未来10年有望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，太空相关经济将以每年9%的速度增长，到2035年将达到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工作，还通过创新创造出全新的行业。本文是系列文章的第一篇，探讨加州大学圣地亚哥分校研究人员、员工和校友在太空及相关领域的研究成果，以及这些成果将如何为后代革命性地改变未来。
太空是下一个前沿。
这不仅与旅行有关：在国际空间站的近地轨道、通过不断环绕地球的卫星以及通过强大的望远镜收集的信息所实现的空间研究，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员工在这些突破中处于领先地位。
加州大学圣地亚哥分校的研究人员已经在引领造福全球人类生命的努力。这些努力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。地球科学数据收集将加强国防，精确定位气候变化的影响，并保护人们免受其灾难性影响，包括风暴频率和强度的增加。甚至包括关于流星体灾难性撞击地球概率的数学计算。
"推进太空研究的竞赛对我国具有难以置信的重要性，"加州大学圣地亚哥分校研究与创新副校长科琳·皮克-阿萨表示。"加州大学圣地亚哥分校在如何管理这场竞赛方面发挥着思想和发现领导者的至关重要的作用，但这不是我们可以孤立进行的比赛。这将是一个全球性解决方案，科学家、行业和政府合作更好地了解我们自己和地球。"
国际空间站是一个多国合作的宜居实验室，在近地轨道上进行科学实验。目前计划于2030年脱离轨道。
太空中的衰老时间
在过去的七年中，加州大学圣地亚哥分校已成为在太空进行健康研究的先驱，寻求开发治疗癌症和阿尔茨海默病等疾病的疗法。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。
根据世界癌症基金最新数据，全球每年诊断出近2000万例新癌症病例。根据世界卫生组织的数据，癌症是全球主要死因之一，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。
来自加州大学圣地亚哥分校桑福德干细胞研究所的卡特里娜·贾米森和阿利松·穆奥特里自2019年以来已将总计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——送入太空。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。通过参与该任务，贾米森和穆奥特里的研究项目成为太空中最长期运行的生物实验。
为什么将这些实验送到国际空间站？因为在太空中的压力可以加速人类细胞的衰老，太空中的短短几天相当于地球上的数年。这使研究人员得以窥见未来，观察干细胞、炎症、癌症和神经退行性脑部疾病（如阿尔茨海默病、肌萎缩侧索硬化症和帕金森病）将如何在地球上的患者身上演变和发展。这些见解可能让他们提前开发出必要的护理和药物，帮助患者在退行性疾病进展到无法治疗的阶段之前得到治疗。
卡特里娜·贾米森
贾米森是医学博士、医学教授、再生医学部门主任兼桑福德干细胞研究所主任。她的工作重点是寻找更具选择性和毒性更小的癌症治疗方法，并了解可以延长生命的干细胞弹性机制。
"加州大学圣地亚哥分校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，"贾米森表示。"我们有着作为团队合作解决真正棘手医学问题的既定记录。"
关于她目前对干细胞、炎症和癌症的研究，"太空加速了癌症生物学，因此我们能够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，使我们能够在几天而不是数年内看到癌症如何演变或转移。"
贾米森表示，经历太空引入的压力因素的细胞"也向我们展示了弹性机制"。她解释说，干细胞在太空中的变化随后可用于开发更有效的治疗方法或药物。
阿利松·穆奥特里
在加州大学圣地亚哥分校，穆奥特里是儿科学和细胞与分子医学系教授，也是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。
"对于研究衰老、恢复活力、弹性和与年龄相关的神经系统疾病的科学家来说，太空研究至关重要，我甚至认为必不可少，因为地球上没有人脑衰老的人类模型，"穆奥特里解释道。
穆奥特里的发现可能为数百万患有阿尔茨海默病和帕金森病等常见疾病的患者，以及那些患有肌萎缩侧索硬化症等罕见疾病的患者开辟治疗途径。
他的研究已经揭示了一种潜在的雷特综合征治疗方法——这是一种毁灭性的神经发育疾病，目前尚无治愈方法——目前该方法已获得美国食品药品监督管理局批准进入临床试验。
潜在的治疗途径
- 世界卫生组织估计，全球有5700万人患有痴呆症——其中阿尔茨海默病是最常见的形式——每年有1000万人新确诊。
- 帕金森基金会估计，全球患有帕金森病的人数将超过1000万。
- ALS——也被称为卢伽雷病——被归类为罕见疾病，美国疾病控制与预防中心估计，在美国确诊ALS的人数不到3万人。
太空可用于测试保护大脑免受退化的化合物，穆奥特里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型化合物。
贾米森和穆奥特里都对未来太空研究可能实现的前景充满希望。但这些希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，将实验送入太空是一个复杂的过程，与在地面进行实验大不相同。"实验数量受到这些密封的盒中实验室内当前自动化程度和尺寸的限制，"穆奥特里说。"在地球上，你执行实验，如果出了问题，第二天就可以重试。在太空中，你需要计划A、B、C和D。"
随着健康相关研究的复杂性增加，穆奥特里表示，需要改变在太空进行的研究流程。这种微型鞋盒实验室实验不足以回答需要解答的重大问题。"我们需要训练有素的人眼和人手，"他说。"我们需要扩大我们目前所做的工作。"
桑福德干细胞研究所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——反过来不可行，因为培训时间太长——以便在轨道上的实验室工作，"穆奥特里说。"这需要创造力、科学资助的新方法和长期承诺。我们正在建立一个大型联盟，包括国际政府、拥有祖先医学知识的雨林部落萨满、制药公司、服务患者的基金会和与我们愿景一致的私营公司。"
融化的冰盖正在导致全球海平面上升。
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：这是世界上历史最悠久、规模最大、最重要的海洋、地球和大气研究地点之一。
斯克里普斯因其对气候变化及其影响的关键研究而闻名。海平面上升。风暴频率和强度的增加。甚至海啸。更好地预测此类灾难性事件，以便可以建造防御工事——例如防止英国伦敦市中心78平方英里范围内的洪水的泰晤士河潮汐屏障——将拯救无数生命。
在斯克里普斯，一些突破得益于我们很少思考的太空技术：卫星。
海伦·阿曼达·弗里克尔
斯克里普斯地球物理学教授海伦·阿曼达·弗里克尔最近通过NASA地球系统探索者计划获得了一项专门的卫星任务。一旦完成并发射，她的卫星——被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，发送和记录光脉冲，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，"弗里克尔说。她的工作重点是冰盖演变和冰川下方水的特征及其对全球气候的影响。
"我们正在看到这些地区的显著变化，包括冰盖融化、海冰损失和冰川退缩。冰冻圈(被冰雪覆盖的地球部分)中这些可见变化有着深远的影响，从全球海岸线海平面上升和洪水增加及风暴潮高度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收集的数据代表着高回报投资，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、航运可及性和极端天气事件等事件做好准备，"弗里克尔解释道。例如，了解极地地区在哪里——以及多少——冰正在流失，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的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障公民安全，"弗里克尔说。她补充说，由其数据促成的项目"对长期规划和风险管理至关重要"。"它们从防洪策略到土地使用政策都提供信息，使极地冰损失不再是遥远的担忧，而是公共安全和全球弹性的紧迫问题。"
大卫·桑德韦尔
斯克里普斯的另一位地球物理学教授大卫·桑德韦尔正在使用地表水和海洋地形学(SWOT)，这是一种基于卫星的雷达测高系统，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天沿着覆盖全球的路径运行一次，收集地表水测量数据，以便研究人员推断有关海底地形的信息。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底扩张是如何工作的——板块和海洋盆地是如何打开的——传播脊的位置，以及所有海山的位置，"桑德韦尔说。
两条平行线表示2025年7月29日俄罗斯堪察加半岛近海的SWOT对海啸波场的观测，此时距离8.8级地震发生约一小时。这些测量使研究人员能够反向推断导致海啸的海底变形，并实现与SWOT观测相匹配的模拟。
桑德韦尔表示，这些信息对国家安全至关重要，因为水下的每一个地质构造不仅是潜艇可能撞击的障碍物，它还具有引力场，会产生影响其周围水面角度的"水包"。
"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，你必须知道发射地点的引力场，"桑德韦尔说。
桑德韦尔表示，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"。"海啸是由一个板块突然下滑到另一个板块下方造成的巨大逆冲地震引发的，"他解释道。"你需要知道海底的形状，才能知道海啸将如何生成以及它将向何处传播。"
一旦工程师知道哪些自然灾害可能袭击某个地区以及此类灾害的潜在规模，他们就能更好地设计沿海基础设施和建筑物，以保护居住在这些地区的人们。
利克天文台位于加利福尼亚州圣何塞市外的汉密尔顿山顶。该天文台于1888年开放，如今是来自所有加州大学校区的天文学家和学生的场所，可使用世界领先的光学-红外观测设备。
小行星早期预警
尽管好莱坞提供了关于从小行星等灾难中拯救地球的轰动大片，但事实是，在这些场景中拯救地球需要数学。大量的数学。
幸运的是，雅各布斯工程学院的研究人员，如教授托马斯·贝利和亚伦·罗森格伦，以及博士生本杰明·汉森，正处在保护我们免受此类潜在灾难的最前沿。这三位机械与航空航天工程师正在开发预测模型，评估大型流星体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)和流星体(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。当它们中的任何一个进入我们的大气层但足够小以至于在该过程中燃烧时，它们被称为流星——或流星。但当一块岩石足够大，其部分通过大气层时，其幸存的部分被称为陨石。
加州大学圣地亚哥分校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——幸运的是主要是细小的灰尘和小颗粒——落在地球上。
亚伦·罗森格伦
"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，"罗森格伦说。"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非常巨大。"
贝利、罗森格伦和其他人所使用的原始信息来自全球努力，包括天文台和不断扫描夜空寻找移动物体的业余天文学家。这些信息被传递给小行星中心，这是一个全球信息交换所，将观测结果链接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层楼高的建筑物。换句话说，如果它坐在华盛顿特区标志性林肯纪念堂旁边，它将比林肯纪念堂大得多。
"幸运的是，基于我们非常精确的模拟，我们现在几乎可以确定YR4在2032年不会撞击地球，"贝利说。然而，如果这种大小的物体撞击地球，他说，"撞击的能量将大约相当于广岛原子弹爆炸能量的500倍——根据它撞击的确切位置，这可能摧毁整个国家。"
陨石撞击地球在过去曾发生过，包括亚利桑那沙漠中仍然可见的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，研究人员能够在小行星与地球潜在碰撞之前很久就运行撞击概率。"从行星防御的角度来看，我们最担心的物体类别——数百米宽——一个现实目标是至少有5到10年的预警时间，"罗森格伦指出。
"听起来时间很长，但从工程角度看，这几乎不够，"罗森格伦补充道。
亚利桑那州陨石坑，2026年从国际空间站拍摄。
这就是好莱坞再次介入的地方。就像电影一样，对抗威胁将涉及航天器和任务，将小行星推离与地球的碰撞轨道。但正如罗森格伦所解释的，只有在有足够时间检测威胁、设计、资助和发射航天器并抵达小行星的情况下，这才可能发生。
如果在潜在碰撞前仅发现危险物体几年，甚至更糟的是几个月或几天，"响应将需要从偏转转向民用保护，"罗森格伦说。"我们需要预测撞击将发生在哪里，然后警告并疏散可能受影响的人口，并保护关键基础设施。"
这就是为什么对夜空进行严格扫描，以及贝利、罗森格伦、汉森和其他人仔细绘制和评估所有新发现如此重要的原因。
"我们在加州大学圣地亚哥分校所做的就是开创了对未来5到10年内潜在灾难性、极不可能事件的估计，"贝利说。"通过这样做，我们可以预测哪些事情我们真正需要关注，并可能采取某些措施以防止碰撞。"
谁说数学很无聊？
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