当人类进入太空时，他们并非独自旅行。他们带着他们的微生物一同前往——科学才刚刚开始揭示太空飞行如何影响生活在人体内和体表的庞大微生物群落，即微生物组。今年 4 月，作为其双胞胎研究的一部分，NASA 报告了宇航员斯科特·凯利在国际空间站（ISS）的马拉松式驻留期间其微生物组发生的变化。现在，参与该研究的科学家们发表了新的研究，表明低地球轨道对在 ISS 和航天飞机上执行其他任务的小鼠的肠道细菌产生了持续的影响。小鼠的微生物组对太空飞行的反应与凯利相似。
微生物组在人类健康和新陈代谢中起着复杂的作用。自 2007 年人类微生物组计划启动以来，科学家们发现肠道细菌对免疫力、心理健康以及对宇航员至关重要的骨密度调节产生深远影响（宇航员平均每月在太空会损失高达 2% 的骨密度）。该研究的合著者、西北大学的昼夜节律生物学家弗雷德·图雷克说，因此，了解微生物组在太空旅行中的行为方式是为宇航员进行长期火星及更远任务做准备的重要组成部分。
在该论文中，该论文上个月发表在微生物组期刊上，科学家们发现，在不同任务中观察到的小鼠微生物组的变化彼此相似，并且研究小组开始专注于找出太空飞行的哪些方面导致了这些变化。该研究的主要作者、西北大学系统生物学家彭江开发了一种新的工具，用于分析来自多个实验的微生物组数据，这使他和他的同事能够比较 2014 年在 ISS 上的小鼠的结果与三年前在航天飞机上旅行的小鼠的数据。在每个实验中，动物都被关在专门为太空旅行设计的笼子里，并喂食一致的饮食。研究人员收集了粪便样本，并对内部微生物的基因组进行了测序。江说，他和他的同事在分析中纳入了不同物种、属和其他细菌类群的丰度和多样性信息。
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在两次任务中——2011 年亚特兰蒂斯号航天飞机的最后一次任务和 2014 年国际空间站的首次啮齿动物研究任务中——小鼠微生物组的群落结构发生了变化，并且厚壁菌门与拟杆菌门的比率增加，这两个细菌门加起来占肠道微生物的 90% 以上。在太空中度过的一年里，凯利的微生物组也经历了类似的变化，然后在他回到地球后恢复正常。先前在人类和小鼠中进行的微生物组研究已将厚壁菌门与拟杆菌门比率的升高与饮食变化、肥胖和人类衰老联系起来。在新论文中，微生物经历了代谢变化，开启了参与发酵的基因，并关闭了参与呼吸作用的基因。这些变化对长期太空任务的影响尚不清楚。
为了找出可能导致这些变化的原因，江和他的同事将来自国际空间站和航天飞机任务中进行的小鼠研究的数据与在地球上进行的实验的结果进行了比较。在后者中，研究人员使小鼠暴露于高剂量的辐射，以模拟其对遥远太空任务期间微生物的影响。在新研究中，研究人员看到了与在地球上进行的辐射实验中观察到的不同的微生物组变化。他们认为，造成这种结果的原因是，国际空间站和航天飞机任务中的小鼠仍然位于磁层（被地球磁场捕获的带电粒子区域）的保护部分内，该磁层保护我们的星球免受宇宙辐射，称为范艾伦带。“国际空间站的辐射暴露类型和程度不太可能与深空任务中的相似，”乔治敦大学系统生物学家阿姆丽塔·奇玛说，她合著了地球上的辐射研究之一，但没有参与新的论文。奇玛说，需要进行更多的研究来确定辐射对更远距离任务中宇航员微生物组的影响。西北大学的遗传学家玛莎·维塔特纳，也是微生物组研究的合著者，对此表示赞同。“仅仅因为我们在低地球轨道上看不到像辐射的东西并不意味着它不是一个问题，”她说。
维塔特纳说，长时间处于微重力状态下的压力是造成在国际空间站和小鼠中观察到的微生物组变化的最可能原因。“如果不是辐射，那么你接下来显然会怀疑的是微重力，”她说。佛罗里达大学的宇宙生物学家杰米·福斯特没有参与这项研究，他也同意这种观点。“在地球演化的四十五亿年里，我们一直受到重力的影响，”她说。“某种因素导致了这种群体变化，如果说突然处于这种全新的微重力环境中带来的压力，我不会感到惊讶。”这是否意味着肠道中的微生物正在经历微重力并直接对其做出反应？或者说微重力正在小鼠身上引起应激反应，从而对它们的微生物产生连锁反应？这可能是两者兼而有之。“微重力会对微生物的生理机能甚至基因表达产生影响，”福斯特说。她补充说，可能是微生物自身在生理上经历着某些事情，或者它们正在对小鼠的变化做出反应。
当人类前往深空时，将如何解决微生物组的问题以及其他相关问题将成为未来研究的重点。维塔特纳说，她和她的同事正在分析最近在国际空间站上度过了两个多月的小鼠的数据。她断言，研究人员将能够提出诸如以下问题：微生物组变化的速度有多快？在太空飞行期间，它是否会持续变化？“我们可以开始思考‘我们如何将其推断到更长期的任务中？’”维塔特纳说。