NASA har store planer for fremtiden for menneskelig rumfart. Rumorganets forslag om at sende langsigtede besætningsopgaver til månen og til sidst landastronauter på Mars vil kræve betydelige fremskridt inden for raket- og rumfarthardware. Men sammen med ny teknologi kæmper forskere med et andet afgørende spørgsmål: Kan den menneskelige krop opretholde sig selv i løbet af den meget tid i rummet? En sonderende Mars-mission kan tage to eller tre år, mens de fleste pladsekspeditioner hidtil har varet i seks måneder eller mindre. Udvidede missioner ud over Jordens kredsløb kan resultere i dybe og potentielt farlige, biologiske effekter i astronauternes kroppe.
For at studere påvirkningen af mikrogravitet, stråling og indeslutning i rumfart i lang varighed valgte NASA tvillingerne Scott og Mark Kelly til en unik mission. De to identiske tvillinger har begge fungeret som NASA-testpiloter og astronauter, og Scott blev valgt til en årelang mission til Den Internationale Rumstation (ISS) og efterlader sin bror - en genetisk kopi af sig selv - nede på Jorden. Forskere brugte det jordbundne Mark som et slags kontrolemne for at sammenligne med eventuelle ændringer i Scott i løbet af sit år i rummet, som varede fra 27. marts 2015 til 1. marts 2016.
Ti forskerehold studerede forskellige aspekter af tvillingenes sundhed og biologi, fra genekspression til tarmbakterier til kognition. I dag frigav holdene nogle af deres samlede forskning i en tværfaglig undersøgelse, der offentliggøres 12. april i tidsskriftet Science.
Grafisk illustration af stien, som den enkelte tvillingestudie-forskning tager fra forskning til integration til et resumédokument til flere ledsagere. (NASA) Med mere end 80 forfattere samler undersøgelsen og analyserer en lang række data, indsamlet fra begge tvillinger i løbet af den årlige mission plus månederne umiddelbart før og efter. Resultaterne er ekspansive, men viser hovedsageligt, at Scott med nogle bemærkelsesværdige undtagelser sprang ret hurtigt ret tilbage efter 340 dage i stressende pladsforhold. Forskningen skaber "et integreret portræt af molekylære, fysiologiske og adfærdsmæssige tilpasninger og udfordringer for den menneskelige krop under udvidet rumflyvning, " skriver forfatterne.
Et spørgsmål om aldring
Et af de ti hold, ledet af Susan Bailey, professor i stråling og kræftbiologi ved Colorado State University, fokuserede på telomerer, de "hætter", der beskytter enderne af DNA-strenge. På Jorden udtømmes disse telomerer i løbet af en persons levetid, når hver runde af DNA-replikation slides væk ved dem.
Da Bailey's team analyserede telomererne i Scotts hvide blodlegemer, fandt de, at den gennemsnitlige telomerlængde i disse celler faktisk steg under missionen. ”Det var nøjagtigt det modsatte af det, vi havde forestillet os, ” siger Bailey. ”Vi foreslog, at det på grund af alle de virkelig unikke spændinger og udsættelser for ting som mikrogravitet, rumstråling og isolering ... [det] virkelig virkede som om de ville fremskynde telomertab i rummet.”
Scott Kelly ombord på den internationale rumstation i sit år i rummet. (NASA) Når Scott rørte sig tilbage på Jorden, observerede Bailey's team, at hans gennemsnitlige telomerlængde faldt til nogenlunde svarende til niveauet før flyvningen. I månederne efter flyvningen gik imidlertid et større antal telomerer tabt eller blev kritisk forkortet. Dette kan være et problem med at finde, da telomerforkortelse og -tab er forbundet med aldring og følsomhed over for aldersrelaterede sygdomme, herunder hjerte-kar-problemer og kræft.
Forskerne er endnu ikke sikre på, hvordan eller hvorfor disse telomerændringer skete. Holdet håbede at analysere aktiviteten af telomerase, et enzym, der udvider telomerer, men bliver slukket i de fleste voksne kropsceller for at se, om det på en eller anden måde blev aktiveret, mens Scott var på flugt. Det materiale, de havde brug for, var imidlertid "tabt i rummet, " siger Bailey. Blodprøverne blev sendt tilbage til Jorden på et Soyuz-rumfartøj, men telomeraseaktivitet var død ved ankomsten, muligvis som et resultat af temperaturændringer under genindtagelse gennem Jordens atmosfære.
At lære mere om mekanismen bag disse ændringer under og efter rumfart vil være vigtigt at komme videre, siger Bailey - ikke kun for astronauternes skyld, men også fordi en mere grundig forståelse af aldring ville være værdifuld for ”jordiske” sundhed.
Genekspression i rummet
Forskere studerede også Scotts genom for at se, om genekspression ændrede sig under flyvningen, som det har tendens til at gøre i stressede situationer. Et team ledet af Chris Mason, en genetiker hos Weill Cornell Medicine, studerede DNA- og RNA-modifikationer, der ville signalere epigenetisk tilpasning. De observerede nogle ændringer i, hvordan gener blev udtrykt, og disse variationer accelererede i de sidste seks måneder af missionen. Mere end seks gange så mange forskelle i genudtryk dybt op i løbet af sidstnævnte halvdel sammenlignet med begyndelsen af flyvningen.
Resultaterne var noget overraskende, siger Mason, fordi han havde forventet, at disse forskelle ville bremse eller stoppe efter en første periode med tilpasning til det nye miljø. De vedvarende og stigende genetiske transformationer viser, at kroppen fortsætter med at ændre sig i lang tid i rummet.
Andrew Feinberg, professor og medicinsk forsker ved Johns Hopkins University, og hans team fokuserede på methylgrupper - kemiske markører, der normalt signalerer ændringer i genekspression - og fandt, at mængden af epigenetisk ændring var den samme for de to brødre. På trods af nogle mindre forskelle opførte Scotts genom sig på en måde, der var "ikke foruroligende, " siger Feinberg.
Efter missionens afslutning vendte 90 procent af de modificerede genudtryk tilbage til deres baseline før flyvningen - et godt tegn på, at kroppen kan hoppe tilbage efter en lang mission, siger Mason. De andre 10 procent, der omfattede over 800 gener, inklusive dem, der var relateret til immunrespons og DNA-reparation, blev stadig udtrykt forskelligt seks måneder efter Scotts tilbagevenden. ”Det ser ud til, til en vis grad, at nok celler i kroppen har en hukommelse af, hvad der skete, at der stadig er en vis løbende tilpasning og rekalibrering til at være tilbage på Jorden, ” siger Mason.
Spaceflights indflydelse på sindet
I et potentielt angående resultat fandt et team, der studerede kognition, at Scotts præstation på en række kognitive tests faldt i perioden efter flyvningen. Mathias Basner, en psykiatriprofessor ved University of Pennsylvania, og hans team designet et specialiseret kognitivt testbatteri til NASA - en serie af 10 edb-opgaver til at måle forskellige aspekter af astronauters tankegang, herunder følelsesmæssig anerkendelse, risikotagelse og opmærksomhed.
Selvom Scotts foranstaltninger under flyvningen var stabile, faldt hans "kognitive effektivitet" eller hans hastighed og nøjagtighed i færdiggørelsen af testbatteriet, når han kom tilbage til Jorden. Faldet varede over de seks måneder efter hans tilbagevenden.
Mens Scott ikke udviste nogen alarmerende kognitive effekter i løbet af den årlige rumflyvning, syntes han at have meget mere besvær med testene efter at have vendt tilbage til Jordens miljø sammenlignet med hans justeringsperiode efter hans forrige seks-måneders mission fra oktober 2010 til Marts 2011. De kognitive resultater kunne være et ”rødt flag”, når man planlægger noget som en mission til Mars, siger Basner, hvor astronauter skulle udføre komplekse opgaver efter landing.
NASA-astronaut Scott Kelly (til venstre), ekspedition 43/44 flyingeniør og ekspedition 45/46 kommandør; og den russiske kosmonaut Mikhail Kornienko, flytekniker Expedition 43-46, tilbragte begge 340 kumulative dage i rummet. (NASA / Bill Stafford) ”Rummet er et meget fjendtligt miljø, ” siger Basner. ”Vi vil altid have, at astronauter skal yde deres bedste i den forstand, at du ved, små fejl kan oversætte til katastrofale fejl - i værste fald til missionsfejl og tab af udstyr og astronautliv.”
Selvom det sandsynligvis ville kræve et højt niveau af svækkelse at påvirke operationer, der ledes af uddannede astronauter, bør disse kognitive ændringer overvåges i fremtidige missioner, siger Basner, især da mennesker har en dårlig evne til at vurdere deres egen kognitive status, der har tendens til at acceptere deres nuværende forhold som den "nye normale", selvom de faktisk er værre end før.
Space Explorer's Body
Gennem resten af Scotts krop observerede forskere andre ændringer relateret til rumflyvning. I en undersøgelse af mikrobiomet, samfundet af bakterier, der lever i den menneskelige tarm, fandt et team ledet af forskere fra Northwestern University, at andelerne af forskellige typer bakterier ændrede sig i løbet af Scotts år i rummet. Den samlede mangfoldighed af bakterier faldt imidlertid ikke, hvilket er et godt tegn på, at mikrobiomet forblev sundt.
Et team ledet af Brinda Rana, en sundhedsvidenskabelig forsker ved University of California San Diego, fandt, at flere proteiner også ændrede sig i rumflyvningen. Urinprøver fra Scotts tid ombord på ISS indeholdt høje niveauer af kollagen, et strukturelt protein. At se på denne foranstaltning sammen med fysiologiske ændringer - som dem, der blev observeret i Scotts øjenkugler og det vaskulære system - kunne være et tegn på, at kroppen omstrukturerede siger Rana. Forskere observerede også forhøjede niveauer af aquaporin 2, et protein, der har tendens til at være en markør for dehydrering.
Langt de fleste af ændringerne observeret af Ranas team og andre forsvandt, når Scott imidlertid rørte sig tilbage på Jorden. ”Det viser bare, hvor robust kroppen er, og hvor tilpasningsdygtig den menneskelige krop er til forskellige miljøer, ” siger Rana. ”Et år i rummet - kroppen kan klare det.”
Da prøvestørrelsen af NASAs tvillingsundersøgelse er næsten så lille, som den kan være, understregede forskerne, at de ikke kan generalisere deres resultater, og de kunne heller ikke bevise en direkte årsagsforbindelse mellem rumfart og deres observationer. Alligevel giver deres arbejde, på trods af dets iboende begrænsede omfang, NASA nogle ledetråde om, hvor de kan se biologiske ændringer under rumflyvningen - en "værdifuld køreplan, " siger undersøgelsen, om de mulige risici ved længere rejser ind i vores solsystem.
At arbejde med denne undersøgelse var som at være en tidlig kartograf, siger Feinberg. Han og andre efterforskere forsøgte at forstå i brede streger, hvilke ændringer der forekommer i kroppen under rumflyvningen, skabe en generel form og efterlade plads til fremtidig forskning til at udfylde detaljerne.
NASA har allerede planer om at fortsætte med at udfylde dette kort over den menneskelige krop. Bailey og andre forskere vil fortsætte med et andet langsigtet projekt, der overvåger “ti astronauter på et-årige missioner, ti på seks måneders missioner og ti på ture fra to til tre måneder ad gangen. Sundhedsdata vil blive sammenlignet med mennesker på jorden, der er isoleret i de samme tidsperioder, ”ifølge en pressemeddelelse fra Colorado State University. Andre forskere går videre med analoge projekter på Jorden, herunder Rana, der studerer målinger fra motiver på langvarig sengeleje, der efterligner nul-tyngdekraftsbetingelser.
Selvom der er meget arbejde tilbage, der skal gøres, har NASA nu en ramme for den slags multidisciplinære samarbejde, det sandsynligvis vil fortsætte i fremtidige studier, siger Basner. Hvad angår Scott Kelly, er han parat til at være i det i lang tid.
”Nogle gange bliver de spørgsmål, som videnskaben stiller, besvaret af andre spørgsmål, og jeg vil fortsat have test, der udføres en gang om året resten af mit liv, ” skrev han i sin 2017-bog, Udholdenhed: Mit år i rummet, en levetid af opdagelse . ”Dette generer mig ikke særlig. Det er det værd at bidrage til at fremme menneskelig viden. ”
