在一项具有里程碑意义的研究中，美国宇航局的科学家对斯科特·凯利在2015-2016年期间在国际空间站进行的艰苦的342天巡视期间进行了详尽的测试。他们同时监测了他同卵双胞胎兄弟马克（一位当时在地球上的退役宇航员），希望通过对比揭示关于长期太空飞行对人体影响的新信息。
周四在《科学》杂志上发表的美国宇航局双胞胎研究结果显示，斯科特·凯利经历了一系列的生理变化，其中大多数在他返回地球后恢复到飞行前状态。这些发现可能有助于为未来的长期任务（如火星旅行或月球轨道空间站的驻扎）做准备。
加州大学圣地亚哥分校的分子遗传学家、该研究的共同作者布林达·拉纳说，该研究是第一个将行为分析和生理学相结合来研究太空如何影响人的研究，也是第一个收集一位中年地球人两年如此全面的健康数据的研究。
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“从很多方面来说，这都是最好的科学，因为它利用自然发生的事情来试图理解因果关系，”行为遗传学家S.亚历山德拉·伯特说，她共同指导密歇根州立大学双胞胎登记处，并且没有参与这项研究。“我认为这是一个独特的事件，他们出色地利用了它。”
凯利说，他最初在为国际空间站任务做准备时提出了这项研究。“我说，‘嘿，如果有人问到任何关于我和我兄弟马克（因为我们是同卵双胞胎）的计划研究，有没有人对此感兴趣？’”他说。他最初被拒绝了，但他表示美国宇航局的科学家最终与几所大学进行了交谈，“他们发现实际上有很多人感兴趣。”双胞胎研究就这样开始了。
近两年里，兄弟俩都提供了尿液、粪便和血液样本，研究人员将其用于10项独立调查，涉及长期太空飞行的分子、生理和认知影响。许多研究人员之间的密切协调至关重要。“美国宇航局从全国各地召集了10名研究人员——其中大多数人互不认识——并将我们放在一个房间里，让我们团结协作，成为一个有凝聚力的团队来执行这项任务，”拉纳说。从国际空间站上的宇航员身上采集此类样本的内在困难意味着研究人员必须使用相对稀少的材料。“我们必须制定出所有研究都能有效使用一个样本的方案，”拉纳说。这项研究还促使研究人员创新了研究太空生理学和遗传学的新方法。“它帮助我们推动了技术的发展，不仅可以进行近地轨道实验，还可以进行未来的活动，如探索任务，”KBRwyle的心血管科学家、共同作者斯图尔特·李说。
凯利必须自己抽血，并收集自己的尿液和粪便。“当然，在太空中往袋子里小便更复杂，因为一切都会漂浮，”他指出。“但最重要的是，这需要时间。宇航员有时会几乎下意识地尽量不在收集尿液的日子里喝那么多水，因为小便需要时间。”这在结果中得到了反映：研究人员发现凯利一直处于轻度脱水状态，这是长期任务中宇航员的常见现象——科学家们实际上认为这是因为宇航员对复杂的机载厕所感到厌烦。
研究发现凯利在飞行期间一直处于近乎恒定的生理压力之下。他的免疫系统处于高度警惕状态；他的DNA表达发生了变化；他的颈动脉扩张了。他还出现了“太空飞行相关神经眼综合征”，或称 SANS——这是一种涉及眼睛变化的疾病，其病因尚不清楚。而且，他的血液不再被重力拉向腿部，而是聚集在了头部。“一开始，情况最糟糕，”凯利说。“你的身体会随着时间的推移适应它，但以我的经验来看，它永远不会完全适应。我总是感到头部有压力。”
在飞行期间，凯利的端粒——重复核苷酸的保护序列，像鞋带上的塑料头一样“帽”住每个染色体的末端——变得更长了。“这当然是一个惊喜，因为在研究开始时，我们提出了完全相反的假设，”科罗拉多州立大学的生物学家苏珊·贝利说，她负责该研究的端粒调查。端粒会随着年龄的增长而缩短，而一种叫做端粒酶的酶会修复并延长它们。贝利说，宇航员暴露在微重力、隔离和辐射的极端压力下，应该会导致端粒缩短。她怀疑凯利在国际空间站上高度规范的饮食和锻炼计划可能导致了端粒延长，或者这种现象可能表明他在太空飞行期间的细胞群正在发生变化。“展望未来，我认为我们会尝试将这些端粒终点纳入对宇航员进行的一些标准测量中，以便我们能够直接解决这个问题，”她说。
在凯利返回地球后，大多数生理、基因表达和其他变化在六个月内恢复正常。但仍然有一段适应期。“当你回到地球时，所有血液都想聚集在你的腿部，”他说。“这种情况持续了我几个星期。”他的皮肤也不再适应重力，一旦受到任何压力就会出现皮疹和荨麻疹。即使靠在桌子上也会引起反应。但他最终还是重新调整了，这是一个充满希望的迹象，表明宇航员在太空长期停留后对健康可能不会有持久的危险。也就是说，重要的是要注意前往火星或其他长途探索提出了额外的担忧：辐射。国际空间站上的宇航员仍然在一定程度上受到地球磁场的保护，免受宇宙射线的侵袭；而火星任务则会将他们暴露在更高水平的银河辐射下，李说。
研究作者警告说，鉴于样本量极小， “不可能归因于因果关系”。他们写道，这项研究应该是“假设生成和框架定义”的，未来的宇航员研究将补充这项工作。“这都是真的，”伯特说。但她补充说，让一个基因相同的受试者回到地球上，比其他研究更能强烈地假设因果关系。凯利同意：“当然，这是一个n为 1 的实验，”他说。“但他们没有看到任何会阻止我们前往火星的事情。”然而，他补充说，“如果我们打算超越火星”——要求宇航员在微重力环境下停留多年——“我们将不得不开始考虑人工重力。”