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火星任务会让人类生病吗?太空环境可能会让某些细菌变得特别难缠

美国航太总署(NASA)的太空人凯特.鲁宾斯(Kate Rubins)正在国际太空站上进行生物分子定序(Biomolecule Sequencer)实验。将来的

美国航太总署(NASA)的太空人凯特.鲁宾斯(Kate Rubins)正在国际太空站上进行生物分子定序(Biomolecule Sequencer)实验。将来的太空DNA定序仪可以鉴定微生物、诊断疾病,甚至有可能侦测太阳系其他星球上的DNA生命形式。 PHOTOGRAPH BY TAKUYA ONISHI, NASA

(神秘的地球uux.cn报道)据美国国家地理(撰文:Nadia Drake 编译:林宇威):虽然我们还不知道火星上是否有微生物存在,但根据科学家对地球细菌的研究,太空环境可能会让某些细菌变得特别难缠。

不会有人想在太空中被传染疾病,因为返回地球的任务可能变得很棘手。在医疗用品有限的框架下,机组员无法治疗每种可能出现的并发症,而受感染的太空人更可能会危及整个任务。

对于未来人类前往火星的太空任务来说,尤其是如此!如果太空人不幸开始流鼻涕了,距离最近的药局可是至少有5300万公里!虽然说我们在让太空人进入太空之前,已经采取了一大堆预防措施,来降低生病的风险,但如果我们在抵达红色星球之后,却发现全新的感染源,那该怎么办呢?

没有人知道现在的火星上是否有微生物存在。但如果在这个星球上的「居民」不只有人类的探测车和登陆器,那么这些生物很可能是藏在地下的单细胞生物。地底环境不但能避开强烈的辐射,在深处的地热系统附近,甚至有水、养分和能量能让生物蓬勃生长 。

问题是登上火星的太空人,如果想利用这个星球的地下资源时,可能会暴露于潜在的火星细菌威胁下。更让人担心的是,先前科学家对地球微生物的研究显示,某些细菌在太空中的表现特别奇怪。了解宿主与病原体之间的反应在太空飞行时如何变化,对于长期太空旅行来说非常重要。毕竟,人类前往火星的任务得花上好几个月到几年的时间。

亚利桑那州立大学(Arizona State University)的谢丽尔.尼克森(Cheryl Nickerson)表示:「在我们让人进行长期飞行前往火星之前,最好弄清楚微生物对太空飞行环境的反应是什么。」

侦测感染

在1960和1970年代,至少有两次阿波罗(Apollo)任务被罹病的太空人影响。 1968年,阿波罗7号的指挥官华利.舒拉(Wally Schirra)在发射后15小时染上了感冒。很快地,他就把感冒传染给其他的伙伴,焦躁不安的太空人甚至在太空中发动了一场「迷你叛乱」。

后来在1970年,在恶名昭彰的阿波罗13号任务发射之前,至少有一名预定的机组成员因接触到麻疹患者而被替换。接着在飞行过程中,机组人员弗雷德.海斯(Fred Haise)出现尿道感染的症状,他痛苦却无法获得治疗,并进展为长期的肾脏感染。

现在,为了减少太空人在地球外罹患疾病的风险,太空机构会先对太空人进行隔离措施。根据目前美国航太总署的规定,在发射前七天,太空人会进入隔离空间,只能与经过批准的家庭成员和支援人员接触。不过被隔离在哈萨克拜科努尔太空发射场(Baikonur Cosmodrome)的太空人萨曼塔.克里斯托福雷蒂(Samantha Cristoforetti)表示,实际上会接触的人仍可能有40至50人。

「仍然有很多人和我们一起度过隔离的这段日子,」她说,「我们偶尔也会与其他人互动 ──不过我们应该要避免身体接触,而且他们也会戴上口罩。」

在隔离期间,医生会定期评估太空人和接触者的感染症状,像是发烧或喉咙痛等等。

「虽然这听起来可能不太有趣,但我们担心的就是些平常的传染病,像是感冒或是流行性感冒,因为这就是最常见的病原体。」美国航太总署詹森中心(Johnson Space Center)的医生罗伯特.马尔卡希(Robert Mulcahy)在电子邮件中写道,「我们不希望像感冒这样的普通疾病,影响了飞行机组员在进行发射和对接等关键操作时的表现。」

从哈萨克发射前往俄罗斯联盟号(Soyuz)太空船的太空人,也得经历类似的过程。但马尔卡希和他的同事目前正在更新美国航太总署健康维持计画(Health Stabilization Plan)中的检疫规定,以符合将来商业机组员和从美国发射的美国航太总署任务需求。

他们所提出的修改,包括将检疫期从7天延长为14天,增加了对太空人和访客间直接接触的限制,并要求在检疫设施中工作的非太空人进行额外的疫苗接种。

「我们发现,像是麻疹这类疫苗可预防的疾病开始在美国卷土重来,」马尔卡希说,「因此,在检疫期间确保不会接触到这些疾病非常重要。」

感受压迫

保护太空人在飞行前不会暴露在染病风险下是一回事,但如果是藏在人类身体里面或是在太空船上,跟着一起上太空的微生物,该怎么办呢?

数十年来,科学家一直在研究人类和微生物如何应付微重力环境,这可能也对我们将来要前往低重力环境的火星来说相当重要。虽然科学家尚未完全了解这些反应的确切机制,但研究结果显示,太空飞行会改变传染性微生物与免疫系统之间的对抗机制,原本微妙的平衡可能会转变为对感染较为有利。

根据这项研究,低重力环境会减弱人体的免疫系统,使我们更容易罹病。同时,微重力似乎也改变了微生物在压力下的反应。在某些情况下,甚至能够增强致病能力和抵抗药物的能力。在太空和地球上模拟微重力环境所进行的数十项研究显示,太空飞行会影响某些细菌对环境的反应。

「我们实在非常惊讶,微生物的致病性竟然会因为太空飞行发生变化,」尼克森说。她的实验室已经证明,有种造成人类食物中毒的特殊鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella enterica ssp. enterica ser. Typhimurium),如果在微重力环境待上一段时间后,会变得更加致命。

2006年,他们让沙门氏菌跟着亚特兰提斯号(Atlantis)太空梭进入轨道。当尼克森和她的团队在地球上培养沙门氏菌时,太空人也同时在太空中进行培养。当太空梭返回地球时,尼克森让小鼠感染了地球上和太空中的沙门氏菌。

结果如何呢?太空飞行增加了沙门氏菌的毒性,让细菌能以更低的剂量更快速地杀死小鼠。但是,尼克森谨慎地指出,这种效果只是暂时的。

「这是一项短期的实验,」她说,「我们所看到的不是永久性、可遗传的变化,细菌只是为了适应环境而发生变化,如果环境再度改变时,细菌也会跟着改变适应方式。……这就是细菌为了生存下去,为了在任何地方感染人类所必须要做的。」

进一步的研究显示,微重力环境正好与沙门氏菌常遇到的环境讯号相同──也就当液体在细胞表面移动造成力量减少时,向细胞发出可以开始感染的讯号。在地球上,这样相对平静的状况可能发生在保护良好的肺囊或肠道中,但在太空中,到处都是这样的环境。

「之前没有人证明这一点,」尼克森表示,「没有人想过物理状态能够改变生物体的毒性或致病性。」

全都堵塞

但到目前为止,研究者只有在沙门氏菌中,发现这种太空飞行诱发微生物对活体动物毒性增加的现象。但是还有许多其他研究显示,太空飞行改变了微生物的生长、大小、新陈代谢、抗生素的抗药性等特性。

这些实验有些是在太空中进行,有些则是在模拟的微重力状况下完成,测试的对象包含许多为人熟知的微生物,像是大肠杆菌(E. coli)、造成鼠疫的鼠疫耶氏杆菌( Yersinia pestis)、变种链球菌(Streptococcus mutans)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、枯草杆菌(Bacillus subtilis)和白色念珠菌(Candida albicans)──这是种会感染酵母的真菌。部分研究显示,在微重力环境下,有些微生物的毒性变得更强,有些微生物则相反,或是没有任何改变。

「在过去50年间的许多实验显示,在太空飞行期间进行微生物培养,会产生独特的微生物反应,包括生长动力学、抗生素抗药性,以及生物膜(biofilm)形成都会有所变化。」美国航太总署的马克.欧特(Mark Ott)如此表示。

值得注意的是,生物膜的变化可能对人类健康和环境系统造成重大问题。这些微生物聚集并附着在表面上共同生长,形成复杂的分层结构,以增强对免疫防御和不良环境的抵抗力。因此,这样的情形若是发生在人体内部,会非常难以治疗,如果是在太空站上,更会堵塞和破坏重要的太空站基础设施。

「在自然界中,绝大多数的细菌都生长在附着于表面的微生物群体中,」伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)的辛西亚.柯林斯(Cynthia Collins)和她的同事在最近的一篇论文中如此报导,「在俄罗斯的和平号(Mir)太空站上,就发现了大量的生物膜,导致设备腐蚀和净水系统堵塞。」

2011年,柯林斯和她的同事们将绿脓杆菌(Pseudomonas aeruginosa)──造成太空人弗雷德.海斯(Fred Haise)飞行时疾病的祸首──送入亚特兰提斯号太空梭。他们发现与地球环境相比,在太空中的绿脓杆菌轻易地就能形成更厚、更大的生物膜,科学家还发现这些细菌形成了「在地球上从未见过的的柱-冠层结构」。

其他的研究更显示,在太空中不但有细菌生长,这些微生物生长和行为的变化让我们更难杀死它们。 1982年在苏联太空站礼炮七号(Salyut 7)上进行的实验结果显示,特别是在地球轨道上的大肠杆菌,对抗生素的抗药性会产生显著增加。

最近,太空人泰瑞.维茨(Terry Virts)和杰夫.威廉斯(Jeff Williams)在国际太空站(International Space Station)内的八个地点──包括餐桌、太空人个人空间、厕所等──进行采样,并将样本送回地球进行培养。

「国际太空站不是个无菌的环境,」马尔卡希说,「太空人会像我们在家一样,定期进行清洁工作。」

隶属于喷射推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)的实验小组,从这些样本中培养出微生物,并进行基因定序,发现有九种致病生物和其他许多微生物,表现出多种抗生素的抗药性──包括盘尼西林(青霉素)在内。基因定序的结果还显示,这些微生物可能对其他抗生素也有耐药性,不过这样的假设尚未通过实验验证,也还无法证明太空飞行就是增加抗药性的罪魁祸首。

即便火星既贫瘠又没有生物生存,保持未来人类居住环境的清洁仍然相当重要。同时,我们也要找出最佳对策,以对抗可能在微重力状态下蓬勃生长的地球细菌。

「我们能提前知道所有事情吗?不,我们甚至不知道为何绝大多数的病原体会在地球上造成疾病,」尼克森表示,「但这非常重要,微生物统治着我们的世界,我们只是在微生物的世界里生存罢了。」




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