未来10年将成为太空产业最具变革性的十年。2024年世界经济论坛报告预测，到2035年，太空相关经济将以每年9%的速度增长，达到1.8万亿美元。加州大学圣地亚哥分校的研究人员在这一爆炸性增长中发挥着关键作用，他们不仅在现有行业中开展工作，还在创造全新的创新领域。本文是探索UCSD研究人员、工作人员和校友在太空领域工作及其如何为后代革命性地塑造未来的系列文章中的第一篇。
太空是下一个前沿。
这不仅仅与太空旅行有关：太空可能实现的研究——在国际空间站的近地轨道、通过环绕地球的卫星以及通过强大望远镜收集的信息——以原本不可能的方式保护和拯救地球上的生命。加州大学圣地亚哥分校医学院、斯克里普斯海洋学研究所和雅各布斯工程学院的教职人员正在引领这些突破。
UCSD研究人员已经在全球范围内开展造福人类生命的工作。这些工作包括改善癌症和阿尔茨海默病等毁灭性疾病患者护理和治疗的生命科学研究；将加强国防、准确定位气候变化影响并保护人们免受其灾难性影响（包括风暴频率和强度不断增加）的地球科学数据收集；甚至还有关于小行星灾难性撞击地球概率的数学计算。
"推进太空研究的竞争对我国具有难以置信的重要性，"UCSD研究与创新副校长Corinne Peek-Asa表示，"加州大学圣地亚哥分校在如何管理这一竞争方面扮演着思想和发现领导者的至关重要的角色，但我们不能孤立地进行这场竞赛。这将是一个全球解决方案，科学家、产业和政府将合作更好地了解我们自身和地球。"
太空中的衰老时间
在过去七年中，加州大学圣地亚哥分校已成为在太空中进行健康研究的先驱，致力于开发癌症和阿尔茨海默病等疾病的治疗方法。其中大部分研究通过鞋盒大小的微型实验室发送到太空，这些实验室无需宇航员输入即可自动运行。
根据世界癌症基金会最新可用数据，全球每年诊断出近2000万例新癌症病例。根据世界卫生组织数据，癌症是全球主要死亡原因，最新数据显示每年约有1000万人死于癌症相关疾病。
这是一个巨大的全球性问题，研究人员正努力解决。
来自UCSD桑福德干细胞研究所的Catriona Jamieson和Alysson Muotri自2019年以来，已共同向太空发送了18组与干细胞和再生医学相关的科学实验——其中许多至少部分由NASA资助。他们的发射清单包括去年夏天发射并于今年2月返回的NASA SpaceX CRS-33。随着他们参与此次任务，Jamieson和Muotri的研究项目成为太空中运行时间最长的生物实验。
为什么将这些实验发送到国际空间站？因为太空中的压力会使人类细胞以加速的速度老化，太空中的短短几天相当于地球上的数年。这使研究人员得以一窥未来，观察干细胞、炎症、癌症和阿尔茨海默病、ALS和帕金森病等神经退行性脑疾病将如何在地球患者身上演变和发展。这些见解可能使他们提前开发必要的护理和药物，帮助患者在退行性疾病进展到无法治疗的阶段之前得到帮助。
Jamieson是医学博士、医学教授、再生医学系主任和SSCI主任。她的工作重点是寻找更具选择性且毒性更低的癌症治疗方法，并了解可延长生命的干细胞恢复力的机制。
"UCSD的桑福德干细胞研究所处于独特地位，是全国唯一完全整合的干细胞研究所，"Jamieson说，"我们在团队合作解决真正棘手的医学问题方面有着 established track record。"
对于她当前关于干细胞、炎症和癌症的研究，"太空加速了癌症生物学，因此我们能快速了解癌症在压力条件下如何演变，"她说，"太空对细胞来说是一个极其压力的环境，让我们看到癌症在几天而非数年内如何演变或转移。"
经历太空引入的压力因素的细胞"还向我们展示了恢复机制，"Jamieson说。她在太空中的干细胞经历的变化随后可用于开发更有效治疗的治疗方法。
在UCSD，Muotri是儿科和细胞与分子医学系教授，也是SSCI桑福德综合空间干细胞轨道研究中心主任。他研究衰老、神经系统疾病和人类大脑。
"太空研究至关重要，我甚至可以说对于研究衰老、恢复活力、恢复力和与年龄相关的神经系统状况的科学家来说是必不可少的，因为在地球上没有人类大脑衰老模型，"Muotri解释道。
Muotri的研究可能为数百万患有阿尔茨海默病和帕金森病等常见疾病以及肌萎缩侧索硬化症(ALS)等罕见疾病的人开辟治疗途径。
他的研究已经揭示了一种可能治疗雷特综合征——一种没有治愈方法的毁灭性神经发育疾病的潜在治疗方法，目前该方法已进入美国食品药品监督管理局批准的临床试验。
太空可用于测试保护大脑免受退化的化合物，Muotri正在研究亚马逊雨林的生物多样性，寻找西方医学通常未知的植物中的新化合物。
Jamieson和Muotri都对未来太空研究可能实现的前景抱有高度期望。但这些期望受到太空旅行现有现实的制约。还记得那些鞋盒大小的自动化实验室吗？
目前，将实验发送到太空是一个复杂的过程，与在地面进行实验大相径庭。"实验数量受到这些密封实验室盒内尺寸和当前自动化程度的限制，"Muotri说，"在地球上，你可以执行实验，如果出现问题，第二天就可以重试。在太空中，你需要计划A、B、C和D。"
随着与健康相关研究的复杂性不断增加，Muotri表示，太空进行的研究需要改变流程。这种微型鞋盒实验室实验将不足以回答需要解答的重大问题。"我们需要经过训练的人眼和人手，"他说，"我们需要扩大我们目前所做的工作。"
SSCI的科学家们已经在计划如何满足这一需求。"我们的解决方案是培训我们的科学家成为宇航员——反向操作由于培训时间原因不可行——在轨道实验室工作，"Muotri说，"这需要创造力、科学资金的新方式和长期承诺。我们正在建立一个大型联盟，包括国际政府、拥有祖传医学知识的雨林部落萨满、制药公司、服务患者的基金会以及与我们愿景一致的私营公司。"
从太空进行测量
加州大学圣地亚哥分校也是著名斯克里普斯海洋学研究所的所在地：世界海洋、地球和大气研究最重要、历史最悠久、规模最大的地点之一。
斯克里普斯以其对气候变化及其影响的关键研究而闻名。海平面上升、风暴频率和强度不断增加，甚至海啸。更好地预测此类灾难性事件，以便建造防御设施——如防止英国伦敦市中心78平方英里区域洪水的泰晤士潮汐屏障——将拯救无数生命。
在斯克里普斯，一些突破要归功于我们很少花时间思考的太空技术：卫星。
斯克里普斯地球物理学教授Helen Amanda Fricker最近通过NASA地球系统探索者计划获得了一项专属卫星任务。一旦完成并发射，她的卫星——称为地球动力学大地测量探测器(EDGE)卫星——将携带尖端成像激光雷达，发射并记录光脉冲，以测量陆地生态系统(如森林)以及极地地区冰川、冰盖和海冰的表面特征。
地球的陆地生态系统和极地地区紧密相连。"地球的森林储存碳并提供栖息地，而其极地地区在调节全球气候方面发挥着至关重要的作用，使地球上的生命成为可能，"Fricker说。她的工作重点是冰盖演变以及位于冰川下方的水的特征及其对全球气候的影响。
"我们看到这些地区发生重大变化，包括冰盖融化、海冰损失和冰川退缩。这些 cryosphere(被冰和雪覆盖的地球部分)的可见变化具有深远影响，从全球海岸线的海平面上升、洪水和风暴潮高度增加到对水资源和生物多样性的影响，"她说，"我们需要监测地球的生命体征，因为这些变化影响着我们所有人。"
EDGE收集的数据代表了高回报投资，将通过改善海岸线和森林管理，加强环境意识和国家安全，"使我们能够为野火、海平面上升、航运可达性和极端天气事件等事件做好准备，"Fricker解释道。例如，了解极地地区哪里以及多少冰正在消失，对于准确预测未来沿海海平面上升至关重要。
卫星任务是监测冰盖和收集必要高分辨率数据以进行沿海海平面预测的唯一实用方法。"EDGE将帮助我们高效管理国家资源并保护公民，"Fricker说。其数据可能实现的项目"对长期规划和风险管理至关重要，"她补充道，"它们为从防洪策略到土地使用政策的方方面面提供信息，使极地冰损失不仅成为遥远的关切，而是公共安全和全球恢复力的紧迫问题。"
同样在斯克里普斯担任地球物理学教授的David Sandwell正在使用表面水和海洋地形(SWOT)——一种基于卫星的雷达测高仪系统，利用无线电波收集精确的高度测量数据。这颗快速移动的卫星每21天沿路径覆盖全球，收集地表水测量数据，使研究人员能够推断海底地形信息。这些关键信息可用于国家安全目的；更好地了解潮汐和洋流；以及模拟潜在海啸的形成、传播和影响区域。
"我们现在可以了解过去海床扩张是如何工作的——板块和海洋盆地如何打开——传播脊在哪里，以及所有海山在哪里，"Sandwell说。
这些信息对国家安全至关重要，因为水下的每个地质构造不仅是潜艇可能撞击的障碍物，还具有重力场，在其周围产生水的"凸起"，影响周围水面的角度，Sandwell解释道。
"除了导航的重要性外，如果发生核战争，你想发射洲际导弹准确命中目标，就必须知道发射地点的重力场，"Sandwell说。
Sandwell表示，SWOT收集的数据还使研究人员能够绘制"生成海啸的深海海沟"。"海啸是由一次巨型逆冲地震产生的，当地壳板块突然滑入另一板块下方时，"他解释道，"你需要知道海底的形状，才能知道海啸将如何产生以及它将向何处传播。"
一旦工程师了解哪些自然灾害可能袭击某个地区以及此类灾难的潜在规模，他们就能更好地设计沿海基础设施和建筑，以保护居住在这些地区的人民。
小行星早期预警
尽管好莱坞提供了许多关于拯救地球免受小行星等灾难的热门电影，但事实是，在这些场景中拯救地球涉及大量数学计算。
幸运的是，像Thomas Bewley教授、Aaron Rosengren教授和博士生Benjamin Hanson这样的雅各布斯工程学院研究人员正站在保护我们免受此类潜在灾难的最前沿。这三位机械和航空航天工程师正在开发预测模型，评估大型陨石完整穿过地球大气层并撞击地面的风险。
小行星(直径大于3英尺)和陨石(直径小于3英尺)是像行星一样绕太阳运行的岩石和金属块。当它们穿透我们的大气层但足够小以至于在该过程中燃烧殆尽时，被称为流星——或流星。但当一块岩石足够大，部分通过大气层时，其幸存的部分被称为陨石。
UCSD研究人员关注的是较大的小行星——以及它们产生的陨石。根据陨石的大小，它可能对地球上的生命造成灾难性事件。NASA估计，每天有48.5吨陨石物质——幸运的是主要是细尘和小颗粒——坠落在地球上。
"我们使用详细的计算机模拟来帮助我们了解哪些物体是无害的背景交通，哪些物体可能有一天需要采取行动，"Rosengren说，"即使单个撞击的可能性很小，但对大型物体判断错误的后果可能是巨大的。"
Bewley、Rosengren和其他人处理的原始信息来自全球努力，包括天文台和业余天文学家，他们不断扫描夜空寻找移动物体。这些信息被传递给小行星中心，这是一个全球性信息交换所，将观测结果联系在一起并估计初步轨道。
2024年，一颗名为2024 YR4的小行星被发现。据NASA估计，其直径在174至220英尺之间，大致相当于15层建筑的大小。换句话说，如果它坐在华盛顿特区标志性林肯纪念堂旁边，它将完全超越后者。
"幸运的是，根据我们非常准确的模拟，我们现在几乎可以确定YR4不会在2032年撞击地球，"Bewley说。然而，如果这种大小的物体撞击地球，"其影响将大致相当于广岛原子弹能量的500倍——取决于确切撞击地点，这可能会摧毁整个国家，"他说。
过去曾发生过陨石撞击地球的事件，包括亚利桑那沙漠中一个仍然可见的3900英尺宽、560英尺深的陨石坑。这就是为什么预测小行星轨道路径的工作对保护人类生命如此重要。
好消息是，研究人员能够提前很长时间预测小行星与地球潜在碰撞的撞击概率。"从行星防御的角度来看，我们最担心的物体类别——横跨数百米——一个现实目标是至少提前5到10年预警，"Rosengren指出。
"这听起来时间很长，但从工程角度看，这几乎不够，"Rosengren补充道。
这就是好莱坞再次介入的地方。就像电影一样，应对威胁将涉及航天器和任务，将小行星"推动"出与地球的碰撞轨道。但Rosengren解释说，只有在有足够时间检测威胁、设计、资助和发射航天器并到达小行星的情况下，这才可能发生。
如果在潜在碰撞前仅发现危险物体一两年，甚至更糟的是几个月或几天，"应对措施将需要从偏转转向民事保护，"Rosengren说，"我们需要预测撞击将发生在哪里，然后尽可能警告和疏散人口，并保护关键基础设施。"
这就是为什么对夜空的扫描必须如此严格，所有新发现都必须由Bewley、Rosengren、Hanson和其他人仔细绘制和评估。
"我们在UCSD所做的就是开创性地估计未来5到10年内可能发生的灾难性、极不可能事件，"Bewley说，"通过这样做，我们可以预见哪些事情我们真正需要关注，并可能采取措施防止碰撞。"
谁说数学很无聊？
这些只是在加州大学圣地亚哥分校推动开创性发现的众多创新研究者中的一小部分。在UCSD Today了解更多在圣地亚哥及周边空间领域进行的开创性工作。
【全文结束】
