人类重返月球，如何应对深空辐射

杰里米·汉森为告别地球的这一刻筹备多年——他即将成为五十余年来首批飞离近地轨道的宇航员之一。为应对深空突发险情，汉森已模拟过无数次航天器事故；为在恶劣环境中锤炼团队协作，他曾在意大利一处地下洞穴深处生活一周；为演练密闭空间生活带来的精神压力，他还在佛罗里达海岸外的一个密闭舱体中待过数日。

但有一种风险，是汉森无论如何都无法提前做好万全准备的：太空辐射。美国国家航空航天局（NASA）的阿耳忒弥斯二号任务计划于下月发射，这是自1972年阿波罗17号任务以来，首次载人飞离地球保护性磁层的航天飞行，汉森也将因此置身于密集的高能粒子“弹雨”之中。

搭乘搭载于太空发射系统（SLS）火箭顶端的“猎户座”飞船，汉森与另外三名宇航员将首先穿越范艾伦辐射带——那是困在地球附近的电子与质子构成的粒子云团。再往远处，飞出地球磁层之后，他们将面临太阳风暴的威胁，这类风暴可在数小时内将粒子辐射强度推至可能致命的水平。同时，他们还会持续受到稀疏但稳定的高能背景粒子轰击，这些粒子的生物损伤效应最为剧烈。这些银河宇宙射线诞生于超新星爆发及其他剧烈天体物理事件，由质子与重元素原子核混合构成，以接近光速运动，能够穿透人体组织，撕裂DNA链，并产生引发生化紊乱的“自由基”离子。

身为加拿大物理学家、曾驾驶战斗机却从未进入过太空的汉森，对辐射引发的疾病风险忧心忡忡。针对暴露于粒子束中的啮齿动物与人体组织的研究，揭示了令人担忧的潜在后果：免疫系统紊乱、认知功能受损，以及DNA损伤诱发的癌症。“这有可能对我的长期健康造成一些本不会出现的影响，”汉森表示，“但目前相关影响的界定还非常模糊。”

阿耳忒弥斯二号为期10天的绕月往返任务中，宇航员预计接受的辐射剂量并不算高，大致相当于一次全身CT扫描的辐射量。但在各国航天机构与太空探索技术公司（SpaceX）等企业规划的更长程月球与火星任务中，辐射风险将急剧攀升。对于深空旅行而言，辐射问题位列NASA健康风险清单的首位。“这是关键的制约因素，”麻省总医院太空医学研究中心创始主任亚历山德拉·斯坦科维奇说，“这依旧是我们在太阳系内探索范围的头号限制条件。”

也正因如此，研究人员正争分夺秒地降低这一威胁，测试从新型药物疗法、膳食补充剂，到借鉴抗辐射生物研发的基因疗法等各类手段。若要让宇航员在地球防护屏障之外连续生活数月乃至数年，仅靠常规的工程防护手段远远不够，他们还需要借助生物学的力量来保障安全。

得益于数百名在国际空间站（ISS）等近地轨道设施，以及越来越多私营航天器中执行任务的宇航员，研究人员已对太空旅行带来的其他医学风险有了一定了解。在失重状态下，宇航员的骨骼与肌肉会快速流失，心血管功能减弱；体液向头部转移，引发视力问题；平衡系统也会出现紊乱。在分子层面，失重会诱发炎症，扰动全身细胞，改变基因活性与免疫信号传导。不过，这些影响大多在宇航员重返地球重力环境后会逐渐消退。

深空辐射则是一种更为隐蔽的潜在威胁，尽管关于其长期影响的直接证据，仅限于上世纪六七十年代执行过飞离地球磁层任务的二十余名阿波罗宇航员，他们的任务时长最长达13天。许多宇航员都曾在闭眼时看到莫名的闪光，这很可能是高能粒子穿过视网膜所致。学界普遍认为，正是这类宇宙射线的暴露，导致阿波罗宇航员晚年罹患白内障的概率异常偏高。也有部分研究将深空旅行与心脏病关联起来，但二者的联系仍存在争议。值得欣慰的是，这些宇航员的长期健康结局大多较为乐观，多数登月宇航员都活到了八九十岁，并未出现与辐射相关的癌症高发或其他危及生命的疾病迹象。

阿耳忒弥斯二号宇航员里德·怀斯曼、维克多·格洛弗、克里斯蒂娜·科赫与杰里米·汉森（从左至右），将执行为期10天的绕月往返任务。

为从人数有限的阿波罗宇航员群体之外寻找线索，流行病学家转而研究核工业从业者与核电站事故幸存者的健康档案。这些人群的辐射暴露，与特定癌症、心脏病以及帕金森病等神经退行性疾病的患病风险升高相关。然而，这样的类比存在局限，因为深空中的粒子辐射环境与地球上的核辐射截然不同。因此，研究人员尝试在粒子加速器内短暂模拟太空辐射环境。

例如，在美国布鲁克海文国家实验室，有一处隶属于NASA的太空辐射实验室，科研人员可在此利用模拟宇宙辐射的高能粒子，轰击细胞系与啮齿动物模型——这些粒子涵盖从质子、氦原子核到铁离子及其他重元素离子的多种类型。实验已揭示辐射如何侵袭活体组织：突变的DNA诱发癌症，大脑、心脏等器官功能衰退，免疫抵抗力持续下降。

即便如此，这些模拟仍无法完全还原人体在深空中将面临的真实情况。“这些暴露时长仅为数秒，”中佛罗里达大学航空航天医学负责人伊曼纽尔·乌尔奎塔表示，“而我们进入深空后，将面临的是慢性持续辐射。”

研究人员表示，目前亟需能够模拟长期、稳定辐射流的实验平台。去年年底，土耳其托布经济与技术大学物理学家萨利赫·苏丹索伊，与欧洲核子研究中心（CERN）的相关负责人会面，探讨了一种方案：建造一台可同时发射多束粒子束、实现低剂量、长时间持续辐照的加速器。“他们认为这一想法对太空探索具有重要意义，”苏丹索伊称，但欧洲核子研究中心目前仍不愿开展生物样本相关实验。

现阶段，关于太空辐射影响的最可靠数据，仍需来自宇航员本身，或是他们的生物学替代模型。

上月一个周一下午，汉森在休斯顿的一处采血中心坐进躺椅，数根塑胶软管从他的手臂连接到一台运转的仪器上。一个多小时里，这台设备抽取他的血液，分离出名为血小板的细胞碎片，再将其余血液成分回输至他的静脉。

来自哈佛大学威斯生物启发工程研究所及其衍生公司Emulate的医师科学家戴维·周，专程从波士顿赶来参与此次采血。但他的目标并非会进入当地血液供应、用于帮助凝血障碍患者的血小板，而是残留在管路中的少量干细胞——这些细胞可被诱导分化为多种功能特化的细胞。在发射前几天，周博士会将这些细胞置入微型微流控芯片中，使其发育为汉森的个性化骨髓模型，而骨髓是维持免疫功能的核心组织。每枚芯片均由锂离子电池供电，通过维持恒定温度、持续灌注营养液并清除代谢废物，为细胞提供存活条件。

搭载每位宇航员骨髓细胞的器官芯片，将随阿耳忒弥斯二号一同升空，记录辐射损伤的相关信号。

在一项由NASA资助的研究中，团队将为每位阿耳忒弥斯二号乘员制备一对基于芯片的骨髓模型。每对芯片中，一枚留在地球作为对照，另一枚则随宇航员进入深空，固定在猎户座飞船的舱壁上。任务结束后，周博士的团队将分析太空环境对这些骨髓模型的影响，寻找细胞应激与加速衰老的分子标志物，并与地球对照组芯片以及宇航员飞行前后采集的血样进行比对。“有机会观察芯片模型与个体真实反应的对应关系，这一机会非常独特，在科学上也极具价值，”周博士说。

这种对照实验将有助于明确太空辐射的具体影响，以及器官芯片能否精准反映每个人的个体反应。这类模型可在载人任务之前，通过无人航天器先行发射，为任务规划者提供所需的生物学依据，从而设计个性化医疗包：抗氧化剂、免疫增强药物与辐射防护疗法，均可针对每位宇航员的生理薄弱点量身定制。“我们希望能为个体精准制定并实施这些防护措施，”NASA生物与物理科学部主任莉萨·卡内尔表示。

目前，任务规划者的首要目标，是尽可能降低所有乘员的辐射暴露量。屏蔽防护是最直接的防护手段，可有效抵御太阳风暴及其释放的大量低能粒子（主要成分为质子，即裸露的氢原子核）。合理布设的塑料、水、食物与衣物等富含氢的物质，均可吸收质子——因为质量相近的原子核碰撞时，能量传递效率极高，就像台球碰撞后一颗球瞬间静止另一颗一样。这类富氢材料同时具备轻量化的优势，这在每千克发射载荷都至关重要的航天任务中尤为关键。

猎户座飞船设有专门的“风暴庇护所”，位于舱底下方，由储存的物资构筑加固。若太阳耀斑爆发，地面将发出预警，乘员需进入庇护所躲避粒子冲击。“核心思路就是在你和粒子之间，尽可能设置更多的阻隔物，”参与猎户座设计的洛克希德·马丁公司太空系统工程师凯特·科德里解释道。让四名宇航员挤在一个相当于大型SUV后备箱大小的空间里，显然称不上舒适。“我进去过，”科德里说，“空间很紧凑。”一旦太阳粒子事件持续超过一两天，乘员就需要轮流出入庇护所，在防护与关键任务执行之间取得平衡。

为拓展庇护所之外的防护范围，科德里与洛克希德·马丁的同事，联合以色列初创公司StemRad的工程师，共同研发了一款防护背心，名为AstroRad。这款可穿戴防护装置在躯干部位叠加富氢材料，重点保护脆弱的内脏器官。不过，这款背心体积庞大，重量超过20千克。鉴于发射载荷重量极为宝贵，且此次短期任务遭遇强太阳风暴的概率极低，NASA决定不在阿耳忒弥斯二号任务中配备该背心。但StemRad联合创始人兼首席执行官奥伦·米尔斯坦认为，在更长航程的任务中，宇航员或许需要这种额外防护。“它在不牺牲防护效果的前提下，提供了灵活的防护选择，”他说。

该防护理念已于2022年在阿耳忒弥斯一号任务中完成测试，这是一次无人绕月模拟飞行。两个搭载辐射传感器的人体模型随猎户座飞船升空，名为“佐哈尔”的模型穿戴了防护背心，“赫尔加”则没有。米尔斯坦表示，尽管此次25天的任务期间未发生太阳耀斑，但飞船穿越质子密集的内范艾伦辐射带时的测量数据显示，这款背心可将太阳风暴带来的辐射剂量降低约40%至60%。“效果实际上超出了我们的预期。”

险境环绕的轨道

阿耳忒弥斯二号将自阿波罗任务以来，首次搭载宇航员飞离近地轨道——穿越范艾伦辐射带，驶出地球磁层。在这层保护屏障之外，乘组将持续遭遇高能银河宇宙射线的“细雨”侵袭，同时面临突发太阳粒子风暴的威胁。

太阳粒子事件

- 源自太阳耀斑与日冕物质抛射的带电粒子爆发

- 主要成分为质子

- 发生具有偶发性

- 可借助风暴庇护所降低风险

银河宇宙射线

- 诞生于超新星爆发及其他剧烈天体物理事件的高能粒子

- 由质子与重离子构成

- 为持续存在的背景辐射

- 最难实现有效屏蔽

范艾伦辐射带

- 被地球磁场捕获的带电粒子形成的环状圈层

- 由质子与电子组成

- 属于短暂、集中的辐射危害

- 可通过屏蔽措施与飞行路径规划减少暴露

图源：A. 费舍尔/《科学》杂志

然而，传统屏蔽手段对宇宙射线的防护效果微乎其微。质量最大、能量最高的粒子能够穿透绝大多数物质，在击碎较重原子的同时，引发大量次级辐射。一种简便的缓解策略是：任务规划者可将飞行时间选在太阳活动增强的时段，此时太阳磁场更强且更紊乱，可对入射的宇宙射线形成更大阻碍（尽管太阳耀斑的发生风险会随之升高）。阿耳忒弥斯二号计划在这样的时间窗口执行任务，大致处于太阳11年活动周期峰值过后的18个月左右。

但如果宇航员无法始终躲避宇宙粒子，或许可以让宇航员自身变得更具抗辐射能力。

威尔康奈尔医学院的遗传学家克里斯托弗·梅森，在其2021年出版的著作《未来500年：改造生命以抵达新世界》中，勾勒出一幅改造人类基因组、使其更好抵御太空严苛环境的长期蓝图。他提出的首批改良方案之一，便是利用缓步动物（被亲切称为“水熊虫”）的基因。这种八肢微小生物，已被证实能够在太空真空、极端温度以及强辐射冲击下存活。

2016年，日本研究人员首次发现了水熊虫特有的一种蛋白质，将其命名为“损伤抑制蛋白”（Dsup），正是这种蛋白赋予了水熊虫非凡的生存韧性。这种可发生构象变化的蛋白质能与DNA物理结合，对DNA链形成保护。在经基因工程改造表达该蛋白、随后接受辐射照射的人体细胞中，DNA损伤程度降低了约40%。在阿耳忒弥斯一号任务中，搭载Dsup基因的绿藻被送入深空，其抗辐射能力也得到了显著提升。

将Dsup基因永久整合到人类细胞中，或许并不具备可行性。例如2023年，得克萨斯大学麦戈文医学院的研究人员发现，在培养的脑细胞中长时间表达Dsup蛋白，会产生神经毒性作用。但去年，科学家找到了一种无需永久改造基因组，即可向细胞递送Dsup蛋白的方法，使其仅在需要的时段内发挥作用。

遭受攻击的DNA

强度足以使原子或分子失去电子的辐射被称为电离辐射。它既可以直接击碎DNA链，也能裂解周围组织中的水分，产生具有基因组损伤作用的“自由基”羟基离子。

图源：A. 费舍尔/《科学》杂志

麻省理工学院的乔瓦尼·特拉韦尔索与爱荷华大学卡佛医学院的詹姆斯·伯恩领衔的团队，将Dsup的遗传指令编码在信使RNA（mRNA）中——mRNA是单链核酸，负责将遗传指令传递给细胞内的蛋白质合成机制。他们将这种mRNA包裹在脂质纳米颗粒中（与新冠mRNA疫苗所用的载体技术相同），并将制剂注射到小鼠的口腔与直肠内部组织。纳米颗粒进入细胞后，可在约24小时内促使细胞合成这种保护性蛋白。

研究人员证实，短暂的Dsup蛋白表达脉冲，能够保护注射部位的组织免受辐射损伤。他们还发现，重复给药未出现急性毒性迹象，这为该技术在临床场景中的短期应用提供了良好前景，例如在癌症放射治疗中保护病灶周边的健康组织。不过，太空飞行面临的问题截然不同。宇宙射线并非癌症治疗中那样的聚焦射线束，而是穿透全身的持续性背景辐射。“如果将其用于太空探索，或许需要让人体的每一个细胞都表达这种蛋白。”特拉韦尔索表示。

这一应用前景需要经过严格的审慎评估。Dsup蛋白通过大范围包裹长链DNA发挥作用，而非靶向特定基因。这种全面覆盖的防护特性既是优势，也带来了可能干扰关键基因表达的风险。“它可能存在一些我们尚未完全探明的潜在影响。”伯恩说道。

水熊虫并非分子层面研发灵感的唯一来源。梅森正在研究一种名为DP1的蛋白质，该蛋白源自一种被戏称为“柯南细菌”的微生物，这种微生物能耐受数千倍于人类致死剂量的辐射。今年晚些时候，他将前往比基尼环礁的受污染沉积物中，寻找更多具有抗辐射特性的生命形式。比基尼环礁是南太平洋的一处岛屿，美国政府曾在20世纪40至50年代在此进行核试验。南卡罗来纳大学的辐射生态学家蒂莫西·穆索将与他一同开展研究，穆索数十年来一直致力于研究生物如何适应切尔诺贝利、福岛等放射性环境。“这里蕴藏着取得重大突破性发现的潜力。”穆索说道。

对梅森而言，是否要对人类基因组进行基因工程改造，最终将取决于现实必要性。他预计，当人类向火星等更远目标推进、执行更长时间的深空任务时，这一抉择终将到来。“如果出现最糟糕的情况——人类抵达目的地后，发现当地辐射强度极高，除非采取进一步的基因改造措施，否则无法生存，那么这种改造就具备了医学必要性，也因此符合伦理规范。”他表示，“但在短期内，我们会先采用一些简单、安全性极高的手段。”

梅森提出的一种低风险防护措施是山奈酚，这是一种市售的植物源性营养补充剂，实验室研究表明，它能够修复受损的线粒体——细胞的能量工厂。在持续遭受宇宙射线照射时，线粒体会出现功能异常，导致细胞乃至整个器官功能衰退。“因此，这是一个重大的担忧点。”匹兹堡大学特里维迪太空与全球生物医学研究所的系统生物学家阿夫辛·贝赫什蒂表示。

在布鲁克海文国家实验室的粒子加速器实验中，贝赫什蒂与梅森发现，山奈酚能够减轻接受模拟月球或火星任务辐射剂量照射的小鼠与人体组织的损伤。他们还与马耳他大学的太空生物学家约瑟夫·博格合作，将经山奈酚处理的人体细胞与酵母，搭载于去年执行的一次为期3.5天的私营太空任务中，该任务飞越地球极地地区——此处的辐射强度高于低纬度区域。实验结果再次显示，细胞的线粒体功能得到了保护。“截至目前，数据表明它具有辐射防护作用。”梅森说，“但我们还需要探究它在人体分子层面的具体作用机制。”上月，研究人员启动了一项针对健康志愿者的山奈酚临床试验，旨在寻找线粒体保护相关的分子与代谢标志物。一旦这些信号得到验证，该补充剂便可在未来的太空旅行者中开展测试。

山奈酚只是目前正在研发的、有望成为太空药物的多种“营养保健品”之一。其他具有抗氧化、抗炎或DNA稳定特性的补充剂，也在细胞培养与动物模型实验中展现出不同程度的辐射防护效果。这类物质的吸引力在于其低毒性与易获取性，但部分研究人员正在推动研发更具靶向性的药物。

例如，在萨奇生物工程公司，联合创始人普拉尚特·纳格帕尔及其团队正在研发一种新型候选药物，该药物靶向一种与神经元死亡相关的免疫分子——这种机制在神经退行性疾病与辐射诱导的认知衰退中均存在。研究人员证实，该药物能够保护搭载于国际空间站的脑组织培养物。在布鲁克海文实验室的实验中，该药物还能保护经基因工程改造模拟阿尔茨海默病的小鼠大脑，这些小鼠接受了辐射照射以加速疾病进程。纳格帕尔设想，未来的深空任务需要持续的药物供应。“理想的方案是在太空基地建立适配的药物生产设施。”他表示，这样宇航员便可在长期任务中按需接受治疗。

还有一些更为激进的防护手段，超越了口服药物或注射制剂的范畴。一个如今逐渐受到关注的创新性构想是合成性蛰伏：人为降低新陈代谢速率与体温，使宇航员进入类似冬眠的状态。理论上，减缓细胞活动或许能降低辐射引发的生化反应紊乱导致癌症或其他疾病的概率，同时也能缓解数月太空旅程带来的心理压力与单调感。

德国重离子研究中心亥姆霍兹实验室的放射生物学家沃尔特·廷加内利，已在啮齿动物与猪身上开展了相关研究，通过药物（通常需借助侵入性外科手术直接注入大脑）抑制新陈代谢、降低体温。但将这些方法安全地应用于宇航员，仍是一项艰巨的挑战。“我们需要一种完美的药物。”廷加内利表示，而目前，“这是无人能够实现的目标。”

截至目前，最接近的研究成果来自匹兹堡大学医学中心的一项研究。运动生理学家凯特·弗利金杰与急诊医学专家克利夫顿·卡拉威领衔的团队，为一小群健康志愿者连续5天每日注射一种名为右美托咪定的轻度镇静剂。该药物可使受试者进入约20小时的深度睡眠样状态。研究人员最初观察到，受试者的核心体温下降1至2摄氏度，静息代谢需求降低约30%。但几天后，受试者开始对药物产生耐受：睡眠时间缩短，代谢降低的效果也逐渐减弱。

2025年结束的这项研究，成功让人体表现出弗利金杰所说的“类冬眠特征”。但她补充道：“我们距离像《异形》电影中那样，通过医学手段让人类进入昏迷并实现冬眠，还有很长的路要走。”

任何一种太空药物，无论简单还是激进，都必须通过严苛的审核标准，在长期防护的潜在益处与可能损害认知、协调能力或免疫功能的细微短期副作用之间取得平衡。“我们必须确保，不会让宇航员服用有副作用的药物，从而使其面临更大的风险。”太空健康转化研究所的科研主任丽哈娜·博卡里表示，该研究所是隶属于贝勒医学院、由NASA资助的联合研究机构。

目前，适用于深空旅行者的医学防护手段仍难以寻觅。但那些已完成太空旅程的简单生物，为人类应对辐射威胁带来了些许慰藉。

2025年11月的一个雨天早晨，在不列颠哥伦比亚大学，遗传学家科里·尼斯洛拧开两瓶小型葡萄酒，将酒液分别倒入两个咖啡杯中。用于酿造这两款葡萄酒的酵母，均为酿酒酵母菌株——其中一株搭载于阿耳忒弥斯一号任务进入太空，另一株则是基因匹配的地球对照菌株。

在记者的盲品测试中，两款淡黄色的酒液都带有甜型葡萄酒的柔和甜香。但地球酿造的酒款留有淡淡的苦涩余味，而“太空月球葡萄酒”的甜味则在口中持续留存。“我们得批量酿造一批！”尼斯洛兴奋地说道，为这株经太空考验的酵母菌株的成功而欢呼。

他并非想成为酿酒师。尼斯洛解释道，这项葡萄酒实验的目的，仅仅是测试暴露于深空辐射的酵母是否仍能正常完成发酵工作。尽管太空旅程引发了酵母细胞的DNA突变与基因表达改变，但这些变化均未影响其基本的生物学功能。

对汉森和他的乘组同伴而言，这是一个令人鼓舞的信号——面对宇宙粒子的轰击，生命体仍有适应与应对的空间。与此前的阿波罗任务一样，阿耳忒弥斯二号任务很可能将证实，人类能够安然度过短期的深空旅程。更严峻的挑战还在前方：当任务时长从数天延长至数月，辐射将从短暂的威胁，变为长期伴随的隐患。

对汉森来说，这份风险，正是探索发现所必须付出的代价。“突破边界，一切都值得。”他说道。