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Apr. 26 2019

史無前例的同卵雙胞胎研究!如果雙胞胎弟弟上太空一年,會和哥哥有什麼不一樣?

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  • 太空人史考特.凱利(右)在準備前往國際太空站執行為期一年的任務之前,和他的雙胞胎兄弟前太空人馬克.凱利(Mark Kelly)一起出席一項宣傳活動。PHOTOGRAPH BY ROBERT MARKOWITZ, NASA

  • 2006年,發現號太空梭停靠國際太空站的時候,太空人史黛芬妮.威爾森(Stephanie D. Wilson)和馬克.凱利飄浮在發現號太空梭裡。PHOTOGRAPH BY NASA

  • 史考特.凱利在2010年的地表訓練中,身著艙外行動裝置(Extravehicular Mobility Unit,簡稱EMU)。PHOTOGRAPH BY MARK SOWA, NASA

  • 2011年,太空人史考特.凱利在國際太空站停留了六個月後返回地球,降落在哈薩克的阿爾卡雷克(Arkalyk)附近。他搭上俄羅斯的搜救直升機,望著窗外,準備出發前往兩小時路程外的庫斯塔奈(Kustanay)。PHOTOGRAPH BY BILL INGALLS, NASA

  • 2004年,馬克.凱利在林登.詹森太空中心附近準備進行T38教練機的飛行。PHOTOGRAPH BY ROBERT MARKOWITZ, NASA

藉由比較史考特.凱利(Scott Kelly)和他身在地球上的雙胞胎兄弟,科學家開始慢慢了解,當人類長時間停留在太空中時,在遺傳、身體與認知方面可能會需要付出什麼樣的代價。

太空人史考特.凱利(右)在準備前往國際太空站執行為期一年的任務之前,和他的雙胞胎兄弟前太空人馬克.凱利(Mark Kelly)一起出席一項宣傳活動。PHOTOGRAPH BY ROBERT MARKOWITZ, NASA

醫學研究最喜歡同卵雙胞胎了,因為無論是身體或遺傳組成都幾乎完美匹配,使得雙胞胎擁有理想條件,正適合在研究人類對環境改變的反應時,作為對照和比較。而當雙胞胎兩人都剛好是太空人的時候,那就像找到了研究的金礦。正因如此,當美國太空人史考特.凱利提出建議,說他和同卵雙胞胎兄弟馬克可以作為測試對象,用以探索長期太空飛行對健康的影響時,美國航太總署(NASA)立刻抓住了這個機會。

一項前所未有的研究於焉誕生:史考特將遠行到國際太空站,在那裡停留一整年,在微重力環境中一邊工作、一邊過著太空人的生活。同時,在地球上的馬克將作為遺傳完全相同的地面對照組,一邊工作一邊過著沒有被綁住的典型平民生活。

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↑↑↑↑↑傑佛瑞.威廉斯(Jeffery Williams)曾在太空中待了534天。這個號稱全世界最邊緣的男人有了什麼樣的體悟,他在這支影片中告訴大家。

 

這項實驗從2015年3月27日進行到2016年3月2日。在這一年之前、一年期間和一年結束以後,有一組跨領域的科學家團隊,持續透過分子、生理與行為角度研究他們兩人。研究團隊的發現於4月12日發表於《科學》期刊上,替未來航行到月球、火星以及更遠之處的載人太空任務,提供了相當範圍的見解。

太空旅行是否讓史考特.凱利的身體產生了某些永久性的改變?如果人類真的想長期離開地球生活,是不是注定完蛋?這篇文章都有解答。

史考特待在太空的那一年,身體上發生了什麼變化?

2011年,太空人史考特.凱利在國際太空站停留了六個月後返回地球,降落在哈薩克的阿爾卡雷克(Arkalyk)附近。他搭上俄羅斯的搜救直升機,望著窗外,準備出發前往兩小時路程外的庫斯塔奈(Kustanay)。PHOTOGRAPH BY BILL INGALLS, NASA

當史考特在國際太空站上的時候,整體健康狀況維持得相當不錯。但根據他和馬克之間的比較,科學家的確是觀察到了一些小變化。

其中一項差異跟染色體尖端的「保護蓋」,也就是「端粒」(telomeres)有關。這些小小的遺傳物質,就是老化與潛在健康危機的生物標記,本篇研究的共同作者,也是科羅拉多州立大學的健康研究人員蘇珊.貝利(Susan Bailey)說。史考特在國際太空站上的時候,他的端粒變長了,不過在這個階段,還很難知道是否可能產生任何影響。

學者也發現了一些異常狀況,像是史考特的某些染色體發生了倒位與轉位的狀況,他的DNA出現了一些損傷,基因表現也有變化。除了這些遺傳上的影響以外,史考特的視網膜和頸動脈都有增厚的情況,腸道的微生物群系也跟他在地球上的雙胞胎不太一樣了。

史考特.凱利在2010年的地表訓練中,身著艙外行動裝置(Extravehicular Mobility Unit,簡稱EMU)。PHOTOGRAPH BY MARK SOWA, NASA

當他返回地球時,是否一切都恢復正常了?

並不完全是。史考特有90%以上的基因都恢復到正常表現的程度,但有些小改變依舊。他回來之後,變長的端粒大部分都很快地恢復到一般的長度,可是有一些卻變得比去太空站之前更短。這種變短的狀況可能有重要性,值得繼續在其他太空人身上進行研究,貝莉在電郵中表示:「因為端粒變短跟生育力下降有關。」其他相關的還有失智、心血管疾病和某些癌症。

但話說回來,曾獲諾貝爾獎的分子生物學家的卡蘿.格萊德(Carol Greider)提醒,這不見得能證明什麼。「因為在地球上進行的雙胞胎研究,也沒探討過端粒長度的相關性與波動有何影響,」她在電郵中寫說:「所以無法預期會有什麼發現。」格萊德並未參與這項研究。

有些染色體的倒位也沒有恢復,貝利說:「這可能會造成基因體不穩定,可能因此增加了癌症的風險。」研究人員也注意到史考特回到地球的幾個月裡,認知技巧方面有持續減退的現象。

「是沒有繼續變得更糟糕,但也沒有變得比較好,」這項研究的共同作者,賓州大學睡眠與精神病學系的馬提亞斯.巴斯納(Matthias Basner)說。

這是否代表在太空待一年會讓你生病或變得比較不聰明?

當然不是。首先,整個研究團隊就特別強調這項研究的缺點,就是樣本數過少。

「最大的警訊就是,這個研究的n只有1。」巴斯納這麼說。他說的n,指的是科學家用來代表研究樣本數或參與者數目的縮寫。「如果你把馬克也算進去,那頂多只能說是n=2。」在沒有研究更多測試對象之前,是不可能確定發生在史考特身上的這些健康狀況,是因為他個人獨有的體質,還是大致上能代表大多數處於類似狀況下的人。

「由於出現的持續性改變都非常小,因此在把這些改變歸咎於太空飛行、甚至說跟正常變異不同之前,都必須先在更多太空人身上也看到這些狀況。」這項研究的共同作者,約翰霍普金斯大學的安迪.范伯格(Andy Feinberg)說。

這項研究是否有其他的局限?

即使這項研究對於長期太空飛行的潛在風險,帶來了一些耐人尋味的見解,但並沒有辦法為我們解答,當太空人前往火星執行任務的途中會面臨什麼問題。部分原因在於,國際太空站其實並不在外太空,而是在低地球軌道上,還是在地球磁場範圍裡,所以並不會受到危害最大的宇宙輻射所影響。

2006年,發現號太空梭停靠國際太空站的時候,太空人史黛芬妮.威爾森(Stephanie D. Wilson)和馬克.凱利飄浮在發現號太空梭裡。PHOTOGRAPH BY NASA

而且,要協調這種整體性研究的物流安排,其實極為困難。研究人員需要新鮮的血液樣本做分析,在太空中的史考特就必須在貨船定期抵達國際太空站的日子裡抽血,才能讓血液樣本跟著貨船出發送回俄羅斯,再迅速送往地球上的各個實驗室。

另一項挑戰,是每次採樣的血量都很小,范伯格說這也限制了研究的範疇。

「因為種種原因,我們能從史考特身上抽取的血量,比小朋友住院時能抽的血還少。」他在新聞稿中說。「有些是後勤因素,有些則純粹是考量到他的安全。」

2004年,馬克.凱利在林登.詹森太空中心附近準備進行T38教練機的飛行。PHOTOGRAPH BY ROBERT MARKOWITZ, NASA

所以,若是想知道太空旅行的真正風險,需要付出什麼代價?

為了繼續了解長期太空旅行對人體的影響,NASA正計畫未來在國際太空站執行為期一年的任務,也要進行更多在地球上的研究。理想上,未來的這項研究將涵蓋在低地球軌道以外區域作業的太空人,像是月球或是更深入太空的地方。研究團隊也希望能訓練未來的太空人,讓他們在出太空任務時具備處理自己DNA樣本的能力與科技。

而且如果這些未來的太空人中剛好也有一對雙胞胎的話,也沒什麼不好的。

 

延伸閱讀:女太空人每月好朋友來怎麼辦? / 太空的邊緣究竟在哪裡呢? 嗯,這就要看你問誰囉!

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