經過60多年的空間探索，人類對外層空間和生命現象有了更深刻、更本質的認識，正在從瞭解空間、認識空間，走向適應空間、利用空間。
人類、植物和動物在空間環境下會經歷諸多變化，航天醫學研究內容也從早期的空間環境對人體生理生化的影響，發展到從本質上認識空間環境對有機體的細胞、分子乃至基因影響的機制；從對空間環境的被動適應發展到採取主動的對抗防護措施，以保障航天員空間飛行期間的安全健康和有效工作。
飛向宇宙的過程中，人類要面臨巨大挑戰：
☆ 太空飛行起降過程中的巨大加速度變化、劇烈振動和衝擊，會使人體內部血液和組織發生位移，引起胸痛、呼吸困難、肌肉緊張、充血等現象。進入太空失重環境後，由於重力消失，機體體液分佈發生頭向轉移，導致航天員出現面部和腦部充血的症狀；還會使航天員產生頭暈、目眩、噁心、睏倦等症狀，這一系列的反應我們稱之為“航天運動病”。
☆ 體液頭向分佈使得眼部血管充盈，眼壓升高，視覺所需一些蛋白髮生變化，導致視力受損。
此外，核磁共振掃面分析結果顯示，在長期失重情況下，人類大腦的結構、神經可塑性會發生變化，這些變化可能與失重情況下的“顱內壓力過高綜合症”有關。
☆ 在地面上，骨骼和肌肉的主要功能是保持身體姿勢和活動。一旦進入失重環境，作用於運動器官的重力負荷消失，人體維持姿勢和運動時不需要對抗重力作用，導致骨骼和肌肉長時間處於缺乏力刺激狀態，將引起肌肉骨骼系統出現廢用性變化，表現為肌肉逐漸萎縮、肌力下降和骨質丟失甚至骨質疏鬆。
☆ 宇宙輻射經地球大氣層的屏蔽，到達地面的劑量很小。空間飛行期間，宇宙輻射主要是來自銀河系和太陽發出的高能帶電粒子流、地球輻射帶的射線。輻射粒子作用於人體細胞使原子產生電離效應。航天員遭受的輻射影響與飛行軌道高度有關。在近地軌道飛行輻射對航天員健康影響較小，但是在未來星際航行中，航天員在太空中停留時間長，宇宙射線輻射劑量增加，加上失重對人體的影響更大，輻射和失重複合效應有可能危害到航天員的健康，甚至生命。
太空環境下的基因表達變化與基因突變
空間飛行中的生物學效應主要是基因表達變化引起的。基因表達是一個受調控過程，具有時間和空間特異性，基因表達也會因為外界的刺激發生變化。通過調控基因的表達，可以使生物體表達出合適的蛋白質分子，以便更好地適應環境。
許多生物的基因代碼僅在離開地球環境時才能被觀察到。利用迅速發展的細胞和分子生物學理論和技術，探索空間飛行對微生物、植物和動物的影響及其可能的機制，為發展針對性的對抗防護措施奠定基礎，是當前航天醫學和空間生物學的重要研究內容。
國際空間站分子生物學研究的一些工具
太空生活不僅能改變相貌，還有基因。
基因（Gene）是指控制生物性狀的遺傳信息，即一段具有功能性的DNA或RNA序列。
一般來說，同一個生物體中的每個細胞都含有相同的基因組，但不是每個細胞中所有的基因攜帶遺傳信息都會表現出來，即基因活化存在組織細胞特異性。基因產物可以是蛋白或RNA。這些產物能夠控制生物個體的性狀表現（表型）。
表型是指生物的所有可觀察特徵，而基因型是生物的DNA序列。基因型與環境是決定表型的兩個要素。基因型起決定作用，而環境因素能影響生物的一些性狀。
生物體長期在地球1g環境下生存進化，進入太空後，會使人喪失骨密度、發生肌肉萎縮、引發心血管問題和免疫功能下降等等。這些變化說到底都是由於組織細胞的某些基因表達發生變化引起的，是基因表達響應環境變化的反應 。
航天員結束太空飛行返回地球后，大多數症狀能夠在幾小時到數天不等的時間內恢復正常，有些則需要更長的恢復時間。NASA雙胞胎實驗的基因檢測結果表明：93%的基因能夠恢復正常，但是與免疫系統、DNA修復、骨骼形成、缺氧和高碳酸血癥相關的7%基因發生了改變。研究人員還發現斯科特染色體終端端粒長度發生變化，這與人體細胞壽命有關。
美國國家航空航天局（NASA）的科學家通過雙胞胎航天員比對分析，檢測到長時間太空生活改變了航天員體內
在太空中，除了基因表達發生變化外，強烈的宇宙輻射作用可使某些基因發生異常突變，這對未來長時間空間飛行的航天員而言將是非常致命的。
基因突變是普遍存在的，但是概率非常小 ，通常在10-6到10-10之間。空間的微重力、宇宙射線的輻射都可大大加快基因突變效率。人類也利用這些效應開展航天育種、空間生物工程等研究。
太空中的分子生物學研究
空間飛行導致的心血管功能障礙、骨質丟失、肌肉萎縮、免疫功能下降、內分泌功能紊亂、空間運動病等多種生理、病理變化，其所有作用都是通過細胞個體、細胞內部及細胞間的相互作用反映出來的。近年來，人們把更多的注意力集中於這些變化發生機理的研究中，特別是空間環境對細胞、分子及基因表達的影響。NASA的科學家通過雙胞胎航天員比對分析，檢測到長時間太空生活改變了航天員體內細胞基因狀態。
到目前為止，尚未發現純粹的重力敏感基因，更多的是空間環境下發生表達顯著變化的基因。隨著基因檢測技術的飛速發展，從PCR擴增到高通量測序，測序儀器的小型化等，使得空間飛行期間進行基因檢測成為可能。
2016年航天員Kate Rubins利用
miniPCR和minION測序儀在國際空間站上完成了從樣本製備到DNA測序的整個過程，使得在太空中鑑定微生物的能力大大提高，以及有助於診斷和治療航天員的疾病。
NASA航天員Kate Rubins在分子生物程序（Biomolecular Sequencer i
在太空中研究DNA可以更好地瞭解微重力對生物體的影響，還可以提供識別航天器、人類和我們尋求訪問的深空位置的未知微生物的方法。比如NASA開發的WetLab系統可在太空中檢測生物樣本的基因表達，未來將廣泛應用於空間生命科學研究、環境檢測和航天員健康監測，例如傳染病基因分析、細胞應激分析、細胞週期增長和發展變化分析，以及遺傳異常研究等。
在長期星際旅行和星際移民的探索領域，進行了精子等生殖細胞能否抵抗住太空中輻射對於DNA的損傷的研究。在國際空間站上儲存288天的小鼠精子，其遭受的輻射水平是地面的100倍，與地球樣品相比，DNA片段化更嚴重，但依然可以產生健康的小鼠幼崽，且小鼠幼崽生長狀態良好，沒有明顯的遺傳差異。
在太空凍存的精子可孕育出健康老鼠幼崽
隨著載人航天的發展，微生物感染問題逐漸顯現。空間環境微重力、輻射、高真空、弱磁場以及極度溫差等特點，會加速微生物變異，這為研究病原菌提供了一個獨特的前瞻性研究手段。一些變異後毒力增強的致病菌會導致本身免疫功能下降的航天員感染機會增加，威脅航天員的健康。此外，一些腐蝕性微生物會縮短航天器壽命。曾在“和平”號空間站的電路板、儀表盤和航天服上檢測到近250種微生物，它們的生長繁殖和代謝會腐蝕儀器材料，嚴重威脅空間站長期在軌運行安全，縮短空間站服役時間。但太空中的微生物也有有助於人類發展的一面，如發展出更好的疫苗、組織工程菌株等。
空間生物學家正在開發和利用21世紀的生物工具檢測和發現適應微重力環境變化的機制，為人類探索太空所面臨的問題提出應對的方法和策略，並有望轉化為地球上新的生物工具和應用，造福人類。
（作者/戴鍾銓）
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