NASA ima velike načrte za prihodnost človeških vesoljskih poletov. Predlogi vesoljske agencije, da na Luno pošljejo dolgoročne, posadke v misijo in sčasoma pristanejo astronavti na Marsu, bodo potrebovali pomemben napredek v zvezi z raketno in vesoljsko opremo. Toda skupaj z novo tehnologijo se znanstveniki spopadajo s še enim ključnim vprašanjem: Ali se človeško telo lahko vzdrži toliko časa v vesolju? Raziskovalna misija na Marsu bi lahko trajala dve ali tri leta, medtem ko je večina dosedanjih vesoljskih odprav trajala šest mesecev ali manj. Dolgotrajne misije zunaj zemeljske orbite lahko povzročijo globoke in potencialno nevarne biološke učinke v telesih astronavtov.
Za proučevanje vpliva mikrogravitacije, sevanja in zaprtosti pri dolgotrajnih vesoljskih poletih je NASA za edinstveno misijo izbrala dvojčka Scotta in Marka Kellyja. Oba identična dvojčka sta bila NASA testna pilota in astronavta, Scott pa je bil izbran za celoletno misijo na Mednarodno vesoljsko postajo (ISS), svojega brata - genetsko kopijo samega sebe - pustil na Zemlji. Raziskovalci so zemeljsko oznako uporabili kot nekakšen nadzorni predmet, da bi primerjali kakršne koli spremembe Scotta v njegovem letu v vesolju, ki je trajalo od 27. marca 2015 do 1. marca 2016.
Deset skupin znanstvenikov je preučevalo različne vidike zdravja in biologije dvojčkov, od izražanja genov do črevesnih bakterij do kognicije. Danes so ekipe objavile nekaj svojih sestavljenih raziskav v meddisciplinarni študiji, ki bo 12. aprila objavljena v reviji Science.
Grafični prikaz poti posamezne raziskave Twins Studyja od raziskav do integracije v en povzetek do več spremljevalnih prispevkov. (NASA) Študija z več kot 80 avtorji združuje in analizira širok spekter podatkov, zbranih od obeh dvojčkov med celoletno misijo ter mesece, ki so bili tik pred in po. Rezultati so obsežni, predvsem pa kažejo, da je Scottovo telo z nekaj izjemnimi izjemami po 340 dneh v stresnih vesoljskih razmerah precej hitro odbilo nazaj. Raziskava ustvarja "integriran portret molekularnih, fizioloških in vedenjskih prilagoditev in izzivov za človeško telo med daljšim vesoljskim poletom", pišejo avtorji.
Vprašanje staranja
Ena od desetih skupin, ki jo je vodila Susan Bailey, profesorica sevanja in biologije raka na univerzi v državi Colorado, se je osredotočila na telomere, "kapice", ki ščitijo konce pramenov DNK. Na Zemlji se ti telomeri v človekovi življenjski dobi izčrpavajo, ko se vsak krog podvajanja DNK na njih izčrpa.
Ko je Baileyjeva ekipa analizirala telomere v Scottovih belih krvnih celicah, so ugotovili, da se je povprečna dolžina telomerov v teh celicah med misijo dejansko povečala. "Bilo je ravno nasprotno od tistega, kar smo si zamislili, " pravi Bailey. "Predlagali smo, da pravzaprav zaradi vseh resnično edinstvenih obremenitev in izpostavljenosti stvarem, kot so mikrogravitacija, vesoljska sevanja in izolacija ... [zdelo se], se zdi, kot da bi pospešili izgubo telomera v vesolju."
Scott Kelly se je med letom v vesolju vkrcal na Mednarodno vesoljsko postajo. (NASA) Ko se je Scott spet spustil na Zemljo, je Baileyjeva ekipa opazila, da se njegova povprečna dolžina telomerov zmanjša na približno enako raven pred letom. V mesecih po letu pa se je večje število telomer izgubilo ali kritično skrajšalo. To je lahko zaskrbljujoča ugotovitev, saj sta skrajšanje in izguba telomerov povezana s staranjem in dovzetnostjo za bolezni povezane s starostjo, vključno s srčno-žilnimi težavami in rakom.
Raziskovalci še niso prepričani, kako ali zakaj so prišle do teh sprememb telomera. Skupina je upala, da bo analizirala aktivnost telomeraze, encima, ki razširi telomere, vendar se izklopi v večini telesnih celic odraslih, da bi videli, ali se je nekako aktiviral, medtem ko je Scott med letom. Vendar je material, ki so ga potrebovali, "izgubljen v vesolju", pravi Bailey. Vzorci krvi so bili poslani nazaj na Zemljo na vesoljskem plovilu Soyuz, vendar je bila telomeraza ob prihodu mrtva, verjetno zaradi temperaturnih sprememb med ponovnim vstopom skozi Zemljino atmosfero.
Beiley pravi, da bo več informacij o mehanizmu teh sprememb med in po vesolju pomembno, da se premaknete naprej, ne samo zaradi astronavtov, ampak tudi zato, ker bi bilo bolj natančno razumevanje staranja koristno za zdravje "zemeljcev".
Genska ekspresija v vesolju
Raziskovalci so preučevali tudi Scottov genom, da bi videli, ali se je genska ekspresija med letom spremenila, kot je to običajno v stresnih situacijah. Ekipa, ki jo je vodil Chris Mason, genetik iz Weill Cornell Medicine, je preučevala modifikacije DNK in RNK, ki bi signalizirale epigenetsko prilagoditev. Opazili so nekaj sprememb v izražanju genov in te spremembe so se v zadnjih šestih mesecih misije pospešile. Več kot šestkrat več razlik v izrazih genov se je v primerjavi s pričetkom leta zmanjšalo v zadnji polovici.
Izsledki so bili nekoliko presenetljivi, pravi Mason, saj je pričakoval, da se bodo te razlike upočasnile ali ustavile po začetnem obdobju prilagajanja novemu okolju. Trajajoče in naraščajoče genske transformacije kažejo, da se telo v vesolju še dolgo spreminja.
Andrew Feinberg, profesor in medicinski raziskovalec z univerze Johns Hopkins, in njegova ekipa so se osredotočili na metilne skupine - kemične markerje, ki ponavadi signalizirajo spremembe v izražanju genov - in ugotovili, da je količina epigenetske spremembe za oba brata podobna. Kljub nekaj manjših razlik se je Scottov genom obnašal na način, ki "ni zaskrbljujoč", pravi Feinberg.
Po koncu misije se je 90 odstotkov spremenjenih izrazov genov vrnilo na osnovno črto pred poletom - kar je dober znak, da se telo po dolgi misiji lahko odbije nazaj, pravi Mason. Ostalih 10 odstotkov, ki so sestavljali več kot 800 genov, vključno s tistimi, povezanimi z imunskim odzivom in popravljanjem DNK, se je še šest mesecev po Scottovi vrnitvi še vedno izražalo drugače. "V določeni meri se zdi, da ima dovolj celic v telesu spomin na to, kar se je zgodilo, da je še vedno potrebno prilagajanje in ponovno umerjanje, da so spet na Zemlji, " pravi Mason.
Vpliv vesoljskega leta na um
V enem od možnih rezultatov je ekipa, ki je preučevala spoznavanje, ugotovila, da se je Scottova uspešnost na seriji kognitivnih testov v obdobju po letu zmanjšala. Mathias Basner, profesor psihiatrije na Univerzi v Pensilvaniji, in njegova ekipa so zasnovali specializirano kognitivno testno baterijo za NASA - serijo 10 računalniških opravil za merjenje različnih vidikov razmišljanja astronavtov, vključno s čustvenim prepoznavanjem, tveganjem in pozornostjo.
Čeprav so bili Scottovi ukrepi med letom stabilni, je njegova "kognitivna učinkovitost" ali njegova hitrost in natančnost pri izpolnjevanju testne baterije padla, ko se je vrnil na Zemljo. Zmanjšanje je trajalo šest mesecev po vrnitvi.
Medtem ko Scott med celoletnim vesoljskim poletom ni pokazal nobenih zaskrbljujočih kognitivnih učinkov, se mu je z vrnitvijo v okolico Zemlje v primerjavi z obdobjem ponovne prilagoditve po prejšnji šestmesečni misiji od oktobra 2010 do Marec 2011. Kognitivni rezultati bi lahko bili "rdeča zastava" pri načrtovanju nečesa, kot je misija na Mars, pravi Basner, med katero bi morali astronavti po pristanku opravljati zapletene naloge.
NASA astronavt Scott Kelly (levo), letalski inženir ekspedicije 43/44 in poveljnik ekspedicije 45/46; in ruski kozmonavt Mihail Kornienko, letalski inženir ekspedicije 43-46, sta v vesolju preživela 340 skupnih dni. (NASA / Bill Stafford) "Vesolje je zelo sovražno okolje, " pravi Basner. "Vedno si želimo, da bi astronavti delovali v svojih najboljših močeh, v smislu, da se drobne napake lahko pretvorijo v katastrofalne napake - v najslabšem primeru pa do okvare misije in izgube opreme in življenj astronavtov."
Čeprav bi verjetno vplivale na operacije, ki jih vodijo usposobljeni astronavti, bi morali te kognitivne spremembe spremljati v prihodnjih misijah, pravi Basner, še posebej, ker imajo ljudje slabo sposobnost presoje lastnega kognitivnega statusa in se nagibajo k sprejemanju svojega trenutnega pogojev kot "novega normalnega", tudi če so dejansko slabši kot prej.
Telo vesoljskega raziskovalca
Skozi preostalo Scottovo telo so raziskovalci opazovali tudi druge spremembe, povezane s vesoljskim poletom. V študiji o mikrobiomu, skupnosti bakterij, ki živijo v človeškem črevesju, je ekipa, ki so jo vodili raziskovalci z univerze Northwestern, ugotovila, da se je razmerje različnih vrst bakterij v Scottovem letu spremenilo v vesolju. Splošna raznolikost bakterij pa se ni zmanjšala, kar je dober znak, da je mikrobiom ostal zdrav.
Skupina, ki jo vodi Brinda Rana, raziskovalka zdravstvene vede na kalifornijski univerzi San Diego, je ugotovila, da se je med vesoljskim poletom spremenilo tudi več beljakovin. Vzorci urina iz Scottovega časa na krovu ISS so vsebovali visoko raven kolagena, strukturnega proteina. Rana pravi, da je ta ukrep skupaj s fiziološkimi spremembami - kot so bile opažene v Scottovih zrkelcih in ožilju - lahko znak, da se je telo prestrukturiralo, pravi Rana. Raziskovalci so opazili tudi povišano raven akvaporina 2, beljakovine, ki ponavadi označuje dehidracijo.
Vendar je velika večina sprememb, ki jih je opazila Ranova ekipa in druge, izginila, ko se je Scott spet dotaknil Zemlje. "Nekako kaže, kako odporno je telo in kako prilagodljivo je človeško telo na različna okolja, " pravi Rana. "Leto v vesolju - telo se tega lahko loti."
Ker je velikost vzorca Nasine študije dvojčkov približno tako majhna, so raziskovalci poudarili, da svojih rezultatov ne morejo posplošiti, niti ne morejo dokazati neposredne vzročne zveze med vesoljskim poletom in njihovimi opazovanji. Kljub temu njihovo delo kljub svojemu zelo omejenemu obsegu daje NASI nekaj namigov o tem, kje bi lahko opazili biološke spremembe med vesoljskim poletom - "dragocen načrt", pravi študija, o možnih tveganjih daljših potovanj v naš sončni sistem.
Delo na tej študiji je bilo kot zgodnji kartograf, pravi Feinberg. On in drugi preiskovalci so s širokim udarcem poskušali razumeti, kakšne spremembe se pojavijo v telesu med vesoljskim poletom, ustvarijo splošno obliko in pustijo prostor za prihodnje raziskave, da zapolnijo podrobnosti.
Nasa že načrtuje, da bo še naprej izpolnjevala ta zemljevid človeškega telesa. Bailey in drugi raziskovalci bodo nadaljevali z drugim dolgoročnim projektom, ki bo spremljal "deset astronavtov na enoletnih misijah, deset na šestmesečnih misijah in deset na potovanjih od dva do tri mesece hkrati. Podatke o zdravju bomo primerjali z ljudmi na terenu, ki so v enakih obdobjih, "piše v sporočilu za javnost univerze Colorado State. Drugi znanstveniki napredujejo z analognimi projekti na Zemlji, med njimi tudi Rana, ki preučuje ukrepe iz predmetov o dolgoročnem naslonjalu za posteljo, ki posnema ničelne gravitacijske pogoje.
Čeprav je ostalo še veliko dela, ima NASA zdaj okvir za vrsto multidisciplinarnega sodelovanja, ki se bo verjetno nadaljevalo v prihodnjih študijah, pravi Basner. Kar zadeva Scotta Kellyja, je pripravljen nanj na dolge proge.
"Včasih na vprašanja, ki jih postavlja znanost, odgovarjam z drugimi vprašanji, zato bom še enkrat letno opravljal teste do konca življenja, " je zapisal v svoji knjigi za leto 2017, " Endurance: My Year in Space, A Life of Discovery" . "To me ne moti posebej. Vredno je, da prispeva k napredku človeškega znanja. "
