受损骨骼可能在类似地球的重力条件下更快愈合,火星旅行能不能成

原标题:火星旅行能不能成,就看小鼠粪便给不给力了

更新:美国东部时间2016年3月1日晚,已经在国际空间站上度过340天的美国宇航员斯科特·凯利和俄罗斯宇航员米哈伊尔·科尔尼延科一道乘坐俄罗斯的“联盟号”飞船从空间站返回地球。科学家们随后将能够对斯科特和他在地球的兄弟马克进行一系列监测比较。

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国际空间站上的生活会如何影响肠道菌群?研究人员正在展开实验。

(Jerrusalem/编译)在美国航空航天局(NASA)的宇航员斯科特·凯利(Scott
Kelly)于3月28日前往国际空间站执行为期一年的太空任务的同时,他也将展开一项前所未有的研究,探秘人类在长期太空旅行中可能发生的生物学变化。

 X光下的人类膝盖。软骨是存在于膝盖、髋关节和骨折修复部位等处的组织。人体还会用软骨干细胞修复受损的骨骼。

在国际空间站(ISS)上,宇航员的粪便先是经由小孔,进入一个密封的马桶,然后被喷射入地球大气层,化成一团火焰。

研究人员将大量收集斯科特的基因组、分子及生理数据以及其他资料,并将它们和他呆在地球上的双胞胎兄弟——前宇航员马克·凯利的资料做比较。数据上的差异或许能揭示人体是如何应付极端环境的。

 北京时间9月21日消息,据国外媒体报道,一项新研究指出,重力和身体锻炼可能是受损骨骼痊愈的关键。

对于今年登陆空间站的20只小鼠而言,它们的粪便虽不会如此“绚烂”,但终究不乏戏剧性。它们于6月29日发射升空,前往空间站,将围绕微重力对机体和内部节律的影响,为科学家提供数据,而其中一部分数据,就将从它们的粪便中截取。

正规十大赌博网站 2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(Scott
Kelly,右)和他兄弟马克(Mark
Kelly,左)可是同卵双胞胎。图片来源:Robert Markowitz/NASA

  成功的长期太空旅行——比如长期环绕月球飞行或前往火星及更远星球的旅程——不仅需要考虑如何维持人类旅行者的身体健康,也要考虑在他们机能退化和受伤情况下进行治疗的问题。在这项新研究中,研究者关注了太空中的软骨损伤的修复。

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孪生悖论

爱因斯坦曾提出过一个著名的“孪生悖论”:想象有一对双胞胎兄弟,其中的一个进行着相对论速度的宇宙旅行,而另一个则停留在地球上。若干年后,当前者返回地球时,他会发现自己比他的双胞胎兄弟年轻了许多。虽然这次的研究不会那么“高速”,不过仍然有着重大意义。

研究的想法最开始来源于凯利兄弟自己。斯科特已经有180天的太空经历,而这次,他将与俄罗斯宇航员米哈伊尔·科尔尼扬科(Mikhail
Kornienko)在地球轨道上呆整整一年。(而和他们一同出发的宇航员根纳季·帕达尔卡则会停留6个月,届时他将打破目前总停留太空时间的记录,803天。)

至于马克呢,他在2011年退役前进行过4次,总计54天的短途航天飞机飞行。而当斯科特返回地球时,他积累的太空飞行时间将是马克的近10倍。这就是区分这对双胞胎的关键点:不同的太空暴露时间。

斯科特·凯利对《自然》表示:“马克的太空经历与我有很大的不同。他呆的时间比较短,不足以让他适应太空环境,并对这种环境感到自然。而我可以。”

这对双胞胎已经提供了他们的血液、唾液、尿液以及粪便样品。从斯科特在太空的时候到他回来之后,这项工作将定期持续进行。双胞胎还将就分析结果的含义进行遗传咨询。只有10位主要研究者能得到所有的全基因组信息。

如果没有双胞胎的同意,他们将不能够发表结果。换言之,这个价值150万美元的双胞胎研究的结果可能会永远不见天日。因为凯利兄弟们进行的是全基因组测序。
如果他们发现自己的基因序列中有他们不愿公开的敏感的信息——比如易患某些特定的疾病——那么研究结果或许永远不会发表。NASA约翰逊航天中心的人类研究项目副总科学家克雷格·坤德罗特(Craig
Kundrot)说:“这是一个全新的领域,我们不可能预料到会发生怎样的事情。”

克雷格指出,遗传信息的采集将对未来的宇航员产生重大影响。比如,如果一个宇航员的基因组表明他或她对空间辐射电离作用有遗传敏感性,那么这些信息很可能影响NASA在考虑送谁上太空时所做的决定。

在过去,NASA曾大肆宣传其对宇航员约翰·格伦(John
Glenn)进行的监测研究。约翰曾在1962年进入过地球轨道,并在77岁高龄再次乘坐航天飞机翱翔天宇。不过,对于他衰老机体的研究除了显示约翰仍然能承受进入太空的压力之外没得到太多结果。相比之下,这次的双胞胎研究可能能获得更多有用的数据——地球上呆着一个基因完全相同的双胞胎,长时间的样品采集。“这给了我们更多的能力。”西北大学的神经生物学家玛莎·维塔特纳(Martha
Vitaterna)说道。

正规十大赌博网站 4双胞胎宇航员马克·凯利(左)和斯科特·凯利(右)。图片来源:issetdirectorblog.wordpress.com

  软骨是存在于膝盖、髋关节和骨折修复部位等处的组织。“软骨组织工程受到了很多关注,因为软骨作为无血管组织,没有血液供应,因此没有再生能力,”论文合作者、美国密苏里大学工程学院院长伊丽莎白·罗博阿(Elizabeth
Loboa)说,“如果有人在太空中发生骨折……在骨骼两端重新连接的时候,要经过一个产生新软骨的中间过程之后,骨骼才能完全愈合。”

听着耳熟?没错。2015年,美国宇航局(NASA)就做过同样的试验,只不过对象是人,名为“双胞胎研究”:宇航员斯科特·凯利(Scott
Kelly)在空间站上生活了一年,而他的哥哥马克·凯利(Mark
Kelly)在地球上充当控制组。科学家耗时数年,钻研该实验生成的数据。此次的“啮齿类研究7号”(Rodent
Research-7)任务,就由其中部分研究人员所设计。

双子研究

大约一半的研究内容在航天领域是史无前例的。NASA和俄罗斯航天局已经就人体如何适应太空飞行进行了长时间的探讨。但这次的双胞胎研究则首次将这类探讨带入了现代基因组学领域。

这项研究是第一个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。双胞胎之中的一个将在很长的一段时间内暴露于宇宙辐射以及近乎零重力的环境下,而另一个则呆在地球进行正常的生活。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。

根据NASA的介绍,整个研究内容将分为四个部分。

  1. 人体生理学:
    生理学方面的研究着眼于航天环境如何改变心脏、肌肉和大脑等器官,包括与动脉粥样硬化、体液转移、视觉损伤以及颅内压方面的研究;
  2. 行为健康:
    这个方面的研究内容关注太空环境下宇航员的认知推理、决策和警觉性的变化。有宇航员报告称,在轨道上工作时感到大脑的警觉性下降,并且思维反应速度也变慢了;
  3. 微生物学:
    研究主要调查双胞胎的饮食差异和应激物情况,并了解它们如何影响双胞胎的肠道菌群。之前研究人员已经研究过宇航员在太空时的肠道菌群变化,而这次将更进一步,因为凯利兄弟的肠道微生物在一开始是相似的。兄弟俩将记录自己每日的食物,只是马克不受限于冷冻干燥的太空食品;
  4. 分子学/组学:
    这个领域的研究将主要包括航天环境可能导致的基因表达变化,以及辐射、幽闭环境和微重力等条件对蛋白质和代谢物的影响。这方面的研究囊括了为数最多的课题。

康奈尔医学院的遗传学家克里斯托弗·梅森(Christopher
Mason)研究DNA与RNA的甲基化。“这次的研究将为我们呈现人类有史以来最全面的分子信息。”他说,“而且,还是双份的!”

“虽然只有一双胞胎,但我们将分别在飞行前、飞行中和飞行后都进行研究。”科罗拉多州立大学的辐射生物学家苏珊·贝利(Susan
Bailey)说道,“最后我们会得到足够好的数据以得出统计学显著的结论。”贝利的团队着眼于关于端粒的研究。端粒位于染色体末端,会随着人年龄的增长而缩短。在太空中,由于宇宙射线的作用,端粒的损耗可能会加速。贝利认为,一年后,斯科特的端粒会比马克的更短。了解这一现象背后的原理,将对理解人们在地球上衰老产生广泛影响。

医生们可能从更广阔的视角解决与衰老或疾病有关的一般问题。珍妮弗·哈里斯(Jennifer
Harris)是一位遗传流行病学家,她表示,通过研究哪些基因会在太空中发生表达变化,研究者能更好地理解生理变化背后的基因通路。哈里斯专攻双胞胎研究,但并没有参与这项研究。她认为:“这项重要的研究产生的巨大影响将不限于双胞胎群体之内。”——如果这些结果能够公开的话。

(编辑:Calo)

   目前,许多不同学科的科学家都在致力于开发新的技术,使长期的太空旅行成为现实。有人研究如何在微重力环境下种植农作物,有的则在尝试建造能够长期在太空飞行的宇宙飞船。伊丽莎白·罗博阿和两位同事,莉莉安娜·梅勒(Liliana
Mellor)和安德鲁·斯图尔德(Andrew
Steward),决定对微重力环境下软骨的形成进行研究。微重力是宇航员在太空中自由落体时体验到的一种失重状态,这在绕轨飞行的航天器——比如国际空间站——上十分常见。长期太空飞行的宇航员要保持健康,就必须发展身体力量,保持肌骨系统的状态,并修复任何损伤。软骨细胞是软骨中唯一一种细胞,是维持关节活动不可缺少的部分;人体也会产生软骨干细胞,促进断裂骨骼的愈合。执行长期太空任务的宇航员需要面临多种对软骨健康不利的环境条件,微重力便是其中之一。

这场小鼠任务有一长串的问题要解答。该课题由西北大学的弗雷德·塔瑞克(Fred
Turek)和玛莎·维塔特纳(Martha
Vitaterna)负责,多家学术机构的研究人员参与,旨在研究微重力条件对动物肠道菌群、胃肠功能、免疫功能、新陈代谢、睡眠以及昼夜节律的影响(或言干扰)。

文章题图:NASA/Robert Markowitz

 

 宇航员苏妮塔·威廉斯(Sunni
Williams)在国际空间站安装的第一台跑步机上锻炼。如今国际空间站所使用的跑步机名为CLOBERT——以美国喜剧演员和讽刺家斯蒂芬·科拜尔(常译为扣扣熊)命名,用于帮助宇航员保持骨骼、肌肉和心血管的健康。  宇航员苏妮塔·威廉斯(Sunni
Williams)在国际空间站安装的第一台跑步机上锻炼。如今国际空间站所使用的跑步机名为CLOBERT——以美国喜剧演员和讽刺家斯蒂芬·科拜尔(常译为扣扣熊)命名,用于帮助宇航员保持骨骼、肌肉和心血管的健康。

“我们正在把生物学引入太空项目。”塔瑞克说。他跟NASA合作多年,帮助应对太空飞行对人体的挑战。不论坐在杂乱的办公桌前,还是漫步于实验室大厅内,塔瑞克只要一提起外太空,就会神采奕奕。他身穿印有NASA标识的牛仔外套,诗意盎然地谈论着过往,比如曾让仓鼠搭乘“呕吐彗星”——指NASA采用的一种削减引力的飞行器,可以不离开地球大气层,展开微重力条件测试;又比如,在NASA送77岁的约翰·格伦(John
Glenn)重返太空的决定中,他曾提供了何种建议。

  宇航员斯科特·凯利(Scott
Kelly)在国际空间站生活了将近一年。一个研究团队发现,当凯利在太空中度过头六个月之后,他的骨骼生成速率已经出现下降。在无重力环境下,凯利和其他宇航员每天锻炼约两个小时,以避免肌肉萎缩和骨质疏松。为了保持健康,他们的身体需要模仿在地球表面上受重力作用时的走路姿势及其他日常活动。这一过程被称为“应力负荷”,与长期卧床患者进行的锻炼类似。通过研究凯利在长期太空任务中的身体变化,美国航空航天局(NASA)的研究人员正尝试寻找更加有效的方法,确保长期任务中宇航员的身体健康。

但塔瑞克的日常还是挺接地气的:他研究的是睡眠。我们对生物节律的了解,很大一部分都是拜他所赐,包括他曾经发现了一种基因,它似乎掌管着哺乳动物的24小时生物钟。这个生物钟使哺乳动物随着太阳的起落同步作息,还运行着睡眠、体温等系统,并影响着诸如体重、患病倾向等方方面面。

   在实验开始时,密苏里大学的研究团队从脂肪组织中分离出了干细胞,并设置了三个实验组,以确定哪一种机制能最好地帮助细胞再生。其中一组模拟了微重力环境,另一组则模拟应力负荷,第三组为对照组。“我们所要做的,就是揭示适当的应力负荷对新软骨组织工程的影响及其必要性,”罗博阿说道。

就这样,塔瑞克意外走上了粪便研究之路。原来,一个人惯常的睡眠-觉醒周期被打破后,其肠道菌群也会发生改变。随着认识的深入,肠道菌群对人体健康的影响日益显现。如今,很大一部分时间里,塔瑞克和维塔特纳都在探究肠道菌群对昼夜节律的影响。

  利用NASA约翰逊太空中心设计的滚筒式生物反应器,研究团队将一组培养的干细胞暴露在模拟微重力环境下;另一组则放置在旋转压力容器模拟的应力负荷条件下;最后一组作为对照,即只受到地球正常重力的作用。通过观察这些干细胞的生长情况,研究团队发现,模拟重力的应力载荷效应对干细胞的促进效果最好。额外的压力,比如软骨在身体处于运动时所受到的压力,对软骨细胞的生长至关重要。

“小鼠并不是毛茸茸的微缩版人类。”维塔特纳一边说,一边用手挥赶着附近实验室逃出来的一只果蝇。但从遗传和行为角度来看,啮齿类动物与人类有很多共同特征。作为能跟人类类比的实验动物,这已经算是很接近了,她说。

 不同实验组的示意图。三个实验组中一组模拟了微重力环境,另一组则模拟应力负荷,第三组为对照组。  

小鼠实验也不能等同于“双胞胎研究”,说“兄弟实验”倒是可以。

 

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一个实验对象竟然想逃走。

   “循环静水压力(cyclic hydrostatic
pressure,CHP)的应力刺激模拟了软骨在地球上日常活动时的应力环境,相比培养于微重力反应器中的细胞,这种方法更能促进软骨的形成,”研究者在论文中写道。看起来,宇航员如果能在类似地球重力的环境下进行日常活动,将使他们的骨骼和关节更加健康,并更有利于损伤的修复。

虽是双胞胎,但凯利兄弟在地球和太空中过着截然不同的生活。相比之下,在“啮齿类研究7号”任务中,小鼠们的生活受到了更多的限制(而且可预测性更强)。它们栖居于同样的笼子,进食同样美味的鼠粮,一切都在同步环境条件下进行。太空小鼠生活在封闭的笼子内,笼子装有金属网格,可供漂浮的小鼠抓握,还有一些设计,旨在将小鼠与其排泄物隔离,并避免粪便进入空间站其他区域。在地球上,控制组的小鼠们也有完全相同的笼子和居住条件(唯一不同的就是重力了。)

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空间站的数据被发送到阿拉巴马州的马歇尔太空飞行中心,接受存储与归档。相关数据还会被发送至佛罗里达州的肯尼迪航天中心,在那里,技术人员将小鼠生存环境程序化,以匹配国际空间站的环境条件。相对于太空小鼠,地球小鼠存在三天的同步延迟,以便团队基于空间站的准确测量数据,对环境进行复制。从温度、湿度到二氧化碳含量,一切条件都严格匹配国际空间站;从动物处置、喂食到换笼,一切程序也都保持一致。

尽管所有小鼠都将接受一连串的试验,但相对于地球,太空版的试验更需要一双巧手。在地球上,要收集小鼠粪便,或做一个小实验,这些都轻而易举;但没有了重力的协助,要操作一只扭来扭曲的小鼠,恐怕就没那么简单了。在这种棘手的条件下,每两周时间,宇航员都要从每只小鼠那儿,收集一颗珍贵的粪便。他们要测量每只小鼠的体重和骨密度,整个实验期间至少两次;还要给小鼠抽血,并用摄像机拍摄小鼠的栖息空间,共计三次,每次48小时。30天后,他们将对其中10只进行“处理”(安乐死并解剖的委婉说法)。幸存的10只可以再活两个月,但等待它们的将是同样的命运。

在小鼠生命周期内,三个月并不算短,但对美国西北大学的团队而言,这是一场漫长的等待。等这些小鼠回到地球,他们的工作才算真正开始。技术人员将评估死鼠的蛋白质水平和激素状况,并分析视频记录下来的小鼠行为。技术人员还将用盐水溶解小鼠粪便,提取其中的DNA,并加以测序。

“这些样本十分宝贵。”克里斯·奥尔克(Chris
Olker)这样描述小鼠粪便。他是一名研究员,负责其中一些检验。一提起他繁育、解剖和研究的小鼠,奥尔克就充满了热情。

据研究团队说,把事情搞砸的方式有千千万万种。一个打翻的样品瓶,一种测量有误的化学物质,都可能毁掉多年的筹备,使这会儿我们头顶上的太空舞蹈变成徒劳。

之前,这场精心规划的任务就遇到过麻烦。升空前,因为一只桀骜不驯的小鼠,团队乱成了一团。“对于该送哪一批老鼠上天,我们是改变过主意的。”维塔特纳说。从小鼠的体重到外形,她“近乎痴迷”地观察着它们的方方面面;所以,当看到其中一只跳出笼子时,她开始担心:它会不会在太空制造麻烦?于是,团队启动了应急计划——无数应急预案中的一个——决定把去太空和留在地面的小鼠整批对调,而此时,距离最终发射只剩一周左右的时间。如今,差点没去成太空的小鼠们正在无重力环境下睡眠、排便,而那些过度活跃的小鼠则留在了地球上,充当控制组。

小鼠粪便中隐藏的数据将告诉我们,重力的缺失会不会影响肠道菌群,如果会,它们又是如何影响的。肠道菌群是一个有着微妙平衡关系的微生物群体,影响着免疫力、体重、癌症风险、心理健康、糖尿病等身体的各个方面。

研究人员希望通过这一信息,探索昼夜节律扰乱与小鼠——以及人类——其他系统之间的联系。NASA打算将这些经验纳入火星登陆计划。从地球到火星,宇航员要经历九个月的航行,而且他们在火星上的驻留时间未定。(火星重力不到地球的一半。)

对斯科特·凯利这样的宇航员来说,太空经历对他们身体的影响,可能需要几年、乃至几十年才会显现,因此,NASA对加速版的啮齿类动物试验寄予了厚望。对于在太空长时间生活的宇航员,微重力会产生何种影响?这是一个庞大的研究课题,啮齿类研究7号只是其中一个方面。

该项目于2014年启动处女航,在探知太空飞行风险的过程中,相对而言算是一种更快捷、更具成本效益的方式。到目前为止,科学家已经围绕太空中肌肉组织的损失、神经系统的改变、骨骼的生长与愈合,以及脑部和眼部血管,从小鼠身上获得了数据。

越早知道长期太空飞行的潜在危险,NASA就能越早研发出应对措施,避免宇航员从火星——或其他遥远的地方——重返地球时,出现致命的意外。

正规十大赌博网站,“双胞胎任务”的意义也正是在此。今年晚些时候,实验的详细情况才会公布。谈及这些实验,维塔特纳有些遮遮掩掩。但聊到小鼠粪便有朝一日也许能帮助人类登上火星,她立刻卸下了防备。“可以从废物中收获那么多,感觉棒极了。”她笑着说,“就好像变废为宝一样。”

翻译:雁行

来源:popsci.com

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