血管或腦血管疾病的先兆。

中國「嫦娥四號」探測器本年初歷史性着陸月球背面。(中新社)

重返月球 放眼火星

在太空競賽重臨的新形勢下,這些發現更重要。多國政商翹楚意圖重返月球,並以此作為前往火星的踏腳石。可以預期,更多更長期的太空任務將接踵而至。NASA署長布列登斯廷(Jim Bridenstine)今年2月初在《Ozy》雜誌撰文:「有些人說重返月球只是在重覆五十年前做過的事,這不是我們的願景。我們會帶同創新的科技和系統到月球,盡可能探索它表面更多位置。這一次去月球,我們將會長駐。」

俄羅斯亦有類似計劃。2月初,俄羅斯衛星通訊社(Sputnik)引述俄羅斯中央機械製造研究所(TsNIIMash)文件指,該國預計2031年完成首次載人登陸月球計劃。中國也展現了一定野心和實力,今年1月,其月球探測器「嫦娥四號」登陸月球背面,是人類史上首次。

或有感新舊對手夾擊,美國副總統彭斯(Mike Pence)在3月底國家太空委員會會議上宣布,美國將致力於2024年載人重返月球,比NASA原定目標提早四年。彭斯指NASA會「用盡一切所需手段」達成目標,包括考慮轉用商業火箭。布列登斯廷在本月初的國會聽證上進一步澄清,NASA目標是2033年載人到火星:「我們需學習如何在另一個世界生活和工作,月球是我們證明所需能力和科技的最好地方。愈快達成這個目標,可愈快登陸火星。」

SpaceX是NASA的商業合作夥伴之一,其創辦人馬斯克(Elon Musk)曾說,人類的未來只有兩條路:一是永遠留在地球,等待着大規模物種滅絕的歷史重演;另一是把文明擴展至太空,成為「多行星物種」(multi-planetary species)。SpaceX計劃先在2022年以其Starship火箭(前稱BFR)運載兩艘載貨太空船往火星,2024年再載人登陸。

然而,對於人類可否長期在太空健康生活,是次研究似乎留下眾多問號。

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上文節錄自第160期《香港01》周報(2019年4月29日)《NASA雙胞胎實驗出爐 停留太空一年 人體如此變化》。

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