张田勘
近段时间，美国女宇航员苏尼·威廉姆斯成了地球人颇为关心的“太空人”。滞留在国际空间站近半年的她在流传出来的照片上变成了“锥子脸”，面容憔悴，有医生认为她的体重正在迅速下降。11月12日，威廉姆斯通过视频回应称，她的健康无碍，“锥子脸”的原因是由于“体液转移”，其体重与进入国际空间站时一样，还通过健身增加了肌肉。
关于威廉姆斯的实际健康状况不得而知，但人在地球和在太空的身体情况和生理机制的确是大不相同的。针对这方面的科学研究已有一些结果，同时仍有很多谜题有待科学家解开。
“体液转移”会不会形成“锥子脸”
虽然威廉姆斯发视频称自己一切正常，但有媒体报道，美国航空航天局（NASA）一名“直接参与此次任务”的匿名员工透露，威廉姆斯滞留国际空间站期间“无法满足宇航员必须摄入的高热量饮食，现在她瘦得皮包骨，当务之急是帮助她稳定体重，并希望扭转这种局面”。
太空环境具有超低温、强辐射、微重力和高真空等特点，还有高速运动的尘埃、微流星体和流动星体，对于人类而言是特别危险的环境。首先，长时间身处太空，无论是在飞船还是空间站上，宇航员的肌肉、骨骼和器官都会受到超低温、强辐射、微重力和高真空等环境因素的影响，随着滞留时间延长，体重的减少是必然的，只是或多或少而已。
威廉姆斯说她看起来消瘦只是因为“体液转移”，那么，“体液转移”是怎么一回事呢？
体液转移在太空中经常发生。地球上的重力环境会使人的体液主要集中在下半身，但在太空的微重力环境中，体液会更多地分布于上半身，可能导致脸部肿胀和腿部消瘦。也就是说，体液转移会让头面部更大，显得更胖，却不太可能形成“锥子脸”。
说到胖瘦，在太空中，传统的压力式体重秤是无法使用的，宇航员通常用一种特殊的质量测量仪来称重。质量测量仪采用直线加速度原理，依据牛顿第二定律来确定航天员的质量。测量时，航天员要固定在人体支架上，然后被推至特定位置，支架在复位过程中，由恒力机构（由凸轮、弹簧、定滑轮和钢丝绳等部件构成）施加一个恒定的力，促使航天员进行匀加速直线运动。在已知恒力的情况下，通过公式来计算质量。如果威廉姆斯在空间站使用这种测重方法，发现体重并没有大幅降低，则大概率表明她的身体没有大问题。
此前有研究表明，由于宇航员的骨骼不像在地球引力作用下那样承受重力负荷，所以骨骼会慢慢脱钙并变得脆弱。平均来看，宇航员在太空中每个月会损失1%至2%的骨量，6个月最多损失10%（在地球上，老年男性和女性的骨量损失率为每年0.5%至1%）。这种情况可能增加宇航员骨折的风险，并延长骨折愈合时间。返回地球后，部分宇航员的骨量可能需要长达4年才能恢复正常。
因此科学家认为，宇航员要保证安全，首先要避免肌肉和骨量流失。根据身体训练计划，宇航员每天要进行2.5小时的运动和高强度训练，包括使用安装在国际空间站健身房中的阻力运动装置进行一系列深蹲、硬举、划行和仰卧推举，以及定期在跑步机和健身自行车上锻炼。在饮食上，宇航员还需服用膳食补充剂，尽可能保持骨骼健康。
当地时间2024年7月28日，美国女宇航员苏尼·威廉姆斯在国际空间站进行身体锻炼。
宇航员可能面临哪些太空风险
目前在太空连续停留时间最长的宇航员是苏联的列里·波利亚科夫，为438天，美国宇航员弗兰克·卢比奥连续停留了371天，紧随其后的是美国宇航员斯科特·凯利，连续停留了340天。斯科特还有一位孪生哥哥马克·凯利，他们的基因相同。因此，科学家通过对这四人和其他宇航员的对比，完善了“天上”“地下”的对照研究，获得的研究结果更有说服力，科学证据也更强。
其中，对斯科特双胞胎的对照研究是全方位的，且持续了3年多。2019年4月12日《科学》杂志发表了NASA一份长达20页的研究报告。该研究设计了10个项目，包括双胞胎宇航员的认知能力、生化水平、表观遗传学、基因表达、免疫系统、代谢能力、微生物组、蛋白质组、生理学和端粒长度，有来自12所大学的80多名科学家共同参与。
研究总体结果表明，宇航员长期生活在太空环境下，从微观的分子和基因到具体的生理和行为都会产生种种改变，而且，这些变化大多是有风险的。根据风险的大小，由高到低可分为3级。
在太空中的高级风险是基因和分子变化。比如，斯科特一些细胞里的染色体片段发生了突变、倒置，特别是与免疫系统有关的基因表达出现了异常。另外，他的染色体上的端粒也发生了变化，在太空期间端粒明显延长，在回到地球后端粒又加速缩短。斯科特回到地球后，基因中大约90%的变化复原。
太空中的辐射、零重力环境等是造成斯科特基因突变的重要原因，尤其是能穿过细胞的高能宇宙粒子。斯科特在2015年至2016年完成任务的太空站，正好处于高能带电粒子范艾伦辐射带下方，辐射量是地球的48倍。在地球上造成对斯科特这样的基因损伤大约要50年，但在太空的辐射环境中，只需不到1年时间。而且，在太空中出现端粒变长，并不意味着斯科特的寿命可能延长（在地球上，端粒决定细胞分裂的周期和长度，端粒长寿命也长），因为这是一种受太空环境影响的突然变化。斯科特在返回地球后，其端粒迅速复原并缩短，但科学家认为他仍有加速衰老的风险。
在太空中的中级风险是有心血管方面的改变和未来潜在的病变。宇航员处于失重状态时，体液分布与在地球上有很大不同，可能影响到心血管的生理功能。研究发现，斯科特的颈动脉出现扩张，颈动脉壁的最内两层出现增厚；视网膜脉管系统也有一定异常变化，可能会导致未来潜在的心脑血管疾病和视力障碍风险。
在太空的低级风险主要体现在肠道菌群变化、体重变化、认知能力下降等方面。在人体内，超过90%的肠道菌群来自厚壁菌和拟杆菌。通过比对斯科特在太空中的肠道菌群发现，其厚壁菌变得更多，拟杆菌数量则有所降低，当返回地球后，两种细菌数量之间的比例逐渐恢复正常。斯科特的认知能力刚好相反，在太空正常，返回地球后反而有所下降，一段时间后才恢复正常。虽然斯科特在太空逗留了340天，但其体重仅减少了7%，这是因为他执行了严格的体能训练计划，并在饮食上限制了热量摄入。
研究人员认为，由于这些变化都是太空环境造成的，所以研究这些变化，有助于制定在太空较长期驻留的应对措施，从而为人类能否长驻太空提供更多更扎实的科学依据。
线粒体DNA因何损伤仍不清楚
当然，对于宇航员的研究不只限于斯科特兄弟。美国西奈山伊坎医学院等研究机构人员采集了14名NASA宇航员的血液样本，他们于1998年至2001年间在国际空间站执行了5-13天的任务。他们的血液样本被采集了3次，发射前10天一次，返回当天和返回3天后各一次。
这项研究的目的是了解在太空的辐射暴露和零重力会给宇航员身体带来什么变化。研究结果显示，所有14名宇航员在返回当天和3天后，血液中自由漂浮的线粒体DNA水平均有所增加，比太空旅行前高出2-355倍。
线粒体DNA漂浮是指线粒体DNA从细胞中释放了出来。人体细胞的DNA并非只有细胞核DNA，还有细胞质中的线粒体DNA。线粒体是为细胞提供能量（如三磷酸腺苷）的细胞器，每个细胞中（红细胞除外）有1000-10000个线粒体，每个线粒体内有2-10组线粒体DNA，而每个线粒体DNA又包含16569个碱基对，其中有37个基因可用来制造13种蛋白质、22种转移核糖核酸与两种核糖体核糖核酸。
研究人员还不能解释为何在太空中待了几天，宇航员体内的线粒体DNA就被大量释放到细胞外。在地球上，只有细胞受到损害或有应激反应时，才会出现这种情况。况且大量释放的线粒体DNA不仅对细胞本身有害，若出现在身体其他部位，还可促发炎症。
有研究者认为，这项研究规模较小、样本少，而且时间短，不足以全面反映宇航员因太空环境带来的身体变化。但由于该研究观察到了宇航员线粒体DNA释放到细胞外的现象，至少可以在一定程度上证明太空环境损伤线粒体DNA的可能性。
进一步看，线粒体DNA的功能是否正常也与疾病和遗传有关。线粒体疾病是由线粒体DNA（基因）或细胞核DNA（基因）缺陷导致的线粒体功能障碍或结构异常所引发，是最常见的先天性代谢缺陷疾病。研究证明，线粒体DNA只通过母系一脉传递，男性线粒体只伴随个体一生，不会遗传给后代。也就是说，男性虽然能从母亲那里继承线粒体DNA，但不会遗传给后代。
随着包括威廉姆斯在内的女宇航员纷纷进入太空，未来对她们的研究或许能进一步了解太空环境对线粒体DNA究竟有没有损伤、损伤是否可逆，以及线粒体DNA遗传的特性会不会发生变化。
对男宇航员的基因活动干扰更多
那么，男性和女性在太空中谁的“反应”更大呢？
2024年6月发表的一项研究提示，男性和女性宇航员的免疫系统在太空中会有不同变化。研究人员利用2021年秋天在太空飞行不到3天的SpaceX公司“灵感4号”任务人员身上获得的基因样本数据，确定了与免疫系统、衰老和肌肉生长相关的18种蛋白质变化。
研究人员将他们的基因与之前执行任务的其他64名宇航员的基因进行比较后发现，与飞行前相比，3种在炎症中发挥作用的蛋白质表达有所变化。其中，男性体内的白介素6和白介素8受到的影响比女性更大。其中，白介素6的功能是控制炎症，白介素8的功能是把免疫细胞输送到感染部位。男宇航员体内一种参与凝血的蛋白质纤维蛋白原，也比女宇航员受到的影响大。这些结果提示，男性在太空中的基因活动会受到更多干扰，返回地球后需要比女宇航员更长的时间才能恢复常态。
此外，从太空返回地球后，男宇航员的精子数量会减少，经过一段时间能恢复正常水平。至于太空辐射是否影响女性生育力，根据女宇航员们返回地球后的生育情况来看，目前大部分观点认为是不影响的。还有研究表明，在太空环境中女性身体应对压力的主要方式是减少血浆含量，而男性身体主要靠增加血管阻力来应对压力。血浆含量的减少会增加女宇航员的基础代谢水平，也就相应要求提高能量摄入，否则体重会快速减轻，以弥补热量缺口。
尽管航天器和空间站都有针对太空辐射的屏蔽装置，但太空带来的未知变化仍有很多。所以，在把人类送到月球、火星或进行太空旅游之前，科学家需要更多地了解强辐射、高真空、微重力、超低温以及封闭空间和不稳定睡眠周期等给宇航员带来的影响，从而提前或在后期找到有效的弥补措施，尽量将这些影响降到最低，以便人们能够在进入太空之前、其间和之后更好地保护生命和健康。
