La NASA a de grands projets pour l’avenir des vols spatiaux habités. Les propositions de l’agence spatiale visant à envoyer des missions à long terme avec équipage sur la lune et, à terme, à poser des astronautes sur Mars nécessiteront des avancées significatives dans le matériel des fusées et des vols spatiaux. Mais avec les nouvelles technologies, les scientifiques sont aux prises avec une autre question cruciale: le corps humain peut-il se maintenir pendant autant de temps dans l’espace? Une mission exploratoire sur Mars pourrait prendre deux ou trois ans, alors que la plupart des expéditions spatiales ont duré jusqu’à présent six mois ou moins. Des missions prolongées au-delà de l’orbite terrestre pourraient avoir des effets biologiques profonds et potentiellement dangereux sur le corps des astronautes.
Pour étudier l’influence de la microgravité, des radiations et du confinement dans des vols spatiaux de longue durée, la NASA a sélectionné les jumeaux Scott et Mark Kelly pour une mission unique. Les deux jumeaux identiques ont tous deux servi de pilotes d’essai et d’astronautes de la NASA, et Scott a été choisi pour une mission d’un an vers la Station spatiale internationale (ISS), laissant son frère — une copie génétique de lui—même – sur Terre. Les chercheurs ont utilisé la marque terrestre comme une sorte de sujet de contrôle pour comparer à tout changement chez Scott au cours de son année dans l’espace, qui a duré du 27 mars 2015 au 1er mars 2016.
Dix équipes de scientifiques ont étudié différents aspects de la santé et de la biologie des jumeaux, de l’expression des gènes aux bactéries intestinales en passant par la cognition. Aujourd’hui, les équipes ont publié une partie de leurs recherches compilées dans une étude interdisciplinaire, qui sera publiée le 12 avril dans la revue Science.
Avec plus de 80 auteurs, l’étude rassemble et analyse un large éventail de données, collectées auprès des deux jumeaux au cours de la mission d’un an plus les mois immédiatement avant et après. Les résultats sont vastes, mais montrent principalement que, à quelques exceptions notables près, le corps de Scott a rebondi assez rapidement après 340 jours dans des conditions spatiales stressantes. La recherche crée « un portrait intégré des adaptations moléculaires, physiologiques et comportementales et des défis pour le corps humain pendant les vols spatiaux prolongés”, écrivent les auteurs.
Une question de vieillissement
L’une des dix équipes, dirigée par Susan Bailey, professeur de biologie des radiations et du cancer à l’Université d’État du Colorado, s’est concentrée sur les télomères, les « bouchons” qui protègent les extrémités des brins d’ADN. Sur Terre, ces télomères s’épuisent au cours de la vie d’une personne à mesure que chaque cycle de réplication de l’ADN les épuise.
Lorsque l’équipe de Bailey a analysé les télomères dans les globules blancs de Scott, elle a constaté que la longueur moyenne des télomères dans ces cellules avait effectivement augmenté au cours de la mission. ”C’était exactement le contraire de ce que nous avions imaginé », explique Bailey. « Nous avons proposé qu’en fait, en raison de toutes les contraintes et expositions vraiment uniques à des choses comme la microgravité, le rayonnement spatial et l’isolement seemed semblaient vraiment accélérer la perte de télomères dans l’espace. »
Une fois que Scott est revenu sur Terre, l’équipe de Bailey a observé que sa longueur moyenne de télomères diminuait pour correspondre à peu près aux niveaux d’avant le vol. Dans les mois qui ont suivi le vol, cependant, un plus grand nombre de télomères ont été perdus ou gravement raccourcis. Cela pourrait être une découverte préoccupante, car le raccourcissement et la perte des télomères sont associés au vieillissement et à la sensibilité aux maladies liées à l’âge, y compris les problèmes cardiovasculaires et le cancer.
Les chercheurs ne savent pas encore comment et pourquoi ces changements de télomères se sont produits. L’équipe espérait analyser l’activité de la télomérase, une enzyme qui étend les télomères mais s’éteint dans la plupart des cellules du corps adultes, pour voir si elle était activée pendant que Scott était en vol. Cependant, le matériel dont ils avaient besoin était « perdu dans l’espace”, explique Bailey. Les échantillons de sang ont été renvoyés sur Terre à bord d’un vaisseau Soyouz, mais l’activité de la télomérase était morte à l’arrivée, peut-être en raison des changements de température pendant la rentrée dans l’atmosphère terrestre.
En savoir plus sur le mécanisme derrière ces changements pendant et après le vol spatial sera important pour aller de l’avant, dit Bailey — pas seulement pour le bien des astronautes, mais aussi parce qu’une compréhension plus approfondie du vieillissement serait précieuse pour la santé des « terriens. »
Expression des gènes dans l’espace
Les chercheurs ont également étudié le génome de Scott pour voir si l’expression des gènes changeait pendant le vol, comme cela a tendance à le faire dans des situations stressantes. Une équipe dirigée par Chris Mason, généticien à Weill Cornell Medicine, a étudié les modifications de l’ADN et de l’ARN qui signaleraient l’adaptation épigénétique. Ils ont observé certains changements dans la façon dont les gènes étaient exprimés, et ces variations se sont accélérées au cours des six derniers mois de la mission. Plus de six fois plus de différences dans les expressions géniques sont apparues au cours de la seconde moitié par rapport au début du vol.
Les résultats étaient quelque peu surprenants, dit Mason, car il s’attendait à ce que ces différences ralentissent ou s’arrêtent après une période initiale d’adaptation au nouvel environnement. Les transformations génétiques soutenues et croissantes montrent que le corps continue de changer sur de longues périodes de temps dans l’espace.
Andrew Feinberg, professeur et chercheur médical à l’Université Johns Hopkins, et son équipe se sont concentrés sur les groupes méthyle — des marqueurs chimiques qui signalent généralement des changements dans l’expression des gènes — et ont constaté que la quantité de changement épigénétique était similaire pour les deux frères. Malgré quelques différences mineures, le génome de Scott s’est comporté d’une manière qui n’était « pas inquiétante”, dit Feinberg.
Après la fin de la mission, 90% des expressions de gènes modifiés sont revenues à leur niveau de référence avant le vol – un bon signe que le corps peut rebondir après une longue mission, explique Mason. Les 10% restants, qui comprenaient plus de 800 gènes, y compris ceux liés à la réponse immunitaire et à la réparation de l’ADN, étaient toujours exprimés différemment six mois après le retour de Scott. ”Il semble, dans une certaine mesure, que suffisamment de cellules dans le corps ont un souvenir de ce qui s’est passé pour qu’il y ait encore une adaptation et un recalibrage en cours pour revenir sur Terre », explique Mason.
L’influence du vol spatial sur l’esprit
Dans un résultat potentiellement préoccupant, une équipe d’étude de la cognition a constaté que les performances de Scott sur une série de tests cognitifs diminuaient après le vol. Mathias Basner, professeur de psychiatrie à l’Université de Pennsylvanie, et son équipe ont conçu une batterie de tests cognitifs spécialisés pour la NASA — une série de 10 tâches informatisées pour mesurer différents aspects de la pensée des astronautes, y compris la reconnaissance émotionnelle, la prise de risque et l’attention.
Même si les mesures en vol de Scott étaient stables, son « efficacité cognitive”, ou sa vitesse et sa précision dans l’achèvement de la batterie de test, ont chuté une fois qu’il est revenu sur Terre. La diminution s’est poursuivie au cours des six mois qui ont suivi son retour.
Bien que Scott n’ait pas montré d’effets cognitifs alarmants au cours du vol spatial d’un an, il semble avoir beaucoup plus de problèmes avec les tests après son retour dans l’environnement terrestre par rapport à sa période de réajustement après sa précédente mission de six mois d’octobre 2010 à mars 2011. Les résultats cognitifs pourraient être un « drapeau rouge” lors de la planification de quelque chose comme une mission sur Mars, dit Basner, au cours de laquelle les astronautes devraient effectuer des tâches complexes après l’atterrissage.
« L’espace est un environnement très hostile », explique Basner. » Nous voulons toujours que les astronautes donnent le meilleur d’eux—mêmes dans le sens où, vous savez, de minuscules erreurs peuvent se traduire par des erreurs catastrophiques – dans le pire des cas, par un échec de mission et une perte d’équipement et de vies d’astronautes. »
Bien qu’il faudrait probablement un niveau élevé de déficience pour affecter les opérations dirigées par des astronautes entraînés, ces changements cognitifs devraient être surveillés dans les futures missions, explique Basner, d’autant plus que les humains ont une faible capacité à évaluer leur propre état cognitif, ayant tendance à accepter leurs conditions actuelles comme la ”nouvelle normale » même si elles sont en fait pires qu’auparavant.
Le corps de l’Explorateur spatial
Dans le reste du corps de Scott, les chercheurs ont observé d’autres changements liés aux vols spatiaux. Dans une étude du microbiome, la communauté de bactéries vivant dans l’intestin humain, une équipe dirigée par des chercheurs de l’Université Northwestern a constaté que les proportions des différents types de bactéries ont changé au cours de l’année de Scott dans l’espace. La diversité globale des bactéries n’a cependant pas diminué, ce qui est un bon signe que le microbiome est resté en bonne santé.
Une équipe dirigée par Brinda Rana, chercheuse en sciences de la santé à l’Université de Californie à San Diego, a découvert que plusieurs protéines avaient également changé pendant le vol spatial. Les échantillons d’urine de l’époque de Scott à bord de l’ISS contenaient des niveaux élevés de collagène, une protéine structurelle. En regardant cette mesure ainsi que des changements physiologiques — comme ceux observés dans les globes oculaires et le système vasculaire de Scott — pourrait être un signe que le corps se restructurait, dit Rana. Les chercheurs ont également observé des niveaux accrus d’aquaporine 2, une protéine qui tend à être un marqueur de déshydratation.
La grande majorité des changements observés par l’équipe de Rana et d’autres ont cependant disparu une fois que Scott est revenu sur Terre. ”Cela montre en quelque sorte à quel point le corps est résilient et à quel point le corps humain s’adapte à différents environnements », explique Rana. « Un an dans l’espace — le corps peut gérer cela. »
Étant donné que la taille de l’échantillon de l’étude Twins de la NASA est à peu près aussi petite que possible, les chercheurs ont souligné qu’ils ne pouvaient pas généraliser leurs résultats, ni prouver un lien de causalité direct entre le vol spatial et leurs observations. Pourtant, leurs travaux, malgré leur portée intrinsèquement limitée, donnent à la NASA des indices sur les endroits où ils pourraient voir des changements biologiques pendant les vols spatiaux — une « feuille de route précieuse”, selon l’étude, sur les risques possibles de voyages plus longs dans notre système solaire.
Travailler sur cette étude était comme être un cartographe précoce, dit Feinberg. Lui et d’autres chercheurs ont essayé de comprendre, à grands traits, quels changements se produisent dans le corps pendant le vol spatial, créant une forme générale et laissant la place à de futures recherches pour compléter les détails.
La NASA a déjà l’intention de continuer à remplir cette carte du corps humain. Bailey et d’autres chercheurs poursuivront un autre projet à long terme de surveillance de « dix astronautes en missions d’un an, dix en missions de six mois et dix en voyages de deux à trois mois à la fois. Les données de santé seront comparées aux personnes sur le terrain qui sont isolées pour ces mêmes périodes ”, selon un communiqué de presse de l’Université d’État du Colorado. D’autres scientifiques avancent avec des projets analogiques sur Terre, y compris Rana, qui étudie des mesures de sujets au repos au lit à long terme qui imitent des conditions d’apesanteur.
Bien qu’il reste beaucoup de travail à faire, la NASA dispose désormais d’un cadre pour le type de collaboration multidisciplinaire qu’elle poursuivra probablement dans de futures études, explique Basner. Quant à Scott Kelly, il est prêt à y participer à long terme.
« Parfois, les questions posées par la science sont répondues par d’autres questions, et je continuerai à faire des tests une fois par an pour le reste de ma vie”, a-t-il écrit dans son livre de 2017, Endurance: Mon année dans l’espace, Une vie de découverte. « Cela ne me dérange pas particulièrement. Cela vaut la peine de contribuer à l’avancement des connaissances humaines.”