NASA har store planer for fremtiden for menneskelig rumflyvning. Rumfartsagenturets forslag om at sende langsigtede, bemandede missioner til månen og til sidst lande astronauter på Mars vil kræve betydelige fremskridt inden for raket-og rumfartsudstyr. Men sammen med ny teknologi kæmper forskere med et andet afgørende spørgsmål: kan menneskekroppen opretholde sig selv i så meget tid i rummet? En udforskende Mars-mission kan tage to eller tre år, mens de fleste rumekspeditioner hidtil har varet seks måneder eller mindre. Udvidede missioner ud over Jordens kredsløb kan resultere i dybe og potentielt farlige biologiske virkninger i astronauternes kroppe.for at studere indflydelsen af mikrogravitet, stråling og indespærring i langvarig rumflyvning valgte NASA tvillingerne Scott og Mark Kelly til en unik mission. De to identiske tvillinger har begge fungeret som NASA—testpiloter og astronauter, og Scott blev valgt til en årelang mission til Den Internationale Rumstation (ISS) og efterlod sin bror—en genetisk kopi af sig selv-nede på jorden. Forskere brugte earthbound-mærket som en slags kontrolemne til at sammenligne med eventuelle ændringer i Scott i løbet af sit år i rummet, som varede fra 27.marts 2015 til 1. Marts 2016.
ti hold af forskere studerede forskellige aspekter af tvillingernes sundhed og biologi, fra genekspression til tarmbakterier til kognition. I dag frigav holdene noget af deres samlede forskning i en tværfaglig undersøgelse, der offentliggøres 12.April i tidsskriftet Science.
Med mere end 80 forfattere samler og analyserer undersøgelsen en bred vifte af data indsamlet fra begge tvillinger i løbet af den årlige mission plus månederne umiddelbart før og efter. Resultaterne er ekspansive, men viser hovedsageligt, at Scotts krop med nogle bemærkelsesværdige undtagelser hoppede ret hurtigt tilbage efter 340 dage under stressende rumforhold. Forskningen skaber” et integreret portræt af molekylære, fysiologiske og adfærdsmæssige tilpasninger og udfordringer for den menneskelige krop under udvidet rumflyvning”, skriver forfatterne.
et spørgsmål om aldring
et af de ti hold, ledet af Susan Bailey, professor i stråling og kræftbiologi ved Colorado State University, fokuserede på telomerer, de “hætter”, der beskytter enderne af DNA-tråde. På jorden bliver disse telomerer udtømt i løbet af en persons levetid, da hver runde af DNA-replikation slides væk på dem.da Bailey ‘ s team analyserede telomerer i Scotts hvide blodlegemer, fandt de, at den gennemsnitlige telomerlængde i disse celler faktisk steg under missionen. “Det var nøjagtigt det modsatte af det, vi havde forestillet os,” siger Bailey. “Vi foreslog, at faktisk på grund af alle de virkelig unikke belastninger og eksponeringer for ting som mikrogravitet, rumstråling og isolering … virkelig virkede som om de ville fremskynde telomer tab i rummet.”
Når Scott rørte tilbage på jorden, observerede Baileys hold, at hans gennemsnitlige telomerlængde faldt til omtrent at matche niveauet før flyvningen. I månederne efter flyvningen blev et større antal telomerer imidlertid tabt eller kritisk forkortet. Dette kunne være en vedrørende fund, som telomer afkortning og tab er forbundet med aldring og modtagelighed for aldersrelaterede sygdomme, herunder hjerte-kar-problemer og kræft.
forskerne er endnu ikke sikre på, hvordan eller hvorfor disse telomerændringer opstod. Holdet håbede at analysere aktiviteten af telomerase, et ferment, der udvider telomerer, men bliver slukket i de fleste voksne kropsceller, for at se, om det på en eller anden måde blev aktiveret, mens Scott var i flugt. Det materiale, de havde brug for, var imidlertid “tabt i rummet”, siger Bailey. Blodprøverne blev sendt tilbage til jorden på et Soyus rumfartøj, men telomeraseaktiviteten var død ved ankomsten, muligvis som et resultat af temperaturændringer under genindtræden gennem Jordens atmosfære.at lære mere om mekanismen bag disse ændringer under og efter rumflyvning vil være vigtigt at komme videre, siger Bailey—ikke kun for astronauternes skyld, men også fordi en mere grundig forståelse af aldring ville være værdifuld for sundheden for “jordboere.”
genekspression i rummet
forskere studerede også Scotts genom for at se, om genekspression ændrede sig under flyvning, som det har tendens til at gøre i stressede situationer. Et hold ledet af Chris Mason, en genetiker hos Cornell Medicine, studerede DNA-og RNA-modifikationer, der ville signalere epigenetisk tilpasning. De observerede nogle ændringer i, hvordan gener blev udtrykt, og disse variationer accelererede i de sidste seks måneder af missionen. Mere end seks gange så mange forskelle i genudtryk dukkede op i sidste halvdel sammenlignet med begyndelsen af flyvningen.
resultaterne var noget overraskende, siger Mason, fordi han havde forventet, at disse forskelle ville bremse eller stoppe efter en indledende periode med tilpasning til det nye miljø. De vedvarende og stigende genetiske transformationer viser, at kroppen fortsætter med at ændre sig over lange perioder i rummet.professor og medicinsk forsker ved Johns Hopkins University og hans team fokuserede på methylgrupper—kemiske markører, der normalt signalerer ændringer i genekspression—og fandt, at mængden af epigenetisk ændring var ens for de to brødre. På trods af nogle mindre forskelle opførte Scotts genom sig på en måde, der var “ikke bekymrende”, siger Feinberg.
efter missionens afslutning vendte 90 procent af de modificerede genudtryk tilbage til deres baseline før flyvningen-et godt tegn på, at kroppen kan hoppe tilbage efter en lang mission, siger Mason. De øvrige 10 procent, der omfattede over 800 gener, herunder dem, der var relateret til immunrespons og DNA-reparation, blev stadig udtrykt forskelligt seks måneder efter Scotts tilbagevenden. “Det ser ud til, at nok celler i kroppen har en hukommelse om, hvad der skete, at der stadig er en vis løbende tilpasning og omkalibrering til at være tilbage på jorden,” siger Mason.
Spaceflight ‘ s indflydelse på sindet
i et potentielt vedrørende resultat fandt et team, der studerede kognition, at Scotts præstation på en række kognitive tests faldt i perioden efter flyvningen. Mathias Basner, en psykiatriprofessor ved University of Pennsylvania, og hans team designede et specialiseret kognitivt testbatteri til NASA—en serie på 10 edb-opgaver til måling af forskellige aspekter af astronauternes tænkning, herunder følelsesmæssig anerkendelse, risikotagning og opmærksomhed.
selvom Scotts flyveforanstaltninger var stabile, faldt hans “kognitive effektivitet” eller hans hastighed og nøjagtighed i færdiggørelsen af testbatteriet, når han kom tilbage til jorden. Faldet dvælede i løbet af de seks måneder efter hans tilbagevenden.mens Scott ikke viste nogen alarmerende kognitive effekter i løbet af den årlige rumflyvning, syntes han at have meget mere problemer med testene efter at have vendt tilbage til Jordens miljø sammenlignet med hans omjusteringsperiode efter hans tidligere seks måneders mission fra oktober 2010 til marts 2011. De kognitive resultater kan være et” rødt flag”, når man planlægger noget som en mission til Mars, siger Basner, hvor astronauter skulle udføre komplekse opgaver efter landing.
“rummet er et meget fjendtligt miljø,” siger Basner. “Vi vil altid have astronauter til at udføre deres bedste i den forstand, at du ved, små fejl kan oversætte til katastrofale fejl—i værste fald til missionsfejl og tab af udstyr og astronautliv.”
selvom det sandsynligvis ville tage et højt niveau af svækkelse for at påvirke operationer ledet af uddannede astronauter, bør disse kognitive ændringer overvåges i fremtidige missioner, siger Basner, især da mennesker har en dårlig evne til at vurdere deres egen kognitive status og har tendens til at acceptere deres nuværende forhold som den “nye normale”, selvom de faktisk er værre end før.
rumforskerens krop
i resten af Scotts krop observerede forskere andre ændringer relateret til rumflyvning. I en undersøgelse af mikrobiomet, samfundet af bakterier, der lever i den menneskelige tarm, fandt et team ledet af forskere fra det Nordvestlige Universitet, at andelen af forskellige typer bakterier ændrede sig i Scotts år i rummet. Den samlede mangfoldighed af bakterierne faldt dog ikke, hvilket er et godt tegn på, at mikrobiomet forblev sundt.
et team ledet af Brinda Rana, en sundhedsvidenskabelig forsker ved University of California San Diego, fandt ud af, at flere proteiner også ændrede sig under rumflyvningen. Urinprøver fra Scotts tid ombord på ISS indeholdt høje niveauer af kollagen, et strukturelt protein. At se på denne foranstaltning sammen med fysiologiske ændringer—som dem, der blev observeret i Scotts øjenkugler og vaskulære system—kunne være et tegn på, at kroppen omstrukturerede, siger Rana. Forskere observerede også forhøjede niveauer af akvaporin 2, et protein, der har tendens til at være en markør for dehydrering.langt størstedelen af de ændringer, der blev observeret af Ranas team og andre, forsvandt, når Scott rørte tilbage på jorden. “Det viser bare, hvor modstandsdygtig kroppen er, og hvor adaptiv menneskekroppen er til forskellige miljøer,” siger Rana. “Et år i rummet-kroppen kan klare det.”
da prøvestørrelsen af NASAs Tvillingestudie er lige så lille som muligt, understregede forskerne, at de ikke kan generalisere deres resultater, og de kunne heller ikke bevise en direkte årsagssammenhæng mellem rumflyvning og deres observationer. Alligevel giver deres arbejde, på trods af dets iboende begrænsede omfang, NASA nogle spor om, hvor de kan se biologiske ændringer under rumflyvning—en “værdifuld køreplan”, siger undersøgelsen, til de mulige risici ved længere rejser ind i vores solsystem.
arbejdet med denne undersøgelse var som at være en tidlig kartograf, siger Feinberg. Han og andre efterforskere forsøgte at forstå, i brede streger, hvilke ændringer der sker i kroppen under rumflyvning, hvilket skaber en generel form og giver plads til fremtidig forskning til at udfylde detaljerne.
NASA har allerede planer om at fortsætte med at udfylde dette kort over den menneskelige krop. Bailey og andre forskere vil fortsætte med endnu et langsigtet projekt, der overvåger “ti astronauter på etårige missioner, ti på seks måneders missioner og ti på ture fra to til tre måneder ad gangen. Sundhedsdata vil blive sammenlignet med mennesker på jorden, der er isoleret i de samme perioder,” ifølge en pressemeddelelse fra Colorado State University. Andre forskere bevæger sig fremad med analoge projekter på jorden, herunder Rana, der studerer foranstaltninger fra emner på langvarig sengeleje, der efterligner nul-tyngdekraftsforhold.selvom der er meget arbejde tilbage at gøre, har NASA nu en ramme for den slags tværfaglige samarbejde, som det sandsynligvis vil fortsætte i fremtidige studier, siger Basner. Hvad angår Scott Kelly, er han parat til at være i det i lang tid.
” nogle gange besvares de spørgsmål, som videnskaben stiller, af andre spørgsmål, og jeg vil fortsætte med at have test udført en gang om året resten af mit liv,” skrev han i sin 2017-bog, Endurance: My year in Space, a Lifetime of Discovery. “Dette generer mig ikke særlig. Det er værd at bidrage til at fremme menneskelig viden.”