想去太空旅行吗?NASA 双胞胎实验告诉我们什么

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一切都起因于爱因斯坦著名的孪生子悖论(Twin Paradox):一个有关狭义相对论的思想实验。假设有一对孪生兄弟,一个登上一宇宙飞船作长程太空旅行,另一个则留在地球作为对照组。结果当旅行者回到地球后,因为受到乘坐火箭加速的影响,他发现自己比留在地球的兄弟更年轻。这个假设是正确的吗?人们对此已好奇许久,却苦无机会验证,如今美国太空总署 NASA 排除万难帮人们实现梦想,将拥有相同基因的同卵孪生双胞胎之一:Scott Kelly 送上太空 340 天,在此期间不断记录与比较他与地面上作为对照组的双胞胎兄弟,太空人 Mark 之间的所有细胞与基因差异,希望能解开这个世纪大谜团。

双胞胎的太空实验 NASA 欲解开谜团

虽然过去科学家已知短期在太空无重力的状态下生活,可能对人体造成诸多影响:像是脊柱的延展、肌肉的萎缩或紊乱的睡眠周期,但长时间的太空生活对人体造成的改变,却不太为人所知,这次的 NASA 双胞胎实验,将有助于准备未来的外太空长途旅行。

科学家已知人类的免疫系统在太空与在地球上有所差异,因此双胞胎太空实验,其中一项测验是替太空人 Scott 与 Mark 注射相同的流感病毒,再观察他们兄弟各自的免疫系统如何对抗病毒。另一项实验,则是会观察 Scott 的端粒(telomeres) – 人类 DNA 末端的小分子“帽”,进入太空前后的差异。因为端粒的长短与人类的年龄有关。 科学家相信在外太空中,宇宙辐射有可能加速端粒的耗损,而变短的端粒会使人衰老。因此比较双胞胎的端粒长度可以得知空间辐射是否会使得太空旅行者过早老化。

另一项重要的实验是关注于太空人体内的环境变化,因为人的消化系统内有一堆对人体健康至关重要的巨量微生物群 Microbiome,科学家也会详细研究比较太空人 Scott 体内的微生物群在太空中的变化与差异。此外,曾有太空人回到地球后发现旧眼镜已不能适用,太空旅行究竟会对视力产生怎样的影响?这也是科学家有兴趣观察研究的项目之一。还有,担任太空人,心智需要随时维持在最高警戒的状态,当在外太空遇到精神疲劳、心思无法集中的情形,有一个特殊的名词描述这种困境:太空雾(space fog),许多太空人都经历过这种状况,而究竟是什么外在或内在因素引发太空雾的形成,也是科学家欲探究的现象。

太空人 Scott Kelly为免疫系统研究替自己注射流感病毒,来源:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:ISS-45_Scott_Kelly_flu_shot_in_the_Destiny_lab.jpg

太空人 Scott Kelly 为免疫系统研究替自己注射流感病毒,来源:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:ISS-45_Scott_Kelly_flu_shot_in_the_Destiny_lab.jpg

延伸阅读:端粒 × 衰老 × 癌症

太空旅行回来后,双胞胎仍旧一样吗?

这项庞大且史无前例的实验详实比对此对双胞兄弟间在 Scott 上太空前、中、后的 DNA 与所有可能受到太空轨道影响的生物标记差异,好确认太空人 Scott 与留在地球上的太空人 Mark 历经一年的异地生活,由内到外产生的各种差异。

科学家初步检查从外太空回来的 Scott 的端粒,竟发现他的端粒变长了!虽然回到地球后不久变缩回原先的长度,但仍是相当有趣的发现,科学家会将这个现象与其他太空人的资料做比较,预计在 2018 年发表研究成果。科学家初步认为这跟太空人在太空中比在地球时运动量更多且摄取的卡路里较少有关。

此外,科学家还观察到太空人 Scott 的甲基化 (methylation) 水平下降,甲基化的水平是一种可以改变 DNA 片段的活性而不改变其序列的过程。在飞行过程中 Scott 的白血球细胞数量减少,而相对的地球上的 Mark 体内的白血球细胞含量却增加。 这些结果都可能替科学家标示出特定对地球或太空中变化的环境更加敏感的基因。不过研究也发现,Scott 返回地球后,其甲基化水平便恢复到与 Mark 差不多的程度,而这些变化所代表的意义有待更进一步的研究与探索。

经过一年的分离,连肠道内与人类休戚与共的微生物群,在 Scott 和 Mark 体内都有明显差异,或许是一整年不同的饮食习惯与生活环境,改变或增加了居住在 Scott 体内的微生物。

以上都只是 NASA 对外发布的初步资料,因为研究资料庞大并牵涉太空人个人隐私,完整的研究报告还需要经过一段时间的分析比对,然而,NASA 对于这项双胞胎实验有许多肯定,该实验最重要的意义在于,它并非是十项各自为政的单一实验,而是一项完整的、从各种层面、跨越物理到心理,全方位的层层检视这对太空人的实验。让我们一起期待 2018 年的完整研究结果报告吧,当然往后还是需要更大量的样本去确定这些改变不是单一现象, 在这之前,或许可以透过 NASA 官网的追踪报导,一解我们的好奇心。

延伸阅读:CRISPR,将跨入表观遗传的修饰

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参考文献:
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

图片来源:
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mark_and_Scott_Kelly_at_the_Johnson_Space_Center,_Houston_Texas.jpg

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