在一項具有里程碑意義的研究中，美國宇航局的科學家對斯科特·凱利在2015-2016年期間在國際空間站進行的艱苦的342天巡視期間進行了詳盡的測試。他們同時監測了他同卵雙胞胎兄弟馬克（一位當時在地球上的退役宇航員），希望透過對比揭示關於長期太空飛行對人體影響的新資訊。
週四在《科學》雜誌上發表的美國宇航局雙胞胎研究結果顯示，斯科特·凱利經歷了一系列的生理變化，其中大多數在他返回地球后恢復到飛行前狀態。這些發現可能有助於為未來的長期任務（如火星旅行或月球軌道空間站的駐紮）做準備。
加州大學聖地亞哥分校的分子遺傳學家、該研究的共同作者布林達·拉納說，該研究是第一個將行為分析和生理學相結合來研究太空如何影響人的研究，也是第一個收集一位中年地球人兩年如此全面的健康資料的研究。
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“從很多方面來說，這都是最好的科學，因為它利用自然發生的事情來試圖理解因果關係，”行為遺傳學家S.亞歷山德拉·伯特說，她共同指導密歇根州立大學雙胞胎登記處，並且沒有參與這項研究。“我認為這是一個獨特的事件，他們出色地利用了它。”
凱利說，他最初在為國際空間站任務做準備時提出了這項研究。“我說，‘嘿，如果有人問到任何關於我和我兄弟馬克（因為我們是同卵雙胞胎）的計劃研究，有沒有人對此感興趣？’”他說。他最初被拒絕了，但他表示美國宇航局的科學家最終與幾所大學進行了交談，“他們發現實際上有很多人感興趣。”雙胞胎研究就這樣開始了。
近兩年裡，兄弟倆都提供了尿液、糞便和血液樣本，研究人員將其用於10項獨立調查，涉及長期太空飛行的分子、生理和認知影響。許多研究人員之間的密切協調至關重要。“美國宇航局從全國各地召集了10名研究人員——其中大多數人互不認識——並將我們放在一個房間裡，讓我們團結協作，成為一個有凝聚力的團隊來執行這項任務，”拉納說。從國際空間站上的宇航員身上採集此類樣本的內在困難意味著研究人員必須使用相對稀少的材料。“我們必須制定出所有研究都能有效使用一個樣本的方案，”拉納說。這項研究還促使研究人員創新了研究太空生理學和遺傳學的新方法。“它幫助我們推動了技術的發展，不僅可以進行近地軌道實驗，還可以進行未來的活動，如探索任務，”KBRwyle的心血管科學家、共同作者斯圖爾特·李說。
凱利必須自己抽血，並收集自己的尿液和糞便。“當然，在太空中往袋子裡小便更復雜，因為一切都會漂浮，”他指出。“但最重要的是，這需要時間。宇航員有時會幾乎下意識地儘量不在收集尿液的日子裡喝那麼多水，因為小便需要時間。”這在結果中得到了反映：研究人員發現凱利一直處於輕度脫水狀態，這是長期任務中宇航員的常見現象——科學家們實際上認為這是因為宇航員對複雜的機載廁所感到厭煩。
研究發現凱利在飛行期間一直處於近乎恆定的生理壓力之下。他的免疫系統處於高度警惕狀態；他的DNA表達發生了變化；他的頸動脈擴張了。他還出現了“太空飛行相關神經眼綜合徵”，或稱 SANS——這是一種涉及眼睛變化的疾病，其病因尚不清楚。而且，他的血液不再被重力拉向腿部，而是聚集在了頭部。“一開始，情況最糟糕，”凱利說。“你的身體會隨著時間的推移適應它，但以我的經驗來看，它永遠不會完全適應。我總是感到頭部有壓力。”
在飛行期間，凱利的端粒——重複核苷酸的保護序列，像鞋帶上的塑膠頭一樣“帽”住每個染色體的末端——變得更長了。“這當然是一個驚喜，因為在研究開始時，我們提出了完全相反的假設，”科羅拉多州立大學的生物學家蘇珊·貝利說，她負責該研究的端粒調查。端粒會隨著年齡的增長而縮短，而一種叫做端粒酶的酶會修復並延長它們。貝利說，宇航員暴露在微重力、隔離和輻射的極端壓力下，應該會導致端粒縮短。她懷疑凱利在國際空間站上高度規範的飲食和鍛鍊計劃可能導致了端粒延長，或者這種現象可能表明他在太空飛行期間的細胞群正在發生變化。“展望未來，我認為我們會嘗試將這些端粒終點納入對宇航員進行的一些標準測量中，以便我們能夠直接解決這個問題，”她說。
在凱利返回地球后，大多數生理、基因表達和其他變化在六個月內恢復正常。但仍然有一段適應期。“當你回到地球時，所有血液都想聚集在你的腿部，”他說。“這種情況持續了我幾個星期。”他的皮膚也不再適應重力，一旦受到任何壓力就會出現皮疹和蕁麻疹。即使靠在桌子上也會引起反應。但他最終還是重新調整了，這是一個充滿希望的跡象，表明宇航員在太空長期停留後對健康可能不會有持久的危險。也就是說，重要的是要注意前往火星或其他長途探索提出了額外的擔憂：輻射。國際空間站上的宇航員仍然在一定程度上受到地球磁場的保護，免受宇宙射線的侵襲；而火星任務則會將他們暴露在更高水平的銀河輻射下，李說。
研究作者警告說，鑑於樣本量極小， “不可能歸因於因果關係”。他們寫道，這項研究應該是“假設生成和框架定義”的，未來的宇航員研究將補充這項工作。“這都是真的，”伯特說。但她補充說，讓一個基因相同的受試者回到地球上，比其他研究更能強烈地假設因果關係。凱利同意：“當然，這是一個n為 1 的實驗，”他說。“但他們沒有看到任何會阻止我們前往火星的事情。”然而，他補充說，“如果我們打算超越火星”——要求宇航員在微重力環境下停留多年——“我們將不得不開始考慮人工重力。”