经过60多年的空间探索，人类对外层空间和生命现象有了更深刻、更本质的认识，正在从了解空间、认识空间，走向适应空间、利用空间。
人类、植物和动物在空间环境下会经历诸多变化，航天医学研究内容也从早期的空间环境对人体生理生化的影响，发展到从本质上认识空间环境对有机体的细胞、分子乃至基因影响的机制；从对空间环境的被动适应发展到采取主动的对抗防护措施，以保障航天员空间飞行期间的安全健康和有效工作。
飞向宇宙的过程中，人类要面临巨大挑战：
☆ 太空飞行起降过程中的巨大加速度变化、剧烈振动和冲击，会使人体内部血液和组织发生位移，引起胸痛、呼吸困难、肌肉紧张、充血等现象。进入太空失重环境后，由于重力消失，机体体液分布发生头向转移，导致航天员出现面部和脑部充血的症状；还会使航天员产生头晕、目眩、恶心、困倦等症状，这一系列的反应我们称之为“航天运动病”。
☆ 体液头向分布使得眼部血管充盈，眼压升高，视觉所需一些蛋白发生变化，导致视力受损。
此外，核磁共振扫面分析结果显示，在长期失重情况下，人类大脑的结构、神经可塑性会发生变化，这些变化可能与失重情况下的“颅内压力过高综合症”有关。
☆ 在地面上，骨骼和肌肉的主要功能是保持身体姿势和活动。一旦进入失重环境，作用于运动器官的重力负荷消失，人体维持姿势和运动时不需要对抗重力作用，导致骨骼和肌肉长时间处于缺乏力刺激状态，将引起肌肉骨骼系统出现废用性变化，表现为肌肉逐渐萎缩、肌力下降和骨质丢失甚至骨质疏松。
☆ 宇宙辐射经地球大气层的屏蔽，到达地面的剂量很小。空间飞行期间，宇宙辐射主要是来自银河系和太阳发出的高能带电粒子流、地球辐射带的射线。辐射粒子作用于人体细胞使原子产生电离效应。航天员遭受的辐射影响与飞行轨道高度有关。在近地轨道飞行辐射对航天员健康影响较小，但是在未来星际航行中，航天员在太空中停留时间长，宇宙射线辐射剂量增加，加上失重对人体的影响更大，辐射和失重复合效应有可能危害到航天员的健康，甚至生命。
太空环境下的基因表达变化与基因突变
空间飞行中的生物学效应主要是基因表达变化引起的。基因表达是一个受调控过程，具有时间和空间特异性，基因表达也会因为外界的刺激发生变化。通过调控基因的表达，可以使生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好地适应环境。
许多生物的基因代码仅在离开地球环境时才能被观察到。利用迅速发展的细胞和分子生物学理论和技术，探索空间飞行对微生物、植物和动物的影响及其可能的机制，为发展针对性的对抗防护措施奠定基础，是当前航天医学和空间生物学的重要研究内容。
国际空间站分子生物学研究的一些工具
太空生活不仅能改变相貌，还有基因。
基因（Gene）是指控制生物性状的遗传信息，即一段具有功能性的DNA或RNA序列。
一般来说，同一个生物体中的每个细胞都含有相同的基因组，但不是每个细胞中所有的基因携带遗传信息都会表现出来，即基因活化存在组织细胞特异性。基因产物可以是蛋白或RNA。这些产物能够控制生物个体的性状表现（表型）。
表型是指生物的所有可观察特征，而基因型是生物的DNA序列。基因型与环境是决定表型的两个要素。基因型起决定作用，而环境因素能影响生物的一些性状。
生物体长期在地球1g环境下生存进化，进入太空后，会使人丧失骨密度、发生肌肉萎缩、引发心血管问题和免疫功能下降等等。这些变化说到底都是由于组织细胞的某些基因表达发生变化引起的，是基因表达响应环境变化的反应 。
航天员结束太空飞行返回地球后，大多数症状能够在几小时到数天不等的时间内恢复正常，有些则需要更长的恢复时间。NASA双胞胎实验的基因检测结果表明：93%的基因能够恢复正常，但是与免疫系统、DNA修复、骨骼形成、缺氧和高碳酸血症相关的7%基因发生了改变。研究人员还发现斯科特染色体终端端粒长度发生变化，这与人体细胞寿命有关。
美国国家航空航天局（NASA）的科学家通过双胞胎航天员比对分析，检测到长时间太空生活改变了航天员体内
在太空中，除了基因表达发生变化外，强烈的宇宙辐射作用可使某些基因发生异常突变，这对未来长时间空间飞行的航天员而言将是非常致命的。
基因突变是普遍存在的，但是概率非常小 ，通常在10-6到10-10之间。空间的微重力、宇宙射线的辐射都可大大加快基因突变效率。人类也利用这些效应开展航天育种、空间生物工程等研究。
太空中的分子生物学研究
空间飞行导致的心血管功能障碍、骨质丢失、肌肉萎缩、免疫功能下降、内分泌功能紊乱、空间运动病等多种生理、病理变化，其所有作用都是通过细胞个体、细胞内部及细胞间的相互作用反映出来的。近年来，人们把更多的注意力集中于这些变化发生机理的研究中，特别是空间环境对细胞、分子及基因表达的影响。NASA的科学家通过双胞胎航天员比对分析，检测到长时间太空生活改变了航天员体内细胞基因状态。
到目前为止，尚未发现纯粹的重力敏感基因，更多的是空间环境下发生表达显著变化的基因。随着基因检测技术的飞速发展，从PCR扩增到高通量测序，测序仪器的小型化等，使得空间飞行期间进行基因检测成为可能。
2016年航天员Kate Rubins利用
miniPCR和minION测序仪在国际空间站上完成了从样本制备到DNA测序的整个过程，使得在太空中鉴定微生物的能力大大提高，以及有助于诊断和治疗航天员的疾病。
NASA航天员Kate Rubins在分子生物程序（Biomolecular Sequencer i
在太空中研究DNA可以更好地了解微重力对生物体的影响，还可以提供识别航天器、人类和我们寻求访问的深空位置的未知微生物的方法。比如NASA开发的WetLab系统可在太空中检测生物样本的基因表达，未来将广泛应用于空间生命科学研究、环境检测和航天员健康监测，例如传染病基因分析、细胞应激分析、细胞周期增长和发展变化分析，以及遗传异常研究等。
在长期星际旅行和星际移民的探索领域，进行了精子等生殖细胞能否抵抗住太空中辐射对于DNA的损伤的研究。在国际空间站上储存288天的小鼠精子，其遭受的辐射水平是地面的100倍，与地球样品相比，DNA片段化更严重，但依然可以产生健康的小鼠幼崽，且小鼠幼崽生长状态良好，没有明显的遗传差异。
在太空冻存的精子可孕育出健康老鼠幼崽
随着载人航天的发展，微生物感染问题逐渐显现。空间环境微重力、辐射、高真空、弱磁场以及极度温差等特点，会加速微生物变异，这为研究病原菌提供了一个独特的前瞻性研究手段。一些变异后毒力增强的致病菌会导致本身免疫功能下降的航天员感染机会增加，威胁航天员的健康。此外，一些腐蚀性微生物会缩短航天器寿命。曾在“和平”号空间站的电路板、仪表盘和航天服上检测到近250种微生物，它们的生长繁殖和代谢会腐蚀仪器材料，严重威胁空间站长期在轨运行安全，缩短空间站服役时间。但太空中的微生物也有有助于人类发展的一面，如发展出更好的疫苗、组织工程菌株等。
空间生物学家正在开发和利用21世纪的生物工具检测和发现适应微重力环境变化的机制，为人类探索太空所面临的问题提出应对的方法和策略，并有望转化为地球上新的生物工具和应用，造福人类。
（作者/戴钟铨）
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