NASA har stora planer för framtiden för mänsklig rymdflygning. Rymdbyråns förslag att skicka långsiktiga besättningsuppdrag till månen och så småningom landa astronauter på Mars kommer att kräva betydande framsteg inom raket-och rymdflyghårdvara. Men tillsammans med ny teknik brottas forskare med en annan avgörande fråga: kan människokroppen upprätthålla sig själv under så mycket tid i rymden? Ett utforskande Mars-uppdrag kan ta två eller tre år, medan de flesta rymdexpeditioner hittills har varat i sex månader eller mindre. Utökade uppdrag bortom jordens omlopp kan leda till djupa och potentiellt farliga biologiska effekter i astronauternas kroppar.
för att studera påverkan av mikrogravitet, strålning och inneslutning i långvarig rymdflygning valde NASA tvillingarna Scott och Mark Kelly för ett unikt uppdrag. De två identiska tvillingarna har båda fungerat som NASA—testpiloter och astronauter, och Scott valdes för ett årligt uppdrag till International Space Station (ISS) och lämnade sin bror—en genetisk kopia av sig själv-nere på jorden. Forskare använde earthbound-märket som ett slags kontrollämne för att jämföra med eventuella förändringar i Scott under sitt år i rymden, som varade från 27 mars 2015 till 1 mars 2016.
tio forskargrupper studerade olika aspekter av tvillingarnas hälsa och biologi, från genuttryck till tarmbakterier till kognition. Idag släppte lagen en del av sin sammanställda forskning i en tvärvetenskaplig studie, som kommer att publiceras den 12 April i tidskriften Science.
med mer än 80 författare samlar och analyserar studien ett brett spektrum av data, samlade från båda tvillingarna under det årslånga uppdraget plus månaderna omedelbart före och efter. Resultaten är expansiva, men visar främst att Scotts kropp med några anmärkningsvärda undantag studsade tillbaka ganska snabbt efter 340 dagar i stressiga rymdförhållanden. Forskningen skapar” ett integrerat porträtt av molekylära, fysiologiska och beteendemässiga anpassningar och utmaningar för människokroppen under utökad rymdflygning”, skriver författarna.
en fråga om åldrande
ett av de tio lagen, ledd av Susan Bailey, professor i strålning och cancerbiologi vid Colorado State University, fokuserade på telomerer, ”kepsarna” som skyddar ändarna av DNA-strängar. På jorden blir dessa telomerer utarmade under en persons livstid, eftersom varje runda DNA-replikation slits bort på dem.när Baileys team analyserade telomererna i Scotts vita blodkroppar fann de att den genomsnittliga telomerlängden i dessa celler faktiskt ökade under uppdraget. ”Det var precis motsatsen till vad vi hade föreställt oss,” säger Bailey. ”Vi föreslog att faktiskt på grund av alla riktigt unika påfrestningar och exponeringar mot saker som mikrogravitet, rymdstrålning och isolering … verkligen verkade som om de skulle påskynda telomerförlust i rymden.”
När Scott rörde sig tillbaka ner på jorden observerade Baileys lag att hans genomsnittliga telomerlängd minskade för att ungefär matcha nivåerna före flygningen. Under månaderna efter flygningen förlorades dock ett större antal telomerer eller förkortades kritiskt. Detta kan vara ett problem, eftersom telomerförkortning och förlust är förknippad med åldrande och mottaglighet för åldersrelaterade sjukdomar, inklusive kardiovaskulära problem och cancer.
forskarna är ännu inte säkra på hur eller varför dessa telomerförändringar inträffade. Teamet hoppades kunna analysera aktiviteten av telomeras, ett enzym som sträcker sig telomerer men stängs av i de flesta vuxna kroppsceller, för att se om det på något sätt aktiverades medan Scott var i flygning. Men materialet de behövde var” förlorat i rymden”, säger Bailey. Blodproverna skickades tillbaka till jorden på en Soyuz rymdfarkost, men telomerasaktiviteten var död vid ankomsten, eventuellt som ett resultat av temperaturförändringar under återinträde genom jordens atmosfär.att lära sig mer om mekanismen bakom dessa förändringar under och efter rymdflygning kommer att vara viktigt framåt, säger Bailey—inte bara för astronauternas skull, utan också för att en mer grundlig förståelse av åldrande skulle vara värdefull för hälsan hos ”jordbor.”
genuttryck i rymden
forskare studerade också Scotts genom för att se om genuttryck förändrades under flygning, som det tenderar att göra i stressiga situationer. Ett team ledt av Chris Mason, en genetiker vid Weill Cornell Medicine, studerade DNA-och RNA-modifieringar som skulle signalera epigenetisk anpassning. De observerade vissa förändringar i hur gener uttrycktes, och dessa variationer accelererade under de senaste sex månaderna av uppdraget. Mer än sex gånger så många skillnader i genuttryck dök upp under den senare hälften jämfört med början av flygningen.
resultaten var något överraskande, säger Mason, eftersom han hade förväntat sig att dessa skillnader skulle sakta ner eller sluta efter en första period av anpassning till den nya miljön. De ihållande och ökande genetiska omvandlingarna visar att kroppen fortsätter att förändras över långa tidsperioder i rymden.Andrew Feinberg, professor och medicinsk forskare vid Johns Hopkins University, och hans team fokuserade på metylgrupper—kemiska markörer som vanligtvis signalerar förändringar i genuttryck—och fann att mängden epigenetisk förändring var liknande för de två bröderna. Trots vissa mindre skillnader uppträdde Scotts genom på ett sätt som inte var ”oroande”, säger Feinberg.efter uppdragets slut återvände 90 procent av de modifierade genuttrycken till sin baslinje före flygningen-ett gott tecken på att kroppen kan studsa tillbaka efter ett långt uppdrag, säger Mason. De andra 10 procenten, som omfattade över 800 gener, inklusive sådana relaterade till immunsvar och DNA-reparation, uttrycktes fortfarande annorlunda sex månader efter Scotts återkomst. ”Det verkar till viss del att tillräckligt med celler i kroppen har ett minne om vad som hände att det fortfarande finns en pågående anpassning och omkalibrering för att vara tillbaka på jorden”, säger Mason.
Spaceflights inflytande på sinnet
i ett potentiellt relaterat resultat fann ett team som studerade kognition att Scotts prestanda på en serie kognitiva tester minskade under perioden efter flygningen. Mathias Basner, en psykiatri professor vid University of Pennsylvania, och hans team utformade ett specialiserat kognitivt testbatteri för NASA—en serie av 10 datoriserade uppgifter för att mäta olika aspekter av astronauternas tänkande, inklusive emotionellt erkännande, risktagande och uppmärksamhet.trots att Scotts in-flight-åtgärder var stabila, sjönk hans ”kognitiva effektivitet” eller hans hastighet och noggrannhet när han slutförde testbatteriet när han kom tillbaka till jorden. Minskningen dröjde under de sex månaderna efter hans återkomst.medan Scott inte visade några alarmerande kognitiva effekter under den årslånga rymdflygningen, verkade han ha mycket mer problem med testerna efter att ha återvänt till jordens miljö jämfört med hans omjusteringsperiod efter hans tidigare sexmånadersuppdrag från oktober 2010 till mars 2011. De kognitiva resultaten kan vara en” röd flagga ” när man planerar något som ett uppdrag till Mars, säger Basner, under vilken astronauter skulle behöva utföra komplexa uppgifter efter landning.
”rymden är en mycket fientlig miljö”, säger Basner. ”Vi vill alltid att astronauterna ska prestera bäst i den meningen att du vet att små misstag kan översättas till katastrofala fel—i värsta fall till uppdragsfel och förlust av utrustning och astronautliv.”
Även om det sannolikt skulle ta en hög grad av försämring för att påverka operationer som leds av utbildade astronauter, bör dessa kognitiva förändringar övervakas i framtida uppdrag, säger Basner, särskilt eftersom människor har en dålig förmåga att bedöma sin egen kognitiva status, tenderar att acceptera sina nuvarande förhållanden som” nya normala ” även om de faktiskt är sämre än tidigare.
Rymdutforskarens kropp
under resten av Scotts kropp observerade forskare andra förändringar relaterade till rymdflygning. I en studie av mikrobiomen, samhället av bakterier som lever i människans tarm, fann ett team ledt av forskare från Northwestern University att proportionerna av olika typer av bakterier förändrades under Scotts år i rymden. Den totala mångfalden av bakterierna minskade dock inte, vilket är ett gott tecken på att mikrobiomen förblev frisk.
ett team ledt av Brinda Rana, en hälsovetenskapsforskare vid University of California San Diego, fann att flera proteiner också förändrades under rymdflygningen. Urinprover från Scotts tid ombord på ISS innehöll höga nivåer av kollagen, ett strukturellt protein. Att titta på denna åtgärd tillsammans med fysiologiska förändringar—som de som observerats i Scotts ögonbollar och kärlsystem—kan vara ett tecken på att kroppen omstrukturerades, säger Rana. Forskare observerade också ökade nivåer av aquaporin 2, ett protein som tenderar att vara en markör för uttorkning.
den stora majoriteten av de förändringar som observerats av Ranas lag och andra försvann när Scott rörde sig tillbaka på jorden. ”Det visar bara hur motståndskraftig kroppen är och hur adaptiv människokroppen är för olika miljöer”, säger Rana. ”Ett år i rymden-kroppen kan hantera det.”eftersom provstorleken på NASAs tvillingstudie är ungefär så liten som möjligt, betonade forskarna att de inte kan generalisera sina resultat, inte heller kunde de bevisa en direkt orsakssamband mellan rymdflygning och deras observationer. Ändå ger deras arbete, trots sitt inneboende begränsade omfattning, NASA några ledtrådar om var de kan se biologiska förändringar under rymdflygning—en ”värdefull färdplan”, säger studien, till de möjliga riskerna med längre resor till vårt solsystem.
att arbeta med denna studie var som en tidig kartograf, säger Feinberg. Han och andra utredare försökte förstå, i breda slag, vilka förändringar som sker i kroppen under rymdflygning, skapa en allmän form och lämna utrymme för framtida forskning för att fylla i detaljerna.
NASA har redan planer på att fortsätta fylla i denna karta över människokroppen. Bailey och andra forskare kommer att fortsätta med en annan långsiktig projektövervakning ” tio astronauter på ettåriga uppdrag, tio på sexmånadersuppdrag och tio på resor från två till tre månader åt gången. Hälsodata kommer att jämföras med människor på marken som är isolerade under samma tidsperioder,” enligt ett pressmeddelande från Colorado State University. Andra forskare går framåt med analoga projekt på jorden, inklusive Rana, som studerar åtgärder från ämnen på långsiktigt sängstöd som efterliknar tyngdkraftsförhållanden.även om det finns mycket arbete kvar att göra, har NASA nu en ram för den typ av tvärvetenskapligt samarbete som det sannolikt kommer att fortsätta i framtida studier, säger Basner. När det gäller Scott Kelly är han beredd att vara i det på lång sikt.
”ibland besvaras frågorna som vetenskapen ställer av andra frågor, och jag kommer att fortsätta att ha tester gjorda en gång om året under resten av mitt liv”, skrev han i sin 2017-bok, Endurance: My Year in Space, A Lifetime of Discovery. ”Det här stör mig inte särskilt. Det är värt att bidra till att främja mänsklig kunskap.”