近段時間，美國女宇航員蘇尼·威廉姆斯成了地球人頗為關(guān)心的“太空人”。滯留在國際空間站近半年的她在流傳出來的照片上變成了“錐子臉”，面容憔悴，有醫(yī)生認為她的體重正在迅速下降。11月12日，威廉姆斯通過視頻回應(yīng)稱，她的健康無礙，“錐子臉”的原因是由于“體液轉(zhuǎn)移”，其體重與進入國際空間站時一樣，還通過健身增加了肌肉。

關(guān)于威廉姆斯的實際健康狀況不得而知，但人在地球和在太空的身體情況和生理機制的確是大不相同的。針對這方面的科學(xué)研究已有一些結(jié)果，同時仍有很多謎題有待科學(xué)家解開。

“體液轉(zhuǎn)移”會不會形成“錐子臉”

雖然威廉姆斯發(fā)視頻稱自己一切正常，但有媒體報道，美國航空航天局（NASA）一名“直接參與此次任務(wù)”的匿名員工透露，威廉姆斯滯留國際空間站期間“無法滿足宇航員必須攝入的高熱量飲食，現(xiàn)在她瘦得皮包骨，當(dāng)務(wù)之急是幫助她穩(wěn)定體重，并希望扭轉(zhuǎn)這種局面”。

太空環(huán)境具有超低溫、強輻射、微重力和高真空等特點，還有高速運動的塵埃、微流星體和流動星體，對于人類而言是特別危險的環(huán)境。首先，長時間身處太空，無論是在飛船還是空間站上，宇航員的肌肉、骨骼和器官都會受到超低溫、強輻射、微重力和高真空等環(huán)境因素的影響，隨著滯留時間延長，體重的減少是必然的，只是或多或少而已。

威廉姆斯說她看起來消瘦只是因為“體液轉(zhuǎn)移”，那么，“體液轉(zhuǎn)移”是怎么一回事呢？

體液轉(zhuǎn)移在太空中經(jīng)常發(fā)生。地球上的重力環(huán)境會使人的體液主要集中在下半身，但在太空的微重力環(huán)境中，體液會更多地分布于上半身，可能導(dǎo)致臉部腫脹和腿部消瘦。也就是說，體液轉(zhuǎn)移會讓頭面部更大，顯得更胖，卻不太可能形成“錐子臉”。

說到胖瘦，在太空中，傳統(tǒng)的壓力式體重秤是無法使用的，宇航員通常用一種特殊的質(zhì)量測量儀來稱重。質(zhì)量測量儀采用直線加速度原理，依據(jù)牛頓第二定律來確定航天員的質(zhì)量。測量時，航天員要固定在人體支架上，然后被推至特定位置，支架在復(fù)位過程中，由恒力機構(gòu)（由凸輪、彈簧、定滑輪和鋼絲繩等部件構(gòu)成）施加一個恒定的力，促使航天員進行勻加速直線運動。在已知恒力的情況下，通過公式來計算質(zhì)量。如果威廉姆斯在空間站使用這種測重方法，發(fā)現(xiàn)體重并沒有大幅降低，則大概率表明她的身體沒有大問題。

此前有研究表明，由于宇航員的骨骼不像在地球引力作用下那樣承受重力負荷，所以骨骼會慢慢脫鈣并變得脆弱。平均來看，宇航員在太空中每個月會損失1%至2%的骨量，6個月最多損失10%（在地球上，老年男性和女性的骨量損失率為每年0.5%至1%）。這種情況可能增加宇航員骨折的風(fēng)險，并延長骨折愈合時間。返回地球后，部分宇航員的骨量可能需要長達4年才能恢復(fù)正常。

因此科學(xué)家認為，宇航員要保證安全，首先要避免肌肉和骨量流失。根據(jù)身體訓(xùn)練計劃，宇航員每天要進行2.5小時的運動和高強度訓(xùn)練，包括使用安裝在國際空間站健身房中的阻力運動裝置進行一系列深蹲、硬舉、劃行和仰臥推舉，以及定期在跑步機和健身自行車上鍛煉。在飲食上，宇航員還需服用膳食補充劑，盡可能保持骨骼健康。

宇航員可能面臨哪些太空風(fēng)險

目前在太空連續(xù)停留時間最長的宇航員是蘇聯(lián)的列里·波利亞科夫，為438天，美國宇航員弗蘭克·盧比奧連續(xù)停留了371天，緊隨其后的是美國宇航員斯科特·凱利，連續(xù)停留了340天。斯科特還有一位孿生哥哥馬克·凱利，他們的基因相同。因此，科學(xué)家通過對這四人和其他宇航員的對比，完善了“天上”“地下”的對照研究，獲得的研究結(jié)果更有說服力，科學(xué)證據(jù)也更強。

其中，對斯科特雙胞胎的對照研究是全方位的，且持續(xù)了3年多。2019年4月12日《科學(xué)》雜志發(fā)表了NASA一份長達20頁的研究報告。該研究設(shè)計了10個項目，包括雙胞胎宇航員的認知能力、生化水平、表觀遺傳學(xué)、基因表達、免疫系統(tǒng)、代謝能力、微生物組、蛋白質(zhì)組、生理學(xué)和端粒長度，有來自12所大學(xué)的80多名科學(xué)家共同參與。

研究總體結(jié)果表明，宇航員長期生活在太空環(huán)境下，從微觀的分子和基因到具體的生理和行為都會產(chǎn)生種種改變，而且，這些變化大多是有風(fēng)險的。根據(jù)風(fēng)險的大小，由高到低可分為3級。

在太空中的高級風(fēng)險是基因和分子變化。比如，斯科特一些細胞里的染色體片段發(fā)生了突變、倒置，特別是與免疫系統(tǒng)有關(guān)的基因表達出現(xiàn)了異常。另外，他的染色體上的端粒也發(fā)生了變化，在太空期間端粒明顯延長，在回到地球后端粒又加速縮短。斯科特回到地球后，基因中大約90%的變化復(fù)原。

太空中的輻射、零重力環(huán)境等是造成斯科特基因突變的重要原因，尤其是能穿過細胞的高能宇宙粒子。斯科特在2015年至2016年完成任務(wù)的太空站，正好處于高能帶電粒子范艾倫輻射帶下方，輻射量是地球的48倍。在地球上造成對斯科特這樣的基因損傷大約要50年，但在太空的輻射環(huán)境中，只需不到1年時間。而且，在太空中出現(xiàn)端粒變長，并不意味著斯科特的壽命可能延長（在地球上，端粒決定細胞分裂的周期和長度，端粒長壽命也長），因為這是一種受太空環(huán)境影響的突然變化。斯科特在返回地球后，其端粒迅速復(fù)原并縮短，但科學(xué)家認為他仍有加速衰老的風(fēng)險。

在太空中的中級風(fēng)險是有心血管方面的改變和未來潛在的病變。宇航員處于失重狀態(tài)時，體液分布與在地球上有很大不同，可能影響到心血管的生理功能。研究發(fā)現(xiàn)，斯科特的頸動脈出現(xiàn)擴張，頸動脈壁的最內(nèi)兩層出現(xiàn)增厚；視網(wǎng)膜脈管系統(tǒng)也有一定異常變化，可能會導(dǎo)致未來潛在的心腦血管疾病和視力障礙風(fēng)險。

在太空的低級風(fēng)險主要體現(xiàn)在腸道菌群變化、體重變化、認知能力下降等方面。在人體內(nèi)，超過90%的腸道菌群來自厚壁菌和擬桿菌。通過比對斯科特在太空中的腸道菌群發(fā)現(xiàn)，其厚壁菌變得更多，擬桿菌數(shù)量則有所降低，當(dāng)返回地球后，兩種細菌數(shù)量之間的比例逐漸恢復(fù)正常。斯科特的認知能力剛好相反，在太空正常，返回地球后反而有所下降，一段時間后才恢復(fù)正常。雖然斯科特在太空逗留了340天，但其體重僅減少了7%，這是因為他執(zhí)行了嚴格的體能訓(xùn)練計劃，并在飲食上限制了熱量攝入。

研究人員認為，由于這些變化都是太空環(huán)境造成的，所以研究這些變化，有助于制定在太空較長期駐留的應(yīng)對措施，從而為人類能否長駐太空提供更多更扎實的科學(xué)依據(jù)。

線粒體DNA因何損傷仍不清楚

當(dāng)然，對于宇航員的研究不只限于斯科特兄弟。美國西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院等研究機構(gòu)人員采集了14名NASA宇航員的血液樣本，他們于1998年至2001年間在國際空間站執(zhí)行了5-13天的任務(wù)。他們的血液樣本被采集了3次，發(fā)射前10天一次，返回當(dāng)天和返回3天后各一次。

這項研究的目的是了解在太空的輻射暴露和零重力會給宇航員身體帶來什么變化。研究結(jié)果顯示，所有14名宇航員在返回當(dāng)天和3天后，血液中自由漂浮的線粒體DNA水平均有所增加，比太空旅行前高出2-355倍。

線粒體DNA漂浮是指線粒體DNA從細胞中釋放了出來。人體細胞的DNA并非只有細胞核DNA，還有細胞質(zhì)中的線粒體DNA。線粒體是為細胞提供能量（如三磷酸腺苷）的細胞器，每個細胞中（紅細胞除外）有1000-10000個線粒體，每個線粒體內(nèi)有2-10組線粒體DNA，而每個線粒體DNA又包含16569個堿基對，其中有37個基因可用來制造13種蛋白質(zhì)、22種轉(zhuǎn)移核糖核酸與兩種核糖體核糖核酸。

研究人員還不能解釋為何在太空中待了幾天，宇航員體內(nèi)的線粒體DNA就被大量釋放到細胞外。在地球上，只有細胞受到損害或有應(yīng)激反應(yīng)時，才會出現(xiàn)這種情況。況且大量釋放的線粒體DNA不僅對細胞本身有害，若出現(xiàn)在身體其他部位，還可促發(fā)炎癥。

有研究者認為，這項研究規(guī)模較小、樣本少，而且時間短，不足以全面反映宇航員因太空環(huán)境帶來的身體變化。但由于該研究觀察到了宇航員線粒體DNA釋放到細胞外的現(xiàn)象，至少可以在一定程度上證明太空環(huán)境損傷線粒體DNA的可能性。

進一步看，線粒體DNA的功能是否正常也與疾病和遺傳有關(guān)。線粒體疾病是由線粒體DNA（基因）或細胞核DNA（基因）缺陷導(dǎo)致的線粒體功能障礙或結(jié)構(gòu)異常所引發(fā)，是最常見的先天性代謝缺陷疾病。研究證明，線粒體DNA只通過母系一脈傳遞，男性線粒體只伴隨個體一生，不會遺傳給后代。也就是說，男性雖然能從母親那里繼承線粒體DNA，但不會遺傳給后代。

隨著包括威廉姆斯在內(nèi)的女宇航員紛紛進入太空，未來對她們的研究或許能進一步了解太空環(huán)境對線粒體DNA究竟有沒有損傷、損傷是否可逆，以及線粒體DNA遺傳的特性會不會發(fā)生變化。

對男宇航員的基因活動干擾更多

那么，男性和女性在太空中誰的“反應(yīng)”更大呢？

2024年6月發(fā)表的一項研究提示，男性和女性宇航員的免疫系統(tǒng)在太空中會有不同變化。研究人員利用2021年秋天在太空飛行不到3天的SpaceX公司“靈感4號”任務(wù)人員身上獲得的基因樣本數(shù)據(jù)，確定了與免疫系統(tǒng)、衰老和肌肉生長相關(guān)的18種蛋白質(zhì)變化。

研究人員將他們的基因與之前執(zhí)行任務(wù)的其他64名宇航員的基因進行比較后發(fā)現(xiàn)，與飛行前相比，3種在炎癥中發(fā)揮作用的蛋白質(zhì)表達有所變化。其中，男性體內(nèi)的白介素6和白介素8受到的影響比女性更大。其中，白介素6的功能是控制炎癥，白介素8的功能是把免疫細胞輸送到感染部位。男宇航員體內(nèi)一種參與凝血的蛋白質(zhì)纖維蛋白原，也比女宇航員受到的影響大。這些結(jié)果提示，男性在太空中的基因活動會受到更多干擾，返回地球后需要比女宇航員更長的時間才能恢復(fù)常態(tài)。

此外，從太空返回地球后，男宇航員的精子數(shù)量會減少，經(jīng)過一段時間能恢復(fù)正常水平。至于太空輻射是否影響女性生育力，根據(jù)女宇航員們返回地球后的生育情況來看，目前大部分觀點認為是不影響的。還有研究表明，在太空環(huán)境中女性身體應(yīng)對壓力的主要方式是減少血漿含量，而男性身體主要靠增加血管阻力來應(yīng)對壓力。血漿含量的減少會增加女宇航員的基礎(chǔ)代謝水平，也就相應(yīng)要求提高能量攝入，否則體重會快速減輕，以彌補熱量缺口。

盡管航天器和空間站都有針對太空輻射的屏蔽裝置，但太空帶來的未知變化仍有很多。所以，在把人類送到月球、火星或進行太空旅游之前，科學(xué)家需要更多地了解強輻射、高真空、微重力、超低溫以及封閉空間和不穩(wěn)定睡眠周期等給宇航員帶來的影響，從而提前或在后期找到有效的彌補措施，盡量將這些影響降到最低，以便人們能夠在進入太空之前、其間和之后更好地保護生命和健康。