Nasalla on suuria suunnitelmia ihmisten avaruuslentojen tulevaisuuden varalle. Avaruusjärjestön ehdotukset lähettää pitkäkestoisia, miehitettyjä lentoja kuuhun ja lopulta maa-astronautteja Marsiin vaativat merkittäviä edistysaskeleita raketti-ja avaruuslentokoneissa. Mutta uuden tekniikan ohella tiedemiehet painiskelevat toisen ratkaisevan kysymyksen kanssa: pystyykö ihmisruumis ylläpitämään itseään niin kauan avaruudessa? Tutkimusmatka Marsiin voi kestää kaksi tai kolme vuotta, kun useimmat tähänastiset avaruusretket ovat kestäneet puoli vuotta tai vähemmän. Laajennetut tehtävät Maan kiertoradan ulkopuolella voivat johtaa syvällisiin ja mahdollisesti vaarallisiin biologisiin vaikutuksiin astronauttien ruumiissa.

tutkiakseen mikrogravitaation, säteilyn ja vangitsemisen vaikutusta pitkäkestoisiin avaruuslentoihin NASA valitsi kaksoset Scottin ja Mark Kellyn ainutlaatuiseen tehtävään. Identtiset kaksoset ovat molemmat toimineet Nasan koelentäjinä ja astronautteina, ja Scott valittiin vuoden mittaiselle matkalle Kansainväliselle avaruusasemalle (ISS), jättäen veljensä—geneettisen kopion itsestään—maahan. Tutkijat käyttivät earthbound-merkkiä eräänlaisena kontrollina verratakseen Scottin muutoksia hänen avaruudessa viettämänsä vuoden aikana, joka kesti 27.maaliskuuta 2015-1. maaliskuuta 2016.

kymmenen tutkijaryhmää tutki kaksosten terveyden ja biologian eri osa-alueita geeniekspressiosta suolistobakteereihin ja kognitioon. Ryhmät julkaisivat tänään osan kootuista tutkimuksistaan poikkitieteellisessä tutkimuksessa, joka julkaistaan 12.huhtikuuta Science-lehdessä.

yli 80 kirjoittajaa käsittävä tutkimus kokoaa yhteen ja analysoi laajan valikoiman dataa, joka on kerätty molemmilta kaksosilta vuoden mittaisen tehtävän ajalta sekä sitä edeltäviltä ja sitä seuraavilta kuukausilta. Tulokset ovat laaja, mutta pääasiassa osoittavat, että joitakin merkittäviä poikkeuksia lukuun ottamatta, Scottin ruumis pomppasi takaisin melko nopeasti 340 päivän jälkeen stressaavissa olosuhteissa. Tutkimus luo ”kokonaisvaltaisen kuvan molekyylitason, fysiologisista ja käyttäytymiseen liittyvistä mukautumisista ja haasteista ihmiskeholle pitkän avaruuslennon aikana”, kirjoittajat kirjoittavat.

a Question of Aging

yksi kymmenestä tiimistä, jota johti Coloradon osavaltionyliopiston säteily-ja syöpäbiologian professori Susan Bailey, keskittyi telomeereihin, DNA-säikeiden päitä suojaaviin ”korkkeihin”. Maan päällä nämä telomeerit ehtyvät ihmisen elinaikana, kun jokainen DNA: n replikaatiokierros kuluu niihin.

kun Baileyn ryhmä analysoi Scottin valkosolujen telomeerejä, he havaitsivat, että keskimääräinen telomeerien pituus näissä soluissa todellisuudessa kasvoi tehtävän aikana. ”Se oli juuri päinvastoin kuin olimme kuvitelleet”, Bailey sanoo. ”Ehdotimme, että itse asiassa, koska kaikki todella ainutlaatuinen stressiä ja altistumista asioita, kuten mikrogravitaatio, avaruussäteily ja eristäminen … todella näytti kuin ne nopeuttaisivat telomere menetys avaruudessa.”

kun Scott oli laskeutunut takaisin Maahan, Baileyn ryhmä havaitsi, että hänen keskimääräinen telomeeripituutensa laski suunnilleen samalle tasolle kuin ennen lentoa. Lentoa seuranneina kuukausina kuitenkin katosi tai lyheni kriittisesti suurempi määrä telomeerejä. Tämä voi olla huolestuttavaa löydöstä, sillä telomeerin lyhentyminen ja häviäminen on yhteydessä ikääntymiseen ja alttiuteen ikään liittyville sairauksille, kuten sydän-ja verisuonitaudeille ja syövälle.

tutkijat eivät ole vielä varmoja, miten tai miksi nämä telomeerimuutokset tapahtuivat. Ryhmä toivoi analysoivansa telomeraasin toimintaa. entsyymi, joka laajentaa telomeerejä mutta sammuu useimmissa aikuisten soluissa, – nähdäkseen, aktivoituiko se Scottin paetessa. Heidän tarvitsemansa materiaali oli kuitenkin” kadonnut avaruuteen”, Bailey sanoo. Verinäytteet lähetettiin takaisin Maahan Sojuz-avaruusaluksella, mutta telomeraasiaktiivisuus oli kuollutta saapuessaan, mahdollisesti lämpötilan muutosten seurauksena palatessaan maan ilmakehän läpi.

lisätietojen oppiminen näiden muutosten taustalla olevasta mekanismista avaruuslennon aikana ja sen jälkeen on Baileyn mukaan tärkeää edetä—ei vain astronauttien vuoksi, vaan myös siksi, että vanhenemisen perusteellisempi ymmärtäminen olisi arvokasta ”maan asukkaiden terveydelle.”

geenin ilmentyminen avaruudessa

tutkijat tutkivat myös Scottin genomia selvittääkseen, muuttuiko geenin ilmentyminen lennon aikana, kuten sillä on tapana tehdä stressitilanteissa. Weill Cornell Medicinen geneetikon Chris Masonin johtama ryhmä tutki DNA: n ja RNA: n muokkauksia, jotka viestisivät epigeneettisestä sopeutumisesta. He havaitsivat joitakin muutoksia geenien ilmaisutavoissa, ja nämä vaihtelut kiihtyivät tehtävän viimeisen puolen vuoden aikana. Jälkimmäisellä puoliskolla ilmaantui yli kuusinkertainen määrä eroja geenien ilmaisuissa verrattuna lennon alkuun.

havainnot olivat Masonin mukaan hieman yllättäviä, koska hän oli odottanut näiden erojen hidastuvan tai pysähtyvän alun uuteen ympäristöön sopeutumisen jälkeen. Jatkuvat ja lisääntyvät geenimuunnokset osoittavat, että keho muuttuu jatkuvasti pitkiä aikoja avaruudessa.

Andrew Feinberg, Johns Hopkinsin yliopiston professori ja lääketieteen tutkija, ja hänen tiiminsä keskittyi metyyliryhmiin—kemiallisiin markkereihin, jotka yleensä viestivät muutoksia geenien ekspressiossa—ja havaitsi epigeneettisen muutoksen määrän olevan samanlainen molemmilla veljeksillä. Pienistä eroista huolimatta Scottin perimä käyttäytyi tavalla, joka ei ollut ”huolestuttava”, Feinberg sanoo.

lennon päätyttyä 90 prosenttia muunnelluista geeniekspressioista palasi lentoa edeltäneeseen lähtötilanteeseensa-hyvä merkki siitä, että keho voi toipua pitkän tehtävän jälkeen, Mason sanoo. Loput 10 prosenttia, jotka koostuivat yli 800 geenistä, mukaan lukien immuunivasteeseen ja DNA: n korjautumiseen liittyvät geenit, ilmaistiin eri tavalla vielä puoli vuotta Scottin paluun jälkeen. ”Näyttää siltä, että jossain määrin sen verran soluilla kehossa on muisto tapahtuneesta, että on vielä jonkin verran käynnissä sopeutuminen ja uudelleenkalibrointi siihen, että ollaan taas maan päällä”, Mason sanoo.

avaruuslennon vaikutus mieleen

yhdessä mahdollisesti tulosta koskevassa tutkimuksessa kognitiota tutkinut ryhmä havaitsi, että Scottin suorituskyky kognitiivisissa testeissä heikkeni lennon jälkeen. Pennsylvanian yliopiston psykiatrian professori Mathias Basner ja hänen tiiminsä suunnittelivat Nasalle erikoistuneen kognitiivisen testipariston—sarjan 10 tietokoneistettua tehtävää, joilla mitataan astronauttien ajattelun eri puolia, kuten tunteiden tunnistamista, riskinottoa ja tarkkaavaisuutta.

vaikka Scottin lennon aikaiset mittaustulokset olivat vakaat, hänen ”kognitiivinen tehokkuutensa” eli nopeutensa ja tarkkuutensa koepatterin täydentämisessä heikkenivät hänen päästyään takaisin Maahan. Lasku viipyi yli puoli vuotta hänen paluunsa jälkeen.

vaikka Scottilla ei ollut hälyttäviä kognitiivisia vaikutuksia vuoden mittaisen avaruuslennon aikana, hänellä näytti olevan paljon enemmän ongelmia testien kanssa palattuaan maan ympäristöön verrattuna hänen sopeutumisjaksoonsa edellisen puolivuotisen lentonsa jälkeen lokakuusta 2010 maaliskuuhun 2011. Kognitiiviset tulokset voisivat Basnerin mukaan olla” punainen lippu”, kun suunnitellaan jotain Marsiin tehtävää, jonka aikana astronautit joutuisivat suorittamaan monimutkaisia tehtäviä laskeutumisen jälkeen.

”avaruus on hyvin vihamielinen ympäristö”, Basner sanoo. ”Haluamme aina astronauttien suoriutuvan parhaiten siinä mielessä, että pienet virheet voivat johtaa katastrofaalisiin virheisiin—pahimmassa tapauksessa tehtävän epäonnistumiseen ja laitteiden ja astronauttien ihmishenkien menetyksiin.”

vaikka koulutettujen astronauttien johtamiin operaatioihin vaikuttaminen vaatisi todennäköisesti suurta heikentymistä, näitä kognitiivisia muutoksia tulisi seurata tulevissa tehtävissä, Basner sanoo, varsinkin kun ihmisillä on heikko kyky arvioida omaa kognitiivista tilaansa, ja he ovat taipuvaisia hyväksymään nykyiset tilansa ”uudeksi normaaliksi”, vaikka he olisivat todellisuudessa huonompia kuin ennen.

Avaruustutkijan

koko muualla Scottin kehossa tutkijat havaitsivat muitakin avaruuslentoihin liittyviä muutoksia. Northwestern-yliopiston tutkijoiden johtama ryhmä havaitsi mikrobiomia eli ihmisen suolistossa elävien bakteerien yhteisöä koskevassa tutkimuksessa, että eri bakteerityyppien mittasuhteet muuttuivat Scottin avaruudessa viettämän vuoden aikana. Bakteerien yleinen monimuotoisuus ei kuitenkaan vähentynyt, mikä on hyvä merkki siitä, että mikrobiomi pysyi terveenä.

Kalifornian yliopiston San Diegon terveystieteiden tutkijan Brinda Ranan johtama ryhmä havaitsi, että myös useat proteiinit muuttuivat avaruuslennon aikana. Scottin ISS: llä ottamissa virtsanäytteissä oli runsaasti kollageenia, rakenneproteiinia. Kun tätä toimenpidettä tarkastellaan yhdessä fysiologisten muutosten—kuten Scottin silmämunissa ja verisuonistossa havaittujen muutosten—kanssa, se voi olla merkki siitä, että keho on rakennemuutoksessa, Rana sanoo. Tutkijat havaitsivat myös kohonneita pitoisuuksia akvaporin 2-proteiinissa, joka on yleensä nestehukan merkkiaine.

valtaosa Ranan ryhmän ja muiden havaitsemista muutoksista kuitenkin katosi Scottin kosketettua takaisin Maahan. ”Se vain tavallaan osoittaa, kuinka joustava keho on ja miten mukautuva ihmiskeho on erilaisiin ympäristöihin”, Rana sanoo. ”Vuosi avaruudessa-keho kestää sen.”

koska Nasan Kaksostutkimuksen otoskoko on juuri niin pieni kuin voi olla, tutkijat korostivat, etteivät he voi yleistää tuloksiaan, eivätkä ne voi todistaa suoraa syy-yhteyttä avaruuslentojen ja niiden havaintojen välillä. Silti heidän työnsä, vaikka sen luontaisesti rajallinen soveltamisala, antaa Nasalle joitakin vihjeitä siitä, missä he voisivat nähdä biologisia muutoksia avaruuslennon aikana – ”arvokas tiekartta”, tutkimuksessa sanotaan, mahdollisista riskeistä, jotka aiheutuvat pidemmistä matkoista aurinkokuntaamme.

työskentely tämän tutkimuksen parissa oli kuin olisi ollut varhainen kartanpiirtäjä, Feinberg sanoo. Hän ja muut tutkijat yrittivät ymmärtää, mitä muutoksia kehossa tapahtuu avaruuslennon aikana, luoden yleisen muodon ja jättäen tilaa tuleville tutkimuksille yksityiskohtien täyttämiseksi.

Nasalla on jo suunnitelmia jatkaa tämän ihmisruumiin kartan täyttämistä. Bailey ja muut tutkijat jatkavat toisella pitkäaikaisella hankkeella, jossa seurataan ” kymmentä astronauttia vuoden mittaisilla tehtävillä, kymmentä kuuden kuukauden tehtävillä ja kymmentä matkoilla kahdesta kolmeen kuukautta kerrallaan. Terveystietoja tullaan vertaamaan kentällä oleviin ihmisiin, jotka ovat eristyksissä nuo samat ajanjaksot”, Coloradon osavaltionyliopiston tiedotteessa kerrotaan. Toiset tutkijat etenevät analogisten projektien parissa maapallolla, mukaan lukien Rana, joka tutkii koehenkilöiden tekemiä mittauksia pitkän aikavälin bedrestissä, joka jäljittelee painovoimattomia olosuhteita.

vaikka työtä on vielä paljon jäljellä, Nasalla on nyt puitteet millaiselle monitieteiselle yhteistyölle se todennäköisesti jatkaa tulevissa tutkimuksissa, Basner sanoo. Scott Kelly on valmis olemaan mukana pitkällä tähtäimellä.

”joskus tieteen esittämiin kysymyksiin vastataan muilla kysymyksillä, ja aion teettää testejä kerran vuodessa koko loppuelämäni ajan”, hän kirjoitti vuonna 2017 ilmestyneessä kirjassaan Endurance: My Year in Space, a Lifetime of Discovery. ”Tämä ei erityisesti vaivaa minua. On sen arvoista antaa panoksensa inhimillisen tiedon edistämiseen.”