我们不一样!双胞胎弟弟上太空一年 会和哥哥有什么不同?

航天员史考特.凯利(右)在准备前往国际太空站执行为期一年的任务之前,和他的双胞胎兄弟前航天员马克.凯利(Mark Kelly)一起出席一项宣传活动。 PHOTOGRAPH BY ROBERT MARKOWITZ, NASA

2011年,航天员史考特.凯利在国际太空站停留了六个月后返回地球,降落在哈萨克的阿尔卡雷克(Arkalyk)附近。他搭上俄罗斯的搜救直升机,望着窗外,准备出发前往两小时路程外的库斯塔奈(Kustanay)。 PHOTOGRAPH BY BILL INGALLS, NASA

史考特.凯利在2010年的地表训练中,身着舱外行动装置(Extravehicular Mobility Unit,简称EMU)。 PHOTOGRAPH BY MARK SOWA, NASA

2006年,发现号航天飞机停靠国际太空站的时候,航天员史达夫妮.威尔森(Stephanie D. Wilson)和马克.凯利飘浮在发现号航天飞机里。 PHOTOGRAPH BY NASA

2004年,马克.凯利在林登.约翰逊太空中心附近准备进行T38教练机的飞行。 PHOTOGRAPH BY ROBERT MARKOWITZ, NASA
据美国国家地理(撰文:CATHERINE ZUCKERMAN编译:钟慧元):藉由比较史考特.凯利(Scott Kelly)和他身在地球上的双胞胎兄弟,科学家开始慢慢了解,当人类长时间停留在太空中时,在遗传、身体与认知方面可能会需要付出什么样的代价。
医学研究最喜欢同卵双胞胎了,因为无论是身体或遗传组成都几乎完美匹配,使得双胞胎拥有理想条件,正适合在研究人类对环境改变的反应时,作为对照和比较。而当双胞胎两人都刚好是航天员的时候,那就像找到了研究的金矿。正因如此,当美国航天员史考特.凯利提出建议,说他和同卵双胞胎兄弟马克可以作为测试对象,用以探索长期太空飞行对健康的影响时,美国航天总署(NASA)立刻抓住了这个机会。
一项前所未有的研究于焉诞生:史考特将远行到国际太空站,在那里停留一整年,在微重力环境中一边工作、一边过着航天员的生活。同时,在地球上的马克将作为遗传完全相同的地面对照组,一边工作一边过着没有被绑住的典型平民生活。
这项实验从2015年3月27日进行到2016年3月2日。在这一年之前、一年期间和一年结束以后,有一组跨领域的科学家团队,持续透过分子、生理与行为角度研究他们两人。研究团队的发现于4月12日发表于《科学》期刊上,替未来航行到月球、火星以及更远之处的载人太空任务,提供了相当范围的见解。
太空旅行是否让史考特.凯利的身体产生了某些永久性的改变?如果人类真的想长期离开地球生活,是不是注定完蛋?这篇文章都有解答。
史考特待在太空的那一年,身体上发生了什么变化?
当史考特在国际太空站上的时候,整体健康状况维持得相当不错。但根据他和马克之间的比较,科学家的确是观察到了一些小变化。
其中一项差异跟染色体尖端的「保护盖」,也就是「端粒」(telomeres)有关。这些小小的遗传物质,就是老化与潜在健康危机的生物标记,本篇研究的共同作者,也是科罗拉多州立大学的健康研究人员苏珊.贝利(Susan Bailey)说。史考特在国际太空站上的时候,他的端粒变长了,不过在这个阶段,还很难知道是否可能产生任何影响。
学者也发现了一些异常状况,像是史考特的某些染色体发生了倒位与转位的状况,他的DNA出现了一些损伤,基因表现也有变化。除了这些遗传上的影响以外,史考特的视网膜和颈动脉都有增厚的情况,肠道的微生物群系也跟他在地球上的双胞胎不太一样了。
当他返回地球时,是否一切都恢复正常了?
并不完全是。史考特有90%以上的基因都恢复到正常表现的程度,但有些小改变依旧。他回来之后,变长的端粒大部分都很快地恢复到一般的长度,可是有一些却变得比去太空站之前更短。这种变短的状况可能有重要性,值得继续在其他航天员身上进行研究,贝莉在电邮中表示:「因为端粒变短跟生育力下降有关。」其他相关的还有失智、心血管疾病和某些癌症。
但话说回来,曾获诺贝尔奖的分子生物学家的卡萝.格莱德(Carol Greider)提醒,这不见得能证明什么。「因为在地球上进行的双胞胎研究,也没探讨过端粒长度的相关性与波动有何影响,」她在电邮中写说:「所以无法预期会有什么发现。」格莱德并未参与这项研究。
有些染色体的倒位也没有恢复,贝利说:「这可能会造成基因体不稳定,可能因此增加了癌症的风险。」研究人员也注意到史考特回到地球的几个月里,认知技巧方面有持续减退的现象。
「是没有继续变得更糟糕,但也没有变得比较好,」这项研究的共同作者,宾州大学睡眠与精神病学系的马提亚斯.巴斯纳(Matthias Basner)说。
这是否代表在太空待一年会让你生病或变得比较不聪明?
当然不是。首先,整个研究团队就特别强调这项研究的缺点,就是样本数过少。
「最大的警讯就是,这个研究的n只有1。」巴斯纳这么说。他说的n,指的是科学家用来代表研究样本数或参与者数目的缩写。「如果你把马克也算进去,那顶多只能说是n=2。」在没有研究更多测试对象之前,是不可能确定发生在史考特身上的这些健康状况,是因为他个人独有的体质,还是大致上能代表大多数处于类似状况下的人。
「由于出现的持续性改变都非常小,因此在把这些改变归咎于太空飞行、甚至说跟正常变异不同之前,都必须先在更多航天员身上也看到这些状况。」这项研究的共同作者,约翰霍普金斯大学的安迪.范伯格(Andy Feinberg)说。
这项研究是否有其他的局限?
即使这项研究对于长期太空飞行的潜在风险,带来了一些耐人寻味的见解,但并没有办法为我们解答,当航天员前往火星执行任务的途中会面临什么问题。部分原因在于,国际太空站其实并不在外层空间,而是在低地球轨道上,还是在地球磁场范围里,所以并不会受到危害最大的宇宙辐射所影响。
而且,要协调这种整体性研究的物流安排,其实极为困难。研究人员需要新鲜的血液样本做分析,在太空中的史考特就必须在货船定期抵达国际太空站的日子里抽血,才能让血液样本跟着货船出发送回俄罗斯,再迅速送往地球上的各个实验室。
另一项挑战,是每次采样的血量都很小,范伯格说这也限制了研究的范畴。
「因为种种原因,我们能从史考特身上抽取的血量,比小朋友住院时能抽的血还少。」他在新闻稿中说。「有些是后勤因素,有些则纯粹是考虑到他的安全。」
所以,若是想知道太空旅行的真正风险,需要付出什么代价?
为了继续了解长期太空旅行对人体的影响,NASA正计划未来在国际太空站执行为期一年的任务,也要进行更多在地球上的研究。理想上,未来的这项研究将涵盖在低地球轨道以外区域作业的航天员,像是月球或是更深入太空的地方。研究团队也希望能训练未来的航天员,让他们在出太空任务时具备处理自己DNA样本的能力与科技。
而且如果这些未来的航天员中刚好也有一对双胞胎的话,也没什么不好的。
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