Сравнение с его близнецом показывает, как длительный космический полет меняет тело человека.
Почти год идентичные близнецы Скотт и Марк Келли жили в разных мирах - буквально. Марк наслаждался земным выходом на пенсию в Тусоне, штат Аризона. Тем временем Скотт плыл в условиях микрогравитации на борту Международной космической станции примерно в 400 километрах (250 милях) над планетой. Отдельный год дал ученым четкий взгляд на то, как длительный космический полет может повлиять на организм человека.
Десять научных команд в исследовании близнецов НАСА исследовали братьев-космонавтов до, во время и после 340 дней Скотта в космосе. Команды изучали функции тела каждого близнеца. Они запустили тесты памяти. И они исследовали гены мужчин, выясняя, какие различия могут быть связаны с космическими путешествиями.
Долгожданные результаты появились 12 апреля в Science . Они подтверждают, что длительные космические путешествия нагружают организм человека разными способами. Пространство жизни может изменить гены и отправить иммунную систему в перегрузку. Это может притупить умственные способности и память.
Это «наиболее полное представление о реакции человеческого тела на космические полеты», - говорит Сьюзен Бэйли. Она изучает радиацию и рак в Университете штата Колорадо в Форт-Коллинз. Она также возглавляла одну из исследовательских групп НАСА. Она говорит, что до сих пор неясно, принесут ли увиденные изменения долгосрочный вред.
Гены в космосе
Ученые не могли пойти со Скоттом, когда он вошел в космос в марте 2015 года. Поэтому он должен был помочь им. На орбите он собирал образцы крови, мочи и кала. Другие посещающие космонавты несли их обратно на Землю. Затем исследовательские группы провели множество различных тестов для анализа различных функций организма. Они сравнили эти данные с данными, полученными до и после космического полета Скотта.
Образцы Скотта из космоса показали множество генетических изменений по сравнению с теми, что были получены на Земле. Более 1000 его генов имели химические маркеры, которых не было ни в его предполетных образцах, ни в образцах от Марка. Эти химические маркеры называются эпигенетическими (Ep-ih-jeh-NET-ik) метками. Они могут быть добавлены или удалены из-за факторов окружающей среды. И они влияют на работу генов. Тег может влиять на их активность, определяя, включен ли ген, когда или как долго он включается или выключается.
Некоторые из генов Скотта изменились больше, чем другие. Команда Бэйли обнаружила, что те, у кого больше эпигенетических меток, помогают регулировать ДНК. Некоторые занимаются восстановлением ДНК. Другие контролируют длину кончиков хромосом, называемых теломерами.
Считается, что теломеры защищают хромосомы. Укороченные теломеры связаны со старением и рисками для здоровья, такими как болезни сердца и рак. Ученые ожидали, что теломеры Скотта могут укорачиваться в условиях низкой гравитации и высокой радиации пространства. Поэтому они были удивлены, обнаружив, что на самом деле они выросли - на 14,5% дольше.
Этот рост не длился, однако. В течение 48 часов после его возвращения в марте 2016 года на Землю теломеры Скотта быстро сжались. В течение нескольких месяцев большинство из них вернулись на предполетную длину. Но некоторые теломеры стали еще короче. «Это может быть там, где он может подвергаться повышенному риску» рака или других проблем со здоровьем, говорит Бейли.
Кристофер Мейсон изучает генетику человека в Weill Cornell Medicine в Нью-Йорке. Его группа смотрела, какие гены были затронуты космическим полетом. В ранних исследованиях Скотта из космоса команда Мейсона отметила, что многие гены иммунной системы переключились на активный режим. Пока тело находится в космосе, «иммунная система находится в состоянии повышенной готовности как способ попытаться понять эту новую среду», - говорит Мейсон.
Хромосомы Скотта также прошли через многие структурные изменения, обнаружила другая команда. Части хромосом менялись местами, переворачивались вверх ногами или даже сливались. Такие изменения могут привести к бесплодию или определенным типам рака.
Майкл Снайдер, который возглавлял другую из команд, не был удивлен такими изменениями. «Это естественная реакция на стресс», - говорит он. Снайдер изучает генетику человека в Стэнфордском университете в Калифорнии. Его группа искала вызванные стрессом сдвиги в иммунной системе близнецов, обмене веществ и выработке белков. Вероятно, что высокоэнергетические частицы и космические лучи в космосе ухудшили изменения в хромосомах Скотта, говорит Снайдер.
Длительные эффекты
Большинство изменений, которые Скотт испытал в космосе, полностью изменились, когда он вернулся на Землю. Но не все.
Исследователи снова проверили Скотта через шесть месяцев на суше. Примерно 91 процент генов, которые изменили активность в космосе, теперь вернулись к норме. Остальные остались в космическом режиме. Например, его иммунная система оставалась в состоянии повышенной готовности. Гены репарации ДНК были все еще слишком активны, а некоторые из его хромосом все еще были перевернуты. Более того, умственные способности Скотта снизились с предполетного уровня. Он был медленнее и менее точен в краткосрочных тестах памяти и логики.
Неясно, являются ли эти результаты определенно из космического полета. Это отчасти потому, что наблюдения принадлежат только одному человеку. «Итог: есть тонна, которую мы не знаем», - говорит Снайдер.
Больше ответов может прийти от предстоящих миссий. В октябре прошлого года НАСА профинансировало 25 новых проектов, каждый из которых мог отправить до 10 астронавтов в космические полеты в течение года. А 17 апреля НАСА объявило о продолжительном космическом визите астронавта США Кристины Кох. Она достигла Международной космической станции в марте. Эта миссия до февраля 2020 года сделает ее космический полет самым длинным для женщины.
Но чтобы узнать, как пространство действительно влияет на здоровье, может потребоваться еще более длительные поездки. Миссия на Марс и обратно займет около 30 месяцев. Это также отправило бы астронавтов за пределы защитного магнитного поля Земли. Это поле защищает от разрушающего ДНК излучения солнечных вспышек и космических лучей.
Только астронавты на лунных миссиях вышли за пределы магнитного поля Земли. Ни одна из этих поездок не длилась более нескольких дней каждая. Так что никто не провел даже один год в этой незащищенной среде, не говоря уже о 2,5 лет.
Маркус Лёбрих работает в Техническом университете Дармштадта в Германии. Хотя он не является частью исследования близнецов НАСА, он изучает влияние радиации на организм. Новые данные впечатляют, говорит он, но подчеркивают, что мы еще не готовы к долгосрочным космическим полетам.
Он отмечает, что одним из способов избежать такого длительного космического пространства было бы ускорить поездку. Возможно, новые способы продвижения ракет в космосе могут быстрее достичь отдаленных мест. Но больше всего, говорит он, отправка людей на Марс потребует более эффективных способов защиты людей от радиации в космосе.
