Η NASA έχει μεγάλα σχέδια για το μέλλον της ανθρώπινης διαστημικής πτήσης. Οι προτάσεις της διαστημικής υπηρεσίας για αποστολή μακροχρόνιων αποστολών πληρώματος στο φεγγάρι και, τελικά, προσγείωση αστροναυτών στον Άρη απαιτούν σημαντική πρόοδο στον εξοπλισμό πυραύλων και διαστημικών πτήσεων. Αλλά μαζί με τη νέα τεχνολογία, οι επιστήμονες αγωνίζονται με μια άλλη κρίσιμη ερώτηση: Μπορεί το ανθρώπινο σώμα να διατηρήσει τον εαυτό του κατά τη διάρκεια αυτού του πολύ καιρού στο διάστημα; Μια διερευνητική αποστολή του Άρη θα μπορούσε να διαρκέσει δύο ή τρία χρόνια, ενώ οι περισσότερες διαστημικές αποστολές μέχρι τώρα έχουν διαρκέσει έξι μήνες ή και λιγότερο. Οι εκτεταμένες αποστολές πέρα από την τροχιά της Γης θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε βαθιά και δυνητικά επικίνδυνα βιολογικά αποτελέσματα στα σώματα των αστροναυτών.
Για να μελετήσουμε την επιρροή της μικροβαρύτητας, της ακτινοβολίας και του περιορισμού στην μακρινή διαστημική πτήση, η NASA επέλεξε τα δίδυμα Scott και Mark Kelly για μια μοναδική αποστολή. Τα δύο ταυτόσημα δίδυμα έχουν χρησιμεύσει ως δοκιμαστές πιλότων της NASA και αστροναύτες, και ο Scott επιλέχθηκε για μια ετήσια αποστολή στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ISS), αφήνοντας τον αδελφό του - ένα γενετικό αντίγραφο του εαυτού του - κάτω στη Γη. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τον σηματοδότη ως ένα είδος ελέγχου που υπόκεινται σε σύγκριση με οποιεσδήποτε αλλαγές στο Scott κατά τη διάρκεια του έτους του στο διάστημα, η οποία διήρκεσε από τις 27 Μαρτίου 2015 έως την 1η Μαρτίου 2016.
Δέκα ομάδες επιστημόνων μελέτησαν διαφορετικές πτυχές της υγείας και της βιολογίας των δίδυμων, από την έκφραση γονιδίων έως τα βακτήρια του εντέρου και τη γνώση. Σήμερα, οι ομάδες απελευθέρωσαν μέρος της έρευνάς τους σε διεπιστημονική μελέτη, η οποία θα δημοσιευθεί στις 12 Απριλίου στο περιοδικό Science.
Η γραφική απεικόνιση της πορείας της έρευνας των μεμονωμένων δίδυμων μελετών προέρχεται από την έρευνα έως την ενσωμάτωση σε ένα συνοπτικό έγγραφο σε διάφορα συνοδευτικά έγγραφα. (NASA) Με περισσότερους από 80 συγγραφείς, η μελέτη συγκεντρώνει και αναλύει ένα ευρύ φάσμα δεδομένων που συλλέγονται από αμφότερα τα δίδυμα κατά τη διάρκεια της ετήσιας αποστολής συν τους μήνες αμέσως πριν και μετά. Τα αποτελέσματα είναι εκτεταμένα, αλλά δείχνουν κυρίως ότι, με ορισμένες αξιοσημείωτες εξαιρέσεις, το σώμα του Scott αναπήδησε αρκετά γρήγορα μετά από 340 ημέρες σε αγχωτικές συνθήκες χώρου. Η έρευνα δημιουργεί ένα «ολοκληρωμένο πορτραίτο μοριακών, φυσιολογικών και συμπεριφορικών προσαρμογών και προκλήσεων για το ανθρώπινο σώμα κατά τη διάρκεια εκτεταμένης διαστημικής πτήσης», γράφουν οι συγγραφείς.
Ένα ζήτημα της γήρανσης
Μια από τις δέκα ομάδες, υπό την ηγεσία της Susan Bailey, καθηγητή ακτινοβολίας και βιολογίας καρκίνου στο κρατικό πανεπιστήμιο του Κολοράντο, επικεντρώθηκε στα τελομερή, τα «καπάκια» που προστατεύουν τα άκρα των κλώνων DNA. Στη Γη, αυτά τα τελομερή εξαντλούνται κατά τη διάρκεια της ζωής ενός ατόμου, καθώς κάθε κύκλος αναπαραγωγής DNA φθάνει σε αυτά.
Όταν η ομάδα του Bailey ανέλυσε τα τελομερή στα λευκά αιμοσφαίρια του Scott, διαπίστωσαν ότι το μέσο μήκος των τελομερών αυτών των κυττάρων στην πραγματικότητα αυξήθηκε κατά τη διάρκεια της αποστολής. «Ήταν ακριβώς το αντίθετο από αυτό που είχαμε φανταστεί», λέει ο Bailey. "Προτάσαμε, πράγματι, εξαιτίας όλων των πραγματικά μοναδικών πιέσεων και εκθέσεων σε πράγματα όπως η μικροβαρύτητα, η ακτινοβολία στο διάστημα και η απομόνωση ... πραγματικά φαινόταν σαν να επιταχύνουν την απώλεια των τελομερών στο διάστημα".
Scott Kelly στο Διεθνές Διαστημικό Σταθμό κατά τη διάρκεια του χρόνου του στο διάστημα. (NASA) Μόλις ο Scott αγγίξει τη γη στη γη, η ομάδα του Bailey παρατήρησε ότι το μέσο μήκος του τελομερούς του μειώθηκε περίπου στο επίπεδο της προ-πτήσης. Ωστόσο, τους μήνες που ακολουθούν την πτήση, ένας μεγαλύτερος αριθμός τελομερών χάθηκε ή μειώθηκε σημαντικά. Αυτό θα μπορούσε να είναι ένα σχετικό εύρημα, καθώς η μείωση του αριθμού των τελομερών και η απώλεια σχετίζονται με τη γήρανση και την ευαισθησία σε ασθένειες που σχετίζονται με την ηλικία, συμπεριλαμβανομένων των καρδιαγγειακών προβλημάτων και του καρκίνου.
Οι ερευνητές δεν είναι ακόμη βέβαιοι για το πώς ή γιατί συνέβησαν αυτές οι αλλαγές στο τελομερές. Η ομάδα ελπίζει να αναλύσει τη δραστηριότητα της τελομεράσης, ενός ενζύμου που επεκτείνει τα τελομερή, αλλά σταματάει στα περισσότερα κύτταρα των ενήλικων σωματικών κυττάρων, για να διαπιστώσει αν ενεργοποιήθηκε με κάποιο τρόπο ενώ ο Σκοτ ήταν στην πτήση. Ωστόσο, το υλικό που χρειαζόταν ήταν «χαμένο στο διάστημα», λέει ο Bailey. Τα δείγματα αίματος αποστέλλονταν πίσω στη Γη σε ένα διαστημόπλοιο Soyuz, αλλά η δραστηριότητα της τελομεράσης ήταν νεκρή κατά την άφιξη, πιθανώς ως αποτέλεσμα μεταβολών της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της επανεισαγωγής στη γήινη ατμόσφαιρα.
Η μάθηση σχετικά με τον μηχανισμό πίσω από αυτές τις αλλαγές κατά τη διάρκεια και μετά τη διαστημική πτήση θα είναι σημαντική προς τα εμπρός, λέει ο Bailey, όχι μόνο για τους αστροναύτες, αλλά και επειδή μια πιο εμπεριστατωμένη κατανόηση της γήρανσης θα ήταν πολύτιμη για την υγεία των «γηπέδων».
Έκφραση γονιδίων στο διάστημα
Οι ερευνητές μελέτησαν επίσης το γονιδίωμα του Scott για να δουν αν η γονιδιακή έκφραση άλλαξε κατά τη διάρκεια της πτήσης, καθώς τείνει να κάνει σε αγχωτικές καταστάσεις. Μια ομάδα με επικεφαλής τον Chris Mason, γενετιστής της Weill Cornell Medicine, σπούδασε τροποποιήσεις DNA και RNA που θα σήμαιναν επιγενετική προσαρμογή. Παρατήρησαν κάποιες αλλαγές στον τρόπο με τον οποίο εκφράστηκαν τα γονίδια και οι διακυμάνσεις αυτές επιταχύνθηκαν τους τελευταίους έξι μήνες της αποστολής. Περισσότερες από έξι φορές περισσότερες διαφορές στις γονιδιακές εκφράσεις αυξήθηκαν κατά το δεύτερο ήμισυ σε σύγκριση με την αρχή της πτήσης.
Τα ευρήματα ήταν κάπως περίεργα, λέει ο Mason, επειδή περίμενε ότι αυτές οι διαφορές θα επιβραδύνουν ή θα σταματούν μετά από μια αρχική περίοδο προσαρμογής στο νέο περιβάλλον. Οι διαρκείς και αυξανόμενοι γενετικοί μετασχηματισμοί δείχνουν ότι το σώμα συνεχίζει να αλλάζει για μεγάλες χρονικές περιόδους στο διάστημα.
Ο Andrew Feinberg, καθηγητής και ιατρικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins, και η ομάδα του επικεντρώθηκε σε μεθυλομάδες-χημικούς δείκτες που συνήθως σηματοδοτούν αλλαγές στην έκφραση γονιδίων και διαπίστωσαν ότι η ποσότητα της επιγενετικής αλλαγής ήταν παρόμοια για τους δύο αδελφούς. Παρά ορισμένες ελάσσονες διαφορές, το γονιδίωμα του Scott συμπεριφέρθηκε με τρόπο που «δεν ήταν ανησυχητικό», λέει ο Feinberg.
Μετά το τέλος της αποστολής, το 90 τοις εκατό των τροποποιημένων γονιδιακών εκφράσεων επέστρεψε στην βασική γραμμή πριν από την πτήση - ένα καλό σημάδι ότι ο οργανισμός μπορεί να αναπηδήσει πίσω μετά από μια μακρά αποστολή, λέει ο Mason. Το άλλο 10%, το οποίο περιλάμβανε πάνω από 800 γονίδια, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που σχετίζονται με την ανοσολογική απάντηση και την επισκευή του DNA, εξακολουθούσε να εκφράζεται διαφορετικά έξι μήνες μετά την επιστροφή του Scott. "Φαίνεται, σε κάποιο βαθμό, ότι αρκετά κύτταρα στο σώμα έχουν μια μνήμη για το τι συνέβη ότι υπάρχει ακόμα κάποια συνεχής προσαρμογή και επαναβαθμονόμηση στην επιστροφή στη Γη", λέει ο Mason.
Η επιρροή του Spaceflight στο μυαλό
Σε ένα δυνητικά σχετικό αποτέλεσμα, μια ομάδα που μελετά τη γνώση διαπίστωσε ότι η απόδοση του Scott σε μια σειρά γνωστικών εξετάσεων μειώθηκε στην περίοδο μετά την πτήση. Ο Mathias Basner, καθηγητής ψυχιατρικής στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια, και η ομάδα του σχεδίασαν μια εξειδικευμένη γνωστική μπαταρία δοκιμών για τη NASA - μια σειρά από 10 μηχανογραφημένα καθήκοντα για τη μέτρηση διαφορετικών πτυχών της σκέψης των αστροναυτών, συμπεριλαμβανομένης της συναισθηματικής αναγνώρισης, της ανάληψης κινδύνου και της προσοχής.
Παρόλο που τα μέτρα του Scott κατά τη διάρκεια της πτήσης ήταν σταθερά, η «γνωστική του αποδοτικότητα», ή η ταχύτητα και η ακρίβειά του στην ολοκλήρωση της δοκιμαστικής μπαταρίας, έπεσαν μόλις επέστρεφε στη Γη. Η μείωση μειώθηκε κατά τη διάρκεια των έξι μηνών μετά την επιστροφή του.
Ενώ ο Scott δεν παρουσίασε ανησυχητικές γνωστικές επιπτώσεις κατά τη διάρκεια της διαστημικής διαδρομής, φαινόταν να έχει πολύ περισσότερα προβλήματα με τις δοκιμές μετά την επιστροφή στο περιβάλλον της Γης σε σύγκριση με την περίοδο αναπροσαρμογής του μετά την προηγούμενη εξάμηνη αποστολή του από τον Οκτώβριο του 2010 Μάρτιος 2011. Τα γνωστικά αποτελέσματα θα μπορούσαν να είναι μια "κόκκινη σημαία" όταν σχεδιάζονταν κάτι σαν αποστολή στον Άρη, λέει ο Basner, κατά τη διάρκεια της οποίας οι αστροναύτες θα έπρεπε να εκτελούν σύνθετα καθήκοντα μετά την προσγείωση.
Αστροναύτης της NASA Scott Kelly (αριστερά), μηχανικός πτήσης αποστολής 43/44 και διοικητής αποστολής 45/46. και ο Ρώσος κοσμοναύτης Μιχαήλ Κορνιένκο, ο μηχανικός πτήσης 43-46 της αποστολής 43-46 πέρασε 340 αθροιστικές ημέρες στο διάστημα. (NASA / Bill Stafford) "Ο χώρος είναι ένα πολύ εχθρικό περιβάλλον", λέει ο Basner. "Θέλουμε πάντα να ασκούν οι αστροναύτες στο καλύτερό τους με την έννοια ότι, γνωρίζετε, τα μικροσκοπικά λάθη μπορούν να μεταφραστούν σε καταστροφικά λάθη - στη χειρότερη περίπτωση, στην αποτυχία της αποστολής και την απώλεια εξοπλισμού και ζωής αστροναυτών".
Αν και πιθανότατα θα υπάρξει υψηλό επίπεδο βλάβης που θα επηρεάσει τις επιχειρήσεις που οδηγούνται από εκπαιδευμένους αστροναύτες, αυτές οι γνωσιακές αλλαγές θα πρέπει να παρακολουθούνται σε μελλοντικές αποστολές, λέει ο Basner, ειδικά επειδή οι άνθρωποι έχουν μια κακή ικανότητα να αξιολογήσουν τη δική τους γνωστική κατάσταση, συνθήκες ως το "νέο φυσιολογικό" ακόμα κι αν είναι πραγματικά χειρότερο από πριν.
Το σώμα του Space Explorer
Σε όλο το υπόλοιπο σώμα του Scott, οι ερευνητές παρατήρησαν άλλες αλλαγές που αφορούν τη διαστημική πτήση. Σε μια μελέτη του μικροβίου, της κοινότητας των βακτηριδίων που ζουν στο ανθρώπινο έντερο, μια ομάδα με επικεφαλής ερευνητές από το Northwestern University διαπίστωσε ότι οι αναλογίες των διαφόρων τύπων βακτηριδίων άλλαξαν κατά τη διάρκεια του χρόνου του Scott στο διάστημα. Ωστόσο, η συνολική ποικιλία των βακτηρίων δεν μειώθηκε, γεγονός που αποτελεί καλό σημάδι ότι ο μικροβιοκτόνος παρέμεινε υγιής.
Μια ομάδα με επικεφαλής τον Brinda Rana, ερευνητής επιστημών υγείας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας του Σαν Ντιέγκο, διαπίστωσε ότι διάφορες πρωτεΐνες επίσης άλλαξαν κατά τη διάρκεια της διαστημικής πτήσης. Τα δείγματα ούρων από το χρόνο του Scott επί του ISS περιείχαν υψηλά επίπεδα κολλαγόνου, μια δομική πρωτεΐνη. Εξετάζοντας αυτό το μέτρο μαζί με τις φυσιολογικές αλλαγές - όπως αυτές που παρατηρούνται στα μάτια του Scott και στο αγγειακό σύστημα - θα μπορούσε να είναι ένα σημάδι ότι το σώμα ήταν αναδιάρθρωση, λέει η Rana. Οι ερευνητές παρατηρήθηκαν επίσης αυξημένα επίπεδα aquaporin 2, μια πρωτεΐνη που τείνει να είναι δείκτης της αφυδάτωσης.
Η συντριπτική πλειοψηφία των αλλαγών που παρατηρήθηκαν από την ομάδα της Rana και άλλων εξαφανίστηκαν όταν ο Scott άγγιξε πίσω στη γη, ωστόσο. "Το μόνο που δείχνει πόσο ανθεκτικό είναι το σώμα και πόσο προσαρμοστικό είναι το ανθρώπινο σώμα σε διαφορετικά περιβάλλοντα", λέει η Rana. "Ένα χρόνο στο διάστημα - το σώμα μπορεί να το χειριστεί."
Δεδομένου ότι το μέγεθος δείγματος της μελέτης Twins της NASA είναι σχεδόν τόσο μικρό όσο μπορεί, οι ερευνητές τόνισαν ότι δεν μπορούν να γενικεύσουν τα αποτελέσματά τους, ούτε θα μπορούσαν να αποδείξουν άμεση αιτιώδη συνάφεια μεταξύ της διαστημικής πτήσης και των παρατηρήσεών τους. Ωστόσο, η δουλειά τους, παρά το εγγενώς περιορισμένο πεδίο εφαρμογής τους, δίνει στη NASA κάποιες ενδείξεις για το πού θα μπορούσαν να δουν τις βιολογικές αλλαγές κατά τη διάρκεια της διαστημικής πτήσης - ένας "πολύτιμος χάρτης πορείας", αναφέρει η μελέτη, στους πιθανούς κινδύνους μεγαλύτερων διαδρομών στο ηλιακό μας σύστημα.
Η εργασία σε αυτή τη μελέτη ήταν σαν να ήταν ένας πρώιμος χαρτογράφος, λέει ο Feinberg. Αυτός και άλλοι ερευνητές προσπάθησαν να κατανοήσουν, με ευρεία εγκεφαλικά επεισόδια, ποιες αλλαγές συμβαίνουν στο σώμα κατά τη διάρκεια της διαστημικής πτήσης, δημιουργώντας ένα γενικό σχήμα και αφήνοντας χώρο για μελλοντική έρευνα για να συμπληρώσετε τις λεπτομέρειες.
Η NASA έχει ήδη σχέδια να συνεχίσει να συμπληρώνει αυτόν τον χάρτη του ανθρώπινου σώματος. Η Bailey και άλλοι ερευνητές θα συνεχίσουν με ένα άλλο μακροπρόθεσμο πρόγραμμα παρακολούθησης "δέκα αστροναύτες σε αποστολές ενός έτους, δέκα σε εξάμηνες αποστολές και δέκα σε ταξίδια από δύο έως τρεις μήνες κάθε φορά. Τα δεδομένα για την υγεία θα συγκριθούν με τους επιτόπου ανθρώπους που είναι απομονωμένοι για τις ίδιες χρονικές περιόδους ", σύμφωνα με ένα δελτίο τύπου του Πανεπιστημίου του Κολοράντο. Άλλοι επιστήμονες προχωρούν με αναλογικά προγράμματα στη Γη, συμπεριλαμβανομένης της Rana, η οποία μελετά τα μέτρα από άτομα που βρίσκονται σε μακρόστενο κρεβάτι που μιμείται συνθήκες μηδενικής βαρύτητας.
Αν και υπάρχει αρκετή δουλειά που πρέπει να γίνει, η NASA έχει τώρα ένα πλαίσιο για το είδος της διεπιστημονικής συνεργασίας που θα συνεχίσει πιθανώς σε μελλοντικές μελέτες, λέει ο Basner. Όσο για τον Scott Kelly, είναι έτοιμος να βρεθεί σε αυτό για το μεγάλο χρονικό διάστημα.
"Μερικές φορές τα ερωτήματα που θέτει η επιστήμη απαντώνται από άλλες ερωτήσεις και θα συνεχίσω να κάνω δοκιμές μία φορά το χρόνο για το υπόλοιπο της ζωής μου", γράφει στο βιβλίο του 2017, Endurance: My Year in Space, A Lifetime of Discovery . "Αυτό δεν με ενοχλεί ιδιαίτερα. Αξίζει να συμβάλει στην προώθηση της ανθρώπινης γνώσης ».
