已退役的宇航员马克·凯利（左）与他的同卵双胞胎兄弟、在轨宇航员斯科特·凯利（右）合影。作为 NASA 双胞胎研究的一部分，斯科特进行了一次长途太空旅行，而马克则留在了地球上。然后，研究人员监测了他们的身体对不同环境的反应。（来源：NASA）兄弟之间竞争激烈。因此，2016 年，当宇航员斯科特·凯利结束一年太空旅行返回地球时，他那位同卵双胞胎兄弟——已退役的宇航员马克·凯利——一定很不高兴，因为斯科特比离开时高了整整两英寸。然而，斯科特身高暂时增加并非他旅行期间唯一的变化。作为 NASA 双胞胎研究的一部分，当斯科特在太空时，马克则在地球上继续他的日常生活。在一年的任务期间，研究人员跟踪了两位兄弟的生物标记物的变化，以找出任何差异。由于双胞胎拥有相同的基因代码，研究人员推断，任何观察到的差异都可以暂时——但并非绝对——与斯科特在国际空间站（ISS）度过的时间联系起来。这使他们得以利用一个独特的机会，探索长期太空停留可能如何影响人体。根据他们上周在《科学》杂志上发表的结果，太空飞行确实会引发人体变化。但绝大多数这些变化在返回地球后仅几个月内就会消失。最值得注意的是，研究人员发现，生活在微重力环境会：损伤 DNA；影响数千个基因的表达方式；增加端粒（保护染色体末端的屏蔽帽）的长度；增厚动脉壁；改变微生物群；并增加炎症——仅举几例。“这是太空人类基因组学的黎明，”约翰霍普金斯大学的杰出教授、双胞胎研究的主要研究员之一 Andrew Feinberg 在一份新闻稿中说道。“我们开发了进行这类人类基因组学研究的方法，并且我们应该进行更多研究以得出关于人类在太空中会发生什么的结论。”
一系列研究
双胞胎研究实际上由 10 个独立项目组成，全部整合到一个综合报告中。这些独立研究侧重于长期太空飞行如何影响人体不同方面，从基因表达到心血管健康再到免疫系统反应等等。为了进行这项研究，研究人员对两兄弟进行了大量测试并收集了大量样本，从斯科特飞行前六个月开始，到他着陆后九个月结束。在轨道上时，斯科特负责收集自己的样本——包括血液、尿液和粪便。
这张图表说明了双胞胎研究的各个项目如何整合到刚刚发布的单一综合论文中。今年晚些时候，各项目将发布几篇配套论文，深入探讨每项研究的具体细节。（来源：NASA）
太空飞行改变基因表达
双胞胎研究中最有趣的发现之一来自对基因表达（或表观遗传学）在任务期间如何变化的调查。由康奈尔大学威尔医学院的 Chris Mason 领导，研究人员进行了全基因组测序，以识别双胞胎 DNA 和 RNA 中发生的化学变化。尽管预计两兄弟在研究过程中都会经历表观遗传变化，但如此大量的转化仍然让研究人员感到惊讶。Mason 在一份新闻稿中表示，当初步结果首次公布时，“我们在观察太空中的基因表达时看到了一些最令人兴奋的事情，那就是当我们进入太空时，我们真的看到了爆炸，就像烟花绽放一样。”“通过这项研究，我们看到了成千上万的基因的开启和关闭方式发生了变化。这种情况在宇航员进入太空后立即发生，有些活动在返回地球后会暂时持续。”总的来说，当斯科特冒险进入太空时，他的身体激活了许多先前休眠的基因。主要是，它激活了与端粒生长、胶原蛋白生成、免疫系统反应和 DNA 修复相关的基因。尽管这些变化在斯科特进入太空后不久就开始了，但在他停留期间大约一半时，这些变化急剧增加。“基因表达发生了巨大变化，”Mason 在一份新闻稿中说。“在本任务的最后六个月里，基因表达的变化比任务前半部分多六倍。”然而，在返回地球后的六个月内，斯科特超过 90% 的基因恢复了正常的表达。研究人员指出，留在地球上的马克也经历了一系列重要的表观遗传变化。约翰霍普金斯大学的 Andy Feinberg 在周二的新闻发布会上说：“我们在斯科特身上看到的变化幅度，在我们马克身上看到的波动范围内，所以我们不认为这是病理性的。”NASA 首席健康和医疗官 J.D. Polk 在一份声明中说：“双胞胎研究是理解人体太空飞行的表观遗传学和基因表达的重要一步。”
染色体保护帽在太空中变长
双胞胎研究的另一个重要方面集中在太空飞行如何改变斯科特端粒的长度，端粒是染色体末端的保护帽，可以防止 DNA 链在我们衰老时降解。科罗拉多州立大学的 Susan Bailey 教授领导了这项研究，该研究在斯科特在空间站停留之前、期间和之后监测了两位兄弟端粒的长度。Bailey 在新闻发布会上说：“端粒可以作为加速衰老或与心血管疾病或癌症相关的一些健康风险的生物标志物。”“我们设想这项研究将会进行的，是因为太空辐射和微重力等独特的压力和极端环境暴露，所有这些都会加速端粒的损失。”[embed]https://www.youtube.com/watch?v=Dbq-9faXThA[/embed]出乎意料的是，Bailey 和她的团队发现斯科特在太空期间端粒的长度并没有缩短。相反，它们的长度显著增加。然而，在斯科特返回地球后的短短两天内，他的端粒就急剧缩短了。尽管斯科特端粒的平均长度现在与飞行前大致相同，但 Bailey 指出，斯科特目前拥有的非常短的端粒比项目开始时要多，这可能表明他在太空中的时间对他端粒产生了长期负面影响。与此同时，马克在整个研究期间的端粒基本保持不变。Bailey 在一份新闻稿中解释说：“对我们这些地球人来说，我们都担心变老，每个人都想避免心血管疾病和癌症。如果我们能弄清楚是什么原因导致端粒长度发生这些变化，也许我们就能减缓它。这对每个人都有益。”为了做到这一点，Bailey 已经计划作为 NASA一年任务项目（目前正在开发中）的一部分进行进一步的端粒研究。在该项目中，Bailey 将研究 10 名宇航员的为期一年的任务，10 名宇航员的为期半年的任务，以及另外 10 名宇航员的为期仅两到三个月的短期任务。与让马克正常生活的双胞胎研究不同，一年任务项目将在每位宇航员任务期间将对照组隔离。据 Bailey 说：“我们正试图确定是否确实是太空飞行的某些特定因素导致了我们看到的这些变化。”
斯科特和马克·凯利（分别为左和右）是同卵双胞胎，这使他们成为宝贵的研究对象。在斯科特太空期间，他的端粒变长了。然而，在他返回后，它们在不到 48 小时内就缩短了。（来源：NASA）
长期太空飞行的其他影响
基因表达增加和端粒延长远非双胞胎研究中观察到的唯一变化。研究人员还调查了一系列其他的身体和心理健康指标。KBRWyle 公司在 NASA 心血管和视力实验室的 Stuart Lee 研究了太空飞行如何影响动脉的结构和有效性。通过超声波成像双胞胎的动脉，以及分析他们血液和尿液样本中的生物标志物，他的团队发现斯科特在太空期间颈动脉（为大脑供血）壁增厚。与此同时，马克的颈动脉壁并未增厚。根据 Lee 的说法，颈动脉壁增厚与未来 10 年发生心血管疾病和中风的风险增加有关。在太空期间，斯科特的微生物群——他肠道中的细菌——发生了剧烈变化。由美国西北大学的 Fred Turek 领导，研究人员在整个研究期间监测了马克和斯科特体内微生物群的复杂群落。尽管双胞胎在任务期间的微生物群有所不同，但研究人员确实发现斯科特在进入太空后微生物群发生了变化，但在返回地球后又恢复到了飞行前的组成。由于研究人员指出这可能是由于他在飞行中食用冷冻干燥的预包装食品，因此，未来，定制宇航员的饮食以帮助减少有害细菌并让有益细菌茁壮成长可能是有意义的。另一项由斯坦福大学的 Mike Snyder 领导的研究追踪了太空飞行如何影响人体炎症，通过监测双胞胎血液中的脂肪和蛋白质。研究人员表明，当斯科特的身体处于微重力状态时，他比他的兄弟更容易发生炎症。然而，研究人员指出，斯科特增加的炎症反应很可能是对压力情况的正常反应，而太空飞行无疑是一种压力情况。同样来自斯坦福大学的 Emmanuel Mignot，通过三次将斯科特接种流感疫苗来测试斯科特的免疫反应：第一次在地球上，第二次在太空中，第三次在他返回地球后。每次，斯科特的身体都像在正常情况下一样做出反应。考虑到在长期前往月球或更远地方的任务中，船员生病会造成严重问题，斯科特的身体对疫苗做出适当反应这一点非常令人鼓舞。尽管双胞胎研究的许多项目侧重于太空飞行期间人体发生的物理变化，但研究人员还在研究期间监测了兄弟俩的精神能力。宾夕法尼亚大学的 Mathias Basner 让两兄弟在任务之前、期间和之后多次进行 10 项不同的测试——探索警觉性和情绪意识等内容。尽管在任务之前和期间，两兄弟都保持了高水平的表现，但研究人员发现在斯科特返回地球后，他的表现略有下降。然而，研究人员认为，这种飞行后下降可能仅仅是由于日程繁忙和重新适应地球重力所致。
我们才刚刚开始
NASA 的双胞胎研究绝非一项完美的研究。Feinberg 说：“我想强调这一点——我们只研究了‘一人份’的样本。换句话说，这里只有一个双胞胎样本。而且我们并没有通过查看其他宇航员来证实这项研究的结果。”至少现在还没有。随着 NASA 一年任务项目的计划已经启动，研究人员很快就能整理出指数级增长的数据集，这将帮助他们以前所未有的方式研究太空飞行引起的身体变化。通过将双胞胎研究作为起点，未来的研究必将探索新的治疗方法和预防措施，以帮助缓解一些在太空飞行中观察到的负面症状。Polk 说：“感谢这对双胞胎兄弟以及一群不知疲倦地共同工作的研究人员，双胞胎研究收集到的宝贵数据有助于认识到个性化医疗及其在让宇航员在深空探索中保持健康方面的重要作用，因为 NASA 将继续前往月球并继续前往火星。”
