宇航員從不獨自前往太空。每位進行太空旅行的人都伴隨著多達 100 萬億的細菌、病毒和其他微生物，其中任何一種都可能危及人類健康。然而，我們對於這些微小的搭便車者群體如何對微重力做出反應仍然知之甚少。我們甚至不完全瞭解居住在國際空間站（ISS）上的太空物種的完整範圍。然而，新的研究旨在改變這種狀況。上個月，宇航員從國際空間站內部各處採集了樣本，以構建前所未有的三維微生物組圖。這種在太空進行的微生物普查工作是理解、預防和減輕危險爆發的第一步——無論它們是在空間站上、在前往火星的長期飛行中，甚至是在家中的醫院中發生。
我們不斷地被微生物所包圍。從我們腸道內的細菌到生活在我們睫毛根部的小到看不見的蟎蟲，據估計，我們體內和體表的微生物數量至少與人體細胞一樣多。“你可以把人看作是行走的生態系統，”加州大學聖地亞哥分校的化學生物學家彼得·多爾斯坦說。這些微小的生物實際上大多數都是必不可少的，並且對我們的健康有著深遠的影響——影響我們的免疫力、心臟，甚至可能是我們的心理健康——以至於科學家們經常將微生物組稱為“隱形器官”。事實上，我們體內微生物的數量如此之多，以至於它們的總質量可以達到大約我們大腦的重量。
因此，如果我們想將宇航員送往火星和更遠的地方執行長期任務，那麼瞭解微生物組在太空飛行期間的行為方式至關重要，這可能並不令人驚訝。但科學家們不僅擔心人類微生物組，他們也擔心航天器的微生物組。以俄羅斯和平號空間站為例。1998 年，也就是空間站墜入太平洋大約三年前，科學家們在服務面板後面發現了數十種細菌、真菌和塵蟎。“我從沒想過一個無生命的物體——像空間站這樣執行精美的機器——會擁有類似於活著的生物（比如人類）的微生物組，”同時也是醫生和 NASA 宇航員的塞雷娜·M·奧農-校長說。然而，與太空是無菌、惰性環境的觀念相反，任何航天器都不可避免地會寄生著大量的微生物，其數量足以讓任何宇航員感到毛骨悚然。
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航天器的微生物組可能對宇航員的健康構成危害。“你能想象一下，你正在進行長途飛行，突然你開始感染，比如說，一種食肉菌，而你卻無法擺脫它？”多爾斯坦說。“這些都是可能出現的後果。”
這並不是一個瘋狂的想法。2006 年，一個科學家團隊將沙門氏菌培養物送上亞特蘭蒂斯號太空梭進行了為期 11 天的飛行，結果發現一旦微生物返回地球，它們更容易殺死小鼠。擺脫了地球束縛的細菌也可能變得更耐抗生素——考慮到長期太空飛行往往會削弱宇航員的免疫系統，這簡直是災難的根源。
NASA 的噴氣推進實驗室和加州大學聖地亞哥分校發起的新專案可能有助於減輕微生物威脅。今年 2 月，宇航員凱特·魯賓斯在國際空間站（ISS）的 1000 個不同位置進行了拭子取樣。這大約是典型微生物追蹤研究中拭子數量的 100 倍，這些研究通常側重於生活空間中最可疑的部分，例如廚房、浴室和運動區。樣本將被冷藏，並在幾個月後送回地球，科學家將在那裡分析它們的遺傳特徵並命名各種微生物，以構建國際空間站完整微生物組的三維地圖。
此外，每個拭子都將捕獲來自食物、油脂、皮膚等的痕量分子。這一前景讓正在參與該專案的多爾斯坦特別興奮。科學家們目前對國際空間站上存在的哪些分子能夠滋養那裡不同微生物群落的生長知之甚少。新地圖將幫助他們將特定分子或營養物質與特定微生物聯絡起來。有了這種聯絡，科學家們就可以制定指南，僅透過營養物質來促進有益微生物的生長並減少有害微生物。這可能就像在前往火星的航天器上使用特定的建築材料一樣簡單。所有這一切都表明，“生病航天器”的問題甚至可以在它到達發射臺之前得到部分解決。
但噴氣推進實驗室的微生物學家、該專案的首席研究員卡斯圖裡·文卡特斯瓦蘭最興奮的是在運輸過程中可能採取的保護措施。雖然目前的樣本正在送回地球，但他指出，宇航員需要在未來的任務中取消中間環節。“當我們一路前往其他行星時，你沒有聯邦快遞來送回樣本，”文卡特斯瓦蘭說。雖然科學家們確實有能力在國際空間站上進行基因組分析，但這個過程並不是特別快，而且一旦發生危險的疫情爆發，每一刻都可能至關重要（想想看，從新冠肺炎 PCR 檢測中獲得結果通常需要多長時間）。“你想確保你能掌握情況——正如我們現在都非常清楚的那樣，一些小蟲子可能會把你的世界搞得一團糟，”科羅拉多大學博爾德分校的太空微生物學家大衛·克勞斯說。
為了解決這個問題，魯賓在空間站掃描分析中使用的拭子是雙頭的。一端收集微生物用於簡單檢測，而另一端旨在捕獲它們的代謝物——微生物的天然化學副產品。一旦文卡特斯瓦蘭和他的同事建立了一個將特定微生物與某些代謝物聯絡起來的資料庫，他們就可以構建小型生物感測器，專門尋找代謝物。想象一下，一個手持裝置可以診斷航天器上是否存在細菌或真菌，並立即向宇航員發出疫情爆發警報——類似於一氧化碳探測器。
來自這樣一個系統的通知（文卡特斯瓦蘭懷疑這將需要 5 到 10 年才能成為現實）將引發立即行動——因為宇航員將加強他們的清潔規程，以防止機載疫情爆發。“這將有助於更好地維護未來的棲息地，”文卡特斯瓦蘭說。國際空間站上的宇航員已經努力工作以控制微生物組的數量。他們每週都會用吸塵器清潔通風口，並用消毒溼巾擦拭表面。奧農-校長估計，當她在軌道上時，機組六名宇航員中的每人每週大約花費三個小時進行清潔。國際空間站總共只有 388 立方米（大約相當於波音 747 客艙空間的一半）的可居住體積每週就要花費 18 個小時進行清潔，這似乎有些過分。但考慮到國際空間站的獨特情況，所有這些消毒都是必要的。“在上面，食物不會掉到地板上，”她說。“食物會飄到天花板上。食物會粘在牆壁上。食物無處不在。所以這是 3D 清潔。”
這種認真的清潔工作讓一些科學家對前往火星途中爆發疫情的擔憂不以為然。“我不認為細菌的影響對於長期太空飛行來說真的是一個很大的障礙，因為證據表明並非如此，”克勞斯說。“我們已經有人在國際空間站（ISS）上與輪換的機組人員持續生活了 20 多年。而且那裡沒有發生過任何形式的疫情爆發。”奧農-校長指出，僅僅發現危險細菌並不值得恐慌——只有當微生物使宇航員生病時才值得擔憂。“我更多地將其視為一種識別和提醒，”她說。“然後我們只是在觀察、繪製地圖並等待觀察這些細菌在那種壓力環境下會做什麼，”她補充道。
但文卡特斯瓦蘭擔心的不僅是宇航員的風險，還有他們訪問的任何外星目的地受到微生物汙染的可能性。“宇航員基本上是地球的病原體，”奧農-校長說。“他們是一個新的微生物組，突然踏上了火星。即使他們走出去的宇航服也會在宇航服的材料表面帶有他們自己任務的微生物組。”如果科學家能夠更好地繪製宇航服上的微生物組圖，他們也許也能更好地清潔它。文卡特斯瓦蘭希望這項研究甚至能幫助科學家設計出更高階的宇航服，其關節可以防止最微小的微生物洩漏。
獨特的應用還不止於此。對於國際空間站美國國家實驗室高階專案主管利茲·沃倫來說，所有這項研究最誘人的方面與太空幾乎無關。任何部分封閉的環境——房屋、飛機、醫院——都將有自己的微生物組。因此，學習如何防止某些微生物在太空中茁壯成長（或者如何在它們茁壯成長時阻止它們）為地球上類似的環境提供了有益的經驗。例如，考慮另一個在國際空間站上執行的專案，該專案測試了波音公司生產的抗菌塗層的功效。其理念是，如果這些塗層在太空（微生物可能危險得多）中有效，那麼它們在地球上也有效。簡而言之，國際空間站本身就是一個令人難以置信的實驗室。“你在地球上做不到這一點——你無法將重力排除在外，”克勞斯說。“擁有微重力有點像第一次以不同的方式擁有顯微鏡。你看到了你原本看不到的行為。”