美国宇航局的双胞胎研究向空间发送了一个相同的双胞胎一年，而另一个留在地球上。然后，十个独立的研究项目跟踪了每个双胞胎的变化。
前宇航员马克凯利（左）与他的孪生兄弟宇航员斯科特凯利（右）合影。
作为美国宇航局双胞胎研究的一部分，斯科特在太空中待了将近一年，而马克则留在了地球上。这使研究人员有机会研究长期航天飞行对健康的影响。
斯科特和马克凯利是同卵双胞胎的兄弟。虽然仅凭这一点并不能使它们独一无二，但它们同时也是宇航员的事实是什么。为了利用凯利的独特情况，美国宇航局的科学家们决定对这对双胞胎进行详细的研究，旨在揭示大自然如何在太空中发挥作用。
作为NASA双胞胎研究的一部分研究人员从2016年3月开始将斯科特送到国际空间站一年后，研究人员收集了每个凯利人的生物样本。同时，他的兄弟马克在2011年作为宇航员退役，留在地球上作为控制对象。通过分析每对双胞胎的生物标记在任务中的演变过程，研究人员学到了很多关于人体如何在身体和精神上对长时间太空飞行作出反应的知识。
美国宇航局双胞胎研究由十个不同的研究项目组成，这些项目都集中在人体的不同方面。上个月，经过近两年的研究，十个独立的研究小组确认了他们的初步调查结果（最初于2017年发布），以及他们的飞行后续结果的详细信息。
今年晚些时候，每个项目的调查结果将整合在一起，并作为一份总结文件发布，随后将有几篇专注于个别研究的论文。与此同时，这里是对作为双胞胎研究的一部分进行的每个研究项目的最新发现的总结。
＃1 - 远程飞行期间端粒变长
端粒端粒是保护染色体末端的帽子，保护DNA链免受损坏和降解。在科罗拉多州立大学的Susan Bailey领导的一项研究中，研究人员追踪了斯科特长达一年的太空飞行之前，期间和之后每个双胞胎端粒的长度。
研究人员发现斯科特的端粒在太空中的长度显着增加，而他的地球兄弟马克的端粒则保持相对稳定。先前的研究表明，较长的端粒与较少年龄相关的问题相关。
尽管斯科特的端粒在太空中被发现延长，但飞行后的测量结果显示，端粒在大约48小时内降落在地球上后迅速缩短。最终，他们回到了飞行前的长度。研究小组认为，斯科特端粒的临时延长可能是他严格的运动常规和限制低热量饮食的副作用。
＃2 - 在轨道上减少体重和增加叶酸
由NASA约翰逊航天中心的Scott M. Smith进行的一项研究监测了每个双胞胎的生化特征，以确定任何变化。为此，他的团队追踪兄弟的身高和体重，并在整个任务期间分析他们的血液和尿液样本。
研究人员不仅发现斯科特的体重在他的太空时期明显下降，而且他的叶酸水平 - 一种常用于治疗贫血的有益形式的叶酸 - 显着增加。
就像贝利关于端粒延长的研究结果一样，史密斯认为体重下降和叶酸增加可能仅仅是因为吃得更健康，更经常运动。
＃3 - 精神上适合太空，雾气弥漫在地球
宾夕法尼亚大学的Mathias Basner进行了一项监测认知的研究两次双胞胎在任务期间 通过要求每个双胞胎多次进行十次不同的认知测试（飞行前，飞行中和飞行后），研究人员能够追踪斯科特的心理能力如何受到微重力的影响。
使用飞行前测试结果作为基线，巴斯纳发现斯科特在国际空间站上长达一年的任务并没有显着削弱他在飞行途中的认知能力。然而，当斯科特回到地球时，研究人员确实发现他在认知测试中的速度和准确性有了明显的下降。
研究人员认为，重新调整地球引力可能是斯科特飞行后认知能力下降的原因，但需要进一步研究证实。他们还指出，由于一个非常繁忙的飞行后计划，斯科特在回归地球时的表现可能会受到影响。
＃4 - 流感疫苗刺激免疫系统，即使在太空中
为了研究空间如何影响人体的免疫系统，斯坦福大学的Emmanuel Mignot进行了一项研究，将斯威和马克的流感疫苗分别引入间隔一年的两个不同场合 - 期间飞行前和飞行后。
在两种情况下，在施用疫苗后，双胞胎显示出类似的增加的免疫细胞对流感的反应。当人体接种流感疫苗时，将弱化或死亡的流感病毒细胞注入血液中。这会触发身体产生寻找并摧毁病毒细胞的抗体，从而阻止任何健康的流感细胞繁殖并压倒身体的防御。
由于这对双胞胎对这两种疫苗接种都表现出相似的免疫反应，研究人员得出结论认为，在太空中不会阻止流感疫苗产生所需的免疫反应。
＃5 - 在太空中炎症增加
斯坦福大学的Mike Snyder进行了一项研究，研究空间是否会影响炎症在人体内。利用血液测试来测量脂质（脂肪）和细胞因子（血液中的蛋白质，作为众所周知的炎症指标），斯奈德能够比较斯科特在太空时兄弟的炎症反应是如何不同的。
在这项研究中，研究人员发现多种证据表明斯科特的身体在微重力环境中比马克在地球上更容易发炎。研究人员发现，斯科特已经改变了太空中脂质组的水平，表明他体内的炎症增加。研究人员还指出，某些斯科特的细胞因子在飞行前被发现升高，并且在整个任务期间它们都保持升高。此外，另一组斯科特的细胞因子在他返回地球后飙升。这组细胞因子保持升高六个月。
此外，该研究表明，斯科特的身体经历了一些已知有助于调节正常胰岛素活动的蛋白质的增加。由于炎症可引起胰岛素抵抗，因此斯科特蛋白质的增加可能是他的身体所采取的对抗措施，以帮助对抗与炎症相关的胰岛素抵抗。
从2015年3月开始，斯科特（左）在太空中度过了一年，而马克（右）则留在地球上作为控制对象。
＃6 - 空间影响微生物
组我们每个肠道内部生活着大量的微生物群落，称为微生物群，在我们的整体健康中起着重要作用。为了研究微重力环境中的生活如何影响微生物组，西北大学的Fred Turek在为期一年的任务之前，期间和之后监测每个双胞胎微生物组的状态。
研究人员发现，斯科特和马克的微生物组在整个项目过程中始终存在显着差异，但考虑到微生物组对饮食和个体免疫等环境变化非常敏感，这种差异有所不同。然而，研究人员指出，斯科特的微生物组在空间上与预检不同，显示出一种被称为拟杆菌的细菌分支减少。然而，这些变化并没有持续到斯科特回归地球。
尽管研究显示斯科特的微生物组在改变地球与太空之间的环境时发生了变化，但观察到的变化与人们在地面上显着改变饮食或暴露于新环境时所预期的变化相似。
＃7 - 太空飞行可以触发基因突变
威尔康奈尔医学的克里斯梅森使用双胞胎研究作为研究太空旅行如何影响遗传的机会。通过使用全基因组测序寻找RNA和DNA的化学变化，研究人员表明，与他的双胞胎相比，斯科特经历了数百种独特的基因突变。
虽然预计会有一些不同的基因突变，即使是在双胞胎中，但是大量的变化令研究人员感到惊讶。只有在斯科特返回地球后才发现的一些基因变化，甚至可以在血液中循环的无细胞DNA和RNA上发现。研究人员认为，这些基因的变化是由于太空旅行的压力所致，它可以改变细胞内的生物通路，导致它们喷射DNA和RNA。然后，这些自由漂浮的DNA和RNA分子可以触发新脂肪或蛋白质的产生，甚至可以打开和关闭特定基因。虽然当斯科特在太空中时，有93％的基因表达不同，但是回归正常后，研究人员发现了数百个“空间基因”的子集，这些基因在他返回后仍然被打乱。
在斯科特身体经历的许多基因诱导变化中，研究人员发现五个与未来任务特别相关：（1）缺氧，这可能是由于缺氧和二氧化碳过剩造成的; （2）线粒体应激和血液中线粒体水平升高，表明对细胞的“发电厂”造成了损害; （3）端粒延长，DNA修复和DNA损伤，这可能是在不断暴露于辐射的同时过上健康的生活方式的结果; （4）胶原蛋白的产生，血液凝固和骨形成减少，这可能是微重力生活和体内流体转移的综合结果; （5）过度活跃的免疫活动，这可能是生活在新环境中的一种效应。
＃8 - 生活在太空中改变基因的表达方式
与之前的项目类似，约翰霍普金斯大学的安迪·费恩伯格进行了一项研究，追踪每对双胞胎的表观遗传学（基因表达自己的方式）如何根据环境而不同。
在两个不同的白细胞群中，Feinberg发现了基因组的多个区域，其中发生了DNA甲基化 - 负责打开和关闭基因的过程。斯科特基因组的这些化学修饰发现在两个有趣的区域附近。一个与已知有助于调节端粒生长的基因接近，另一个在与胶原蛋白生成相关的基因附近被发现。
虽然斯科特在太空时期确实经历了表观遗传变化，但研究人员发现大多数变化都在他地球上双胞胎的预期变异范围内。然而，与端粒生长和胶原蛋白生成相关的结果与其他双胞胎研究项目的结果一致。
＃9 - 空间中的动脉壁变厚
在美国宇航局约翰逊航天中心心血管和视觉实验室的KBRWyle的Stuart Lee进行了一项关于炎症和氧化应激（空气中自由基的损伤）如何影响动脉结构和有效性的研究。为此，研究人员使用超声检查了双胞胎的动脉，并在整个任务期间收集了血液和尿液样本。
在任务期间和之后，研究人员发现斯科特的炎症生物标志物升高，颈动脉壁比预检更厚。在他留在地球上时，马克没有看到这些变化。
在这一点上，研究人员不知道斯科特颈动脉的增厚是否是对生活在太空中的暂时和可逆的适应，或者它是否是永久性和早期动脉衰老的证据。需要进一步研究以使这些发现更清晰。
＃10 - 调节流体的蛋白质在太空中增加
为了研究太空飞行如何影响身体形成和修饰蛋白质的能力加利福尼亚大学的Brinda Rana进行了一项研究，在任务开始之前，期间和之后收集Scott和Mark的尿液样本。这使得Rana能够识别与空间相关的身体变化相关的某些生物标志物蛋白，例如肌肉和骨质流失，代谢和心血管变化，以及体内液体调节的改变。
研究人员发现，当斯科特在太空时，他排出的一些蛋白质浓度不同于他的地球兄弟马克。特别是，斯科特的蛋白质水通道蛋白2水平升高，这有助于形成用于通过肾脏细胞膜运送水的途径。由于水通道蛋白2有助于调节水在体内的运输方式，因此它也可作为身体整体水合状态的重要指标。
值得注意的是，研究人员还发现斯科特在太空飞行期间水通道蛋白2的增加与更高水平的血浆钠相关 - 这是脱水的一个指标。虽然需要进一步研究，但研究人员认为水通道蛋白2和血浆钠的增加可能与斯科特身体在微重力环境中移动时的流体有关。这很重要，因为正如其他航天宇航员所证明的那样，流体往往会迁移到头部，导致视力损害和颅内压。
下一步是什么？
通过利用极其独特的机会，美国宇航局的人体研究计划对人体在长时间太空飞行期间面临的潜在风险进行了第一次基因组评估。虽然美国宇航局双胞胎研究的结果远非结论性 - 样本量是一对双胞胎而不是每个变量都被严格控制 - 该研究确实为研究人员提供了大量数据，以指导未来对人类太空飞行风险的研究。
正如美国国家航空航天局在新闻稿中所说，“观察指导未来假设的发展”，美国宇航局的双胞胎研究已经迈出了第一步，观察我们的基因组蓝图如何受到长期暴露于微重力和辐射环境的影响。随着收集的信息作为这一系列研究的一部分，NASA拥有所需的初步数据，可以为未来几年的无数项目提供信息。
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