【科技.未來】NASA雙胞胎實驗 留下問題比答案多

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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,身體所的變化,對於人類移居火星有何啟示?

Scott Kelly在太空一年身體變化及太空輻射風險

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。例如Scott的端粒(telomere)變長,科羅拉多大學腫瘤學家Susan Bailey說可能因為恆常運動或飲食轉變,但也推測前往太空可能喚醒了Scott體內沉睡的幹細胞。換言之,可能不是原有細胞的端粒變長,而是產生了新一批有更長端粒的細胞。

不管端粒變長或變短,Bailey都表示擔心。她一方面對《國家地理雜誌》說,除了癡呆、心血管疾病和部分癌症之外,「短的端粒也與生殖能力降低相關」。另一方面,她分別就端粒變長向《紐約時報》和《大西洋》(The Atlantic)雜誌解釋:「有人問我,太空是不是『年輕之泉』?我認為不是。」「你可能會想,『噢,這實在太好,他可以更長命』。但硬幣的另一面是它同時會增加癌症風險,因為癌症其中一件最早會做的事,就是激活端粒酶(telomerase)以維持端粒長度,這樣它們就可永久存在。」

研究中,雙胞胎Mark Kelly(左)和Scott Kelly分別在地球和太空進行相同測試,以比較出長期住在太空對人體有何影響。 (Wikimedia Commons)

觸發免疫系統相關基因轉變的原因同樣未明。可能是在太空站的生活壓力所致;近來有研究顯示潛伏太空人體內的病毒可能蘇醒;也可能是免疫系統本身不適合太空環境而運作混亂。威爾康奈爾醫學院(Weill Cornell Medicine)遺傳學家Christopher Mason解釋,部分基因沒有改正,也很難知道確切原因:「那是否代表回到地球後,免疫系統仍繼續失控?未必。它可能只是經歷重大壓力後的正常反應,甚至可能是好事。」

沒人知道,假若Scott在國際太空站多停留六個月,他的基因表達改變會開始緩和還是持續惡化。Mason說:「我們看到一團忙亂的基因網絡活化以應對DNA損傷,身體也在適應,但這程度的反應未必足以克服輻射傷害。」輻射可殺死細胞或令它們失靈,又或斷開DNA。已死或失靈細胞可導致心臟病或認知能力下降,若細胞無法修復DNA破損,突變累積,可引致癌症或遺傳病。

雖然Scott在太空出現的身體變化,大部分回到地球後已回復正常,但也有些轉變未有恢復。科學家仍未明白各種改變背後機制,也不知道長期逗留太空的確實風險。(Wikimedia Commons圖片)

Scott腸道的微生物社群結構大幅重組,同樣未知是好是壞。研究者之一、西北大學神經生物學家Martha Vitaterna解釋:「(腸道)細菌對身體其他系統有莫大影響。曾有研究發現,腸道微菌叢改變與神經和生理狀況有關,例如阿茲海默症、柏金遜症、自閉症、精神分裂症等。保護腸道可保護所有這些系統。」

Scott認知能力變差,也不一定是太空旅程所致。賓夕法尼亞大學認知科學家Mathias Basner提醒,Scott回到地球後面對大量工作,包括頻密的電視訪問及公開演講,且他可能在無意識間不再催谷自己:「他在着陸一刻基本已退休,所以可能沒那麼積極。」Scott在2017年面世的回憶錄《Endurance》中,描繪了重返地球後如何與疼痛、睡眠不良等困境搏鬥,例如某一晚他覺得好像「在流沙中搏鬥」。Scott認為這些毛病正是他認知分數下降的原因:「試想像,你患上感冒,卻去考SAT(學術評估測試),你可能也考得不好。」

是次實驗是首個如此全面的研究,探討長期逗留太空的健康風險,惟對象只有Scott也是實驗的限制。(NASA照片)

這些疑問無可避免,畢竟這前所未有的實驗限制甚多。最關鍵的是,NASA只考察了Scott一名太空人,不能就此斷定所有太空人都有相同轉變。Mason形容,「這好比史上首次量度某人的血壓,我們不知有什麼實際參考數字,直至開始量度更多人的血壓。」

即使研究對長期逗留太空的風險有點提示,但與前往火星的情況仍相距甚遠。畢竟國際太空站只離地球表面402公里,仍處范藹倫輻射帶(Van Allen radiation belt)的保護內。地球人每年大約承受3毫希沃特(mSv)輻射,一趟為期一周的太空穿梭任務約遭受5.59毫希沃特,Scott這次是146.34毫希沃特。Mason估算,去一趟火星所受的輻射或比Scott所受的多八倍。

Scott住在國際太空站,受地球磁場保護仍出現如此巨大身體變化。若要前往火星,所受輻射或是這次研究多8倍。(NASA圖片)

科學理論和數字以外,更重要的或許是Scott的感受。回到地球約一個月後,Scott從NASA退役。有段時期,他步履不穩、關節疼痛、不習慣衣布受引力而貼向皮膚的觸感。故有科學家質疑前往火星是否可行,Basner也說:「雖然只有一個對象,但這研究告訴我們,要派一組人花一年時間前往火星並能有良好表現,未必能做到。」哈佛醫學院心理學家Gary Strangman解釋,速度和準確度降低「有可能對長時期任務帶來嚴重後果」。佛羅里達大學神經科學家Rachel Seidler補充:「若你在一段期間內認知處理速度減慢,身體平衡及眼、頭協調困難,那些行動就有極大風險。」

Scripps Research Translational Institute總監Eric Topol甚至認為,Scott的經歷或令人對移居太空夢想幻滅:「我從這論文得到的主要結論,就是怎麼會有人想去火星或者上太空?因為這真的很可怕。」

NASA人類研究計劃(Human Research Program)總監Bill Paloski理解這些批評:「我們會繼續與飛行團隊實驗。但我對人體的適應力感到滿意,研究中也沒有哪個發現足以阻止我們前進。」所以,科學家的下一步,正如研究寫道:「必須以更多太空人作長期任務(一年或以上)研究,以確認這些結果及回答遺下問題。一經確認,任何能降低這些風險的生物、生理或藥理上的應對方法都應考慮發展和應用。太空人在地球磁場保護以外地方執行任務可能承受更多輻射風險。例如在低地球軌道飛行一年與飛行三年前往火星之間的差別,現在基本沒有數據。所以,未來必須有不同逗留時間(超過一年)的研究,以確定那些風險會如何轉變,並確立適當保護門檻。」

雖然Scott的身體變化未必是絕對,但他的經歷或讓部分人對火星計劃卻步。(NASA圖片)

適合住在太空的「人」

Bailey計劃繼續研究Scott那些莫名其妙的端粒,解開其秘密,或許對人體正常老化及相關疾病有所啟發:「當我們搞清楚他的端粒變化,對太空人和地球人將同樣重要。」美國德州大學西南醫療中心細胞生物學家Jerry Shay正和同事測試一種藥物,可促使細胞修復受輻射損害的DNA:「我認為所有問題都可以解決。」

Mason在這方面十分進取,他早於2010年已提議在太空飛行途中和前後監測太空人的基因組。他的團隊正有七篇論文接受評審,包括關於體細胞突變和單細胞動態的文章。他還提出過「500年計劃」太空殖民願景,其中最激進的建議是要增加、刪減或修改基因,以創造出適合住在太空的新人種:「雙胞胎研究是在太空飛行中做過最全面的人體分子地圖。這是500年計劃重大的第一步,幫助太空人在前往火星的路上和到達後生存。」大象的p53基因和俗稱「水熊」(water bear)的緩步動物(tardigrades)的Dsup基因,都是Mason的研究對象,因為大象很少死於癌症;水熊不但可在真空中生存,還可防止DNA遭受輻射時斷開及促進DNA修復。

科學家正從不同動物,例如水熊,尋找能抵抗輻射或適應太空環境的基因。人類未來要移民外太或許需要作相應基因編輯。(視覺中國)

哈佛大學遺傳學家及合成生物學權威George Church也是同道中人。他聲稱已辨認出逾40個有利於長途太空航程的基因,例如增強抗輻射力的CTNNB1、造出特強骨骼的LRP5、讓藏族人適應低氧環境的EPAS1等。他想像,未來太空人使用「由病毒運送的基因治療、微菌叢或表觀基因治療」改變自己:「如何抵抗輻射、骨質疏鬆、癌症和老化,在老鼠身上已有一定成果。」他還強調,很多藥廠已經有針對地開發藥物和臨床測試,利用基因治療作為太空人的預防醫學並不遙遠。

馬斯克曾說:「火星任務就像薛克頓(Ernest Shackleton,十九世紀愛爾蘭探險家)招募往南極探險員的廣告所寫:『困難、危險、死亡風險很高、生還者將興奮無比』。最初不會有太多人想去。」 Kelly兄弟的研究,或許是踏上這艱危路途的重大一步。

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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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