别让那抹胡子欺骗了你的眼睛：美国航空航天局（NASA）的宇航员斯科特·凯利（右）和他兄弟马克可是同卵双胞胎。

 

调查太空生存对人体生物学的影响

 

爱因斯坦和其他科学家曾预测，接近光速飞行的宇航员多年后返回地球，会发现要比自己的双胞胎兄弟年轻许多。有意思的是，凯利兄弟如今将成为验证爱因斯坦这一假说的一对双胞胎兄弟。

 

事实上，美国航空航天局（NASA）51岁的马克·凯利和斯科特·凯利是第一对进入太空的双胞胎宇航员，这对于他们来说具有特殊的意义。

 

因为他们是同卵双胞胎，这就意味着斯科特在太空生活中产生的一些生物学反应，包括微重力或高强度辐射的影响，都可以首次与一个基因完全相同的在地球上的人进行比较。

 

为此，斯科特和马克同意参加一项举世瞩目的实验：以同卵双胞胎为测试对象，开展为期1年的太空生存对人类生物学影响的比对调查。

 

“这是难得的一个项目机会。”NASA人类研究项目高管约翰·查尔斯说。尽管在国际空间站的运动速度远不如光速那么快，它相对于地球表面的移动速度只有 17000米/小时，因此当斯科特于2016年3月结束太空之旅返回地球时，不会有那么明显的影响，他变老的速度只比留在地球上的马克慢约3毫秒。不过， 这项研究对揭示可能发生的人体生物学变化，仍然有着重大意义。

 

凯利兄弟的双胞胎项目将研究具有相同遗传基因的个体在完全不同环境下的反应。之 前研究人员已经知道，太空生存对宇航员的身体可能会产生严重的影响，包括骨质和肌肉的流失，以及视力上的问题，甚至还会对运动和身体平衡产生影响，所有这 些都将在这次双胞胎实验中进行详尽的研究。

 

此外，研究人员还将对凯利兄弟的免疫系统、反应速度和心脏功能进行比较，并定期提取他们的血液样本 和尿液样本。科学家将通过分析结果，了解斯科特在太空中的DNA变化情况，还要对数以万亿计的细菌——生活在宇航员消化道内的微生物群——进行取样分析， 对地球上的马克的研究也包括所有这些测试内容。

 

斯科特在太空站的任务结束之后，对这对双胞胎兄弟的实验还将继续进行。斯科特这次在空间站的任 务是宇航员太空旅行时间最长的一次。“按照计划，在斯科特返回地球之后，对他的测试至少还将再持续1年。不过，谁知道呢，也许再过10年他们还会再来看看 斯科特和我会是什么样的，毕竟这样的实验我和斯科特是第一个。”马克说。

 

双胞胎兄弟的人生经历

 

马克和斯科特于1964年2月21日出生在新泽西州的西奥兰治，马克是哥哥，比斯科特早6分钟出生。他们的父母都是警察。

 

“妈妈给我们穿一样的衣服，突出我们是相同的，但我们却有着不一样的个性。”马克说。双胞胎在学校表现良好，还一起成了游泳队的正副队长，在成为美国航 空航天局的宇航员之前，都曾是美国海军的试飞员。1999年，斯科特为执行哈勃望远镜的维修任务先进入了太空，几年后马克也在一次飞行任务中来到国际空间 站，哥俩都在之后的航天飞行任务中担任过指挥官。斯科特的太空飞行记录已超过180天，但马克的飞行记录还不到60天。

 

在斯科特2011年1 月进入太空执行飞行任务时，马克的妻子——民主党国会女议员加布丽埃勒·吉福兹，在亚利桑那州图森市遇袭被枪击中头部受伤，同行的其他6人均不幸丧生。斯 科特听说了嫂子险些被暗杀的消息后，他一天一次或两次从空间站通过通讯联系给他的哥哥提供帮助和建议。

 

马克在指挥航天飞机奋进号的最后一次飞 行任务后退休，在家全心帮助右边身体瘫痪的妻子康复。即使马克已退出了NASA的飞行任务，但对于NASA的航天目标，特别是宇航员飞往火星的长期计划， 他仍然是一个热情的支持者。了解太空生活对人体的影响，对于NASA的太空计划，以及对于人类是否能以健康的状态踏足另一个星球，都是至关重要的。

 

寻找星际旅行中应对太空极端环境的方法

 

“持续在太空生活多年对人体会有哪些影响？如果我们要把人类送上火星，就要尽可能多地了解所有这方面的信息。”马克说，“这也是为什么我要参加这项研究 的原因。”兄弟俩接下来可能会很忙很辛苦，特别是斯科特，他在空间站里还有好多事情要忙。“他们都是慷慨大度的人，”参与该项目的约翰·霍普金斯大学的遗 传学家安德鲁·范伯格说，“他们几乎每小时都要接受某种测试。”

 

值得指出的是，斯科特和马克的DNA也不是绝对相同的。50年里不同的人生际遇，不同的生活环境，都会导致表观遗传学的改变，不过其基本生物学特性仍将是非常相似的，这对于接下来的实验是至关重要的一点。

 

给斯科特和马克注射流感疫苗是其中的一个分析项目，可以此了解太空生活对免疫系统的影响。估计地球上的马克对流感疫苗会有正常反应，但太空中的斯科特反 应可能会稍有不同。“轨道生活可能会对他的生物学机制产生影响。”范伯格说道。这类研究需要庞大的后勤支持，例如，研究人员需要的是新鲜的样本，而不是冷 冻的样本，前者能够提供更多的信息。

 

这对于主要承担空间站宇航员与地球联系任务的俄罗斯联盟号飞船舰队提出了更高的要求，斯科特在空间站期间，他们将定期在空间站和地球之间来回奔波。英国最早的专职宇航员蒂姆·皮克是负责接送斯科特的宇航员之一，他将于11月坐“联盟号”飞船飞往空间站。

 

在这个太空和地球往返的计划中，斯科特本人也是执行者之一，在联盟号返回地球之前，他要自己抽取血样，然后在离心机上将含有DNA的白细胞与不含有 DNA的红细胞分离开来，然后将白细胞和它所含的DNA放置在容器内用联盟号运送到哈萨克斯坦，再用喷气式飞机将样本包裹送往休斯敦。“在轨道上取得血液 样本24小时后，我们就能在地球上将它和马克的血液样本一起进行分析比对了。”范伯格说,“这实在是太酷了!”

 

这一过程需要精心安排，例如，国际空间站的离心机分离斯科特血液细胞的利用时间需要精心安排，以确保空间站上的其他仪器运行不受影响。

 

范伯格将通过凯利兄弟的DNA样本，探查他们DNA和组蛋白的化学变化，“我们将密切关注斯科特在地球轨道期间的任何重要变化。”范伯格说，“这一研究 极具吸引力，人类要离开地球家园向太空进军，我们需要知道，人类离开地球进入太空后，体内DNA会发生什么样的变化。在这样的研究中，我们都是一个庞大计 划中的一个小齿轮，但我们都有一个共同的目标：帮助人类探索太空。通过对人类自身的研究，找到在行星间旅行中应对严酷太空环境的办法。”

 

主要测试项目

 

视力损害和颅内压力：

 

微重力会将体液压向头部，对头骨压力产生影响，从而影响到视力。科学家们将对与体液流动和调节相关的蛋白质进行密切观察。

 

认知：

 

研究人员将对双胞胎的认知能力进行比较，以了解航天飞行是否会对人的决策能力、情绪识别能力、空间定位能力、记忆力和注意力水平等产生影响。

 

微生物：

 

人体肠道细菌多达数万亿。有些对人体有益，有些无益或有害。科学家们将通过粪便样本调查太空生活对这些微生物的影响，以有助于改善未来的太空饮食策略。

 

动脉粥样硬化：

 

科学家将通过血液样本和尿液样本，对人体血管结构和功能进行观察，了解航天飞行对心血管系统，尤其是动脉硬化的影响。

 

老化：

 

科学家们希望通过这项研究，探究航天微重力到底会对老化的生物学机制产生什么样的影响，特别是染色体端粒缩短速度会发生什么变化。

 

遗传学：

 

虽然同卵双胞胎的基因组几乎完全相同，但环境因素可能导致DNA和RNA的化学变化（表观遗传效应）。科学家们将观察航天飞行如何对这种变化产生影响。

 

免疫系统：

 

科学家们对航天飞行是否会对免疫系统产生影响很感兴趣，他们将给斯科特和马克注射季节性流感疫苗，以观察他们各自的反应。

 

生化分析：

 

常规血液和尿液样本将用于检查许多生物化学物质，如激素、蛋白质等，分析饮食、压力和失重对它们产生的影响。

 

凯利兄弟：为人类进军太空甘当“小白鼠”

 

当宇航员斯科特·凯利今年3月28日起在国际空间站开始为期1年的任务时，他的双胞胎哥哥马克将在地面上同时参加这个研究项目，在斯科特执行太空任务之 前、期间和之后，这对兄弟要同时接受多种医学测试。在这项前所未有的同卵双胞胎生物学研究中，研究人员希望能通过分别在地面和空间的孪生双胞胎的比较，更 好地了解长期失重对人体健康的影响。

 

实验期间，待在地面上的马克将模仿他兄弟在轨道上的锻炼活动，或吃些“难吃的空间站食品”。“太空中的日 子其实也不错，”马克说。但如果他和朋友一起出去吃饭，是不会随身携带那些“俄罗斯羊肉和土豆罐头的。”至于配合他的兄弟，保证每天1个半小时至2小时的 锻炼时间，马克笑着回答说，“当然，我试试看。没问题。”

 

斯科特此次将在国际空间站上工作生活342天，和他搭档的是54岁的俄罗斯宇航员米哈伊尔·科尔尼扬科。

 

之前美国宇航员没有在太空中待够一年的，NASA宇航员在太空中时间最长的纪录是7个月。俄罗斯宇航员太空飞行时间最长的一次是1994-1995年的一次任务，创下了14个月的纪录。

 

斯科特在一次接受美联社采访中表示对这次任务感到非常兴奋和激动，但其他人的反应则各不相同。有人会说，“哦，太空中过1年，想想都很酷。”或者有的会 说，“什么！太空中过一年？疯了吗？”斯科特对此非常释然，执行任务前，他一直在推特上倒计时，计算离3月底进入太空的日子还有多少天。

 

为了新的医学探索，斯科特甚至提出将一个压力传感器钻入他的颅骨，以帮助科学家对长期太空飞行中的视力下降现象进行研究。他还自愿在轨道上接受脊椎穿刺。“作为曾经的试飞员，我喜欢挑战极限。”曾经的海军上尉斯科特如此说道。

 

但NASA的科学家坚持认为，传感器植入和脊椎穿刺并不是非做不可的，但他们很欣赏斯科特的合作态度，同时也惊叹于他们的好运，能有这样一对同卵双胞胎宇航员可以做比对研究。

 

NASA约翰逊航天中心人类研究项目副首席科学家克雷格·坤德罗特说：“凯利兄弟不仅拥有相同的基因，而且一个是宇航员，一个是退休宇航员，因此有着非 常相近的职业生涯。在斯科特的这次任务完成后，他将有约540天的太空飞行记录（共4次任务），马克则有54天的太空飞行记录，兄弟俩的飞行时间相差整整 10倍。”坤德罗特说。

 

这次的双胞胎研究项目，NASA选定了10项，测试内容包括免疫系统、肠道菌群、反应速度、在太空中的流体变化及其与视觉障碍的潜在联系、DNA和RNA分子科学、动脉硬化等。

 

斯坦福大学睡眠专家和免疫学家曼纽尔·密纳特博士准备在这为期1年的太空任务之前、任务期间和任务结束之后，给双胞胎兄弟注射标准流感疫苗，血样将清晰地体现太空中的凯利和地面的凯利之间的任何差异，可帮助研究人员更好地了解太空失重状态下免疫系统的变化。

 

凯利兄弟为科研甘为“小白鼠”的精神令密纳特感动，“没有人真正知道，长时间的太空生存会令人类免疫系统发生什么样的变化，但迟早有一天，人们将不得不面对这个问题。”他说。

 

这就是凯利和科尔尼扬科为期1年太空任务的全部意义：在宇航员进军火星和深部太空之前，确定人类身体将要面对的太空环境的挑战。

 

双胞胎研究的意义：进军火星的前奏曲

 

晨曦微露，暗紫色的夜色渐渐褪去，现出明净的淡蓝色天空，身穿宇航服的斯科特·凯利从停在哈萨克斯坦偏远地区的一辆车中走出。虽然只是9月间，俄罗斯宇航中心拜科努尔的清晨已是寒意料峭，这里是美国宇航员发射进入国际空间站的地方。

 

斯科特将在太空中度过将近1年时间，太空生存时间将比任何其他美国宇航员都长。斯科特沉思着这次太空任务的目的：空间站的正常运行和太空飞行对人体影响的研究。“我们想去火星，”斯科特说,“虽然我没有这个机会，但我们的下一代一定会有机会。”

 

火星是围绕太阳的第4颗行星，在太阳系所有行星中，只有火星与地球有着最多的相似之处：一样的有陆地、有冰帽、还有薄薄的一层大气层。但是人类要进军火 星，NASA要面临一系列挑战，要设计复杂的交通工具抵达火星；然后要考虑安全着陆的问题；还需要数10亿美元的资金投入等。

 

但是，即使 NASA能够做到所有这些，在宇航员抵达火星的太空旅途中，还要面对严酷太空环境的威胁，例如，失重会削弱骨骼的力量，一些男性宇航员从太空返回地球后会 视力受损。离开了地球磁场的保护，太空辐射会损害他们的身体，还有，离开了地球家园，长时间处于狭小封闭的生存环境中，对宇航员会造成什么样的心理压力， 也是一个未知的重大问题。

 

太空中的健康问题

 

休斯敦的约翰·查尔斯是对凯利兄弟的实验怀有热切期盼的科学家之一，30年来，查尔斯一直在研究人类太空旅行中的健康问题，并主要专注于对进军火星太空旅行的研究。

 

由于查尔斯、数以百计的其他研究人员、飞行外科医生和宇航员本身的努力，NASA如今对于空间健康骨骼和肌肉损失等问题都已经有了不错的应对处理方法。 例如，在过去15年里，NASA开发了在太空中保持身体健康和强壮的运动器材和健身计划，并且获得了很大成功，现在一些宇航员在太空执行任务半年返回地球 之后，身体健美效果就像每天锻炼2-3小时一样。对于困扰许多太空飞行时间较长男性宇航员的视力问题，研究人员也有了更多的了解。

 

根据他们的研究，很多科学家现在认为，太空旅行中大部分影响宇航员身体健康的问题，都出现在宇宙飞行的头几个月里，凯利兄弟的实验将给予他们一个机会来测试这一理论。

 

“我的预测是，在6个月后我们不会有太多惊喜。”负责凯利兄弟太空飞行实验的首席科学家查尔斯说道。但即使如此，他们也不会因此而缺乏尝试的动力。太空 中的斯科特·凯利将接受一系列医疗和心理测试，他将配合研究人员大量收集自己的血液、唾液和粪便样本。科学家将全程跟踪观察和分析在太空中的斯科特·凯利 体内的基因和蛋白质，以及肠道微生物的变化情况，并和他在地球上的孪生兄弟马克·凯利的样本进行比较。

 

火星任务预计需要一千天

 

但所有这一切，都只代表了人类进军火星的第一步。

 

使用目前的火箭和推进技术，人类抵达火星大约需要6个月时间，由于地球与火星绕太阳运行的相对运动，宇航员可能需要在火星逗留18个月，然后再用6个月的时间返回地球。这一过程大约需要1000天时间。

 

完成进军火星的飞行任务，也许最大的担忧是宇航员的心理健康问题与太空辐射威胁。在国际空间站待上6个月或1年是一回事，从那里回到地球只需1小时旅 程，在执行任务期间，还能与地面任务控制中心和家人保持实时通讯联系。而执行长达1000天的火星任务则完全是另一回事，意味着他们没有迅速返回地球的希 望，活动也被限制在一个比太空站还要小得多的范围内，与地球的联系也没有那么方便直接。在太空航行途中和降落火星的过程中，宇航员一直都要保持着精神上的 高度紧张，科学家因此对宇航员的心理健康深表忧虑。“载人航天飞行的心理健康问题在研究中具有最高优先级，我们必须要有更多更深的了解。”查尔斯说。

 

还有就是辐射的问题。地球磁场保护着地球和国际空间站的大部分，免受来自太阳辐射、太阳耀斑和银河系其他类型脉冲波的危害，飞入太空深处的宇航员将面临 各种各样的辐射威胁。NASA试图通过到达火星的探测器测量太空辐射，例如，“好奇号”火星探测器已对火星表面的辐射进行了测量。但是目前，NASA对于 深太空辐射及其对人类的影响的了解，都不足以对辐射风险做出评估。

 

“12天是人类暴露在这种辐射环境中的极限时间。”专门研究宇航员健康问题 的美国国家科学生物医学研究所首席科学家格雷厄姆·斯科特说，“可能不像我说的那么危险，但也可能比我说的更危险。关键是，我们没有那么多数据。我们如此 担心的原因是，有那么多的未知因素都有可能危害大脑和心脏，或身体的其他器官。”

 

双胞胎研究只是开端

 

斯科特·凯利的飞行任务还回答不了关于太空辐射的问题，这次的测试内容主要是生物学和心理学方面。

 

去年9月，当斯科特来到哈萨克斯坦的时候，他知道，火星之所以是一个遥远的目标，除了资金问题与工程挑战等许多问题之外，更重要的是，进军火星的人类将不得不接受某些风险，他们能够活着返回地球的机会只有50%或60%。

 

即便如此，下一代宇航员也会像凯利一样，他们还是会满怀兴奋之情，义无反顾地踏上火星之旅。

 

爱因斯坦曾提出过一个著名的“孪生悖论”：假设有一对双胞胎兄弟，其中的一个以光速作宇宙旅行，而另一个则停留在地球上。若干年后，当前者返回地球时，会发现自己比他的双胞胎兄弟年轻了许多。

 

现在，美国航空航天局（NASA）的一对双胞胎宇航员马克·凯利和斯科特·凯利正在接受这一挑战性试验。上月28日，斯科特和其他两名宇航员一起前往国际空间站执行为期一年的太空任务，而他的同卵双胞胎哥哥马克则留在地球上。

 

这项研究是首次比较两位分别置身在太空和地球、有着完全相同基因的人类的研究。除了对凯利兄弟进行全基因组测序，科学家们还将探讨基因表达情况、基因标志物、染色体缩短情况等等衡量健康与衰老的指标。

 

本版文章由方陵生编译，照片来自NASA网站