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Dec. 13 2018

火星任務會讓人類生病嗎?快來一探究竟!

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    火星任務會讓人類生病嗎?快來一探究竟!

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雖然我們還不知道火星上是否有微生物存在,但根據科學家對地球細菌的研究,太空環境可能會讓某些細菌變得特別難纏。

美國航太總署(NASA)的太空人凱特.魯賓斯(Kate Rubins)正在國際太空站上進行生物分子定序(Biomolecule Sequencer)實驗。將來的太空DNA定序儀可以鑑定微生物、診斷疾病,甚至有可能偵測太陽系其他星球上的DNA生命形式。PHOTOGRAPH BY TAKUYA ONISHI, NASA

不會有人想在太空中被傳染疾病,因為返回地球的任務可能變得很棘手。在醫療用品有限的框架下,機組員無法治療每種可能出現的併發症,而受感染的太空人更可能會危及整個任務。

對於未來人類前往火星的太空任務來說,尤其是如此!如果太空人不幸開始流鼻涕了,距離最近的藥局可是至少有5300萬公里!雖然說我們在讓太空人進入太空之前,已經採取了一大堆預防措施,來降低生病的風險,但如果我們在抵達紅色星球之後,卻發現全新的感染源,那該怎麼辦呢?

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沒有人知道現在的火星上是否有微生物存在。但如果在這個星球上的「居民」不只有人類的探測車和登陸器,那麼這些生物很可能是藏在地下的單細胞生物。地底環境不但能避開強烈的輻射,在深處的地熱系統附近,甚至有水、養分和能量能讓生物蓬勃生長 。

問題是登上火星的太空人,如果想利用這個星球的地下資源時,可能會暴露於潛在的火星細菌威脅下。更讓人擔心的是,先前科學家對地球微生物的研究顯示,某些細菌在太空中的表現特別奇怪。了解宿主與病原體之間的反應在太空飛行時如何變化,對於長期太空旅行來說非常重要。畢竟,人類前往火星的任務得花上好幾個月到幾年的時間。

亞利桑那州立大學(Arizona State University)的謝麗爾.尼克森(Cheryl Nickerson)表示:「在我們讓人進行長期飛行前往火星之前,最好弄清楚微生物對太空飛行環境的反應是什麼。」

偵測感染

在1960和1970年代,至少有兩次阿波羅(Apollo)任務被罹病的太空人影響。 1968年,阿波羅7號的指揮官華利.舒拉(Wally Schirra)在發射後15小時染上了感冒。很快地,他就把感冒傳染給其他的夥伴,焦躁不安的太空人甚至在太空中發動了一場「迷你叛亂」。

後來在1970年,在惡名昭彰的阿波羅13號任務發射之前,至少有一名預定的機組成員因接觸到麻疹患者而被替換。接著在飛行過程中,機組人員弗雷德.海斯(Fred Haise)出現尿道感染的症狀,他痛苦卻無法獲得治療,並進展為長期的腎臟感染。

現在,為了減少太空人在地球外罹患疾病的風險,太空機構會先對太空人進行隔離措施。根據目前美國航太總署的規定,在發射前七天,太空人會進入隔離空間,只能與經過批准的家庭成員和支援人員接觸。不過被隔離在哈薩克拜科努爾太空發射場(Baikonur Cosmodrome)的太空人薩曼塔.克里斯托福雷蒂(Samantha Cristoforetti)表示,實際上會接觸的人仍可能有40至50人。

「仍然有很多人和我們一起度過隔離的這段日子,」她說,「我們偶爾也會與其他人互動 ──不過我們應該要避免身體接觸,而且他們也會戴上口罩。」

在隔離期間,醫生會定期評估太空人和接觸者的感染症狀,像是發燒或喉嚨痛等等。

「雖然這聽起來可能不太有趣,但我們擔心的就是些平常的傳染病,像是感冒或是流行性感冒,因為這就是最常見的病原體。」美國航太總署詹森中心(Johnson Space Center)的醫生羅伯特.馬爾卡希(Robert Mulcahy)在電子郵件中寫道,「我們不希望像感冒這樣的普通疾病,影響了飛行機組員在進行發射和對接等關鍵操作時的表現。」

↑↑↑↑↑101科學教室:紅色星球

從哈薩克發射前往俄羅斯聯盟號(Soyuz)太空船的太空人,也得經歷類似的過程。但馬爾卡希和他的同事目前正在更新美國航太總署健康維持計畫(Health Stabilization Plan)中的檢疫規定,以符合將來商業機組員和從美國發射的美國航太總署任務需求。

他們所提出的修改,包括將檢疫期從7天延長為14天,增加了對太空人和訪客間直接接觸的限制,並要求在檢疫設施中工作的非太空人進行額外的疫苗接種。

「我們發現,像是麻疹這類疫苗可預防的疾病開始在美國捲土重來,」馬爾卡希說,「因此,在檢疫期間確保不會接觸到這些疾病非常重要。」

感受壓迫

保護太空人在飛行前不會暴露在染病風險下是一回事,但如果是藏在人類身體裡面或是在太空船上,跟著一起上太空的微生物,該怎麼辦呢?

數十年來,科學家一直在研究人類和微生物如何應付微重力環境,這可能也對我們將來要前往低重力環境的火星來說相當重要。雖然科學家尚未完全了解這些反應的確切機制,但研究結果顯示,太空飛行會改變傳染性微生物與免疫系統之間的對抗機制,原本微妙的平衡可能會轉變為對感染較為有利。

根據這項研究,低重力環境會減弱人體的免疫系統,使我們更容易罹病。同時,微重力似乎也改變了微生物在壓力下的反應。在某些情況下,甚至能夠增強致病能力和抵抗藥物的能力。在太空和地球上模擬微重力環境所進行的數十項研究顯示,太空飛行會影響某些細菌對環境的反應。

「我們實在非常驚訝,微生物的致病性竟然會因為太空飛行發生變化,」尼克森說。她的實驗室已經證明,有種造成人類食物中毒的特殊鼠傷寒沙門氏菌(Salmonella enterica ssp. enterica ser. Typhimurium),如果在微重力環境待上一段時間後,會變得更加致命。

2006年,他們讓沙門氏菌跟著亞特蘭提斯號(Atlantis)太空梭進入軌道。當尼克森和她的團隊在地球上培養沙門氏菌時,太空人也同時在太空中進行培養。當太空梭返回地球時,尼克森讓小鼠感染了地球上和太空中的沙門氏菌。

結果如何呢?太空飛行增加了沙門氏菌的毒性,讓細菌能以更低的劑量更快速地殺死小鼠。但是,尼克森謹慎地指出,這種效果只是暫時的。

「這是一項短期的實驗,」她說,「我們所看到的不是永久性、可遺傳的變化,細菌只是為了適應環境而發生變化,如果環境再度改變時,細菌也會跟著改變適應方式。……這就是細菌為了生存下去,為了在任何地方感染人類所必須要做的。」

進一步的研究顯示,微重力環境正好與沙門氏菌常遇到的環境訊號相同──也就當液體在細胞表面移動造成力量減少時,向細胞發出可以開始感染的訊號。在地球上,這樣相對平靜的狀況可能發生在保護良好的肺囊或腸道中,但在太空中,到處都是這樣的環境。

「之前沒有人證明這一點,」尼克森表示,「沒有人想過物理狀態能夠改變生物體的毒性或致病性。」

全都堵塞

但到目前為止,研究者只有在沙門氏菌中,發現這種太空飛行誘發微生物對活體動物毒性增加的現象。但是還有許多其他研究顯示,太空飛行改變了微生物的生長、大小、新陳代謝、抗生素的抗藥性等特性。

這些實驗有些是在太空中進行,有些則是在模擬的微重力狀況下完成,測試的對象包含許多為人熟知的微生物,像是大腸桿菌(E. coli)、造成鼠疫的鼠疫耶氏桿菌(Yersinia pestis)、變種鏈球菌(Streptococcus mutans)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、枯草桿菌(Bacillus subtilis)和白色念珠菌(Candida albicans)──這是種會感染酵母的真菌。部分研究顯示,在微重力環境下,有些微生物的毒性變得更強,有些微生物則相反,或是沒有任何改變。

「在過去50年間的許多實驗顯示,在太空飛行期間進行微生物培養,會產生獨特的微生物反應,包括生長動力學、抗生素抗藥性,以及生物膜(biofilm)形成都會有所變化。」美國航太總署的馬克.歐特(Mark Ott)如此表示。

值得注意的是,生物膜的變化可能對人類健康和環境系統造成重大問題。這些微生物聚集並附著在表面上共同生長,形成複雜的分層結構,以增強對免疫防禦和不良環境的抵抗力。因此,這樣的情形若是發生在人體內部,會非常難以治療,如果是在太空站上,更會堵塞和破壞重要的太空站基礎設施。

「在自然界中,絕大多數的細菌都生長在附著於表面的微生物群體中,」倫斯勒理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute)的辛西亞.柯林斯(Cynthia Collins)和她的同事在最近的一篇論文中如此報導,「在俄羅斯的和平號(Mir)太空站上,就發現了大量的生物膜,導致設備腐蝕和淨水系統堵塞。」

2011年,柯林斯和她的同事們將綠膿桿菌(Pseudomonas aeruginosa)──造成太空人弗雷德.海斯(Fred Haise)飛行時疾病的禍首──送入亞特蘭提斯號太空梭。他們發現與地球環境相比,在太空中的綠膿桿菌輕易地就能形成更厚、更大的生物膜,科學家還發現這些細菌形成了「在地球上從未見過的的柱-冠層結構」。

其他的研究更顯示,在太空中不但有細菌生長,這些微生物生長和行為的變化讓我們更難殺死它們。1982年在蘇聯太空站禮炮七號(Salyut 7)上進行的實驗結果顯示,特別是在地球軌道上的大腸桿菌,對抗生素的抗藥性會產生顯著增加。

最近,太空人泰瑞.維茨(Terry Virts)和傑夫.威廉斯(Jeff Williams)在國際太空站(International Space Station)內的八個地點──包括餐桌、太空人個人空間、廁所等──進行採樣,並將樣本送回地球進行培養。

「國際太空站不是個無菌的環境,」馬爾卡希說,「太空人會像我們在家一樣,定期進行清潔工作。」

隸屬於噴射推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory)的實驗小組,從這些樣本中培養出微生物,並進行基因定序,發現有九種致病生物和其他許多微生物,表現出多種抗生素的抗藥性──包括盤尼西林(青黴素)在內。基因定序的結果還顯示,這些微生物可能對其他抗生素也有耐藥性,不過這樣的假設尚未通過實驗驗證,也還無法證明太空飛行就是增加抗藥性的罪魁禍首。

即便火星既貧瘠又沒有生物生存,保持未來人類居住環境的清潔仍然相當重要。同時,我們也要找出最佳對策,以對抗可能在微重力狀態下蓬勃生長的地球細菌。

「我們能提前知道所有事情嗎?不,我們甚至不知道為何絕大多數的病原體會在地球上造成疾病,」尼克森表示,「但這非常重要,微生物統治著我們的世界,我們只是在微生物的世界裡生存罷了。」

 

撰文:Nadia Drake

編譯:林宇威

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