有一种力量如此深刻地影响着我们每天的生活以至于我们很可能不认为它很重要：重力（gravity，或者说万有引力）。重力是导致物体质量之间引力产生的力量。这就是为什么当你放下一支钢笔时，它落在地上。但是，由于万有引力与物体的质量成正比，仅像行星等较大的物体产生明显的引力。这就是为什么对重力的研究传统上集中在像行星这样的庞大物体上。 免受重力的控制 直到探索者到太空旅行时，地球上的生物才会在微环境下度过时间。 科学家们已观察到从太空返回的宇航员长得更高些，而且具有显著下降的骨质和肌肉质量[1]。令人好奇的是，研究人员开始比较动物和宇航员在太空旅行之前和之后的血液样品和组织样品[2]以便评估重力对生理学性质的影响。在很大程度上是无重力的国际空间站（International Space Station）环境中的宇航员科学家已开始研究细胞在太空中如何生长[3]。 不过，这个领域的大多数实验实际上是在地球上利用模拟的微重力开展的。通过在离心机中快速地旋转物体（如细胞），你能够产生这些重力下降的条件。 我们的细胞经过进化已适应存在重力的环境中的力量；如果它们突然免受重力的影响，事情开始变得奇怪起来。 在细胞水平上检测力量  图片来自Efazzari, CC BY-SA
我们的细胞需要有检测这些力量的方法。被广泛接受的机制之一是利用机械敏感性离子通道来进行检测。这些离子通道是位于细胞膜表面上的孔，依赖于它们检测到的力量，让特定的带电荷分子进出细胞[4]。 作为这类机械敏感性受体的一个例子，PIEZO离子通道在几乎所有细胞中发现[4]。依赖于它们在体内的位置，它们协调触觉和痛觉。比如，捏一下手臂会激活感觉神经元中的PIEZO离子通道，让它打开通道。在几微妙内，钙离子等离子进入细胞中，传递手臂被捏了的信息。这一系列事件最终以手臂收回告终。这种力量检测是至关重要的，这样细胞能够快速地对环境条件作出反应。 当重力不存在时，这些作用于机械敏感性离子通道上的力量失去平衡，导致异常的离子迁移。离子调节着很多细胞活动；如果它们在应当去的时候没有前往它们应当去的地方，那么细胞就会陷入混乱。蛋白合成和细胞代谢受到破坏。 在不存在重力时的生理学性质 在过去的三年里，研究人员已仔细地梳理哪些类型的细胞和身体系统受到微重力的影响。 大脑：从二十世纪八十年代以来，科学家们已观察到重力的缺乏会导致上半身中的血液滞留时间增加，因此增加大脑中的血压。近期的研究提示着这种增加的血压降低神经递质释放[5]。神经递质是脑细胞用来通信的关键分子。这一发现已促进人们研究从太空返回的宇航员存在的常见认知问题，如学习困难[6]。 骨骼和肌肉：太空的失重状态能够导致每个月减少1%以上的骨质，即便对已经历严格锻炼计划的宇航员而言，也是如此。如今，科学家们正在利用基因组学（研究DNA序列）和蛋白组学（研究蛋白）上取得的进展来鉴定骨细胞代谢如何受到重力的调节[7]。在重力缺乏时，科学家们已发现负责骨形成的细胞类型受到抑制。与此同时，负责骨降解的细胞类型被激活。总之，这会加快骨质流失。研究人员也已鉴定出控制这些过程的一些关键分子[2]。 免疫系统：宇宙飞船遭受严格的消毒以便阻止外来有机体的进入。不过，在阿波罗13号任务期间，一种机会性病原菌感染了宇航员Fred Haise[8]。这种病原菌，即铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa），通常仅感染免疫缺陷的人。这一插曲让人们对免疫系统如何适应太空感到特别好奇。通过比较宇航员在执行他们的太空任务之前和之后的血液样品，研究人员发现重力缺乏会减弱T细胞的功能[9]。T细胞是一类特定的免疫细胞，负责抵抗一系列疾病，如普通感冒和致命性败血症。 弥补重力的缺乏 美国宇航局（NASA）和其他的航天机构正在投资支持将让人进行更长距离的太空旅行的策略[10]。找出如何承受微重力将是这些策略的一个重要的部分。 当前克服重力缺乏的最好方法是以另一种方式（通过锻炼）增加细胞的负载。宇航员通常每天花费至少两个小时在跑步和举重以便维持健康的血容量，降低骨质和肌肉丢失[11]。不幸的是，严格的锻炼仅能够延缓而不能够完全阻止宇航员健康的恶化。 服用补充剂是研究人员正在研究的另一种方法。通过大规模基因组学和蛋白质组学研究，科学家们已成功地鉴定出受到重力影响的特定的细胞-化学物相互作用[2]。如今，我们知道重力影响控制细胞生长、分裂和迁移等过程的关键分子。比如，在国际空间站微重力环境下生长的神经元具有更少的神经递质GABA（即γ-氨基丁酸）受体[5]。神经递质GABA控制着神经运动和视力。加入更多的GABA会恢复功能，但是其中的确切机制仍然是未知的。 NASA也正在研究加入益生菌（probiotics）到太空食物中增强宇航员的消化系统和免疫系统是否可能有助阻止微重力的负面影响[12]。 在太空旅行的早期，首批挑战之一是找出如何克服重力，这样火箭能够挣脱地球的引力。如今，所面临的挑战是如何抵消重力缺乏导致的生理学影响，特别是在长期的太空飞行期间。 参考资料： 1.Physical and Psychological Challenges of Space Travel: An Overview Psychosomatic Medicine, November/December 2001, 63(6):859-861 2.Proteomics and genomics of microgravity Physiological Genomics, Published 1 August 2006, 26(3):163-171, doi:10.1152/physiolgenomics.00323.2005 3.Using space-based investigations to inform cancer research on Earth Nature Reviews Cancer, May 2013, 13:315-327, doi:10.1038/nrc3507 4.Micro- and nano-technologies to probe the mechano-biology of the brain Lab on a Chip, 2016 May 24, 16(11):1962-1977, doi:10.1039/c6lc00349d 5.Effects of simulated microgravity on the expression of presynaptic proteins distorting the GABA/glutamate equilibrium – A proteomics approach Proteomics, November 2015, 15(22):3883–3891, doi:10.1002/pmic.201500302 6.Effect of Simulated Microgravity on Human Brain Gray Matter and White Matter – Evidence from MRI PLoS ONE, Published: August 13, 2015, doi:10.1371/journal.pone.0135835 7.Unloading Induces Osteoblastic Cell Suppression and Osteoclastic Cell Activation to Lead to Bone Loss via Sympathetic Nervous System The Journal of Biological Chemistry, August 26, 2005, 280:30192-30200, doi:10.1074/jbc.M504179200 8.Spacebound Bacteria Inspire Earthbound Remedies 9.Alterations in adaptive immunity persist during long-duration spaceflight npj Microgravity, Published online:03 September 2015, doi:10.1038/npjmgrav.2015.13 10.Pioneering Next Steps in Space Exploration 11.KEEPING FIT IN SPACE A REAL WORKOUT FOR NASA HUMAN RESEARCH TEAMS 12.Probiotics in the Space Food System: Delivery, Microgravity Effects, and the Potential Benefit to Crew Health 13.Life on Earth is used to gravity – so what happens to our cells and tissues in space? |
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