NASA ma wielkie plany na przyszłość lotów kosmicznych. Propozycje agencji kosmicznej, aby wysłać długoterminowe, załogowe misje na Księżyc, a ostatecznie wylądować astronautów na Marsie będą wymagały znacznych postępów w zakresie sprzętu rakietowego i kosmicznego. Ale wraz z nową technologią naukowcy zmagają się z kolejnym kluczowym pytaniem: czy ludzkie ciało może się utrzymać w tak długim czasie w przestrzeni? Eksploracyjna misja na Marsa może potrwać dwa lub trzy lata, podczas gdy większość ekspedycji kosmicznych do tej pory trwała sześć miesięcy lub krócej. Przedłużone misje poza orbitę okołoziemską mogą spowodować głębokie i potencjalnie niebezpieczne efekty biologiczne w ciałach astronautów.

aby zbadać wpływ mikrograwitacji, promieniowania i uwięzienia w długotrwałych lotach kosmicznych, NASA wybrała bliźniaków Scotta i Marka Kelly ’ ego do wyjątkowej misji. Obaj bliźniacy służyli jako piloci testowi NASA i astronauci, a Scott został wybrany na roczną misję na Międzynarodową Stację Kosmiczną (ISS), pozostawiając swojego brata—jego genetyczną kopię—na Ziemi. Naukowcy użyli znaku ziemi jako pewnego rodzaju obiektu kontrolnego do porównania z wszelkimi zmianami w Scotcie podczas jego roku w kosmosie, który trwał od 27 marca 2015 Do 1 marca 2016.

dziesięć zespołów naukowców badało różne aspekty zdrowia i biologii bliźniąt, od ekspresji genów przez bakterie jelitowe po poznanie. Dziś zespoły opublikowały część swoich skompilowanych badań w badaniu interdyscyplinarnym, które zostanie opublikowane 12 kwietnia w czasopiśmie Science.

z ponad 80 autorami, badanie gromadzi i analizuje szeroki zakres danych, zebranych od obu bliźniaków w ciągu rocznej misji oraz miesięcy bezpośrednio przed i po. Wyniki są rozległe, ale przede wszystkim pokazują, że, z pewnymi wyjątkami, ciało Scotta odbiło się dość szybko po 340 dniach w stresujących warunkach kosmicznych. Badania tworzą „zintegrowany portret molekularnych, fizjologicznych i behawioralnych adaptacji i wyzwań dla ludzkiego ciała podczas długich lotów kosmicznych”, piszą autorzy.

kwestia starzenia się

jeden z dziesięciu zespołów, kierowany przez Susan Bailey, profesor biologii promieniowania i raka na Colorado State University, skupił się na telomerach, „czapkach”, które chronią końce nici DNA. Na Ziemi te telomery są wyczerpywane w ciągu życia człowieka, ponieważ każda runda replikacji DNA im zanika.

Kiedy zespół Bailey przeanalizował telomery w białych krwinkach Scotta, odkryli, że średnia długość telomerów w tych komórkach faktycznie wzrosła podczas misji. „Było to dokładnie przeciwieństwo tego, co sobie wyobrażaliśmy”, mówi Bailey. „Zaproponowaliśmy, że w rzeczywistości, z powodu wszystkich naprawdę unikalnych naprężeń i ekspozycji na takie rzeczy jak mikrograwitacja, promieniowanie kosmiczne i izolacja … naprawdę wydawało się, że przyspieszą utratę telomerów w przestrzeni.”

gdy Scott wylądował na Ziemi, zespół Baileya zaobserwował, że jego średnia długość telomerów zmniejszyła się do mniej więcej poziomu sprzed lotu. Jednak w miesiącach następujących po locie większa liczba telomerów została utracona lub krytycznie skrócona. Może to być niepokojące odkrycie, ponieważ skrócenie i utrata telomerów wiąże się ze starzeniem się i podatnością na choroby związane z wiekiem, w tym problemy sercowo-naczyniowe i nowotwory.

naukowcy nie są jeszcze pewni, jak i dlaczego doszło do tych zmian telomerowych. Zespół miał nadzieję przeanalizować aktywność telomerazy, enzymu, który rozszerza telomery, ale zostaje wyłączony w większości dorosłych komórek ciała, aby sprawdzić, czy w jakiś sposób został aktywowany podczas lotu Scotta. Jednak materiał, którego potrzebowali, był „zagubiony w kosmosie”, mówi Bailey. Próbki krwi zostały wysłane z powrotem na Ziemię statkiem kosmicznym Sojuz, ale aktywność telomerazy była martwa po przybyciu, prawdopodobnie w wyniku zmian temperatury podczas ponownego wejścia przez ziemską atmosferę.

dowiedzenie się więcej o mechanizmie tych zmian w trakcie i po lotach kosmicznych będzie ważne, idąc naprzód, mówi Bailey—nie tylko ze względu na astronautów, ale także dlatego, że dokładniejsze zrozumienie starzenia się byłoby cenne dla zdrowia „Ziemian”.”

ekspresja genów w przestrzeni

naukowcy badali również Genom Scotta, aby sprawdzić, czy ekspresja genów zmieniła się podczas lotu, tak jak ma to miejsce w sytuacjach stresowych. Zespół kierowany przez Chrisa Masona, genetyka z Weill Cornell Medicine, badał modyfikacje DNA i RNA, które sygnalizowałyby adaptację epigenetyczną. Zaobserwowali pewne zmiany w sposobie ekspresji genów, a zmiany te przyspieszyły w ciągu ostatnich sześciu miesięcy misji. Ponad sześć razy więcej różnic w ekspresji genów pojawiło się w drugiej połowie w porównaniu do początku lotu.Mason mówi, że wyniki były nieco zaskakujące, ponieważ spodziewał się, że różnice te spowolnią lub zatrzymają się po początkowym okresie adaptacji do nowego środowiska. Trwałe i rosnące przemiany genetyczne pokazują, że ciało nadal zmienia się przez długie okresy czasu w przestrzeni.

Andrew Feinberg, profesor i badacz medycyny na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa, i jego zespół skupił się na grupach metylowych—markerach chemicznych, które zwykle sygnalizują zmiany w ekspresji genów—i stwierdził, że ilość zmian epigenetycznych była podobna dla obu braci. Pomimo pewnych drobnych różnic, Genom Scotta zachował się w sposób, który „nie był niepokojący”, mówi Feinberg.

po zakończeniu misji, 90 procent zmodyfikowanych ekspresji genów powróciło do poziomu wyjściowego przed lotem-dobry znak, że ciało może się odbić po długiej misji, mówi Mason. Pozostałe 10 procent, które składały się z ponad 800 genów, w tym tych związanych z odpowiedzią immunologiczną i naprawą DNA, nadal ulegało odmiennej ekspresji sześć miesięcy po powrocie Scotta. „Wydaje się, do pewnego stopnia, że wystarczająco dużo komórek w ciele ma pamięć o tym, co się stało, że wciąż trwa adaptacja i rekalibracja do powrotu na Ziemię”, mówi Mason.

wpływ Lotów Kosmicznych na umysł

w jednym potencjalnie dotyczącym wyniku, zespół badający funkcje poznawcze odkrył, że wydajność Scotta na serii testów poznawczych spadła w okresie po locie. Mathias Basner, profesor psychiatrii na University of Pennsylvania, wraz ze swoim zespołem zaprojektował dla NASA specjalistyczną baterię testów kognitywnych-serię 10 skomputeryzowanych zadań do pomiaru różnych aspektów myślenia astronautów, w tym rozpoznawania emocjonalnego, podejmowania ryzyka i uwagi.

mimo że pomiary Scotta w locie były stabilne, jego „sprawność poznawcza” lub jego szybkość i dokładność w wypełnianiu baterii testowej, spadły po powrocie na Ziemię. Spadek utrzymywał się przez sześć miesięcy po jego powrocie.

chociaż Scott nie wykazywał żadnych niepokojących efektów poznawczych w ciągu rocznego lotu kosmicznego, wydawał się mieć o wiele więcej problemów z testami po powrocie do środowiska Ziemi w porównaniu z okresem rekonwalescencji po poprzedniej sześciomiesięcznej misji od października 2010 do marca 2011. Wyniki poznawcze mogą być „czerwoną flagą” podczas planowania czegoś takiego jak misja na Marsa, mówi Basner, podczas której astronauci będą musieli wykonywać złożone zadania po wylądowaniu.

„przestrzeń kosmiczna jest bardzo nieprzyjaznym środowiskiem”, mówi Basner. „Zawsze chcemy, aby astronauci osiągali jak najlepsze wyniki w tym sensie, że, wiecie, drobne błędy mogą przełożyć się na katastrofalne błędy—w najgorszym przypadku na niepowodzenie misji, utratę sprzętu i życia astronautów.”pomimo, że wpływ na operacje prowadzone przez wyszkolonych astronautów prawdopodobnie wymagałby wysokiego poziomu upośledzenia, te zmiany poznawcze powinny być monitorowane w przyszłych misjach, mówi Basner, zwłaszcza że ludzie mają słabą zdolność do oceny własnego stanu poznawczego, skłonność do zaakceptowania swoich obecnych Warunków jako „nowej normy”, nawet jeśli są faktycznie gorsze niż wcześniej.

ciało Odkrywcy przestrzeni kosmicznej

w pozostałej części ciała Scotta naukowcy obserwowali inne zmiany związane ze lotami kosmicznymi. W badaniu mikrobiomu, społeczności bakterii żyjących w jelitach człowieka, zespół kierowany przez naukowców z Northwestern University stwierdził, że proporcje różnych typów bakterii zmieniły się podczas Roku Scotta w kosmosie. Ogólna różnorodność bakterii nie zmniejszyła się jednak, co jest dobrym znakiem, że mikrobiom pozostał zdrowy.

zespół kierowany przez Brindę ranę, badaczkę Nauk o zdrowiu z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, odkrył, że kilka białek również zmieniło się podczas lotu kosmicznego. Próbki moczu Scotta na pokładzie ISS zawierały wysoki poziom kolagenu, białka strukturalnego. Patrząc na ten środek wraz ze zmianami fizjologicznymi-takimi jak te obserwowane w gałkach ocznych i układzie naczyniowym Scotta—może być znakiem, że ciało się restrukturyzuje, mówi Rana. Naukowcy zaobserwowali również podwyższony poziom aquaporin 2, białka, które wydaje się być markerem odwodnienia.

zdecydowana większość zmian zaobserwowanych przez zespół Rana i innych zniknęła, gdy Scott wylądował z powrotem na Ziemi. „To po prostu pokazuje, jak odporne jest ciało i jak adaptacyjne jest ludzkie ciało do różnych środowisk”, mówi Rana. „Rok w kosmosie-ciało sobie z tym poradzi.”

ponieważ wielkość próby badania bliźniaków NASA jest tak mała, jak to tylko możliwe, naukowcy podkreślili, że nie mogą uogólnić swoich wyników, ani nie mogą udowodnić bezpośredniego związku przyczynowego między lotami kosmicznymi a ich obserwacjami. Mimo to, ich praca, pomimo jej z natury ograniczonego zakresu, daje NASA pewne wskazówki na temat tego, gdzie mogą zobaczyć zmiany biologiczne podczas lotów kosmicznych— „cenny plan”, jak mówi badanie, na potencjalne ryzyko dłuższych podróży do naszego Układu Słonecznego.

praca nad tym badaniem była jak wczesna kartografia, mówi Feinberg. On i inni badacze starali się zrozumieć, w szerokim skrócie, jakie zmiany zachodzą w ciele podczas lotów kosmicznych, tworząc ogólny kształt i pozostawiając miejsce na przyszłe badania, aby wypełnić szczegóły.

NASA ma już w planach wypełnianie tej mapy ludzkiego ciała. Bailey i inni badacze będą kontynuować kolejny długoterminowy projekt monitorowania ” dziesięciu astronautów na jednorocznych misjach, dziesięć na sześciomiesięcznych misjach i dziesięć na podróżach od dwóch do trzech miesięcy na raz. Dane dotyczące zdrowia będą porównywane z ludźmi na ziemi, którzy są w izolacji przez te same okresy czasu”, zgodnie z komunikatem prasowym Colorado State University. Inni naukowcy posuwają się naprzód z analogowymi projektami na ziemi, w tym Rana, która bada środki z przedmiotów na długoterminowym łóżku, które naśladują warunki zerowej grawitacji.

choć pozostaje jeszcze wiele do zrobienia, NASA ma teraz ramy dla rodzaju współpracy multidyscyplinarnej, którą prawdopodobnie będzie kontynuować w przyszłych badaniach, mówi Basner. Jeśli chodzi o Scotta Kelly ’ ego, jest gotów być w nim na dłuższą metę.

„czasami na pytania zadawane przez naukę odpowiadają inne pytania, a ja będę przeprowadzał testy raz w roku do końca życia”, napisał w swojej książce z 2017 roku Endurance: My Year in Space, a Lifetime of Discovery. „Nie przeszkadza mi to szczególnie. Warto przyczynić się do rozwoju ludzkiej wiedzy.”