人造重力为太空生物提供部分保护

一个 close 三个果蝇,用于地球和太空的科学研究。 图片来源:NASA Ames 研究中心/Dominic Hart

太空旅行到月球、火星和更远的地方会使宇航员暴露在极端条件下,从而导致潜在的健康问题。 为了为未来的长期任务做准备,美国宇航局研究了空间的影响——重力、辐射等的变化——怎样影响“模型生物”或其他在生物学上与人类相似的生命。 在国际空间站使用果蝇进行的一项研究的新发现表明,太空旅行对中枢神经系统有影响,但人工重力对这些变化提供了部分保护。

“微重力对中枢神经系统构成风险,这表明长期太空旅行可能需要采取对策,”加州硅谷和美国宇航局艾姆斯研究中心的大学空间研究协会 (USRA) 项目科学家 Janani Iyer 博士说。今天发表在《细胞报告》上的论文的作者。 “当我们冒险返回月球和火星时,减少微重力的有害影响将是确保未来探索者安全的关键。这项研究是朝着探索人造重力在太空中的保护作用和了解太空中的正确方向迈出的一步。从太空返回后对地球条件的适应。”

由于果蝇与人类的相似性,果蝇是此类研究的理想生物。 苍蝇和人类的细胞和分子过程之间存在大量重叠。 几乎 75% 的导致人类疾病的基因由果蝇共享,这意味着我们对果蝇了解得越多,科学家就需要更多的信息来研究太空环境怎样影响人类健康。 苍蝇的寿命也短得多——大约两个月,两周内繁殖。 苍蝇在太空中度过的三周相当于人类生命的三十年左右,从而在更短的时间内为科学家提供了更多的生物信息。

了解情况的严重性

在这项研究中,科学家们使用一种新开发的名为多用途可变重力平台 (MVP) 的硬件将苍蝇送到空间站执行为期一个月的任务,该硬件能够容纳不同重力水平的苍蝇。 这个硬件中的苍蝇在生活和繁殖时可以获得新鲜食物。 通过使用不同的隔间,MVP 允许分离不同代的苍蝇。 在空间站上,一组果蝇经历了与人类相似的微重力。 另一组通过使用离心机(一种旋转以模拟重力的仪器)在空间站上模拟地球重力而暴露于人造重力。 在空间站上,硬件中的摄像头记录了这些“飞行者”的行为。在不同的时间点,一些苍蝇被冷冻并返回地球以研究它们的基因表达。

在苍蝇返回地球后,乘坐 SpaceX 龙飞船飞溅在太平洋中,苍蝇被带回艾姆斯进行进一步分析。 抵达后,艾姆斯的科学家们昼夜不停地工作了两天,对苍蝇进行分类并进行行为和生化测试。 作为对照实验,对地球上的一组苍蝇进行了相同的分析,以提供比较“飞人”数据的基线。

这项研究是同类研究中首次采用综合方法来研究太空环境怎样影响神经系统。 科学家们通过观察苍蝇在栖息地中移动时的运动、苍蝇大脑细胞水平的变化、基因表达修饰怎样影响神经系统等来观察苍蝇的行为。 观察到的变化以多种形式出现,有些变化只需查看 MVP 隔间中的摄像头即可轻松看到,有些变化则需要在返回地球时进行进一步研究。 研究的行为包括飞行中的飞行活动和返回地球后的爬升能力。 苍蝇在轻按时会爬上容器的自然反应,这被用作飞行后对其能力的测试。 微重力下的苍蝇比人造地球重力下的苍蝇更活跃,但在返回地球后的这次攀爬测试中也表现出困难。

飞行后立即对地面进行更深入的分析揭示了暴露于微重力的果蝇的神经系统变化。 随着苍蝇在旅途结束后适应回到地球,在太空中经历人工重力的苍蝇出现了不同的衰老。 对于处于微重力环境中的苍蝇,他们面临着类似但不太严重的挑战。

为未来的学习铺平道路

这项研究的结果表明,太空飞行会对果蝇的细胞造成压力,从而导致负面的行为和神经影响,以及果蝇大脑中基因表达的变化。 然而,使用人工重力可以暂时缓解太空微重力对果蝇神经系统造成的困难,即使仍然存在长期的健康并发症。

因为果蝇和人类是非常不同的生物,尽管它们的基因重叠,但这些结果并不能直接说明人类在太空中终生会经历什么——但它为科学家们在设计保护宇航员的方法时跟进铺平了道路。他们将前往未来具有各种重力水平的目的地。

KBR Wyle 高级科学家 Siddhita Mhatre 博士说:“随着即将到来的长期深空任务,宇航员将暴露在不同程度的重力下,我们必须了解重力变化对神经功能的影响。”在艾姆斯和已发表论文的作者。 “如果我们可以使用人造重力来延迟与太空相关的赤字,也许我们可以延长未来的任务时间表。与宇航员一起在太空飞行,将有助于进一步努力保持宇航员的健康。”