У НАСА большие планы на будущее полета человека в космос. Предложения космического агентства по отправке на Луну долгосрочных миссий с экипажем и, в конечном итоге, наземных астронавтов на Марсе потребуют значительных достижений в ракетно-космической технике. Но наряду с новыми технологиями ученые сталкиваются с еще одним важным вопросом: может ли человеческое тело поддерживать себя в течение такого большого количества времени в космосе? Исследовательская миссия на Марс может занять два или три года, в то время как большинство космических экспедиций длится шесть месяцев или меньше. Расширенные миссии за пределами орбиты Земли могут привести к глубоким и потенциально опасным биологическим эффектам в телах космонавтов.
Чтобы изучить влияние микрогравитации, излучения и удержания в условиях длительного космического полета, НАСА выбрало близнецов Скотта и Марка Келли для уникальной миссии. Два идентичных близнеца оба служили в качестве летчиков-испытателей НАСА и космонавтов, и Скотт был выбран для годичной миссии на Международную космическую станцию (МКС), оставив своего брата - генетическую копию себя - на Земле. Исследователи использовали Земную Марку как своего рода объект контроля, чтобы сравнить с любыми изменениями в Скотте в течение его года в космосе, который продолжался с 27 марта 2015 года по 1 марта 2016 года.
Десять групп ученых изучили различные аспекты здоровья и биологии близнецов, от экспрессии генов до кишечных бактерий и познания. Сегодня команды выпустили некоторые из своих обобщенных исследований в междисциплинарном исследовании, которое будет опубликовано 12 апреля в журнале Science.
Графическая иллюстрация пути, по которому проходит отдельное исследование Twins Study, от исследования до интеграции, от одного итогового документа до нескольких сопутствующих. (NASA) В исследовании приняли участие более 80 авторов, которые собирают и анализируют широкий спектр данных, собранных обоими близнецами в течение годичной миссии, а также за месяцы непосредственно до и после. Результаты обширны, но в основном показывают, что, за некоторыми заметными исключениями, тело Скотта довольно быстро пришло в норму после 340 дней в стрессовых космических условиях. Авторы пишут, что исследование создает «комплексный портрет молекулярных, физиологических и поведенческих адаптаций и проблем для человеческого организма во время длительного космического полета».
Вопрос старения
Одна из десяти команд, возглавляемая Сьюзен Бейли, профессором радиационной и онкологической биологии в Университете штата Колорадо, сосредоточилась на теломерах, «крышках», которые защищают концы нитей ДНК. На Земле эти теломеры истощаются в течение жизни человека, поскольку каждый раунд репликации ДНК стирается на них.
Когда команда Бейли проанализировала теломеры в белых кровяных клетках Скотта, они обнаружили, что средняя длина теломер в этих клетках фактически увеличилась во время миссии. «Это было прямо противоположно тому, что мы себе представляли», - говорит Бэйли. «Мы предположили, что фактически из-за всех действительно уникальных напряжений и воздействий таких вещей, как микрогравитация, космическое излучение и изоляция… [действительно] казалось, что они ускорят потерю теломер в космосе».
Скотт Келли на борту Международной космической станции во время года в космосе. (NASA) Когда Скотт снова приземлился на Землю, команда Бэйли заметила, что его средняя длина теломер уменьшилась примерно до уровня перед полетом. Однако в течение нескольких месяцев после полета большее количество теломер было потеряно или критически сокращено. Это может быть важным выводом, так как укорочение и потеря теломер связаны со старением и подверженностью возрастным заболеваниям, включая сердечно-сосудистые проблемы и рак.
Исследователи пока не уверены, как и почему произошли эти изменения теломер. Команда надеялась проанализировать активность теломеразы, фермента, который расширяет теломеры, но отключается в большинстве клеток взрослого организма, чтобы увидеть, была ли она каким-то образом активирована, когда Скотт был в полете. Однако материал, в котором они нуждались, был «потерян в космосе», говорит Бэйли. Образцы крови были отправлены обратно на Землю на космическом корабле "Союз", но теломеразная активность была прервана по прибытии, возможно, в результате изменений температуры во время повторного входа в атмосферу Земли.
По словам Бэйли, важно больше узнать о механизме этих изменений во время и после космического полета, и не только ради астронавтов, но и потому, что более глубокое понимание старения было бы полезно для здоровья «землян».
Экспрессия генов в космосе
Исследователи также изучили геном Скотта, чтобы увидеть, изменилась ли экспрессия генов во время полета, как это обычно происходит в стрессовых ситуациях. Команда, возглавляемая Крисом Мэйсоном, генетиком из Weill Cornell Medicine, изучала модификации ДНК и РНК, которые сигнализировали бы об эпигенетической адаптации. Они наблюдали некоторые изменения в том, как экспрессировались гены, и эти изменения ускорились за последние шесть месяцев миссии. Более чем в шесть раз больше различий в выражениях генов появилось во второй половине по сравнению с началом полета.
Результаты были несколько удивительными, говорит Мейсон, потому что он ожидал, что эти различия замедлятся или прекратятся после начального периода адаптации к новой среде. Устойчивые и растущие генетические преобразования показывают, что тело продолжает меняться в течение длительных периодов времени в пространстве.
Эндрю Файнберг, профессор и медицинский исследователь из Университета Джона Хопкинса, и его команда сосредоточились на метильных группах - химических маркерах, которые обычно сигнализируют об изменениях в экспрессии генов - и обнаружили, что степень эпигенетических изменений была одинаковой для двух братьев. Несмотря на некоторые незначительные различия, геном Скотта вел себя так, чтобы «не беспокоить», говорит Фейнберг.
После окончания миссии 90 процентов модифицированных генных выражений вернулись к исходному уровню перед полетом - хороший признак того, что тело может прийти в норму после долгой миссии, говорит Мейсон. Остальные 10 процентов, которые включали более 800 генов, в том числе связанных с иммунным ответом и репарацией ДНК, все еще экспрессировались по-другому через шесть месяцев после возвращения Скотта. «Кажется, в некоторой степени, достаточное количество клеток в организме обладает памятью о том, что произошло, что все еще существует некоторая адаптация и перекалибровка для возвращения на Землю», - говорит Мейсон.
Влияние космического полета на разум
В одном потенциально интересном результате команда, изучающая познание, обнаружила, что эффективность Скотта в серии когнитивных тестов снизилась в постпролетный период. Матиас Баснер, профессор психиатрии в Университете Пенсильвании, и его команда разработали специализированную батарею когнитивного теста для НАСА - серию из 10 компьютеризированных заданий для измерения различных аспектов мышления астронавтов, включая эмоциональное распознавание, принятие рисков и внимание.
Несмотря на то, что меры Скотта в полете были стабильны, его «когнитивная эффективность», или его скорость и точность при выполнении теста батареи, упала, как только он вернулся на Землю. Снижение продолжалось в течение шести месяцев после его возвращения.
Хотя Скотт не проявлял каких-либо тревожных когнитивных эффектов в течение годичного космического полета, он, похоже, испытывал гораздо больше проблем с тестами после возвращения в земное окружение по сравнению с периодом переналадки после предыдущей шестимесячной миссии с октября 2010 года по Март 2011 года. Когнитивные результаты могут стать «красным флагом» при планировании чего-то вроде полета на Марс, говорит Баснер, во время которого астронавты должны будут выполнять сложные задачи после приземления.
Астронавт НАСА Скотт Келли (слева), бортинженер экспедиции 43/44 и командир экспедиции 45/46; и российский космонавт Михаил Корниенко, бортинженер экспедиции 43-46, провели 340 кумулятивных дней в космосе. (НАСА / Билл Стаффорд) «Космос - это очень враждебная среда», - говорит Баснер. «Мы всегда хотим, чтобы астронавты работали наилучшим образом в том смысле, что крошечные ошибки могут перерасти в катастрофические ошибки - в худшем случае - в сбой миссии, потерю оборудования и жизни космонавтов».
Баснер говорит, что, хотя, вероятно, потребуется значительное ухудшение, чтобы повлиять на операции, проводимые подготовленными астронавтами, эти когнитивные изменения следует отслеживать в будущих миссиях, тем более что у людей плохая способность оценивать свой собственный когнитивный статус, склонный принимать их нынешние условия как «новый нормальный», даже если они на самом деле хуже, чем раньше.
Тело космического исследователя
Во всем остальном теле Скотта исследователи наблюдали другие изменения, связанные с космическим полетом. В исследовании микробиома, сообщества бактерий, живущих в кишечнике человека, команда под руководством исследователей из Северо-западного университета обнаружила, что пропорции различных типов бактерий менялись в течение года Скотта в космосе. Однако общее разнообразие бактерий не уменьшилось, что является хорошим признаком того, что микробиом остается здоровым.
Команда, возглавляемая Бриндой Рана, исследователем в области здравоохранения в Калифорнийском университете в Сан-Диего, обнаружила, что некоторые белки также изменились во время космического полета. Образцы мочи времен Скотта на борту МКС содержали высокие уровни коллагена, структурного белка. Рана говорит, что рассмотрение этой меры наряду с физиологическими изменениями - такими, какие наблюдаются в глазных яблоках Скотта и сосудистой системе - может быть признаком того, что тело перестраивается. Исследователи также наблюдали повышенный уровень аквапорина 2, белка, который является маркером дегидратации.
Подавляющее большинство изменений, наблюдаемых командой Раны и другими, исчезло, как только Скотт снова приземлился на Землю. «Это просто показывает, насколько упругим является тело, и насколько человеческое тело адаптируется к различным средам», - говорит Рана. «Год в космосе - тело может с этим справиться».
Поскольку размер выборки исследования близнецов НАСА настолько мал, насколько это возможно, исследователи подчеркнули, что они не могут обобщить свои результаты и не могут доказать прямую причинную связь между космическим полетом и своими наблюдениями. Тем не менее, их работа, несмотря на свой ограниченный охват, дает НАСА некоторые подсказки о том, где они могут увидеть биологические изменения во время космического полета - «ценная дорожная карта», говорится в исследовании, о возможных рисках более длительных путешествий в нашу солнечную систему.
По словам Файнберга, работать над этим исследованием было все равно что быть ранним картографом. Он и другие исследователи пытались в общих чертах понять, какие изменения происходят в теле во время космического полета, создавая общую форму и оставляя место для будущих исследований, чтобы уточнить детали.
НАСА уже планирует продолжать заполнять эту карту человеческого тела. Бейли и другие исследователи продолжат еще один долгосрочный проект по мониторингу «десять космонавтов на однолетних миссиях, десять на шестимесячных миссиях и десять в поездках от двух до трех месяцев за один раз. Данные о здоровье будут сравниваться с людьми на местах, которые находятся в изоляции в те же периоды времени », - говорится в пресс-релизе Университета штата Колорадо. Другие ученые продвигаются вперед с аналоговыми проектами на Земле, в том числе Рана, которая изучает меры от субъектов на длительном постельном режиме, имитирующих условия невесомости.
По словам Баснера, хотя предстоит еще проделать большую работу, у НАСА есть структура для междисциплинарного сотрудничества, которое, вероятно, будет продолжено в будущих исследованиях. Что касается Скотта Келли, он готов быть в нем надолго.
«Иногда на вопросы, которые задает наука, отвечают другие вопросы, и я буду продолжать делать тесты один раз в год до конца своей жизни», - написал он в своей книге « Выносливость: мой год в космосе, жизнь открытия » в 2017 году. «Это не особенно беспокоит меня. Это стоит того, чтобы внести вклад в развитие человеческих знаний ».
