NASA má velké plány do budoucnosti lidského kosmického letu. Návrhy kosmické agentury vyslat na Měsíc dlouhodobé mise s posádkou a nakonec pozemní astronauty na Marsu budou vyžadovat významný pokrok v hardwaru rakety a kosmického letu. Ale spolu s novými technologiemi se vědci potýkají s další zásadní otázkou: Může lidské tělo udržet sebe během tolik času ve vesmíru? Průzkumná mise na Mars mohla trvat dva nebo tři roky, zatímco většina vesmírných expedic dosud trvala šest měsíců nebo méně. Rozšířené mise mimo orbitu Země by mohly mít za následek hluboké a potenciálně nebezpečné biologické účinky v tělech astronautů.
Pro studium vlivu mikrogravitace, záření a uvěznění v dlouhodobém kosmickém letu vybrala NASA dvojčata Scott a Mark Kelly pro jedinečnou misi. Obě stejná dvojčata sloužila jako zkušební piloti NASA a astronauti, a Scott byl vybrán pro celoroční misi do Mezinárodní vesmírné stanice (ISS) a zanechal svého bratra - jeho genetickou kopii - dolů na Zemi. Vědci použili značku Earthbound jako druh kontroly k porovnání s případnými změnami ve společnosti Scott během jeho roku ve vesmíru, který trval od 27. března 2015 do 1. března 2016.
Deset týmů vědců studovalo různé aspekty zdraví a biologie dvojčat, od genové exprese po střevní bakterie po poznání. Dnes týmy vydaly část svého kompilovaného výzkumu v mezioborové studii, která bude zveřejněna 12. dubna v časopise Science.
Grafické znázornění cesty, kterou jednotlivé výzkumy dvojčat studují, od výzkumu k integraci k jednomu souhrnnému článku k několika doprovodným papírům. (NASA) Studie s více než 80 autory spojuje a analyzuje širokou škálu údajů shromážděných od obou dvojčat v průběhu celoroční mise plus měsíce bezprostředně před a po. Výsledky jsou rozsáhlé, ale hlavně ukazují, že až na některé významné výjimky se Scottovo tělo po 340 dnech ve stresujících prostorových podmínkách rychle odrazilo. Výzkum vytváří „integrovaný portrét molekulárních, fyziologických a behaviorálních adaptací a výzev pro lidské tělo během prodlouženého kosmického letu, “ píšou autoři.
Otázka stárnutí
Jeden z deseti týmů vedený Susan Baileyovou, profesorkou radiační a rakovinové biologie na Colorado State University, se zaměřil na telomery, „čepice“, které chrání konce řetězců DNA. Na Zemi se tyto telomery vyčerpávají v průběhu života člověka, když se na ně každé kolo replikace DNA opotřebovává.
Když Baileyův tým analyzoval telomery ve Scottových bílých krvinek, zjistili, že průměrná délka telomer v těchto buňkách se během mise skutečně zvýšila. "Byl to přesně opak toho, co jsme si představovali, " říká Bailey. "Navrhli jsme, že ve skutečnosti, kvůli všem skutečně jedinečným stresům a expozici věcem, jako je mikrogravitace, kosmické záření a izolace ... [to] se zdálo, jako by urychlily ztrátu telomer v prostoru."
Scott Kelly na palubě Mezinárodní vesmírné stanice během jeho roku ve vesmíru. (NASA) Jakmile se Scott dotkl zpět na Zemi, Baileyho tým pozoroval, že jeho průměrná délka telomery se snížila na zhruba odpovídající předletové úrovně. V měsících následujících po letu však došlo ke ztrátě nebo kritickému zkrácení většího počtu telomer. To by mohlo být znepokojivé zjištění, protože zkrácení a ztráta telomery je spojeno se stárnutím a náchylností k onemocněním souvisejícím s věkem, včetně kardiovaskulárních problémů a rakoviny.
Vědci si zatím nejsou jisti, jak nebo proč k těmto změnám telomery došlo. Tým doufal, že bude analyzovat aktivitu telomerázy, enzymu, který rozšiřuje telomery, ale ve většině dospělých tělních buněk se vypne, aby zjistil, zda byla nějakým způsobem aktivována, když byl Scott v letu. Materiál, který potřebovali, byl však „ztracen ve vesmíru“, říká Bailey. Vzorky krve byly odeslány zpět na Zemi na kosmické lodi Sojuz, ale aktivita telomerázy byla při příjezdu mrtvá, pravděpodobně v důsledku teplotních změn během reentry zemskou atmosférou.
Dozvědět se více o mechanismu za těmito změnami během a po letu bude důležitý postup vpřed, říká Bailey - nejen pro astronauty, ale také proto, že důkladnější pochopení stárnutí by bylo užitečné pro zdraví „pozemšťanů“.
Exprese genů ve vesmíru
Vědci také studovali Scottův genom, aby zjistili, zda se během letu změnila genová exprese, jak tomu bývá ve stresových situacích. Tým vedený Chrisem Masonem, genetikem Weill Cornell Medicine, studoval modifikace DNA a RNA, které by signalizovaly epigenetickou adaptaci. Pozorovali některé změny v tom, jak byly geny exprimovány, a tyto variace se v posledních šesti měsících mise zrychlily. Více než šestkrát tolik rozdílů v expresi genů se objevilo ve druhé polovině ve srovnání se začátkem letu.
Tato zjištění byla poněkud překvapivá, říká Mason, protože očekával, že tyto rozdíly se po počátečním období přizpůsobení novému prostředí zpomalí nebo zastaví. Trvalé a rostoucí genetické transformace ukazují, že se tělo po dlouhou dobu v prostoru mění.
Andrew Feinberg, profesor a lékařský výzkumník na Johns Hopkins University, a jeho tým se zaměřili na methylové skupiny - chemické markery, které obvykle signalizují změny v genové expresi - a zjistil, že množství epigenetických změn bylo pro oba bratry podobné. Přes drobné rozdíly se Scottův genom choval způsobem, který „nebyl znepokojující“, říká Feinberg.
Po skončení mise se 90 procent modifikovaných genových výrazů vrátilo na výchozí úroveň před letem - což je dobré znamení, že se tělo může po dlouhé misi odrazit, říká Mason. Dalších 10 procent, které obsahovaly více než 800 genů, včetně genů souvisejících s imunitní odpovědí a opravou DNA, bylo ještě šest měsíců po návratu Scotta exprimováno jinak. "Zdá se, že do určité míry má dostatek buněk v těle vzpomínku na to, co se stalo, že stále existuje nějaká probíhající adaptace a rekalibrace zpět na Zemi, " říká Mason.
Vliv kosmického letu na mysl
V jednom potenciálně týkajícím se výsledku tým studující kognitivní funkce zjistil, že Scottův výkon v řadě kognitivních testů v období po letu poklesl. Mathias Basner, profesor psychiatrie na University of Pennsylvania, a jeho tým navrhli speciální kognitivní testovací baterii pro NASA - sérii 10 počítačových úloh pro měření různých aspektů myšlení astronautů, včetně emocionálního rozpoznávání, riskování a pozornosti.
Přestože Scottova opatření za letu byla stabilní, jeho „kognitivní účinnost“ nebo jeho rychlost a přesnost při dokončení testovací baterie klesla, jakmile se vrátil na Zemi. Pokles přetrvával šest měsíců po jeho návratu.
Zatímco Scott nevykazoval v průběhu celoročního kosmického letu žádné znepokojivé kognitivní účinky, zdá se, že měl po zkouškách po návratu do zemského prostředí mnohem větší potíže ve srovnání s obdobím opětovného nastavení po předchozí šestiměsíční misi od října 2010 do Kognitivní výsledky by mohly být „červenou vlajkou“ při plánování něčeho, jako je mise na Mars, říká Basner, během níž by astronauti museli po přistání vykonávat složité úkoly.
Astronaut NASA Scott Kelly (vlevo), letecký technik expedice 43/44 a velitel expedice 45/46; a ruský kosmonaut Michail Kornienko, letový technik expedice 43-46, oba strávili ve vesmíru 340 kumulativních dní. (NASA / Bill Stafford) "Vesmír je velmi nepřátelské prostředí, " říká Basner. "Vždycky chceme, aby kosmonauti vystupovali co nejlépe v tom smyslu, že malé chyby se mohou promítnout do katastrofických chyb - v nejhorším případě k selhání mise a ztrátě vybavení a životů astronautů."
Ačkoli by to pravděpodobně vyžadovalo vysokou úroveň poškození ovlivňující operace vedené vyškolenými astronauty, tyto kognitivní změny by měly být sledovány v budoucích misích, říká Basner, zejména proto, že lidé mají špatnou schopnost posoudit svůj vlastní kognitivní stav a mají tendenci akceptovat svůj současný stav podmínky jako „nová normální“, i když jsou ve skutečnosti horší než dříve.
Tělo Průzkumníka vesmíru
V celém zbytku Scottova těla vědci pozorovali další změny související s vesmírným letem. Ve studii mikrobiomů, společenství bakterií žijících v lidském střevu, tým vedený vědci z Northwestern University zjistil, že se podíly různých typů bakterií během Scottova roku ve vesmíru změnily. Celková rozmanitost bakterií se však nesnížila, což je dobrým znamením, že mikrobiom zůstal zdravý.
Tým vedený Brindou Ranou, vědečkou z oblasti zdravotních věd na University of California v San Diegu, zjistil, že během kosmického letu se také změnilo několik proteinů. Vzorky moči od Scottova času na palubě ISS obsahovaly vysoké hladiny kolagenu, strukturního proteinu. Když se podíváme na toto opatření spolu s fyziologickými změnami - jako jsou ty pozorované ve Scottových očních bulkách a cévním systému -, mohlo by to být známkou restrukturalizace těla, říká Rana. Vědci také pozorovali zvýšenou hladinu aquaporinu 2, proteinu, který má sklon být markerem dehydratace.
Drtivá většina změn pozorovaných Ranovým týmem a ostatními zmizela, jakmile se však Scott dotkl zpět na Zemi. "Je to jen ukázka toho, jak je tělo odolné a jak přizpůsobivé je lidské tělo různým prostředím, " říká Rana. "Rok ve vesmíru - tělo to zvládne."
Vzhledem k tomu, že velikost vzorku studie NASA Twins Study je přibližně tak malá, jak je to možné, vědci zdůraznili, že nemohou zobecnit své výsledky, ani nemohli prokázat přímou příčinnou souvislost mezi vesmírným letem a jejich pozorováním. Jejich práce, navzdory svému přirozeně omezenému rozsahu, dává NASA určitá vodítka o tom, kde by během kosmického letu mohli vidět biologické změny - „cenný plán“, říká studie, k možným rizikům delších cest do naší sluneční soustavy.
Práce na této studii byla jako raná kartografka, říká Feinberg. Spolu s dalšími vyšetřovateli se pokusil pochopit, co se v těle během vesmírného letu děje, vytvořit obecný tvar a ponechat prostor pro budoucí výzkum, aby vyplnil podrobnosti.
NASA již plánuje tuto mapu lidského těla vyplňovat. Bailey a další vědci budou pokračovat v dalším dlouhodobém projektu, který bude sledovat „deset astronautů na jednoroční mise, deset na šestiměsíční mise a deset na cestách od dvou do tří měsíců najednou. Zdravotní údaje budou porovnány s lidmi v terénu, kteří jsou izolováni na stejná období, “uvádí tisková zpráva Colorado State University. Jiní vědci postupují vpřed s analogovými projekty na Zemi, včetně Rany, která studuje opatření od subjektů dlouhodobého lůžka, které napodobují podmínky nulové gravitace.
Přestože zbývá ještě mnoho práce, NASA má nyní rámec pro druh multidisciplinární spolupráce, kterou bude pravděpodobně pokračovat v budoucích studiích, říká Basner. Pokud jde o Scotta Kellyho, je připraven být v něm na dlouhou trať.
"Někdy jsou otázky, na které se věda ptá, zodpovězeny dalšími otázkami, a já budu mít testy prováděné jednou za rok po zbytek mého života, " napsal ve své knize 2017, Endurance: My Year in Space, A Lifetime of Discovery . "To mě zvlášť neobtěžuje." Stojí za to přispět k rozvoji lidských znalostí. “
