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移居火星前,人类需要关注哪些健康风险?

人类在火星上行走示意图,图源:pixabay.com
 
- 导 读 -
 
自1960年代以来,人类对火星的探测活动越来越多。在遥远的未来,我们移居地外星球很可能成为现实。一个不可忽视的问题是:进入太空后,我们的身体到底可能会产生哪些变化?我们要关注哪些健康风险?
 
撰文|吴海旭
 
责编|陈晓雪
 
1961年4月12日,苏联第一次载人航天尝试成功,人类也第一次踏进了充满未知的太空。在过去的60年间,我们成功踏上了月球,也尝试在太空生活了400多天,更是在太空中建成了各种空间站。今天,马斯克甚至已经在计划30年后的火星移民计划。
 
我们与太空的距离将越来越近。
马斯克的火星移民计划 | 图源:SpaceX
 
随之而来的,是对于太空生活的担忧和疑虑。最近,就有某自媒体提出滞留太空后,宇航员身体发生了巨大的不可逆改变,基因发生了变异,导致大脑和认知能力发生永久性改变,甚至 “性情大变”。
究竟太空环境会对人体造成多严重的影响?其实,早在人类开始踏入太空,相关的研究就在逐步开展,目的是为未来人类是否可能定居太空,进行细致的风险评估研究。
某自媒体文章中提及宇航员眼球变扁、认知下降、加速晒老、DNA变异等变化均未在上述论文中提及,实际上,《科学进展》中的论文只对宇航员做了大脑MRI检测。
网传的进入太空后因为失重导致的身体变化,其实是为了说明而严重夸大了的示意图 | 图源:NASA(原网址已删除)
 
进入太空存在的未知数
 
那么,在开始探讨人体发生的改变前,我们有必要先了解这些改变的原因:太空环境和地球环境有什么不同?
 
在宇航服保护下尽可能避免了真空、失压、低温的风险之外,第一个影响人体的因素就是重力。远离地球后重力几乎消失,而我们的身体在漫长演化中针对重力有很多的复杂设计也会在这时发挥反作用:
 
前庭系统的对空间的感知将会混乱,进而导致进入太空几小时后出现的 “太空病”;同时心血管系统、运动系统因为重力的紊乱也会出现问题 [1]。
 
即使能在几天内适应太空环境,进化上我们称为 “习服”,即仅是生理上的适应,但长久来看仍然会有严重的健康影响,因为我们并不是真正的适应太空。
不同情况下身体体液分布的变化,从A到D依次为:飞行前,刚进入太空,初次适应太空环境和回到地球后,可以注意大脑中体液的减少 | 图源:Clément, 2005.
 
另一个影响是辐射,在失去了地球大气层的保护后,我们将直接和太空中的各种辐射接触,尤其是具有高能粒子来自太阳系外的银河宇宙射线(Galactic Cosmic Rays, GCR),其能量很高,因此可以轻易穿透飞船船体以及人体组织,在体内就可能造成复杂的损伤,比如对DNA造成突变影响,或者是影响大脑、心血管等身体组织器官 [2]。
NASA火星探测器得到的不同位置的辐射量统计 | 数据来源:NASA
 
还有一个重要影响是昼夜变化。我们身体内部会有一套感知日夜变化的生物钟系统,如果进入太空环境,光是在不同的地球轨道上,就会产生时间差:比如以28000km/h绕地运转的飞行器,就会和地球有90分钟的日照差异,这就已经会对人体产生影响了 [1]。
 
长期的太空环境对身体的影响
 
正如我们前文提到的,进入太空后,很多人可能适应完前期的失重和昼夜变化之后,可以自我调整 “习服” 下来,却不会真正适应。
 
那长时间生活在太空对人体的影响是什么?
 
近年来,很多研究着眼在人体最重要的器官大脑上面,发现大脑细微结构上有不小的变化。最早研究者是使用银河宇宙射线辐射中含有的物质对小鼠进行刺激,通过长时间的刺激发现小鼠的记忆力和认知能力会下降,并且神经元的复杂性也会降低 [3]。
通过两个小鼠的行为学实验可以发现认知记忆和空间记忆的降低 | 图源:Parihar V K, et al. 2015.
 
随着进入太空的宇航员人数逐渐增加,研究者也开始关注他们 “上天入地” 后的大脑结构变化。
 
2016年发表在《NPJ微重力》的研究,通过大脑结构核磁成像技术(MRI)检测,发现27名在太空工作后的宇航员普遍出现了大脑颞叶和额叶部分区域的大脑皮层,以及小脑皮层的灰质减少,而运动皮层区域灰质增加 [4]。这说明太空环境可能会对大脑神经可塑性造成影响。
图中蓝色区域显示了脑灰质部分减少的区域 | 图源:Koppelmans V, et al. 2016.
 
而后2017年发表在《新英格兰》杂志的MRI研究,发现34名宇航员大脑位置会轻微向上偏移,同时脑脊液空间大小减小,并且往往是在长时间飞行的宇航员中更显著(平均164.8±18.9天)[5]。
 
2020年发表在《科学进展》杂志的研究针对平均171天飞行的宇航员检测,也得到了类似的结果,并且在飞行后七个月的随访发现,大脑的大部分改变都恢复到了飞行前的水平(即某自媒体前文中引用的文章)[6]。
 
除此之外,研究者还将目光聚焦到身体的其他部位:比如在失重影响下骨骼的正常发育生长,骨密度或多或少都会有所降低,但是积极的锻炼和康复训练能减少这个问题 [7];同时失重的环境还会使得心血管系统处于持续失衡的状态,头部供血和动脉压都会有不小的改变 [8];辐射的环境下也可能导致动脉血管僵硬,血管壁增厚,提高动脉粥样硬化的风险 [8]。
长期飞行的宇航员飞行后各个区域骨密度的变化,还可以发现积极的训练有助于维持骨骼健康 | 图源:Orwoll E S, et al. 2013.
 
除了身体各个组织,还有研究探究了宇航员飞行两周后肠道菌群的变化 [9]。通过宏基因组研究者发现肠道菌群在飞行前后有显著的比例改变,但是在宇航员休养4周之后,太空环境给肠道菌群带来的变化就恢复了。
 
总体来看,在宇宙环境中失重、辐射会给我们的身体带来诸多难以预料的影响,但是这些研究都有一个局限性,因为不同人之间都会有遗传差异,而进入太空的宇航员数量太少使得这些差异难以消除。2019年发表在《科学》杂志的一项研究就解决了这个问题,科学家们利用同卵双胞胎进行研究 [10]。
整个研究的思路 | 图源:Garrett-Bakelman F E, et al. 2019.
 
一对双胞胎,其中一人生活在地球上,而另一个人成为宇航员在太空中飞行了一年多。研究者抓住了这个机会,密切监测了两个人的多种组学数据,仔细分析了太空环境对人体的影响。
 
更全面的研究发现了以往忽视的很多问题,比如因为失重让身体负荷增加,胶原蛋白调节可能会导致血管壁增厚;血管内血液成分也发生了一定的改变,可能增加宇航员肾结石的风险;更严重的是,控制染色体分裂的端粒持续丢失,而这不仅和衰老相关,未来罹患糖尿病、癌症的风险也会增加。
 
此外也存在诸多潜在的身体健康风险,比如眼部疾病、基因表达有较大起伏、基因组出现突变的可能也会增加、认知功能也有所下降。
 
未来我们该怎么办
 
即使是如此多的风险,研究者的这些研究观测也绝不是为了危言耸听。相反,心怀探索未知的人们目标是为了更好地解决这些问题:当我们意识到了这些太空可能带来的危险因素,怎么解决就是未来我们需要考虑的问题了。
 
比如如何利用辐射防护和药物治疗减少辐射对身体的损伤,亦或者是将飞行器旋转产生 “人造重力” 来避免失重带来的影响,还有利用生命支持系统为航天器中的人们提供必要的生存的环境……
人造重力因为相关健康影响还较小,成本也较高,所以仍只是一个概念 | 图源:NASA
 
同时让我们回到开头提到的一些人们的质疑。一方面,没有研究将基因上的改变与大脑、心血管差异关联起来,大脑和心血管结构发生的变化,往往是由于失重或者辐射直接影响造成的,相反大脑运动皮层灰质不减反增,其实是反映了大脑在失重环境下的一种适应;
 
另一方面,这些变化并非完全永久性,比如骨密度的下降在严格监控和积极训练下是能有所恢复的,而大脑的大部分结构变化在飞行后一段时间也可以恢复。
 
但是对于太空生活的评估仍然任重而道远:很多生理上的影响,比如心血管疾病、认知功能下降是会持续存在的;此外我们现在能获取的实验数据仍然不多,也难以对身体情况进行更为详细、全面的评估,而若干年后的生理变化,比如基因组不稳定、基因表达改变等等的影响也仍然是未知。
 
未来我们的火星移民计划能否实施,可能还需要更多地监测身体状况的变化。至少我们现在还不知道数年居住在太空中会不会有更大的健康风险出现。但我们也不应该盲目恐慌,大胆向前,谨慎求证,正是我们面对未来太空旅行的态度。
 
参考资料:
 
[1] Kanas N, Manzey D. Basic issues of human adaptation to space flight[M]//Space psychology and psychiatry. Springer, Dordrecht, 2008: 15-48.
 
[2] Parihar V K, Allen B D, Caressi C, et al. Cosmic radiation exposure and persistent cognitive dysfunction[J]. Scientific reports, 2016, 6(1): 1-14.
 
[3] Parihar V K, Allen B, Tran K K, et al. What happens to your brain on the way to Mars[J]. Science advances, 2015, 1(4): e1400256.
 
[4] Koppelmans V, Bloomberg J J, Mulavara A P, et al. Brain structural plasticity with spaceflight[J]. npj Microgravity, 2016, 2(1): 1-8.
 
[5] Roberts D R, Albrecht M H, Collins H R, et al. Effects of spaceflight on astronaut brain structure as indicated on MRI[J]. New England Journal of Medicine, 2017, 377(18): 1746-1753.
 
[6] Jillings S, Van Ombergen A, Tomilovskaya E, et al. Macro-and microstructural changes in cosmonauts’ brains after long-duration spaceflight[J]. Science advances, 2020, 6(36): eaaz9488.
 
[7] Orwoll E S, Adler R A, Amin S, et al. Skeletal health in long‐duration astronauts: nature, assessment, and management recommendations from the NASA Bone Summit[J]. Journal of bone and mineral research, 2013, 28(6): 1243-1255.
 
[8] Vernice N A, Meydan C, Afshinnekoo E, et al. Long-term spaceflight and the cardiovascular system[J]. Precision Clinical Medicine, 2020, 3(4): 284-291.
 
[9] Liu Z, Luo G, Du R, et al. Effects of spaceflight on the composition and function of the human gut microbiota[J]. Gut microbes, 2020, 11(4): 807-819.
 
[10] Garrett-Bakelman F E, Darshi M, Green S J, et al. The NASA Twins Study: A multidimensional analysis of a year-long human spaceflight[J]. Science, 2019, 364(6436).



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