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美国国家航空航天局的两名宇航员的心态崩了，本来只计划出差 8 天，谁想到，由于飞船推进器故障和氦气泄漏等问题，8 天一不留神变成了 8 个月。不过下面这个消息可能会让他们更崩溃，最近科学家发现，在太空中滞留超过 1 一个月，宇航员的心脏不仅会衰老，还会“跳不齐”。
众所周知，太空环境十分复杂，辐射、失重等环境都会对宇航员的健康造成影响。如何能更精准地研究太空环境对人体的影响，而又不“消耗”宇航员，一直是科学家苦恼的问题。为了研究太空环境对心脏的影响，约翰霍普金斯医学院的科学家拿出了“心脏芯片”的解决方案。
所以，“心脏芯片”是个什么技术？它跟人类的心脏一样吗？
“心脏芯片”是一种体外实验系统，使用工程化的心脏组织，模拟人体内的心脏功能和行为。具体来说，该技术包括以下几个关键步骤：创建心脏组织：研究人员首先利用人诱导多能干细胞（iPSCs），将其分化成心肌细胞。这些细胞是心脏的主要组成部分，负责心脏的收缩和跳动。在组织设计过程中，研究人员这些心肌细胞，组成6组样本串在成对柱子间。每对柱子中一个是柔性的，另一个是坚硬的，同时在柔性柱子中嵌入磁铁。
第二步用密封的腔室包裹之前创建好的心脏组织，这样培养组织的液体介质就不会漂浮在太空中。最后，这些含有组织的腔室被装载到培养板上，磁传感器位于其下方。通过传感器，研究人员可以收集心脏组织收缩的信息，检测心脏组织的收缩强度是否有所减弱。
接着，他们将“心脏芯片”系统安装在大约手机一半大小的房室里。这个系统随样本组织登上国际空间站后，研究人员可以通过传感器实时监测组织收缩情况和跳动模式强度。当然，为了进行比较，他们还监测了一组留在地球上的组织。
结果研究人员发现，这些组织仅在国际空间站停留12天，收缩强度就几乎减半，即使在返回地球9天后，这种减弱仍然很明显。而地面样本的收缩强度则相对稳定。
此外，在太空中，随着时间推移，组织的搏动变得更加不规则，到第19天，组织每次搏动间隔增加了5倍以上。不过，这种不规则搏动在组织返回地球后就消失了。还记得我们开头提到的，此刻仍然在太空飘着的那两位宇航员么？他们心血管可能正在承受这种压力，这下好了，长时间待在太空，不仅精神状态不稳定，连心脏都不稳定了。不过好在，等明年返回地球后，这个情况应该会得到缓解。
我们接着说这个实验，在组织返回地球后，研究人员利用透射电子显微技术观察了负责控制肌肉收缩的组织肌节，发现，与留在地面的组织的肌节相比，它们变得更短、更无序，这是人类患心脏病的一个标志。此外，在国际空间站停留30天的组织内的线粒体作为能量工厂，变得更大、更圆，并失去了帮助细胞利用和产生能量的特征褶皱。
当研究人员对组织样本的RNA进行测序时，发现在国际空间站停留过的组织中，与炎症和心脏病相关的基因和信号通路的表达增加，同样，这也是患心脏病的标志。这进一步表明心脏细胞在太空环境中经历了严重的压力或功能障碍，可能导致能量产生受损，进而导致心脏细胞收缩力减弱和整体细胞健康下降。
2023年，研究人员将第二批3D工程心脏组织送往空间站，用来筛选可能保护细胞免受低重力影响的药物。到目前为止，这项研究仍正在进行中，根据科学家的说法，这些药物可能有助于人们随着年龄的增长保持心脏功能。
你以为在太空出长差，对身体的伤害到这里就结束了？
2024年2月4号，59岁俄罗斯宇航员奥列格·科诺年科，在北京时间16时30分08秒，打破另一名俄罗斯宇航员根纳季·帕达尔卡累计在太空停留878天11小时29分48秒的世界纪录，成为在太空累计停留时间最长的人。
美、俄都对长时间在太空停留的宇航员进行了大量研究，美国国家航空航天局（NASA）发布的报告显示，进入太空后，宇航员首先面临的挑战是失重导致血液和其他体液回流到胸腔和头部，宇航员出现面部浮肿、颈部静脉曲张、鼻咽部堵塞等情况。通常而言，这类情况在刚进入太空的前几天最为明显，但是如果你看到使用了“大头特效”的宇航员，也千万别慌张，因为这些情况会随着人体对失重环境的适应在一定程度上逐渐缓解。
其次，宇航员长时间在失重或微重力环境下停留，会出现明显的肌肉萎缩和骨骼钙流失的情况，即使再威猛的体格，长时间在太空停留也很难不变成“脆皮体质”。
这是由于腿骨、脊椎骨等承重骨骼受到的压力骤减，同时肌肉运动减少后，对骨骼的刺激也相应减弱，导致骨质大量脱钙并经肾脏排出体外。近年的研究显示，加强锻炼能在一定程度上减缓这些影响。所以为了避免肌肉萎缩，即使在国际空间站，宇航员也必须完成日常训练计划：每天至少在跑步机跑步或者做其他器械运动两小时。果然，运动不仅要练到家，还要练上天。
我们刚才提到的俄罗斯宇航员科诺年科在接受采访时就说，为了对抗失重对身体的影响，他定期进行锻炼。此外，俄罗斯宇航员还会服用特殊药物。但即使是服用药物加严格自律进行运动，也不能彻底解决这些问题。
加拿大卡尔加里大学的运动科学家2022年的研究报告显示，在太空环境下生活约6个月的宇航员，可以在回到地球1年后恢复之前的骨骼强度。而在太空中生活时间较长的宇航员会出现永久性骨质流失。好吧，离“永久脆皮打工人”又进了一步。
但其实太空对人体的伤害远远没有停止……太空环境的太阳风和宇宙射线也会对人体造成伤害。NASA的研究报告显示，在400公里高度的国际空间站内部，宇航员每天暴露在超过0.5毫希沃特的辐射剂量下，12天内受到的辐射剂量就相当于客机机组一年内受到的辐射。但好在，这些辐射剂量对于人体的伤害并没有我们想象中那么大。
还记得我们开头说了什么吗？在太空滞留超过1个月，心脏就会衰老、“跳不齐”，虽然太空对人体衰老的影响对于宇航员来说不是什么好消息，但太空环境对于帮助我们了解衰老相关机制却非常有用。这些影响在宇航员处于微重力状态后的很短时间内就可以观察到，而如果我们在地球上研究动物的衰老模型，需要几年甚至几十年才能捕捉到随着时间和衰老效应而发生的一些变化。
从1961年人类历史上第一个进入太空的英雄尤里·加加林，乘坐“东方一号”宇宙飞船成功飞入太空，绕地球一周的那句“地球，你好美”。到1969年踏上月球的尼尔·阿姆斯特朗“月球上的一小步，人类的一大步”，再到后来我们中国首飞太空第一人杨利伟的那句“感觉良好”……他们无疑都是伟大的宇宙“硬核玩家”，代表了人类的勇气和探索精神，为人类的科技、医学等领域做出了卓越的贡献。
最后，也希望现在仍在太空被迫出长差的两位宇航员，虽然无法稳定心跳，但尽量稳定情绪，安全、顺利、按时返回地球。
本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
作者：马宁
审核：周炳红 中国航天科普大使 研究员
出品：中国科协科普部
监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司
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