今年早些时候，一批科学实验在国际空间站(ISS)从距地球254英里的轨道返回。在一项听起来像是科幻电影的研究中，宇航员正在一个USB密
钥大小的设备上对微型人体器官(如心脏、肺和肾脏)进行实验。这些实验有可能增进我们对地球上疾病的了解。
这些“芯片上的器官”是生物工程的3-D设备，由包含不同类型人类细胞的微小腔室组成，通过模拟血液流动的微观通道连接。这些细胞和组织可以发育和生长数周甚至数月，支持活的人体组织，这些组织的反应方式与人体组织相同。
不久之前，我会问一个显而易见的问题:在太空中使用这些组织芯片，我们能学到什么在地球上学不到的东西?利用芯片上的器官进行太空研究有哪些可能的好处值得投资?
简而言之，研究将为我们已经拥有的和尚未提出的紧迫问题提供答案，以造福地球上的人类健康。我们需要做得更多。
其中的原因并不明显，但却引人注目:太空研究是解开地球衰老和疾病之谜的一种方式。我们想要回答的问题不仅仅是关于我们是否有能力在火星上生活或者去更远的太空旅行;它们是关于我们在我们的星球上生活得有多好。
心在芯片上。作者:Kevin Parker Flickr (CC BY 2.0)
要理解太空研究的一些价值，我们可以从研究过去几十年宇航员的经历中学到什么开始。在离开地球的几周内，他们的身体就显示出与衰老时期相似的迹象;他们的骨骼变薄，肌肉退化，免疫系统变弱。令人惊讶的是，这些变化发生得非常快，当宇航员返回地球时，他们似乎很快就会逆转。
这一发现很吸引人，但我们可以利用微重力更深入地了解健康和疾病。微重力是国际空间站独特的环境，地球引力的影响非常小。利用这些芯片上的器官——也称为“组织芯片”——我们可以开始做一些我们永远无法在宇航员身上进行的研究。这些芯片使我们能够在极低重力和高辐射的极端环境中操纵器官。
简而言之，我们正处于理解健康、疾病和衰老的激动人心的新篇章的顶端。
然而，要理解太空为什么是如此强大的研究环境，我们不仅可以看看我们对健康的了解，还可以看看我们是如何做出这些发现的。
迄今为止，我们在理解疾病方面取得的令人难以置信的进展，主要是由于我们解开了健康方程式的一半。疾病通常是由我们的基因和环境各占一半造成的。也就是说，你可能有一种基因使你更有可能患上某种癌症或通过家族遗传的疾病，但这不是全部。我们的环境在决定我们的健康方面同样具有形成性。
我们在很大程度上通过人类基因组计划(Human Genome Project)的工作，解开了这个等式的基因部分。人类基因组计划是一项雄心勃勃的、成功的工作，旨在绘制整个人类基因组的图谱。我在美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)参与的这个项目，改变了我们对遗传学的理解，打开了一扇门，让我们了解基因是如何通过操纵基因来预防或引发疾病的。在遗传学研究中，我们可以简单地删除单个基因(科学家称之为“剔除”基因)或添加更多的基因，以观察发生了什么，并了解单个基因在疾病中的作用。这种在实验室中对基因进行的激进操作，已被证明对解开许多疾病的奥秘至关重要。
虽然我们可以戏剧性地改变基因，但我们一直无法戏剧性地操纵环境因素——直到现在。没有什么比把器官送到太空中去经历更剧烈的环境变化了。在太空中，器官几乎不受重力、强辐射和许多其他极端条件的影响。这相当于在环境中打开基因的开关。
芯片上的血脑屏障。图片来源:范德比尔特大学Flickr (CC BY 2.0)。
将这些“芯片上的器官”送入太空还可以让我们了解环境对更广泛人群的影响，而不仅仅是宇航员，他们之所以被选中，是因为他们是一流的物理样本。
那么，我们希望在未来的几年中从这一研究的新篇章中学到什么呢?
一项研究将着眼于微重力如何削弱免疫系统和宇航员对抗感染的能力。在这个实验中，宇航员将测试微重力对肺部和骨髓对细菌感染的免疫反应的影响。通过在芯片上连接肺脏和骨髓，我们希望能更好地了解骨髓如何协调其免疫反应，从而理解地球上的免疫系统如何对细菌感染做出反应。
另一项研究希望对血脑屏障(BBB)这堵墙有所启发，血脑屏障是我们大脑和血液循环之间的一道大门。这种防御屏障阻止毒素和多余的细胞进入我们的大脑，但有时会失败——导致从癌症到老年痴呆症的各种疾病。这项研究可能会导致对地球的研究，使我们能够更好地了解这些疾病，以及潜在的治疗方法，这些方法必须跨越血脑屏障。
另一项研究将着眼于在太空飞行中发生的骨关节炎和骨丢失，这可能会导致新的药物来控制非轨道人类的骨丢失。还有人会研究我们的免疫系统是如何在太空中更快地“老化”的，以及这背后的机制，来理解为什么我们的免疫系统会随着年龄的增长而变化。
综上所述，正在我们之上进行的研究有潜力推进我们对疾病如何发生的基本理解，并能打开一扇门——就像我们在基因研究方面的进展一样——为未来的治疗和治愈带来希望。
人类长久以来仰望天空，梦想着未来。今天，科学家们正仰望着同样的天空，希望了解地球上困扰着我们的问题。
