Die NASA hat große Pläne für die Zukunft der bemannten Raumfahrt. Die Vorschläge der Weltraumbehörde, langfristige bemannte Missionen zum Mond zu schicken und schließlich Astronauten auf dem Mars zu landen, werden erhebliche Fortschritte bei der Raketen- und Raumfahrt-Hardware erfordern. Aber neben der neuen Technologie beschäftigen sich Wissenschaftler mit einer weiteren entscheidenden Frage: Kann sich der menschliche Körper während dieser Zeit im Weltraum selbst erhalten? Eine explorative Marsmission könnte zwei oder drei Jahre dauern, während die meisten Weltraumexpeditionen bisher sechs Monate oder weniger gedauert haben. Ausgedehnte Missionen außerhalb der Erdumlaufbahn könnten zu tiefgreifenden und potenziell gefährlichen biologischen Auswirkungen auf den Körper von Astronauten führen.Um den Einfluss von Mikrogravitation, Strahlung und Einschluss in der Langzeitraumfahrt zu untersuchen, wählte die NASA die Zwillinge Scott und Mark Kelly für eine einzigartige Mission aus. Die beiden eineiigen Zwillinge haben beide als NASA-Testpiloten und Astronauten gedient, und Scott wurde für eine einjährige Mission zur Internationalen Raumstation (ISS) ausgewählt und ließ seinen Bruder — eine genetische Kopie von sich selbst — auf der Erde zurück. Die Forscher verwendeten die erdgebundene Markierung als eine Art Kontrollsubjekt, um sie mit Veränderungen von Scott während seines Jahres im Weltraum zu vergleichen, das vom 27. März 2015 bis zum 1. März 2016 dauerte.Zehn Wissenschaftlerteams untersuchten verschiedene Aspekte der Gesundheit und Biologie der Zwillinge, von der Genexpression über Darmbakterien bis hin zur Kognition. Heute veröffentlichten die Teams einige ihrer gesammelten Forschungsergebnisse in einer interdisziplinären Studie, die am 12.

Mit mehr als 80 Autoren vereint und analysiert die Studie eine Vielzahl von Daten, die von beiden Zwillingen im Laufe der einjährigen Mission sowie in den Monaten unmittelbar davor und danach gesammelt wurden. Die Ergebnisse sind umfangreich, zeigen aber hauptsächlich, dass Scotts Körper mit einigen bemerkenswerten Ausnahmen nach 340 Tagen unter stressigen Weltraumbedingungen ziemlich schnell zurückprallte. Die Forschung schafft „ein integriertes Porträt von molekularen, physiologischen und Verhaltensanpassungen und Herausforderungen für den menschlichen Körper während der erweiterten Raumfahrt“, schreiben die Autoren.

Eine Frage des Alterns

Eines der zehn Teams unter der Leitung von Susan Bailey, Professorin für Strahlen- und Krebsbiologie an der Colorado State University, konzentrierte sich auf Telomere, die „Kappen“, die die Enden von DNA-Strängen schützen. Auf der Erde werden diese Telomere im Laufe des Lebens einer Person erschöpft, da jede Runde der DNA-Replikation an ihnen nachlässt.Als Baileys Team die Telomere in Scotts weißen Blutkörperchen analysierte, stellten sie fest, dass die durchschnittliche Telomerlänge in diesen Zellen während der Mission tatsächlich zunahm. „Es war genau das Gegenteil von dem, was wir uns vorgestellt hatten“, sagt Bailey. „Wir schlugen vor, dass aufgrund all der wirklich einzigartigen Belastungen und Belastungen durch Dinge wie Schwerelosigkeit, Weltraumstrahlung und Isolation … der Telomerverlust im Weltraum wirklich beschleunigt werden würde.“

Sobald Scott wieder auf der Erde war, beobachtete Baileys Team, dass seine durchschnittliche Telomerlänge auf ungefähr das Niveau vor dem Flug abnahm. In den Monaten nach dem Flug ging jedoch eine größere Anzahl von Telomeren verloren oder wurde kritisch verkürzt. Dies könnte ein besorgniserregender Befund sein, da Telomerverkürzung und -verlust mit dem Altern und der Anfälligkeit für altersbedingte Krankheiten, einschließlich Herz-Kreislauf-Problemen und Krebs, verbunden sind.

Die Forscher sind sich noch nicht sicher, wie oder warum diese Telomerveränderungen auftraten. Das Team hoffte, die Aktivität der Telomerase zu analysieren, ein Enzym, das Telomere verlängert, aber in den meisten erwachsenen Körperzellen ausgeschaltet wird, um zu sehen, ob es irgendwie aktiviert wurde, während Scott im Flug war. Das Material, das sie brauchten, war jedoch „im Weltraum verloren“, sagt Bailey. Die Blutproben wurden mit einem Sojus-Raumschiff zur Erde zurückgeschickt, aber die Telomeraseaktivität war bei der Ankunft tot, möglicherweise als Folge von Temperaturänderungen während des Wiedereintritts durch die Erdatmosphäre.Mehr über den Mechanismus hinter diesen Veränderungen während und nach der Raumfahrt zu lernen, wird wichtig sein, sagt Bailey — nicht nur für Astronauten, sondern auch, weil ein gründlicheres Verständnis des Alterns für die Gesundheit von „Erdlingen“ wertvoll wäre.“

Genexpression im Weltraum

Die Forscher untersuchten auch Scotts Genom, um festzustellen, ob sich die Genexpression während des Fluges verändert hat, wie dies in Stresssituationen der Fall ist. Ein Team unter der Leitung von Chris Mason, einem Genetiker bei Weill Cornell Medicine, untersuchte DNA- und RNA-Modifikationen, die eine epigenetische Anpassung signalisieren würden. Sie beobachteten einige Veränderungen in der Expression von Genen, und diese Variationen beschleunigten sich in den letzten sechs Monaten der Mission. In der zweiten Hälfte traten mehr als sechsmal so viele Unterschiede in der Genexpression auf wie zu Beginn des Fluges.

Die Ergebnisse waren etwas überraschend, sagt Mason, weil er erwartet hatte, dass sich diese Unterschiede nach einer anfänglichen Anpassungsphase an die neue Umgebung verlangsamen oder stoppen würden. Die anhaltenden und zunehmenden genetischen Transformationen zeigen, dass sich der Körper über lange Zeiträume im Raum weiter verändert.Andrew Feinberg, Professor und medizinischer Forscher an der Johns Hopkins University, und sein Team konzentrierten sich auf Methylgruppen — chemische Marker, die normalerweise Veränderungen in der Genexpression signalisieren — und fanden heraus, dass das Ausmaß der epigenetischen Veränderung für die beiden Brüder ähnlich war. Trotz einiger geringfügiger Unterschiede verhielt sich Scotts Genom „nicht besorgniserregend“, sagt Feinberg.Nach dem Ende der Mission kehrten 90 Prozent der modifizierten Genexpression zu ihrer Basislinie vor dem Flug zurück – ein gutes Zeichen dafür, dass der Körper nach einer langen Mission wieder auf die Beine kommen kann, sagt Mason. Die anderen 10 Prozent, die über 800 Gene umfassten, darunter solche, die mit Immunantwort und DNA-Reparatur zusammenhängen, wurden sechs Monate nach Scotts Rückkehr immer noch anders exprimiert. „Es scheint bis zu einem gewissen Grad, dass genug Zellen im Körper eine Erinnerung an das haben, was passiert ist, dass es immer noch eine laufende Anpassung und Neukalibrierung gibt, um wieder auf der Erde zu sein“, sagt Mason.

Einfluss der Raumfahrt auf den Geist

In einem potenziell besorgniserregenden Ergebnis stellte ein Team, das Kognition untersuchte, fest, dass Scotts Leistung bei einer Reihe kognitiver Tests in der Zeit nach dem Flug abnahm. Mathias Basner, Professor für Psychiatrie an der University of Pennsylvania, und sein Team entwickelten eine spezielle kognitive Testbatterie für die NASA — eine Reihe von 10 computergestützten Aufgaben zur Messung verschiedener Aspekte des Denkens von Astronauten, einschließlich emotionaler Erkennung, Risikobereitschaft und Aufmerksamkeit.Obwohl Scotts Messungen während des Fluges stabil waren, sank seine „kognitive Effizienz“ oder seine Geschwindigkeit und Genauigkeit beim Abschluss der Testbatterie, als er zur Erde zurückkehrte. Der Rückgang hielt in den sechs Monaten nach seiner Rückkehr an.Während Scott im Laufe des einjährigen Raumflugs keine alarmierenden kognitiven Effekte zeigte, schien er nach seiner Rückkehr in die Erdumgebung viel mehr Probleme mit den Tests zu haben als nach seiner sechsmonatigen Mission von Oktober 2010 bis März 2011. Die kognitiven Ergebnisse könnten eine „rote Fahne“ sein, wenn man so etwas wie eine Mission zum Mars plant, sagt Basner, bei der Astronauten nach der Landung komplexe Aufgaben erledigen müssten.

„Der Weltraum ist eine sehr feindliche Umgebung“, sagt Basner. „Wir wollen immer, dass Astronauten ihre besten Leistungen erbringen, in dem Sinne, dass winzige Fehler zu katastrophalen Fehlern führen können — im schlimmsten Fall zum Scheitern der Mission und zum Verlust von Ausrüstung und Astronautenleben.Obwohl es wahrscheinlich ein hohes Maß an Beeinträchtigung erfordern würde, um Operationen zu beeinflussen, die von ausgebildeten Astronauten geleitet werden, sollten diese kognitiven Veränderungen in zukünftigen Missionen überwacht werden, sagt Basner, zumal Menschen eine schlechte Fähigkeit haben, ihren eigenen kognitiven Status zu beurteilen, neigen dazu, ihre aktuellen Bedingungen als die „neue Normalität“ zu akzeptieren, auch wenn sie tatsächlich schlechter sind als zuvor.

Der Körper des Weltraumforschers

Im Rest von Scotts Körper beobachteten die Forscher andere Veränderungen im Zusammenhang mit der Raumfahrt. In einer Studie des Mikrobioms, der Gemeinschaft von Bakterien, die im menschlichen Darm leben, fand ein Team unter der Leitung von Forschern der Northwestern University heraus, dass sich die Anteile verschiedener Bakterientypen während Scotts Jahr im Weltraum veränderten. Die Gesamtvielfalt der Bakterien nahm jedoch nicht ab, was ein gutes Zeichen dafür ist, dass das Mikrobiom gesund blieb.Ein Team unter der Leitung von Brinda Rana, einer Gesundheitswissenschaftlerin an der University of California in San Diego, stellte fest, dass sich auch mehrere Proteine während des Raumflugs veränderten. Urinproben aus Scotts Zeit an Bord der ISS enthielten einen hohen Gehalt an Kollagen, einem Strukturprotein. Betrachtet man diese Maßnahme zusammen mit physiologischen Veränderungen — wie sie in Scotts Augäpfeln und im Gefäßsystem beobachtet wurden — könnte dies ein Zeichen dafür sein, dass sich der Körper umstrukturiert, sagt Rana. Die Forscher beobachteten auch erhöhte Konzentrationen von Aquaporin 2, einem Protein, das tendenziell ein Marker für Dehydration ist.

Die überwiegende Mehrheit der von Ranas Team und anderen beobachteten Veränderungen verschwand jedoch, sobald Scott wieder auf der Erde war. „Es zeigt nur, wie widerstandsfähig der Körper ist und wie anpassungsfähig der menschliche Körper an verschiedene Umgebungen ist“, sagt Rana. „Ein Jahr im Weltraum — der Körper kann damit umgehen.“Da die Stichprobengröße der Zwillingsstudie der NASA so klein wie möglich ist, betonten die Forscher, dass sie ihre Ergebnisse weder verallgemeinern noch einen direkten Kausalzusammenhang zwischen Raumfahrt und ihren Beobachtungen nachweisen können. Dennoch gibt ihre Arbeit, trotz ihres inhärent begrenzten Umfangs, der NASA einige Hinweise darauf, wo sie biologische Veränderungen während der Raumfahrt sehen könnten — eine „wertvolle Roadmap“, heißt es in der Studie, zu den möglichen Risiken längerer Reisen in unser Sonnensystem.

Die Arbeit an dieser Studie war wie ein früher Kartograph, sagt Feinberg. Er und andere Forscher versuchten in großen Zügen zu verstehen, welche Veränderungen im Körper während der Raumfahrt auftreten, eine allgemeine Form zu schaffen und Raum für zukünftige Forschungen zu lassen, um die Details auszufüllen.

Die NASA hat bereits Pläne, diese Karte des menschlichen Körpers weiter auszufüllen. Bailey und andere Forscher werden mit einem weiteren Langzeitprojekt fortfahren: „Zehn Astronauten auf einjährigen Missionen, zehn auf sechsmonatigen Missionen und zehn auf Reisen von jeweils zwei bis drei Monaten. Gesundheitsdaten werden mit Menschen vor Ort verglichen, die für denselben Zeitraum isoliert sind „, heißt es in einer Pressemitteilung der Colorado State University. Andere Wissenschaftler treiben analoge Projekte auf der Erde voran, darunter Rana, die Maßnahmen von Probanden auf Langzeitbettruhe untersucht, die Schwerelosigkeitsbedingungen nachahmen.Obwohl es noch viel zu tun gibt, hat die NASA jetzt einen Rahmen für die Art der multidisziplinären Zusammenarbeit, die sie wahrscheinlich in zukünftigen Studien fortsetzen wird, sagt Basner. Scott Kelly ist bereit, auf lange Sicht dabei zu sein.“Manchmal werden die Fragen, die die Wissenschaft stellt, durch andere Fragen beantwortet, und ich werde für den Rest meines Lebens einmal im Jahr Tests durchführen lassen“, schrieb er 2017 in seinem Buch Endurance: My Year in Space, A Lifetime of Discovery. „Das stört mich nicht besonders. Es lohnt sich, zur Förderung des menschlichen Wissens beizutragen.”