當人類進入太空時，他們並非獨自旅行。他們帶著他們的微生物一同前往——科學才剛剛開始揭示太空飛行如何影響生活在人體內和體表的龐大微生物群落，即微生物組。今年 4 月，作為其雙胞胎研究的一部分，NASA 報告了宇航員斯科特·凱利在國際空間站（ISS）的馬拉松式駐留期間其微生物組發生的變化。現在，參與該研究的科學家們發表了新的研究，表明低地球軌道對在 ISS 和太空梭上執行其他任務的小鼠的腸道細菌產生了持續的影響。小鼠的微生物組對太空飛行的反應與凱利相似。
微生物組在人類健康和新陳代謝中起著複雜的作用。自 2007 年人類微生物組計劃啟動以來，科學家們發現腸道細菌對免疫力、心理健康以及對宇航員至關重要的骨密度調節產生深遠影響（宇航員平均每月在太空會損失高達 2% 的骨密度）。該研究的合著者、西北大學的晝夜節律生物學家弗雷德·圖雷克說，因此，瞭解微生物組在太空旅行中的行為方式是為宇航員進行長期火星及更遠任務做準備的重要組成部分。
在該論文中，該論文上個月發表在微生物組期刊上，科學家們發現，在不同任務中觀察到的小鼠微生物組的變化彼此相似，並且研究小組開始專注於找出太空飛行的哪些方面導致了這些變化。該研究的主要作者、西北大學系統生物學家彭江開發了一種新的工具，用於分析來自多個實驗的微生物組資料，這使他和他的同事能夠比較 2014 年在 ISS 上的小鼠的結果與三年前在太空梭上旅行的小鼠的資料。在每個實驗中，動物都被關在專門為太空旅行設計的籠子裡，並餵食一致的飲食。研究人員收集了糞便樣本，並對內部微生物的基因組進行了測序。江說，他和他的同事在分析中納入了不同物種、屬和其他細菌類群的丰度和多樣性資訊。
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在兩次任務中——2011 年亞特蘭蒂斯號太空梭的最後一次任務和 2014 年國際空間站的首次齧齒動物研究任務中——小鼠微生物組的群落結構發生了變化，並且厚壁菌門與擬桿菌門的比率增加，這兩個細菌門加起來佔腸道微生物的 90% 以上。在太空中度過的一年裡，凱利的微生物組也經歷了類似的變化，然後在他回到地球后恢復正常。先前在人類和小鼠中進行的微生物組研究已將厚壁菌門與擬桿菌門比率的升高與飲食變化、肥胖和人類衰老聯絡起來。在新論文中，微生物經歷了代謝變化，開啟了參與發酵的基因，並關閉了參與呼吸作用的基因。這些變化對長期太空任務的影響尚不清楚。
為了找出可能導致這些變化的原因，江和他的同事將來自國際空間站和太空梭任務中進行的小鼠研究的資料與在地球上進行的實驗的結果進行了比較。在後者中，研究人員使小鼠暴露於高劑量的輻射，以模擬其對遙遠太空任務期間微生物的影響。在新研究中，研究人員看到了與在地球上進行的輻射實驗中觀察到的不同的微生物組變化。他們認為，造成這種結果的原因是，國際空間站和太空梭任務中的小鼠仍然位於磁層（被地球磁場捕獲的帶電粒子區域）的保護部分內，該磁層保護我們的星球免受宇宙輻射，稱為範艾倫帶。“國際空間站的輻射暴露型別和程度不太可能與深空任務中的相似，”喬治敦大學系統生物學家阿姆麗塔·奇瑪說，她合著了地球上的輻射研究之一，但沒有參與新的論文。奇瑪說，需要進行更多的研究來確定輻射對更遠距離任務中宇航員微生物組的影響。西北大學的遺傳學家瑪莎·維塔特納，也是微生物組研究的合著者，對此表示贊同。“僅僅因為我們在低地球軌道上看不到像輻射的東西並不意味著它不是一個問題，”她說。
維塔特納說，長時間處於微重力狀態下的壓力是造成在國際空間站和小鼠中觀察到的微生物組變化的最可能原因。“如果不是輻射，那麼你接下來顯然會懷疑的是微重力，”她說。佛羅里達大學的宇宙生物學家傑米·福斯特沒有參與這項研究，他也同意這種觀點。“在地球演化的四十五億年裡，我們一直受到重力的影響，”她說。“某種因素導致了這種群體變化，如果說突然處於這種全新的微重力環境中帶來的壓力，我不會感到驚訝。”這是否意味著腸道中的微生物正在經歷微重力並直接對其做出反應？或者說微重力正在小鼠身上引起應激反應，從而對它們的微生物產生連鎖反應？這可能是兩者兼而有之。“微重力會對微生物的生理機能甚至基因表達產生影響，”福斯特說。她補充說，可能是微生物自身在生理上經歷著某些事情，或者它們正在對小鼠的變化做出反應。
當人類前往深空時，將如何解決微生物組的問題以及其他相關問題將成為未來研究的重點。維塔特納說，她和她的同事正在分析最近在國際空間站上度過了兩個多月的小鼠的資料。她斷言，研究人員將能夠提出諸如以下問題：微生物組變化的速度有多快？在太空飛行期間，它是否會持續變化？“我們可以開始思考‘我們如何將其推斷到更長期的任務中？’”維塔特納說。