NASA ima velike planove za budućnost ljudskog svemirskog leta. Prijedlozi svemirskih agencija za slanje dugoročnih, posadnih misija na Mjesec i, na kraju, kopneni astronauti na Marsu zahtijevat će značajan napredak u opremi za rakete i svemirske letove. No zajedno s novom tehnologijom, znanstvenici se suočavaju s još jednim ključnim pitanjem: Može li se ljudsko tijelo održati tijekom toliko vremena u svemiru? Istraživačka misija na Marsu mogla bi potrajati dvije ili tri godine, dok je većina svemirskih ekspedicija do sada trajala šest ili manje mjeseci. Produljene misije izvan Zemljine orbite mogle bi rezultirati dubokim i potencijalno opasnim biološkim učincima na tijela astronauta.
Da bi proučavali utjecaj mikrogravitacije, zračenja i zatočenosti u dugotrajnom svemirskom letu, NASA je za jedinstvenu misiju odabrala blizance Scotta i Marka Kellyja. Dva identična blizanaca poslužila su kao NASA-in piloti i astronauti, a Scott je izabran za jednogodišnju misiju na Međunarodnoj svemirskoj stanici (ISS), ostavivši svog brata - genetsku kopiju sebe - na Zemlji. Istraživači su koristili zemaljsku oznaku kao svojevrsnu kontrolu predmeta kako bi usporedili bilo kakve promjene u Scottu tijekom njegove godine u svemiru, a koje su trajale od 27. ožujka 2015. do 1. ožujka 2016.
Deset timova znanstvenika proučavalo je različite aspekte zdravlja i biologije blizanaca, od ekspresije gena do bakterija u crijevima do spoznaje. Danas su timovi objavili neka od svojih prikupljenih istraživanja u međudisciplinarnom istraživanju, koje će biti objavljeno 12. travnja u časopisu Science.
Grafički prikaz puta kojim pojedina istraživanja Twins Study idu od istraživanja do integracije u jedan sažetak do nekoliko popratnih radova. (NASA) S više od 80 autora, studija okuplja i analizira širok raspon podataka, prikupljenih od oba blizanca tijekom cjelogodišnje misije, plus mjeseci neposredno prije i nakon. Rezultati su ekspanzivni, ali uglavnom pokazuju da je, uz neke značajne iznimke, Scottovo tijelo odskočilo naglo nakon 340 dana u stresnim svemirskim uvjetima. Istraživanje stvara "integrirani portret molekularnih, fizioloških i ponašanja prilagođavanja i izazova ljudskom tijelu tijekom duljeg svemirskog leta", pišu autori.
Pitanje starenja
Jedan od deset timova, predvođen Susan Bailey, profesoricom radijacijske i biološke bolesti raka na Sveučilištu Colorado, usredotočio se na telomere, "čepove" koji štite krajeve vlakana DNA. Na Zemlji se ti telomeri iscrpljuju tokom životnog vijeka čovjeka kako se svaki krug replikacije DNK odmori u njima.
Kad je Baileyev tim analizirao telomere u Scottovim bijelim krvnim stanicama, otkrili su da se prosječna dužina telomera u tim stanicama zapravo povećala tijekom misije. "Bilo je upravo suprotno onome što smo zamislili", kaže Bailey. "Predložili smo da, u stvari, zbog svih zaista jedinstvenih naprezanja i izloženosti stvarima poput mikrogravitacije, zračenja u prostoru i izolacije ... [činilo se da bi stvarno ubrzali gubitak telomera u prostoru."
Scott Kelly ukrcao se na Međunarodnu svemirsku stanicu tijekom svoje godine u svemiru. (NASA) Nakon što se Scott ponovo spustio na Zemlju, Baileyev tim uočio je da se njegova prosječna dužina telomera smanjila na približno približno razinu prije leta. U mjesecima nakon leta, međutim, veći broj telomera izgubljen je ili kritički skraćen. Ovo bi moglo biti zabrinjavajuće otkriće, jer su skraćenje i gubitak telomera povezani sa starenjem i podložnošću starostnim bolestima, uključujući kardiovaskularne probleme i rak.
Istraživači još nisu sigurni kako su se i zašto dogodile ove promjene telomera. Tim se nadao analizirati aktivnost telomeraze, enzima koji proširuje telomere, ali se isključuje u većini tjelesnih stanica odrasle osobe kako bi vidjeli je li se nekako aktivirao dok je Scott bio u letu. Međutim, materijal koji im je potreban bio je "izgubljen u svemiru", kaže Bailey. Uzorci krvi isporučeni su na Zemlju svemirskom letjelicom Soyuz, ali aktivnost telomeraze bila je mrtva po dolasku, možda kao rezultat temperaturnih promjena tijekom ponovnog ulaska u Zemljinu atmosferu.
Saznanje o mehanizmu tih promjena za vrijeme i nakon svemirskog leta bit će važan pomak naprijed, kaže Bailey - ne samo radi astronauta, već i zbog toga što bi temeljitije razumijevanje starenja bilo korisno za zdravlje "zemljaka".
Genska ekspresija u svemiru
Istraživači su također proučavali Scottov genom da bi utvrdili je li se ekspresija gena promijenila tijekom leta, kao što to čini u stresnim situacijama. Tim predvođen Chrisom Masonom, genetičarem iz Weill Cornell Medicine, proučavao je modifikacije DNA i RNA koje će signalizirati epigenetsku prilagodbu. Promatrali su neke promjene u izražavanju gena, a ove su se varijacije ubrzale u posljednjih šest mjeseci misije. Više od šest puta više razlika u genskim izrazima nagomilano je u drugoj polovici u odnosu na početak leta.
Otkrića su bila pomalo iznenađujuća, kaže Mason, jer je očekivao da će se te razlike usporiti ili prestati nakon početnog razdoblja prilagodbe na novo okruženje. Trajne i sve veće genetske transformacije pokazuju da se tijelo nastavlja mijenjati kroz dugo vrijeme u prostoru.
Andrew Feinberg, profesor i medicinski istraživač sa Sveučilišta Johns Hopkins, i njegov tim fokusirali su se na metilne skupine - kemijske markere koji obično signaliziraju promjene u ekspresiji gena - i otkrili su da je količina epigenetske promjene bila slična za dva brata. Unatoč nekim manjim razlikama, Scottov se genom ponašao na način koji "nije zabrinjavajući", kaže Feinberg.
Nakon završetka misije 90 posto modificiranih gena izraza vratilo se na početnu vrijednost - dobar znak da se tijelo može odbiti nakon duge misije, kaže Mason. Ostalih 10 posto, koje su sačinjavale preko 800 gena, uključujući one povezane s imunološkim odgovorom i popravljanjem DNA, još uvijek su se različito izražavali šest mjeseci nakon Scottova povratka. "Čini se da u određenoj mjeri dovoljno stanica u tijelu ima sjećanje na ono što se dogodilo da još uvijek traje neko prilagođavanje i ponovna kalibracija za povratak na Zemlju, " kaže Mason.
Utjecaj svemirskog leta na um
U jednom potencijalno vezanom za rezultat, tim koji je proučavao spoznaju utvrdio je da je Scottova uspješnost na nizu kognitivnih testova opala u periodu nakon leta. Mathias Basner, profesor psihijatrije na Sveučilištu u Pennsylvaniji, i njegov tim osmislili su specijaliziranu kognitivnu bateriju za testiranje za NASA-u - niz od 10 računalnih zadataka za mjerenje različitih aspekata razmišljanja astronauta, uključujući emocionalno prepoznavanje, preuzimanje rizika i pažnju.
Iako su Scottove mjere u letu bile stabilne, njegova "kognitivna učinkovitost", odnosno njegova brzina i preciznost u ispunjavanju testne baterije, pao je kad se vratio na Zemlju. Pad je trajao šest mjeseci nakon povratka.
Iako Scott nije pokazao bilo kakve alarmantne kognitivne učinke tijekom cjelogodišnjeg svemirskog leta, činilo se da ima puno više problema s testovima nakon povratka u Zemljino okruženje u odnosu na razdoblje prilagodbe nakon prethodne šestomjesečne misije od listopada 2010. do Ožujak 2011. Kognitivni rezultati mogli bi biti „crvena zastava“ prilikom planiranja nečeg poput misije na Mars, kaže Basner, tijekom koje bi astronauti morali obavljati složene zadatke nakon slijetanja.
NASA-in astronaut Scott Kelly (lijevo), inženjer leta Ekspedicije 43/44 i zapovjednik ekspedicije 45/46; i ruski kozmonaut Mihail Kornienko, inženjer letenja 43-46, proveli su 340 kumulativnih dana u svemiru. (NASA / Bill Stafford) "Svemir je vrlo neprijateljsko okruženje", kaže Basner. "Uvijek želimo da astronauti djeluju u najboljem redu u smislu da, znate, sitne pogreške mogu se pretvoriti u katastrofalne pogreške - u najgorem slučaju, do kvara misije i gubitka opreme i života astronauta."
Iako bi vjerojatno trebalo da visok stupanj oštećenja utječe na operacije koje vode obučeni astronauti, ove bi kognitivne promjene trebalo pratiti u budućim misijama, kaže Basner, posebno zato što ljudi imaju slabu sposobnost procjene vlastitog kognitivnog statusa, skloni prihvatanju svog trenutnog stanja uvjeta kao "novog normalnog", čak i ako su stvarno gori nego prije.
Tijelo Space Explorera
Kroz ostatak Scottovog tijela istraživači su primijetili i druge promjene povezane s svemirskim letom. U istraživanju mikrobioma, zajednice bakterija koje žive u ljudskom crijevu, tim koji su predvodili istraživači sa Sveučilišta Severozapadnjak utvrdio je da se proporcije različitih vrsta bakterija mijenjale tijekom Scottove godine u svemiru. Međutim, ukupna raznolikost bakterija nije se smanjila, što je dobar znak da je mikrobiom ostao zdrav.
Tim koji je vodila Brinda Rana, istraživačica zdravstvenih znanosti na Sveučilištu Kalifornija, San Diego, otkrila je da se nekoliko bjelančevina također promijenilo tijekom svemirskog leta. Uzorci urina iz Scottovog vremena na brodu ISS sadržavali su visoku razinu kolagena, strukturnog proteina. Promatranje ove mjere zajedno s fiziološkim promjenama - poput onih uočenih u Scottovim zrnima i krvožilnom sustavu - može biti znak da se tijelo restrukturira, kaže Rana. Istraživači su također primijetili povišenu razinu akvaporina 2, proteina koji ima tendenciju markera dehidracije.
Međutim, velika većina promjena koje su primijetili Ranov tim i druge osobe nestale su kad se Scott povukao na Zemlji. „To samo pokazuje koliko je tijelo otporno i koliko je ljudsko tijelo prilagodljivo na različita okruženja“, kaže Rana. "Godinu u svemiru - tijelo to može podnijeti."
Budući da je veličina uzorka NASA-inog blizanca približno toliko mala koliko je moguće, istraživači su naglasili da ne mogu generalizirati svoje rezultate, niti mogu dokazati izravnu uzročnu vezu između svemirskog leta i njihovih opažanja. Ipak, njihov rad, usprkos ograničenom opsegu, daje NASA-i neke tragove o tome gdje bi mogli vidjeti biološke promjene tijekom svemirskog leta - „vrijedan plan puta“, kaže se u studiji, na moguće rizike duljih putovanja u naš sunčev sustav.
Raditi na ovoj studiji bilo je kao rani kartograf, kaže Feinberg. On i ostali istražitelji pokušali su razumjeti širokim udarima koje se promjene događaju u tijelu tijekom svemirskog leta stvarajući opći oblik i ostavljajući prostor budućim istraživanjima da ispune detalje.
NASA već planira nastaviti ispunjavati ovu kartu ljudskog tijela. Bailey i drugi istraživači nastavit će s drugim dugoročnim projektom nadgledanja „deset astronauta na jednogodišnjim misijama, deset na šestomjesečne misije i deset na putovanjima od dva do tri mjeseca istodobno. Zdravstveni podaci uspoređivat će se s ljudima na terenu koji su u izolaciji za ista razdoblja ", stoji u priopćenju sa sveučilišta Colorado State. Drugi se znanstvenici kreću naprijed sa analognim projektima na Zemlji, uključujući Rana, koji proučava mjere subjekta na dugoročnom naslonjaču za krevet koji oponaša nulte gravitacije.
Iako je pred nama još puno posla, NASA sada ima okvir za vrstu multidisciplinarne suradnje koja će se vjerojatno nastaviti u budućim studijama, kaže Basner. Što se tiče Scotta Kellyja, on je spreman biti u njemu na duge staze.
"Ponekad na pitanja koja postavlja znanost odgovoreno sam i na druga pitanja, a ja ću stalno raditi testove jednom godišnje za cijeli život", napisao je u svojoj knjizi za 2017. godinu, " Endurance: My Year in Space, A Life Life of Discovery" . "To me posebno ne muči. Vrijedi to doprinijeti unapređenju ljudskog znanja. "
