La NASA ha grandi piani per il futuro del volo spaziale umano. Le proposte dell’agenzia spaziale di inviare missioni a lungo termine con equipaggio sulla luna e, alla fine, gli astronauti terrestri su Marte richiederanno progressi significativi nell’hardware dei razzi e dei voli spaziali. Ma insieme alle nuove tecnologie, gli scienziati sono alle prese con un’altra domanda cruciale: può il corpo umano sostenere se stesso durante così tanto tempo nello spazio? Una missione esplorativa su Marte potrebbe richiedere due o tre anni, mentre la maggior parte delle spedizioni spaziali finora sono durate sei mesi o meno. Missioni estese oltre l’orbita terrestre potrebbero provocare effetti biologici profondi e potenzialmente pericolosi nei corpi degli astronauti.

Per studiare l’influenza della microgravità, delle radiazioni e del confinamento nei voli spaziali di lunga durata, la NASA ha selezionato i gemelli Scott e Mark Kelly per una missione unica. I due gemelli identici hanno entrambi servito come piloti collaudatori della NASA e astronauti, e Scott è stato scelto per una missione di un anno alla Stazione Spaziale Internazionale (ISS), lasciando il fratello—una copia genetica di se stesso—giù sulla Terra. I ricercatori hanno utilizzato il marchio earthbound come una sorta di controllo soggetto a confrontare con eventuali cambiamenti in Scott durante il suo anno nello spazio, che è durato dal 27 marzo 2015 al 1 marzo 2016.

Dieci team di scienziati hanno studiato diversi aspetti della salute e della biologia dei gemelli, dall’espressione genica ai batteri intestinali alla cognizione. Oggi, i team hanno pubblicato alcune delle loro ricerche compilate in uno studio interdisciplinare, che sarà pubblicato il 12 aprile sulla rivista Science.

Con più di 80 autori, lo studio riunisce e analizza una vasta gamma di dati, raccolti da entrambi i gemelli nel corso della missione annuale più i mesi immediatamente prima e dopo. I risultati sono espansivi, ma mostrano principalmente che, con alcune notevoli eccezioni, il corpo di Scott è rimbalzato abbastanza rapidamente dopo 340 giorni in condizioni di spazio stressanti. La ricerca crea” un ritratto integrato di adattamenti e sfide molecolari, fisiologici e comportamentali per il corpo umano durante il volo spaziale esteso”, scrivono gli autori.

Una questione di invecchiamento

Uno dei dieci team, guidati da Susan Bailey, professore di biologia delle radiazioni e del cancro alla Colorado State University, si è concentrato sui telomeri, i “tappi” che proteggono le estremità dei filamenti di DNA. Sulla Terra, questi telomeri si esauriscono nel corso della vita di una persona mentre ogni round di replicazione del DNA li consuma.

Quando il team di Bailey ha analizzato i telomeri nei globuli bianchi di Scott, hanno scoperto che la lunghezza media dei telomeri in queste cellule è effettivamente aumentata durante la missione. ” Era esattamente l’opposto di quello che avevamo immaginato”, dice Bailey. “Abbiamo proposto che, in effetti, a causa di tutte le sollecitazioni e le esposizioni davvero uniche a cose come la microgravità, la radiazione spaziale e l’isolamento seemed sembravano davvero accelerare la perdita di telomeri nello spazio.”

Una volta che Scott è tornato sulla Terra, il team di Bailey ha osservato che la sua lunghezza media dei telomeri è diminuita fino a corrispondere approssimativamente ai livelli pre-volo. Nei mesi successivi al volo, tuttavia, un numero maggiore di telomeri è stato perso o ridotto in modo critico. Questo potrebbe essere un risultato preoccupante, poiché l’accorciamento e la perdita dei telomeri sono associati all’invecchiamento e alla suscettibilità alle malattie legate all’età, inclusi problemi cardiovascolari e cancro.

I ricercatori non sono ancora sicuri di come o perché questi cambiamenti telomeri si sono verificati. Il team sperava di analizzare l’attività della telomerasi, un enzima che estende i telomeri ma viene spento nella maggior parte delle cellule del corpo adulto, per vedere se in qualche modo è stato attivato mentre Scott era in volo. Tuttavia, il materiale di cui avevano bisogno era “perso nello spazio”, dice Bailey. I campioni di sangue sono stati spediti sulla Terra su una navicella Soyuz, ma l’attività della telomerasi era morta all’arrivo, probabilmente a causa di cambiamenti di temperatura durante il rientro attraverso l’atmosfera terrestre.

Saperne di più sul meccanismo alla base di questi cambiamenti durante e dopo il volo spaziale sarà importante andare avanti, Bailey dice—non solo per il bene degli astronauti, ma anche perché una comprensione più approfondita dell’invecchiamento sarebbe preziosa per la salute dei “terrestri”.”

Espressione genica nello spazio

I ricercatori hanno anche studiato il genoma di Scott per vedere se l’espressione genica è cambiata durante il volo, come tende a fare in situazioni stressanti. Un team guidato da Chris Mason, un genetista di Weill Cornell Medicine, ha studiato le modificazioni del DNA e dell’RNA che segnalerebbero l’adattamento epigenetico. Hanno osservato alcuni cambiamenti nel modo in cui i geni sono stati espressi, e queste variazioni accelerato negli ultimi sei mesi della missione. Più di sei volte il numero di differenze nelle espressioni geniche ritagliate oltre la seconda metà rispetto all’inizio del volo.

I risultati sono stati alquanto sorprendenti, dice Mason, perché si aspettava che queste differenze rallentassero o si fermassero dopo un periodo iniziale di adattamento al nuovo ambiente. Le trasformazioni genetiche sostenute e crescenti mostrano che il corpo continua a cambiare per lunghi periodi di tempo nello spazio.

Andrew Feinberg, professore e ricercatore medico presso la Johns Hopkins University, e il suo team si è concentrato sui gruppi metilici-marcatori chimici che di solito segnalano cambiamenti nell’espressione genica-e ha scoperto che la quantità di cambiamento epigenetico era simile per i due fratelli. Nonostante alcune piccole differenze, il genoma di Scott si è comportato in un modo che non era “preoccupante”, dice Feinberg.

Dopo la fine della missione, il 90 per cento delle espressioni geniche modificate tornato alla loro linea di base pre-volo—un buon segno che il corpo può riprendersi dopo una lunga missione, Mason dice. L’altro 10 per cento, che comprendeva oltre 800 geni, compresi quelli relativi alla risposta immunitaria e alla riparazione del DNA, erano ancora espressi in modo diverso sei mesi dopo il ritorno di Scott. ” Sembra, in una certa misura, che abbastanza cellule nel corpo abbiano un ricordo di quello che è successo che c’è ancora qualche adattamento e ricalibrazione in corso per essere tornati sulla Terra”, dice Mason.

Influenza del volo spaziale sulla mente

In un risultato potenzialmente riguardante, un team che studia la cognizione ha scoperto che le prestazioni di Scott su una serie di test cognitivi sono diminuite nel periodo post-volo. Mathias Basner, un professore di psichiatria presso l’Università della Pennsylvania, e il suo team ha progettato una batteria di test cognitivo specializzato per la NASA—una serie di 10 compiti computerizzati per misurare diversi aspetti del pensiero degli astronauti, tra cui il riconoscimento emotivo, l’assunzione di rischi e l’attenzione.

Anche se le misure in volo di Scott erano stabili, la sua “efficienza cognitiva”, o la sua velocità e precisione nel completare la batteria di test, diminuirono una volta tornato sulla Terra. La diminuzione si è protratta nei sei mesi successivi al suo ritorno.

Mentre Scott non ha mostrato alcun effetto cognitivo allarmante nel corso del volo spaziale di un anno, sembrava avere molti più problemi con i test dopo il ritorno nell’ambiente terrestre rispetto al suo periodo di riaggiustamento dopo la sua precedente missione di sei mesi da ottobre 2010 a marzo 2011. I risultati cognitivi potrebbero essere una “bandiera rossa” quando si pianifica qualcosa come una missione su Marte, dice Basner, durante la quale gli astronauti dovrebbero eseguire compiti complessi dopo l’atterraggio.

“Lo spazio è un ambiente molto ostile”, dice Basner. “Vogliamo sempre che gli astronauti si comportino al meglio nel senso che, sapete, piccoli errori possono tradursi in errori catastrofici—nel peggiore dei casi, in un fallimento della missione e in una perdita di equipaggiamento e di vite di astronauti.”

Anche se probabilmente ci vorrebbe un alto livello di compromissione per influenzare le operazioni guidate da astronauti addestrati, questi cambiamenti cognitivi dovrebbero essere monitorati nelle missioni future, afferma Basner, soprattutto perché gli esseri umani hanno una scarsa capacità di valutare il proprio stato cognitivo, tendendo ad accettare le loro condizioni attuali come” nuova normalità ” anche se sono in realtà peggiori di prima.

Il corpo dell’Esploratore spaziale

In tutto il resto del corpo di Scott, i ricercatori hanno osservato altri cambiamenti legati al volo spaziale. In uno studio del microbioma, la comunità di batteri che vivono nell’intestino umano, un team guidato da ricercatori della Northwestern University ha scoperto che le proporzioni di diversi tipi di batteri sono cambiate durante l’anno di Scott nello spazio. La diversità complessiva dei batteri non è diminuita, tuttavia, il che è un buon segno che il microbioma è rimasto sano.

Un team guidato da Brinda Rana, un ricercatore di scienze della salute presso l’Università della California di San Diego, ha scoperto che diverse proteine anche cambiato durante il volo spaziale. I campioni di urina del tempo di Scott a bordo della ISS contenevano alti livelli di collagene, una proteina strutturale. Guardando questa misura insieme a cambiamenti fisiologici-come quelli osservati nei bulbi oculari di Scott e nel sistema vascolare-potrebbe essere un segno che il corpo stava ristrutturando, Rana dice. I ricercatori hanno anche osservato livelli elevati di aquaporin 2, una proteina che tende ad essere un marker di disidratazione.

La stragrande maggioranza dei cambiamenti osservati dal team di Rana e altri scomparvero una volta che Scott toccò di nuovo sulla Terra, tuttavia. “Mostra solo quanto sia resiliente il corpo e quanto sia adattabile il corpo umano a diversi ambienti”, afferma Rana. “Un anno nello spazio-il corpo può gestirlo.”

Poiché la dimensione del campione dello studio dei gemelli della NASA è quasi piccola come può essere, i ricercatori hanno sottolineato che non possono generalizzare i loro risultati, né potrebbero dimostrare un nesso causale diretto tra il volo spaziale e le loro osservazioni. Tuttavia, il loro lavoro, nonostante la sua portata intrinsecamente limitata, fornisce alla NASA alcuni indizi su dove potrebbero vedere cambiamenti biologici durante il volo spaziale—una “preziosa tabella di marcia”, dice lo studio, ai possibili rischi di viaggi più lunghi nel nostro sistema solare.

Lavorare su questo studio è stato come essere uno dei primi cartografi, dice Feinberg. Lui e altri investigatori hanno cercato di capire, a grandi linee, quali cambiamenti si verificano nel corpo durante il volo spaziale, creando una forma generale e lasciando spazio alla ricerca futura per riempire i dettagli.

La NASA ha già in programma di continuare a compilare questa mappa del corpo umano. Bailey e altri ricercatori continueranno con un altro progetto di monitoraggio a lungo termine ” dieci astronauti in missioni di un anno, dieci in missioni di sei mesi, e dieci in viaggi da due a tre mesi alla volta. I dati sanitari saranno confrontati con le persone sul terreno che sono in isolamento per quegli stessi periodi di tempo”, secondo un comunicato stampa della Colorado State University. Altri scienziati si stanno muovendo in avanti con progetti analogici sulla Terra, tra cui Rana, che sta studiando misure da soggetti su letto a lungo termine che imita condizioni di gravità zero.

Anche se c’è un sacco di lavoro da fare, la NASA ha ora un quadro per il tipo di collaborazione multidisciplinare che probabilmente continuerà negli studi futuri, Basner dice. Per quanto riguarda Scott Kelly, è pronto ad essere in esso per il lungo raggio.

“A volte le domande che la scienza pone ricevono risposta da altre domande, e continuerò a fare test una volta all’anno per il resto della mia vita”, ha scritto nel suo libro del 2017, Endurance: My Year in Space, A Lifetime of Discovery. “Questo non mi preoccupa particolarmente. Vale la pena di contribuire a far progredire la conoscenza umana.”