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想去太空旅行嗎?NASA 雙胞胎實驗告訴我們什麼

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一切都起因於愛因斯坦著名的孿生子悖論(Twin Paradox):一個有關狹義相對論的思想實驗。假設有一對孿生兄弟,一個登上一宇宙飛船作長程太空旅行,另一個則留在地球作為對照組。結果當旅行者回到地球後,因為受到乘坐火箭加速的影響,他發現自己比留在地球的兄弟更年輕。這個假設是正確的嗎?人們對此已好奇許久,卻苦無機會驗證,如今美國太空總署 NASA 排除萬難幫人們實現夢想,將擁有相同基因的同卵孿生雙胞胎之一:Scott Kelly 送上太空 340 天,在此期間不斷記錄與比較他與地面上作為對照組的雙胞胎兄弟,太空人 Mark 之間的所有細胞與基因差異,希望能解開這個世紀大謎團。

雙胞胎的太空實驗 NASA 欲解開謎團

雖然過去科學家已知短期在太空無重力的狀態下生活,可能對人體造成諸多影響:像是脊柱的延展、肌肉的萎縮或紊亂的睡眠周期,但長時間的太空生活對人體造成的改變,卻不太為人所知,這次的 NASA 雙胞胎實驗,將有助於準備未來的外太空長途旅行。

科學家已知人類的免疫系統在太空與在地球上有所差異,因此雙胞胎太空實驗,其中一項測驗是替太空人 Scott 與 Mark 注射相同的流感病毒,再觀察他們兄弟各自的免疫系統如何對抗病毒。另一項實驗,則是會觀察 Scott 的端粒(telomeres) – 人類 DNA 末端的小分子「帽」,進入太空前後的差異。因為端粒的長短與人類的年齡有關。 科學家相信在外太空中,宇宙輻射有可能加速端粒的耗損,而變短的端粒會使人衰老。因此比較雙胞胎的端粒長度可以得知空間輻射是否會使得太空旅行者過早老化。

另一項重要的實驗是關注於太空人體內的環境變化,因為人的消化系統內有一堆對人體健康至關重要的巨量微生物群 Microbiome,科學家也會詳細研究比較太空人 Scott 體內的微生物群在太空中的變化與差異。此外,曾有太空人回到地球後發現舊眼鏡已不能適用,太空旅行究竟會對視力產生怎樣的影響?這也是科學家有興趣觀察研究的項目之一。還有,擔任太空人,心智需要隨時維持在最高警戒的狀態,當在外太空遇到精神疲勞、心思無法集中的情形,有一個特殊的名詞描述這種困境:太空霧(space fog),許多太空人都經歷過這種狀況,而究竟是什麼外在或內在因素引發太空霧的形成,也是科學家欲探究的現象。

太空人 Scott Kelly為免疫系統研究替自己注射流感病毒,來源:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:ISS-45_Scott_Kelly_flu_shot_in_the_Destiny_lab.jpg

太空人 Scott Kelly 為免疫系統研究替自己注射流感病毒,來源:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:ISS-45_Scott_Kelly_flu_shot_in_the_Destiny_lab.jpg

延伸閱讀:端粒 × 衰老 × 癌症

太空旅行回來後,雙胞胎仍舊一樣嗎?

這項龐大且史無前例的實驗詳實比對此對雙胞兄弟間在 Scott 上太空前、中、後的 DNA 與所有可能受到太空軌道影響的生物標記差異,好確認太空人 Scott 與留在地球上的太空人 Mark 歷經一年的異地生活,由內到外產生的各種差異。

科學家初步檢查從外太空回來的 Scott 的端粒,竟發現他的端粒變長了!雖然回到地球後不久變縮回原先的長度,但仍是相當有趣的發現,科學家會將這個現象與其他太空人的資料做比較,預計在 2018 年發表研究成果。科學家初步認為這跟太空人在太空中比在地球時運動量更多且攝取的卡路里較少有關。

此外,科學家還觀察到太空人 Scott 的甲基化 (methylation) 水平下降,甲基化的水平是一種可以改變 DNA 片段的活性而不改變其序列的過程。在飛行過程中 Scott 的白血球細胞數量減少,而相對的地球上的 Mark 體內的白血球細胞含量卻增加。 這些結果都可能替科學家標示出特定對地球或太空中變化的環境更加敏感的基因。不過研究也發現,Scott 返回地球後,其甲基化水平便恢復到與 Mark 差不多的程度,而這些變化所代表的意義有待更進一步的研究與探索。

經過一年的分離,連腸道內與人類休戚與共的微生物群,在 Scott 和 Mark 體內都有明顯差異,或許是一整年不同的飲食習慣與生活環境,改變或增加了居住在 Scott 體內的微生物。

以上都只是 NASA 對外發布的初步資料,因為研究資料龐大並牽涉太空人個人隱私,完整的研究報告還需要經過一段時間的分析比對,然而,NASA 對於這項雙胞胎實驗有許多肯定,該實驗最重要的意義在於,它並非是十項各自為政的單一實驗,而是一項完整的、從各種層面、跨越物理到心理,全方位的層層檢視這對太空人的實驗。讓我們一起期待 2018 年的完整研究結果報告吧,當然往後還是需要更大量的樣本去確定這些改變不是單一現象, 在這之前,或許可以透過 NASA 官網的追蹤報導,一解我們的好奇心。

延伸閱讀:CRISPR,將跨入表觀遺傳的修飾

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參考文獻:
1. http://www.nature.com/news/astronaut-twin-study-hints-at-stress-of-space-travel-1.21380
2. http://www.businessinsider.com/nasa-twin-study-early-results-mark-and-scott-kelly-2017-2?utm_content=buffer1da0a&utm_medium=social&utm_source=facebook.com&utm_campaign=buffer
3. https://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2014/10apr_twins/
4. https://www.nasa.gov/twins-study
5. https://www.geneticliteracyproject.org/2017/01/31/nasa-year-space-astronaut-twins-altered-genes-work/
6. https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/space_fog

圖片來源:
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mark_and_Scott_Kelly_at_the_Johnson_Space_Center,_Houston_Texas.jpg

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