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国际空间站并非“世外桃源”:那些太空中的传染病

http://finance.sina.com   2020年03月27日 18:36   北京新浪网

  来源:科普中央厨房 | 北京科技报

  新媒体编辑/陈炫之撰文/记者 刘辛味 图文编辑/陈永杰

  地球新冠病毒肆虐,国际空间站会不会是“世外桃源”?那里是否曾有传染病爆发?人类把病原体带入过太空吗?又带回来什么?

 ▲国际空间站(图源:NASA Johnson) ▲国际空间站(图源:NASA Johnson)

  如果问在新冠疫情期间哪里最安全,你心中肯定有答案,就是我们自己家中!有人则给出了另一个答案:国际空间站(ISS)。

  这个在我们头顶400公里处环绕的巨大机器可能会被当成一个避难所。但是,有一个前提是宇航员不要带病原体上去。

  美国国家航空航天局(NASA)表示,所有宇航员在进入太空舱之前都进行了两周的隔离,他们要保持健康稳定状态,另外对物资和实验设备也采取了严格的消毒措施。但是,那样狭小的空间里非常适合传播疾病,航天史上是否存在过传染病爆发?人类把病原体带入过太空吗?

  一场感冒引发的“叛变”

  宇航员夜以继日的训练就为了抵抗失重的影响,保持健康,他们可能算是地球上最健康的一类人。可在太空中,航天员会患上各种疾病,那是否也会出现传染病?如果把感冒算上,答案是肯定的。

  1968年10月11日,美国的阿波罗7号登空,这是阿波罗计划首次载人飞行任务。阿波罗1号曾因火灾导致3名宇航员丧生,此后NASA便致力于改进安全性能,发射多次无人飞行任务,而本次测试相当于登月的试飞,需要测试登月舱对接系统。在当时的国际背景下,为期11天的环绕地球飞行无疑是一趟重振信心之旅。

▲从阿波罗7号看到土星火箭二阶段(图源:Sen-spaceTV)▲从阿波罗7号看到土星火箭二阶段(图源:Sen-spaceTV)

  三位宇航员施艾拉(Wally Schirra)、埃斯利(Donn F。 Eisele)和坎宁安(Walter Cunningham)完成了任务,过程却并不顺利,整个飞行过程小问题不断,包括对接点火时的震动,命令模块的工程故障,燃料电池系统问题等等,但这些都不算是严重的问题。意料之外的是,指挥长施艾拉遭遇了感冒,这次感冒让整个旅途变得更加困难。

  指令长施艾拉是NASA资深人物,是唯一参加过水星计划(美国首个载人航天计划)、双子座计划和阿波罗计划三项载人航天计划的宇航员,美国登入太空第五人。然而就是这位经验丰富的老将,又获得了一个第一——美国首例在太空感冒的宇航员。太空中,病原体并不会轻易附着在物体表面上而是悬浮在空气中,在狭小的舱室内,施艾拉的感冒传染给了另外两位航天员。尽管后来他们回忆的说法各不相同,可以肯定的是施艾拉的症状最为严重。

▲感冒中的施艾拉,他后来还给当时用鼻药Actifed代言推销(图源:NASA)▲感冒中的施艾拉,他后来还给当时用鼻药Actifed代言推销(图源:NASA)

  坎宁安回忆说,“我们温馨的小飞船很快就变成了一个用过的纸巾盒”。舱内到处都是用过的纸巾,以至于让他想到是否会因为纸巾问题而取消任务。

  由于航天员处于失重状态,鼻涕堆积在鼻腔内,不能顺利排出,他们只能忍着耳膜的痛苦用力去擤,除此之外唯一能做的就是吃药,最后把提前准备的阿司匹林和鼻减充血剂都用光了。再加之本身在太空中的生理问题,这场普通的小感冒让施艾拉疲惫不堪。

  难受的身体与高强度的工作让训练有素的施艾拉心态炸了。虽然本次飞行的主要目的是飞行测试,但还是有很多科学实验需要进行。作为指挥长,施艾拉要负责高难度飞行操作。他本人对携带的科学试验并不感兴趣,只是按照时间计划进行。可是地面工作人员不断地提出新要求,让施艾拉变得十分暴躁,甚至对地面负责人说“去死吧”。

▲1968年10月14日阿波罗7号成员进行历史首次太空直播(图片来自网络)▲1968年10月14日阿波罗7号成员进行历史首次太空直播(图片来自网络)

  阿波罗7号首次进行了电视直播,当施艾拉接到命令开启视通话时,他拒绝了,“我们没配置好……还没吃饭……我感冒了,我拒绝这样弄乱时间表”。其实他只需要接通信号,打开开关就行了。更严重的违反命令是准备飞回地球时,机组人员被要求返回时穿压力服和头盔,以防突然失去压力。施艾拉则担心鼻塞会导致耳膜破裂,决定不带头盔。经过激烈的争论后,最终施艾拉赢得“战斗”,不带头盔顺利返回地球。

  在宇宙航行并非电影情节,可以想象如果宇航员胡乱操作会发生什么结果,更何况三人都是军人。之后有些人把这次行动称之为叛变。抛开感冒,这本身一次完美的任务,却最终成为了他们最后一次太空之旅,也成为唯一没有获得NASA最高荣誉“杰出服务奖章”的任务组,直到40年后才给他们补发,而此时施艾拉和埃斯利已经去世。

▲阿波罗7号任务成员,左起埃斯利(Donn F。 Eisele),施艾拉(Wally Schirra)坎宁安(Walter Cunningham)(图源:NASA)▲阿波罗7号任务成员,左起埃斯利(Donn F。 Eisele),施艾拉(Wally Schirra)坎宁安(Walter Cunningham)(图源:NASA)

  至于施艾拉的病因,NASA并未找到真正的病原体。坎宁安的回忆是,他们在发射前3天进行了一次户外猎鸟之行,一场寒雨让他患上感冒,但在发射时已经没有了症状,就正常上天了。

  为了降低地球病原体的影响,太空机构在上世纪70年代起开始实施发射前医学隔离。NASA指导方针规定,宇航员进入一个特定的设施内隔离7天,进行详细的身体检查。发射场相关工作人员也要进行隔离。后来还有学者提出了修改意见,隔离天数延长到14天。事实上,最令航天医生担心的就是感冒或流感这样的日常疾病,美国宇航局约翰逊航天中心的医生Robert Mulcahy说,“我们不希望像感冒之类的疾病影响机组人员的操作,尤其是在发射、对接操作等关键时期。”

  搭便车上天的微生物

  微生物无处不在,在人体内的数量也远大于正常细胞,它们会搭便车进入太空,这些与人类相安无事的微生物是否会在此时影响人体?现已发现人体免疫系统在太空飞行时会变得脆弱,而有些微生物却生龙活虎,因此科学家在寻求这一问题的答案,而历史经验告诉我们不可小觑这些微生物。

  1970年,NASA发射了阿波罗13号,这个在西方看来不吉利的编号着实命途多舛。在返回时,由于缺水,宇航员海斯(Fred Haise)患上了严重的尿路感染,后来发现病因是铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)感染。当然,要问缺水的原因,宇航员的细菌感染或许都不值得一提:在奔向月球的过程中服务舱发生了爆炸。

▲铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)(图源:CDC)▲铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)(图源:CDC)

  这次任务还差点把风疹病毒带上去,发射前,任务成员马丁利(Ken Mattingly)接触过风疹患者,尽管马丁利坚持认为自己没传染,他还是被斯威格特(Jack Swigert)替换。幸运的是,服务舱驾驶员斯威格特被认为是所有航天员中最懂命令程序的,在地面任务组的配合下,他们最终平安回到地球。

  事实上,海斯的感染并不是孤例,被自身携带或环境内细菌感染的例子在美苏宇航员中都出现过,所以对带入太空的微生物进行检测成了航天工程中的重要组成部分。

  科学家也不会浪费太空这样特殊的试验场,把微生物主动送上太空研究培养。最早的一批试验品可以追溯到1960年,苏联发射了一颗携带大肠杆菌、葡萄球菌和产气肠杆菌的卫星,他们首先证明了细菌可以在微重力和宇宙辐射条件下生存。之后的几十年里,超过百种微生物进入太空或模拟微重力实验室,科学家研究它们的形态、生长速率、代谢、毒性、耐药性以及基因表达等等。

  其中自然少不了铜绿假单胞菌。2011年,亚利桑那州立大学While Nickerson团队发现铜绿假单胞菌和沙门氏菌在太空飞行状态下具有相同的调节机制。这是两种截然不同的常见细菌,沙门氏菌会引发伤寒和腹泻(非伤寒型血清);铜绿假单胞菌平时安分的生活在健康人体内,在免疫系统受损时则会引起严重的疾病。

  太空中低流体剪切力的情况下,环境与体自然感染所需关键条件相似,便使细菌更容易感染。他们的研究不仅意味着更加了解微生物致病原因,保护未来的宇航员,也可能会给地球病菌的治疗提供新方法。

▲亚特兰蒂斯号宇航员Heidemarie M。 Stefanyshyn-Pipe在太空中操作实验,这次旅途发现沙门氏菌在太空中毒性增强。(图源:NASA)▲亚特兰蒂斯号宇航员Heidemarie M。 Stefanyshyn-Pipe在太空中操作实验,这次旅途发现沙门氏菌在太空中毒性增强。(图源:NASA)

  除了人体内的细菌,航天器内还有一批常住居民,它们从航天器建设起就已经存在,以及从地球大气带出来的,存在于航天器外表面。航天器内封闭且合适的温度、湿度的环境让它们更易繁殖。

  2019年,科学家把国际空间站的微生物进行了编目,发现了其组成与存在于地球公共环境内的微生物组成相似。虽然研究尚未能证实这些环境微生物能否对航天员产生影响,但它们对航天器材料的影响是实打实的。某些微生物生长繁殖的代谢产物和生物膜会腐蚀材料,例如真菌繁殖造成电路板元器件短路,破坏材料安全性能等,甚至会缩短航天器寿命。

  为了解决这些问题,一方面微生物学家研究如何遏制源头,以及控制它们在环境内的流动,另一方面材料学家在研发新型的抗菌材料。

▲监测国际空间中的微生物(图源:NASA)▲监测国际空间中的微生物(图源:NASA)

  当然,我们不能都认为这些微生物有潜在危害,空间微生物的研究已经体现了它们服务于人类的潜力,比如乳酸菌在内的多种细菌在食品、制药等工业上显示出了良好的前景,或许它们对人类未来离开地球起到重要作用。

  从宇宙带回来未知病毒?

  航天员上天前进行了隔离是怕他们把病原体带上去,而从太空回来后也要隔离,主要目的是是为了身体恢复,监测身体状态。但在50多年前,NASA科学家担心:从月球会不会带回未知的病原体,引发月球瘟疫大流行?

  NASA生物医学研究和环境科学部主任Judith Hayes表示,“一开始,NASA认为他们只需要一个洁净室,以便处理月球样品的包装。后来才认真考虑(病原体),尽管我认为大多数科学家并不认为存在危险”。

  上世纪60年代,正是疫苗发展的黄金时期,脊灰、麻疹等疫苗的出现让人们的非常乐观,许多人认为战胜所有传染病指日可待,但NASA还是仔细考虑了未知病原体的风险。

  科学家认为尽管出现未知病毒的概率极低,一旦出现爆发流行的概率却很高,可又没有任何相应的公共卫生经验,他们只能选择最原始也最有效的方法——隔离,NASA设定了21天的隔离时间,从关闭登月舱门返回地球开始计算。

 ▲阿波罗11号三位宇航员和一位工作人员从返回舱出来(图源:NASA) ▲阿波罗11号三位宇航员和一位工作人员从返回舱出来(图源:NASA)

  阿波罗11号的三位宇航员阿姆斯特朗(Neil Armstrong),柯林斯(Michael Collins)和奥尔德林(Buzz Aldrin)在发射前就进行了三周的隔离。如果真带回来病毒,可以确保它来自月球。

  返回后的隔离对几位宇航员来说成为了一段趣事。1969年7月24日,返回舱降落在太平洋。穿着隔离服的救援人员打开舱门给三位人类英雄送上了同款隔离服。

  柯林斯后来回忆,一开门,“所有该死的细菌都出来了!” 随后他们在救生筏中进行了消毒,还把用过的东西扔进了海里,奥尔德林还想,这些细菌能在大洋海底生存吗?接着他们被直升机送到航母上,进入移动隔离设施(MQF)——NASA与汽车公司特别改装的一辆拖车,在里面接受了当时美国总统尼克松的接见。

  最后整套设施通过运输机运送到了NASA总部特别准备的实验室(LRL),这里可以与MQF相连,各种生活设施齐全,用于研究宇航员带回来的月球岩石样本。与三位宇航员一起隔离的还有十几名工作人员,他们只在操作样本时进行了武装,绝大多数人都不会认为有问题。

▲阿波罗11号三位宇航员在MQF内与尼克松交流(图源:NASA)▲阿波罗11号三位宇航员在MQF内与尼克松交流(图源:NASA)

  已年过九旬的奥尔德林最近被问到了新冠疫情期间的隔离之法,回忆了当年往事,他笑着说:“我们看到了地板上有个裂缝,蚂蚁爬进爬出”——这意味着微生物也能进出。

  科研人员紧锣密鼓的进行检疫操作,把各种地球上的生物靠近月球岩石,包括小鼠、昆虫、植物等,再检测它们是否有新出现的感染。他们一起还顺便庆祝了阿姆斯特朗的39岁生日,最终在一片祥和氛围下结束了隔离生活——并没有未知危险。这样的隔离措施持续到了阿波罗14号,之后NASA科学家认为不会有月球微生物的影响,取消了严格的流程。

▲研究月球物质对植物影响(图源:NASA)▲研究月球物质对植物影响(图源:NASA)
▲阿姆斯特朗在隔离时过生日(图源:NASA)▲阿姆斯特朗在隔离时过生日(图源:NASA)

  然而,民间一直流传着月球细菌的传说——阿波罗12号的航天员在月球上回收了之前发射航天器设备,带回进行科学检查,最终在一台摄像机上发现了链球菌。它们真的是月球细菌吗?直到2011年,一个NASA联合团队才给出了可信的解答:他们通过回顾历史录像,发现这些细菌是由于不规范的操作和不卫生的实验室所污染的。

  总之,我们目前还没有把病毒传播到太空,也没有从太空带回未知病毒,宇航员的感染与之间的传播相对罕见事件。面对在太空中的疾病,现在已经建立起一套相对完善的应对策略。

  但是,人类未来会探索火星和更遥远的宇宙,必然会经历长期的太空旅行,面对更多的未知的风险。尤其在太空传染病这一方面,正如科幻故事一样,有一天也可能在人类殖民太空的过程中爆发的COVID-XXX,期待有科学家说找出了对抗方法,然后说:

  “这是我个人研究的一小步,却是人类对抗病毒的一大步。”

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