宇航员从不独自前往太空。每位进行太空旅行的人都伴随着多达 100 万亿的细菌、病毒和其他微生物，其中任何一种都可能危及人类健康。然而，我们对于这些微小的搭便车者群体如何对微重力做出反应仍然知之甚少。我们甚至不完全了解居住在国际空间站（ISS）上的太空物种的完整范围。然而，新的研究旨在改变这种状况。上个月，宇航员从国际空间站内部各处采集了样本，以构建前所未有的三维微生物组图。这种在太空进行的微生物普查工作是理解、预防和减轻危险爆发的第一步——无论它们是在空间站上、在前往火星的长期飞行中，甚至是在家中的医院中发生。
我们不断地被微生物所包围。从我们肠道内的细菌到生活在我们睫毛根部的小到看不见的螨虫，据估计，我们体内和体表的微生物数量至少与人体细胞一样多。“你可以把人看作是行走的生态系统，”加州大学圣地亚哥分校的化学生物学家彼得·多尔斯坦说。这些微小的生物实际上大多数都是必不可少的，并且对我们的健康有着深远的影响——影响我们的免疫力、心脏，甚至可能是我们的心理健康——以至于科学家们经常将微生物组称为“隐形器官”。事实上，我们体内微生物的数量如此之多，以至于它们的总质量可以达到大约我们大脑的重量。
因此，如果我们想将宇航员送往火星和更远的地方执行长期任务，那么了解微生物组在太空飞行期间的行为方式至关重要，这可能并不令人惊讶。但科学家们不仅担心人类微生物组，他们也担心航天器的微生物组。以俄罗斯和平号空间站为例。1998 年，也就是空间站坠入太平洋大约三年前，科学家们在服务面板后面发现了数十种细菌、真菌和尘螨。“我从没想过一个无生命的物体——像空间站这样运行精美的机器——会拥有类似于活着的生物（比如人类）的微生物组，”同时也是医生和 NASA 宇航员的塞雷娜·M·奥农-校长说。然而，与太空是无菌、惰性环境的观念相反，任何航天器都不可避免地会寄生着大量的微生物，其数量足以让任何宇航员感到毛骨悚然。
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航天器的微生物组可能对宇航员的健康构成危害。“你能想象一下，你正在进行长途飞行，突然你开始感染，比如说，一种食肉菌，而你却无法摆脱它？”多尔斯坦说。“这些都是可能出现的后果。”
这并不是一个疯狂的想法。2006 年，一个科学家团队将沙门氏菌培养物送上亚特兰蒂斯号航天飞机进行了为期 11 天的飞行，结果发现一旦微生物返回地球，它们更容易杀死小鼠。摆脱了地球束缚的细菌也可能变得更耐抗生素——考虑到长期太空飞行往往会削弱宇航员的免疫系统，这简直是灾难的根源。
NASA 的喷气推进实验室和加州大学圣地亚哥分校发起的新项目可能有助于减轻微生物威胁。今年 2 月，宇航员凯特·鲁宾斯在国际空间站（ISS）的 1000 个不同位置进行了拭子采样。这大约是典型微生物追踪研究中拭子数量的 100 倍，这些研究通常侧重于生活空间中最可疑的部分，例如厨房、浴室和运动区。样本将被冷藏，并在几个月后送回地球，科学家将在那里分析它们的遗传特征并命名各种微生物，以构建国际空间站完整微生物组的三维地图。
此外，每个拭子都将捕获来自食物、油脂、皮肤等的痕量分子。这一前景让正在参与该项目的多尔斯坦特别兴奋。科学家们目前对国际空间站上存在的哪些分子能够滋养那里不同微生物群落的生长知之甚少。新地图将帮助他们将特定分子或营养物质与特定微生物联系起来。有了这种联系，科学家们就可以制定指南，仅通过营养物质来促进有益微生物的生长并减少有害微生物。这可能就像在前往火星的航天器上使用特定的建筑材料一样简单。所有这一切都表明，“生病航天器”的问题甚至可以在它到达发射台之前得到部分解决。
但喷气推进实验室的微生物学家、该项目的首席研究员卡斯图里·文卡特斯瓦兰最兴奋的是在运输过程中可能采取的保护措施。虽然目前的样本正在送回地球，但他指出，宇航员需要在未来的任务中取消中间环节。“当我们一路前往其他行星时，你没有联邦快递来送回样本，”文卡特斯瓦兰说。虽然科学家们确实有能力在国际空间站上进行基因组分析，但这个过程并不是特别快，而且一旦发生危险的疫情爆发，每一刻都可能至关重要（想想看，从新冠肺炎 PCR 检测中获得结果通常需要多长时间）。“你想确保你能掌握情况——正如我们现在都非常清楚的那样，一些小虫子可能会把你的世界搞得一团糟，”科罗拉多大学博尔德分校的太空微生物学家大卫·克劳斯说。
为了解决这个问题，鲁宾在空间站扫描分析中使用的拭子是双头的。一端收集微生物用于简单检测，而另一端旨在捕获它们的代谢物——微生物的天然化学副产品。一旦文卡特斯瓦兰和他的同事创建了一个将特定微生物与某些代谢物联系起来的数据库，他们就可以构建小型生物传感器，专门寻找代谢物。想象一下，一个手持设备可以诊断航天器上是否存在细菌或真菌，并立即向宇航员发出疫情爆发警报——类似于一氧化碳探测器。
来自这样一个系统的通知（文卡特斯瓦兰怀疑这将需要 5 到 10 年才能成为现实）将引发立即行动——因为宇航员将加强他们的清洁规程，以防止机载疫情爆发。“这将有助于更好地维护未来的栖息地，”文卡特斯瓦兰说。国际空间站上的宇航员已经努力工作以控制微生物组的数量。他们每周都会用吸尘器清洁通风口，并用消毒湿巾擦拭表面。奥农-校长估计，当她在轨道上时，机组六名宇航员中的每人每周大约花费三个小时进行清洁。国际空间站总共只有 388 立方米（大约相当于波音 747 客舱空间的一半）的可居住体积每周就要花费 18 个小时进行清洁，这似乎有些过分。但考虑到国际空间站的独特情况，所有这些消毒都是必要的。“在上面，食物不会掉到地板上，”她说。“食物会飘到天花板上。食物会粘在墙壁上。食物无处不在。所以这是 3D 清洁。”
这种认真的清洁工作让一些科学家对前往火星途中爆发疫情的担忧不以为然。“我不认为细菌的影响对于长期太空飞行来说真的是一个很大的障碍，因为证据表明并非如此，”克劳斯说。“我们已经有人在国际空间站（ISS）上与轮换的机组人员持续生活了 20 多年。而且那里没有发生过任何形式的疫情爆发。”奥农-校长指出，仅仅发现危险细菌并不值得恐慌——只有当微生物使宇航员生病时才值得担忧。“我更多地将其视为一种识别和提醒，”她说。“然后我们只是在观察、绘制地图并等待观察这些细菌在那种压力环境下会做什么，”她补充道。
但文卡特斯瓦兰担心的不仅是宇航员的风险，还有他们访问的任何外星目的地受到微生物污染的可能性。“宇航员基本上是地球的病原体，”奥农-校长说。“他们是一个新的微生物组，突然踏上了火星。即使他们走出去的宇航服也会在宇航服的材料表面带有他们自己任务的微生物组。”如果科学家能够更好地绘制宇航服上的微生物组图，他们也许也能更好地清洁它。文卡特斯瓦兰希望这项研究甚至能帮助科学家设计出更高级的宇航服，其关节可以防止最微小的微生物泄漏。
独特的应用还不止于此。对于国际空间站美国国家实验室高级项目主管利兹·沃伦来说，所有这项研究最诱人的方面与太空几乎无关。任何部分封闭的环境——房屋、飞机、医院——都将有自己的微生物组。因此，学习如何防止某些微生物在太空中茁壮成长（或者如何在它们茁壮成长时阻止它们）为地球上类似的环境提供了有益的经验。例如，考虑另一个在国际空间站上运行的项目，该项目测试了波音公司生产的抗菌涂层的功效。其理念是，如果这些涂层在太空（微生物可能危险得多）中有效，那么它们在地球上也有效。简而言之，国际空间站本身就是一个令人难以置信的实验室。“你在地球上做不到这一点——你无法将重力排除在外，”克劳斯说。“拥有微重力有点像第一次以不同的方式拥有显微镜。你看到了你原本看不到的行为。”