NASA ma wielkie plany dotyczące przyszłości ludzkich lotów kosmicznych. Propozycje agencji kosmicznej dotyczące wysłania długoterminowych misji z załogą na Księżyc, a ostatecznie lądowych astronautów na Marsie, będą wymagały znacznych postępów w zakresie sprzętu rakietowego i kosmicznego. Ale wraz z nową technologią naukowcy zmagają się z kolejnym kluczowym pytaniem: czy ciało ludzkie może przetrwać w tak długim czasie? Eksploracyjna misja marsjańska może trwać dwa lub trzy lata, podczas gdy większość dotychczasowych wypraw kosmicznych trwała sześć miesięcy lub krócej. Rozszerzone misje poza orbitą Ziemi mogą spowodować głębokie i potencjalnie niebezpieczne skutki biologiczne w ciałach astronautów.
Aby zbadać wpływ mikrograwitacji, promieniowania i uwięzienia w długotrwałym locie kosmicznym, NASA wybrała bliźniaków Scotta i Marka Kelly'ego na wyjątkową misję. Obaj identyczni bliźniacy służyli jako pilot NASA i astronauci, a Scott został wybrany na całoroczną misję do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS), pozostawiając swojego brata - genetyczną kopię siebie - na Ziemi. Naukowcy wykorzystali znak Ziemi jako rodzaj podmiotu kontrolnego w celu porównania ze wszelkimi zmianami w Scotcie podczas jego roku w kosmosie, który trwał od 27 marca 2015 r. Do 1 marca 2016 r.
Dziesięć zespołów naukowców badało różne aspekty zdrowia i biologii bliźniaków, od ekspresji genów przez bakterie jelitowe do poznania. Dzisiaj zespoły opublikowały część swoich zebranych badań w interdyscyplinarnym badaniu, które zostanie opublikowane 12 kwietnia w czasopiśmie Science.
Graficzna ilustracja ścieżki, jaką poszczególne badania Twins Study prowadzą od badań, przez integrację, jeden dokument podsumowujący do kilku artykułów towarzyszących. (NASA) Badanie, w którym bierze udział ponad 80 autorów, gromadzi i analizuje szeroki zakres danych zebranych od obu bliźniaków w trakcie całorocznej misji oraz miesięcy poprzedzających i późniejszych. Wyniki są rozległe, ale przede wszystkim pokazują, że z kilkoma znaczącymi wyjątkami ciało Scotta odskoczyło dość szybko po 340 dniach w stresujących warunkach przestrzennych. Badanie tworzy „zintegrowany portret molekularnych, fizjologicznych i behawioralnych adaptacji i wyzwań dla ludzkiego ciała podczas rozszerzonego lotu kosmicznego” - piszą autorzy.
Pytanie o starzenie się
Jeden z dziesięciu zespołów, kierowany przez Susan Bailey, profesor radiologii i biologii raka w Colorado State University, skupił się na telomerach, „czapkach” chroniących końce nici DNA. Na Ziemi telomery wyczerpują się w ciągu życia człowieka, gdy każda runda replikacji DNA zużywa się na nie.
Gdy zespół Baileya przeanalizował telomery w białych krwinkach Scotta, odkrył, że średnia długość telomerów w tych komórkach faktycznie wzrosła podczas misji. „To było dokładnie odwrotność tego, co sobie wyobrażaliśmy” - mówi Bailey. „Zaproponowaliśmy, aby w rzeczywistości, ze względu na wszystkie naprawdę wyjątkowe naprężenia i ekspozycje na takie rzeczy, jak mikrograwitacja, promieniowanie kosmiczne i izolacja… [naprawdę] wydawało się, że przyspieszyłyby one utratę telomerów w przestrzeni”.
Scott Kelly na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej podczas swojego roku w kosmosie. (NASA) Gdy Scott ponownie dotknął Ziemi, zespół Baileya zauważył, że jego średnia długość telomerów zmniejszyła się, by w przybliżeniu odpowiadać poziomom przed lotem. Jednak w miesiącach następujących po locie większa liczba telomerów została utracona lub znacznie skrócona. Może to być niepokojące, ponieważ skrócenie i utrata telomerów wiąże się ze starzeniem się i podatnością na choroby związane z wiekiem, w tym problemy sercowo-naczyniowe i raka.
Naukowcy nie są jeszcze pewni, jak i dlaczego nastąpiły te zmiany telomerów. Zespół miał nadzieję przeanalizować aktywność telomerazy, enzymu, który wydłuża telomery, ale zostaje wyłączony w większości dorosłych komórek ciała, aby sprawdzić, czy w jakiś sposób został aktywowany podczas lotu Scotta. Jednak potrzebny im materiał został „zagubiony w kosmosie”, mówi Bailey. Próbki krwi zostały wysłane z powrotem na Ziemię statkiem kosmicznym Sojuz, ale aktywność telomerazy była martwa w chwili przybycia, prawdopodobnie w wyniku zmian temperatury podczas ponownego wejścia do atmosfery ziemskiej.
Dowiedz się więcej o mechanizmie tych zmian podczas lotu kosmicznego i po nim, Bailey mówi - nie tylko ze względu na astronautów, ale także dlatego, że dokładniejsze zrozumienie starzenia się byłoby cenne dla zdrowia „ziemian”.
Ekspresja genów w kosmosie
Badacze zbadali także genom Scotta, aby sprawdzić, czy ekspresja genów zmieniła się podczas lotu, jak to zwykle bywa w stresujących sytuacjach. Zespół prowadzony przez Chrisa Masona, genetyka z Weill Cornell Medicine, badał modyfikacje DNA i RNA, które sygnalizowałyby adaptację epigenetyczną. Zaobserwowali pewne zmiany w ekspresji genów, a te odmiany przyspieszyły w ciągu ostatnich sześciu miesięcy misji. Ponad sześć razy więcej różnic w ekspresji genów pojawiło się w drugiej połowie w porównaniu z początkiem lotu.
Odkrycia były nieco zaskakujące, mówi Mason, ponieważ spodziewał się, że różnice te zwolnią lub zatrzymają się po początkowym okresie adaptacji do nowego środowiska. Ciągłe i rosnące transformacje genetyczne pokazują, że ciało ciągle się zmienia w długich okresach czasu w przestrzeni.
Andrew Feinberg, profesor i badacz medyczny na Johns Hopkins University, i jego zespół skupili się na grupach metylowych - markerach chemicznych, które zwykle sygnalizują zmiany w ekspresji genów - i stwierdzili, że ilość zmian epigenetycznych była podobna u obu braci. Pomimo niewielkich różnic genom Scotta zachowywał się w sposób, który „nie był niepokojący”, mówi Feinberg.
Po zakończeniu misji 90 procent zmodyfikowanych ekspresji genów powróciło do poziomu wyjściowego przed lotem - to dobry znak, że ciało może odbić się po długiej misji, mówi Mason. Pozostałe 10 procent, które zawierały ponad 800 genów, w tym związanych z odpowiedzią immunologiczną i naprawą DNA, nadal ulegało ekspresji w różny sposób sześć miesięcy po powrocie Scotta. „Wydaje się do pewnego stopnia, że wystarczająca liczba komórek w ciele ma pamięć o tym, co się stało, że nadal istnieje pewna adaptacja i rekalibracja powrotu do Ziemi” - mówi Mason.
Wpływ lotów kosmicznych na umysł
W jednym potencjalnie niepokojącym wyniku zespół badający funkcje poznawcze stwierdził, że wyniki Scotta w serii testów poznawczych spadły w okresie po locie. Mathias Basner, profesor psychiatrii na University of Pennsylvania, i jego zespół zaprojektowali specjalną baterię do testów poznawczych dla NASA - serię 10 komputerowych zadań do pomiaru różnych aspektów myślenia astronautów, w tym rozpoznawania emocji, podejmowania ryzyka i uwagi.
Mimo że pomiary w locie Scotta były stabilne, jego „sprawność poznawcza” lub jego szybkość i dokładność w ukończeniu testowego akumulatora spadły, gdy wrócił na Ziemię. Spadek utrzymał się przez sześć miesięcy po jego powrocie.
Chociaż Scott nie wykazywał żadnych niepokojących efektów poznawczych w ciągu całorocznego lotu kosmicznego, wydawał się mieć o wiele więcej problemów z testami po powrocie do środowiska Ziemi w porównaniu z okresem ponownej korekty po poprzedniej sześciomiesięcznej misji od października 2010 r. Do Marzec 2011. Basner mówi, że wyniki poznawcze mogą być „czerwoną flagą” podczas planowania czegoś w rodzaju misji na Marsa, podczas której astronauci będą musieli wykonywać skomplikowane zadania po wylądowaniu.
Astronauta NASA Scott Kelly (z lewej), inżynier lotów Expedition 43/44 i dowódca Expedition 45/46; oraz rosyjski kosmonauta Michaił Kornienko, inżynier lotu Expedition 43-46, spędzili łącznie 340 dni w kosmosie. (NASA / Bill Stafford) „Przestrzeń kosmiczna jest bardzo wrogim środowiskiem” - mówi Basner. „Zawsze chcemy, aby astronauci osiągali jak najlepsze wyniki w tym sensie, że drobne błędy mogą przełożyć się na katastrofalne błędy - w najgorszym przypadku na niepowodzenie misji, utratę sprzętu i życie astronautów”.
Basner mówi, że choć prawdopodobnie wpłynęłoby to na wysoki poziom upośledzenia, aby wpłynąć na operacje prowadzone przez wyszkolonych astronautów, przyszłe misje powinny być monitorowane, zwłaszcza, że ludzie mają słabą zdolność oceny własnego stanu poznawczego, z tendencją do akceptowania ich obecnego warunki jako „nowa normalna”, nawet jeśli są gorsze niż wcześniej.
Ciało Odkrywcy Kosmosu
W pozostałej części ciała Scotta badacze zaobserwowali inne zmiany związane z lotem kosmicznym. W badaniu mikrobiomu, społeczności bakterii żyjących w ludzkich jelitach, zespół kierowany przez naukowców z Northwestern University stwierdził, że proporcje różnych rodzajów bakterii zmieniły się w ciągu roku Scotta w kosmosie. Ogólna różnorodność bakterii nie zmniejszyła się, co jest dobrym znakiem, że mikrobiom pozostał zdrowy.
Zespół kierowany przez Brindę Rana, naukowca zajmującego się naukami o zdrowiu na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, stwierdził, że podczas lotów kosmicznych zmieniło się także kilka białek. Próbki moczu z czasów Scotta na pokładzie ISS zawierały wysoki poziom kolagenu, białka strukturalnego. Patrząc na tę miarę wraz ze zmianami fizjologicznymi - takimi jak te obserwowane w gałkach ocznych i układzie naczyniowym Scotta - może to być znak, że ciało ulega restrukturyzacji, mówi Rana. Naukowcy zaobserwowali także podwyższone poziomy akwaporyny 2, białka, które jest zwykle markerem odwodnienia.
Zdecydowana większość zmian zaobserwowanych przez zespół Rany i innych zniknęła, gdy Scott z powrotem dotknął Ziemi. „To po prostu pokazuje, jak odporne jest ciało i jak przystosowuje się ludzkie ciało do różnych środowisk”, mówi Rana. „Rok w kosmosie - ciało sobie z tym poradzi”.
Ponieważ wielkość próby w badaniu bliźniaków NASA jest tak mała, jak to tylko możliwe, naukowcy podkreślili, że nie mogą uogólnić swoich wyników ani też nie mogą udowodnić bezpośredniego związku przyczynowego między lotem kosmicznym a ich obserwacjami. Mimo to ich praca, pomimo z natury ograniczonego zakresu, daje NASA kilka wskazówek na temat tego, gdzie mogą zobaczyć zmiany biologiczne podczas lotów kosmicznych - „cenna mapa drogowa” - mówi badanie - o możliwym ryzyku dłuższych podróży do naszego Układu Słonecznego.
Feinberg twierdzi, że praca nad tym badaniem była jak wczesny kartograf. On i inni badacze próbowali zrozumieć, szerokimi pociągnięciami, jakie zmiany zachodzą w ciele podczas lotów kosmicznych, tworząc ogólny kształt i pozostawiając miejsce na przyszłe badania w celu uzupełnienia szczegółów.
NASA już planuje wypełniać tę mapę ludzkiego ciała. Bailey i inni badacze będą kontynuować kolejny długoterminowy projekt monitorujący „dziesięciu astronautów na rocznych misjach, dziesięciu na sześciomiesięcznych misjach i dziesięciu na podróżach od dwóch do trzech miesięcy na raz. Dane zdrowotne zostaną porównane z osobami w terenie, które są w izolacji przez te same okresy ”, zgodnie z komunikatem prasowym Uniwersytetu Stanowego w Kolorado. Inni naukowcy posuwają się naprzód z analogowymi projektami na Ziemi, w tym Rana, która bada środki od podmiotów na długoterminowym łóżku, które naśladują warunki zerowej grawitacji.
Mimo, że pozostało jeszcze wiele do zrobienia, NASA ma teraz ramy dla tego rodzaju multidyscyplinarnej współpracy, którą prawdopodobnie będą kontynuowane w przyszłych badaniach, mówi Basner. Jeśli chodzi o Scotta Kelly'ego, jest przygotowany na to, by być w nim na dłuższą metę.
„Czasami na pytania nauki odpowiadają inne pytania, a ja będę przeprowadzał testy raz do roku przez resztę życia”, napisał w swojej książce z 2017 r., Endurance: My Year in Space, A Lifetime of Discovery . „Nie przeszkadza mi to szczególnie. Warto przyczynić się do rozwoju ludzkiej wiedzy. ”
