Наверное, новые виды растений и животных изучают не так пристально, как влияние различных факторов на состояние космонавтов и все, связанное с этой отраслью. Представители этой необычной профессии постоянно на прицеле у врачей и ученых, которые до сих пор заняты исследованиями того, как меняется тело человека во время космического полета. Уже была проведена масса исследований, но зачастую все результаты сводятся к особенностям каждого организма в отдельности. Особенно актуальным этот вопрос стал с учетом планов США, Китая, ЕС и России отправить экспедиции на Марс.
Учитывая условия невесомости в космосе и, как следствие, отсутствие «земной» нагрузки, костная и мышечная ткани деградируют — без занятий на тренажерах космонавт будет терять в среднем 1-2% костной массы в месяц. Именно поэтому на МКС оборудованы специальные механизмы, позволяющие воссоздать норму физической нагрузки на Земле.
Кроме того, микрогравитация влияет на распределение жидкости в организме — растет внутричерепное давление, а это сказывается на зрении из-за деформации глазных яблок. И все же, это довольно общие характеристики. В попытках понять, обусловлены ли все эти изменения генетикой или чем-то еще, ученые провели исследование «близнецовым методом».
В чем суть исследования?
Для начала немного разберемся в тонкостях биологии. Геномы однояйцевых близнецов абсолютно одинаковы, что дает возможность увидеть «чистое» воздействие среды. Исследователям в некотором роде повезло: Марку Келли, одному из астронавтов NASA, пришлось оставить карьеру, чтобы посвятить себя семье после того, как его жена погибла в теракте. Однако на службе остался его брат-близнец Скотт. Оба брата были отобраны для подготовки к работе в космосе еще в 96-ом, и практически все делали вместе. За всю космическую карьеру общая продолжительность полетов у Скотта составила 520 дней, в то время как Марк провел в невесомости в сумме 54 дня.
Разумеется, ученые не захотели упускать такой шанс исследовать влияние космоса на человека, и в 2015 году Скотт Келли полетел на МКС, где находился целый год в компании еще одного космонавта Геннадия Падалки. Марк тем временем жил обычной, земной жизнью — отличие его от других заключалось лишь в том, что он постоянно обследовался, и ученые проводили различные тесты. Конечно, все это проводилось в условиях строжайшей секретности, и только к 2018 году исследователям разрешили рассказать о результатах почти 400 экспериментов. Итак, что же получилось?
1. В космосе усиливаются воспаления
Ученый из университета Стэнфорда Майк Снайдер через анализ крови измерял уровень жиров и цитокинов — белков в крови человека, которые служат чем-то вроде индикаторов воспалений. Ему удалось сравнить реакции братьев на условия окружающей среды.
Как и предполагалось, тот Келли, которого обследовали на МКС, оказался больше подвержен разного рода воспалительным процессам. Кроме того, в организме космонавта увеличилось количество некоторых белков, которые помогают регулировать активность инсулина.
2. Когнитивные функции остаются прежними за одним исключением
Сознание обоих братьев на протяжении всего времени исследовал Матиас Баснер из Пенсильванского университета, требуя от каждого из Келли выполнять по десять разных когнитивных тестов несколько раз — перед полетом Скотта, в процессе и после него. Так отслеживалось влияние гравитации на умственные способности.
В результате Баснер не выявил каких-то изменений у Скотта, когда он был на борту МКС, однако по его возвращении на Землю удалось отследить ярко выраженное снижение скорости выполнения и точности ответов в тестах. По мнению исследовательской группы, это обусловлено адаптацией к земной гравитации. Кроме того, сказывается также и напряженный график после полета.
3. Масса тела уменьшается, зато увеличивается количество фолиевой кислоты
Исследователь Космического центра им. Джонсона NASA Скотт Смит отслеживал биохимические показатели каждого из близнецов в поисках каких-либо изменений. В этих целях медики на протяжении всей миссии анализировали кровь, мочу, рост и вес братьев.
В результате они обнаружили не только уменьшение массы тела Скотта, но и повышение уровня фолиевой кислоты несмотря на здоровую диету и двухчасовые тренировки шесть раз в неделю.
4. Во время космического полета теломеры удлиняются
Начнем с того, что теломеры — это своего рода крышечки на хромосомах, которые защищают цепи нашей ДНК от повреждений. Ученые обнаружили, что теломеры Скотта, находящегося в космосе, удлинились, а спустя 48 после возвращения на Землю вернулись к своим предполетным параметрам.
По мнению исследователей, такие изменения в организме космонавта могли быть вызваны ограниченной низкокалорийной диетой и строгим соблюдением нормы по выполнению физических упражнений в условиях невесомости.
Примечательно, что сокращение длины теломеров считается одним из признаков старения организма.
5. Условия космического полета не сказываются на иммунитете
Чтобы понять, как ведет себя иммунитет в космосе и подвергается ли он каким-либо изменениям, ученый Эммануэль Миньот из Стэнфордского университета предложил вводить братьям вакцину против гриппа с интервалом в год: за 365 дней до полета Скотта в космос и через соответствующее количество времени после.
Реакция обоих космонавтов была одинаковой — следовательно, космические условия не влияют каким-то особым образом на организм в этом смысле и не мешают вакцине.
6. Гены могут мутировать
Исследователь Крис Мэйсон из Weill Cornell Medicine изучил на близнецах влияние космических путешествий на генетику человека через отслеживание изменений в РНК и ДНК. Ученый использовал метод секвенирования биополимеров — так называется определение их аминокислотной или нуклеотидной последовательности. Этот метод позволяет преобразовать первичную структуру линейной макромолекулы как последовательность мономеров в текстовый вид.
Как выяснилось, Скотт испытал невероятное количество уникальных мутаций в генах по сравнению со своим братом, находящемся на Земле. И все же несмотря на то, что некоторое количество генных мутаций было ожидаемым, многие изменения удивили даже исследователей. Например, некоторые из них были обнаружены уже после того, как Скотт вернулся — мутации произошли даже на внеклеточной ДНК и РНК, которые циркулировали в кровотоке. Ученые предположили, что эти изменения произошли из-за стресса, вызванного космическим путешествием, и это могло заставить клетки выбросить какие-то части ДНК и РНК, которые, находясь «в свободном плавании», могут запускать производство жиров и белков и даже контролировать какие-то гены. Кроме того, Скотт получил огромную дозу радиации — почти в 24 раза больше, чем его брат. В итоге 93% параметров вернулись в прежнее, дополетное состояние после возвращения Скотта на Землю.
7. Космос влияет на то, что происходит у человека в кишечнике
Исследователь Фред Турек выяснил, что условия микрогравитации оказывают определенное воздействие на микробиом человека — обширное сообщество микроорганизмов в кишечнике.
На протяжении всего эксперимента микробиомы обоих братьев очень сильно отличались, но это вполне ожидаемо с учетом того, насколько организм чувствителен к изменениям в окружающей среде и диете. Однако, как выяснилось, в космосе человеку с заболеваниями желудочно-кишечного тракта везет немного больше — как минимум потому, что значительно уменьшается количество Bacteroidetes. Это бактерии, которые тесно связаны с метаболическими заболеваниями человека.
Когда Скотт вернулся на Землю, все вернулось в прежнее состояние. Более того, по словам ученых, в результате исследования выяснилось, что эти изменения можно воспроизвести и в реальной жизни — например, если значительно поменять свой привычный рацион или попасть в принципиально новую среду.
8. В условиях микрогравитации выделяется больше белка
Исследовательница Бринда Рана из Калифорнийского университета идентифицировала определенные белки-биомаркеры близнецов, которые позволили обнаружить измененную регуляцию жидкостей в организме.
Так выяснилось, что у Скотта во время космического полета зафиксировали повышенный уровень белка аквапорина-2 — это белок собирательных трубочек почек, который формирует поры для переноса воды в мембранах клеток. Соответственно, количество аквапорина-2 в организме может служить индикатором состояния гидратации организма, но вместе с этим ученые были поражены высоким содержанием натрия в плазме, что означает обезвоживание. Результаты исследования получаются взаимоисключающими.
Ученые полагают, что это может быть обосновано условиями микрогравитации, при которых кровь приливает к голове, меняя тем самым внутричерепное давление.
