Kelly亚盘集团)在空间站上生活了一年

原标题:火星旅行能不能成,就看小鼠粪便给不给力了

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。

亚盘集团,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。

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。

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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。

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)。

“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。

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。

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。

“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。

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。

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。)

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。

“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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