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宇航员DNA突变原因是什么 宇航员DNA突变后与我们有什么不同

同卵双胞胎斯科特·凯利(右)和马克·凯利(左)都是美国宇航局的退休宇航员,他们共同参加了一项研究,该研究分析了斯科特在空间站待了将近一年之后,太空飞行对他身体的影响。来源:NASA

21世纪,人类的航空航天工业取得了长足进展,一批又一批宇航员前仆后继,飞往人类向往已久的太空。然而,与地球上的温暖宜居气候不同,黑暗的太空处处暗藏杀机,从真空到宇宙辐射,太空无时无刻都在对人类进行着生死考验。

幸好在科学的武装之下,人类得以在太空存活下来。那么,在太空中生活和在地球上生活到底有什么不一样?

“晕车”

你的内耳工作原理与智能手机上的加速度计的工作原理大致上差不多——它能够告诉你的身体你是处于运动状态还是静止状态,你是在倒立还是在侧卧。但在太空中,这个小小的生物装置会出问题,这常常会让宇航员在进入微重力后“晕车”一天左右。史密森国家航空航天博物馆馆长兼太空历史主席瓦莱丽·尼尔说,许多宇航员在重新进入地球引力时也会遇到类似的问题。

她说:“这就像从船上下来,但是突然不习惯脚踏实地的感觉。”宇航员在刚刚回到地球的时候常常报告说有一种漂浮感,但随着身体重新适应地球,这种感觉最终会消失。

骨骼和肌肉

科学家们在太空探险中发现的第一件事是:低重力的生活方式并不利于保持强健的骨骼、肌肉和心脏。当我们在地球上的时候,这些身体部位光光是为了让我们保持静止站立状态都已经负担了大量工作。如果没有向下的重力,身体的工作就会大大减少,导致肌肉退化和骨密度下降。

美国宇航局称,宇航员在太空中待上一个月,他们的骨质流失量相当于绝经后女性一年的骨质流失量。这一惊人的下降会导致血液中的钙水平升高,从而导致肾结石的发生率增加。为了解决这些问题,宇航员会在空间站上使用专门设计的机器进行剧烈运动。据美国国家航空航天局称,宇航员,斯科特·凯利在其整个任务过程中锻炼了大约700小时。

大多数这些影响可以在着陆时抵消,但要恢复的话确实需要一些时间和治疗。2013年,宇航员克里斯·哈德菲尔德(Chris Hadfield)在国际空间站工作了一段时间后接受加拿大广播公司(CBC)新闻频道(CBC News)采访时说:“光是抬起头来就是一种奇怪的新体验。我已经有5个月没有把头放在脖子上了。”

流动液体

我们体内无时无刻都有液体流动,对于地球上的人来说,重力会帮助这些液体向下进入腿部,但是如果没有重力,这些液体就会浮到头部。根据美国国家航空航天局的说法,斯科特·凯利在太空的一年里,在他头部里流动的液体可以装满一个两升的汽水瓶。

尼尔说,正因为如此,宇航员“看起来有点头大”。这种体液漂移还会导致更严重的情况,其中包括对视神经的压力,这可能会影响视力;一旦回到地球,视力问题通常会慢慢消失,但是这个问题是NASA想要了解的长期飞行中的一个大问题。

宇宙辐射

地球磁场为地球上的生物提供了一种自然屏蔽形式,以保护其免受大量高能辐射的伤害(暴露在这些高能辐射下可能损害生物的DNA)。在这个安全区域之外,国际空间站上的人工屏蔽虽然也可以保护宇航员免受部分辐射影响,但国际空间站的屏蔽设备并不是对所有类型的辐射都有行之有效,这使得宇航员更容易罹患癌症和其他长期健康风险。

所以,火星之旅只会更加危险,因为除了旅途的暴露时间增加之外,这颗红色行星还没有天然的保护磁场。

尽管有这些听起来很严重的影响,但大多数已知的损害可以在宇航员返回地球后恢复。在执行任务时举行的新闻发布会上,斯科特情绪高昂。尽管他的眼睛受到了一些轻微的影响,但他表示,总体来说,他感觉良好,心理状态良好:“我又不是在攀岩。”

他说:“我一直在用一种非常深思熟虑的方法和速度来做这件事。”他补充说,他把每一项任务都当作一个里程碑。“在长途飞行中完成一个个里程碑我觉得非常重要,下一个里程碑就是回家。”

那么,除了这些生活上的不适之外,宇航员在太空中会不会发生“变异”?宇航员的身体在回到地球后会发生什么变化?现在,科学家终于有一次难得的机会去进行一项意义非凡的测试:在宇航员斯科特·凯利及其同卵双胞胎宇航员马克·凯利之间进行分子水平的比较。

在太空轨道上运行将近一年的时间中,宇航员斯科特·凯利(Scott Kelly)的身体(从他的眼睛到他的免疫系统)有时会产生一些奇怪的反应——至少和他在地球上的同卵双胞胎相比起来有点奇怪,但是最新发表的研究表明,这样的变化不会导致像火星旅行这样的长途太空旅行取消。

好消息是:NASA“双胞胎研究”(twins study)的科学家们公布的最终结果显示,斯科特在回到地球后基本恢复了健康。对于这个项目来说,能够在双胞胎之间测试太空的生物影响确实是一次前所未有的机会。

约翰霍·普金斯大学的安德鲁·范伯格(Andrew Feinberg)博士说,这标志着“人类基因组学在太空的曙光”。斯科特在国际空间站待了340天,在此这段时间之前、期间和之后,共有10个研究小组对这对双胞胎的健康状况进行了分子水平的详细检查,而安德鲁就领导了其中一个小组。

德国达姆施塔特大学(Darmstadt University)的马库斯·洛布里希(Markus Lobrich)和苏塞克斯大学(University of Sussex)的佩妮·杰戈没有参加这些项目,不过他们表示,通过指出长期太空旅行对宇航员的潜在影响(虽然还需要在更多的宇航员身上进行更多的研究),该项目远远不止是人类的一小步。

这些发现发表在星期五4月12日出版的《科学》杂志上,当天是一个著名的太空纪念日上——1961年4月12日苏联宇航员尤里·加加林成为第一个进入太空的人,1981年4月12日第一次发射航天飞机。

重要发现

正如上文所说,NASA此前已经知道太空旅行对人体会有一些影响,比如需要锻炼才能抵消的骨质流失。但这一次,得到NASA资助的科学家们在斯科特·凯利身上全方位寻找他在太空中经历的一系列生理和基因组变化,并将这些变化与他在地面上的同卵双胞胎——前宇航员马克·凯利进行了比较。项目的一些结果已于2月份公布。

也许最奇怪的发现与染色体端粒有关,端粒是染色体的保护端。随着年龄的增长,这些端粒会逐渐缩短,它们还被认为与年龄相关的疾病有关,包括一些癌症。

但在太空中,斯科特的端粒反而变长了。“我们很惊讶,”科罗拉多州立大学端粒专家苏珊·贝利(Susan Bailey)说,她无法解释这种现象,但这并不意味着斯科特变年轻了,在回到地球之后,他的端粒长度大部分回到飞行前的平均水平,尽管短端粒的数量比他以前的要少一些。

其次,凯利的DNA并没有在太空中发生突变,但他许多基因的活跃程度(它们是否有工作)确实发生了变化,尤其是太空之旅的后半段,该段太空旅行在2016年3月结束。

根据研究,斯科特免疫系统基因受到的影响尤其严重,纽约威尔康奈尔大学医学遗传学家、该研究的共同作者克里斯托弗·梅森(Christopher Mason)说,免疫系统“几乎处于高度戒备状态,这似乎是一种尝试理解身体所处新环境的方式”。

同样,大多数基因在回到地球之后都恢复正常表达,但一些与免疫相关的基因在6个月后变得异常活跃。

其他的发现:

-斯科特眼睛结构的一些变化和视网膜的增厚表明,像大约40%的宇航员一样,他也经历了“航天飞行相关的神经-眼部综合征”的症状,“这可能是由于液体在没有重力的情况下流动而造成的。

-他还经历了一染色体不稳定的状况,这可能反映了太空中的辐射暴露情况。

-在太空注射流感疫苗和在地球上注射一样有效。

-斯科特在太空的时候高分通过了认知测试,但在返回地球后,他认知测试得分反而下降了,这可能是因为在地球上有更多的东西令他分神。

超远程测试

为了进行检查,研究人员需要几个月的血液、尿液和粪便样本,和认知和身体测试结果以及超声波扫描。这意味着斯科特需要发挥一下主观能动性了:一些血液样本需要在采集之后尽快进行分析,所以斯科特只能定好时间进行样本采集,这样血液样本就可以通过搭载用于运送其他宇航员的俄罗斯联盟号太空舱返回地球。

但在历时三年的火星旅行中,这种方法是不可能实现的。威尔·康奈尔大学的梅森说,这项研究的有一项技术进步,那就是便携式DNA测序设备,它将可以使宇航员在未来的任务中自行进行一些基因组分析。

下一步是什么?

研究人员警告说,研究一对双胞胎并不能证明太空飞行的全部风险,历时更长的任务(例如到月球或火星)将意味着更大的压力和辐射暴露。

科罗拉多州立大学的Bailey 计划利用这项发现作为蓝图,对另外10名宇航员进行为期一年的任务研究。

她说:“我们需要飞出近地轨道,我们需要宇航员在宇宙中生活更长的时间来真正评估其中的一些健康影响。”

责任编辑:杨林宇

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