Знаковото изследване на близнаците на НАСА разкрива ефектите на космическите пътувания върху човешкото тяло

Една година на космическата станция има неоспоримо въздействие върху човешкото тяло, но много от системите на тялото се възстановяват след завръщането си на Земята.





Човешките тела не са се развили, за да се носят в микрогравитация или да процъфтяват под нивата на радиация в космоса. Когато астронавтът на НАСА Скот Кели прекара близо година на Международната космическа станция, в мисия, стартираща през 2015 г., тялото му беше подложено на невероятен стрес: течностите подуха горната част на тялото и главата му, гените му се активираха по различни начини и имунната му система скочи в overdrive в сравнение с този на неговия еднояйчен близнак, Марк Кели. Марк също е летял в космоса, но той е останал на земята по време на тази дълготрайна мисия. С течение на времето Скот изпитва намалена телесна маса, нестабилност в генома си, подуване на големите кръвоносни съдове, промени във формата на очите, промени в метаболизма, възпаление и промени в микробиома му - както и странно удължаване на неговия теломери , защитните структури в краищата на хромозомите. (След като се приземиха, те отново се скъсиха.)

Десет екипа, работещи върху изследването на близнаците на НАСА - обхващащи 12 университета и 84 изследователи - последваха дуото преди, по време и след полета, проследявайки биологията на близнаците, за да видят как се променят братята в хода на изследването. Въпреки че обхватът на изследването беше много ограничен, учените, които планират да изпратят астронавти на дълги пътувания до Луната, Марс и извън него, ще намерят тези данни за дълготрайни космически полети за безценни.

Свързани: По числата: Мисията за година в космоса на астронавта Скот Кели



Скот Кели провежда батерия от познавателни тестове на Международната космическа станция.

Скот Кели провежда батерия от познавателни тестове на Международната космическа станция.(Кредит на изображението: НАСА)

„В началото на кариерата си на астронавт аз и брат ми се чудехме за това - хей, чудя се дали някога ще направят експеримент с нас двамата, генетично почти идентични“, каза Скот Кели пред guesswhozoo.com.



Но години наред нямаше интерес след избора на близнаците за астронавти през 1996 г., тъй като размерът на извадката щеше да бъде толкова малък-докато Скот не я представи отново през 2013 г. преди рекордната си мисия на космическата станция, която сподели с руския космонавт Михаил Корниенко. „Що се отнася до факта, че ще прекарам една година в космоса, това беше толкова уникално, че всъщност си помислих, че може би има някаква заслуга в това ... [и] се оказа, че имаше някакъв интерес, след като хората започнаха да говорят за това . '

Тази дискусия се превърна в огромно проучване за близнаци, чиято обобщена статия се публикува изцяло за първи път след съобщения за предварителни резултати през 2017 г. и 2018 г. . Тази нова колекция от информация, събрана с интензивни, щателни тестове на орбита и на Земята - включително за няколко месеца след кацането на Скот - проследява пълните траектории на близнаците за първи път.

„Това наистина е може би най-задълбоченото изследване, със сигурност на биохимично ниво, което някога е било правено при хора в космоса“, казва Майк Снайдер, председателят на генетиката в Станфордския университет и съавтор на публикацията на изследването за близнаците. , каза по време на пресконференция във вторник (10 април). „Така че ние буквално правим хиляди измервания на ниво, което не е правено досега. И като такива, ние можем да видим обща система, която също не е направена. “



Интегрираният доклад от всички изследователи на Twins Study беше пуснато днес (11 април) в списание Science.

В гените

Настъпиха някои от най -интересните промени, в които гените на близнака на космическия близнак бяха експресирани. За да бъде ясно, това не са промени в самата ДНК - това са промени, при които гените се активират, за да произвеждат протеини, в отговор на средата на субекта. Изследователите не сравняват директно гените на Скот с тези на Марк, а по -скоро документират размера на промените в генната експресия на Скот през цялото му пътуване и ги сравняват с това колко промени в изражението е преживял Марк, докато е останал на земята.

„Веднага след като [Скот] влезе в космоса, настъпи мащабна промяна в над 1000 гена, които всъщност се променят динамично ... така че очевидно тялото и клетките се адаптираха“, казва Кристофър Мейсън, генетик в Медицинския център на Weill Cornell в Ню Йорк и съавтор на изследването, каза по време на телеконференцията.

'Видяхме обогатяване - видовете гени, които се активираха, включват неща, които регулират реакцията на увреждане на ДНК, активират възстановяването на ДНК [и] поддържат дължините на теломерите', добави той, 'и най -вече най -обогатеният набор от гени [бяха ] почти всички, участващи в регулирането на имунната система, което ни посочи, че имунната система е почти нащрек като начин да се опитаме да разберем тази нова среда. '

Мейсън добави, че още повече гени започнаха да променят нивата на активност - до шест пъти повече - през втората половина на космическата мисия в сравнение с първата.

Вглеждайки се внимателно в епигенетика или промени във физическата структура на ДНК, за да се промени генната експресия, и на двата близнака (отново, не на самите букви на ДНК), изследователите са видели подобно ниво на промяна във всеки. Всъщност Марк показва малко по -високи нива, казват изследователите. (Неговият по -хаотичен живот на Земята - с пътувания, промяна на средата и смяна на храна и напитки - би могъл да играе роля, добавиха те.)

Но отделните гени, изразени повече или по -малко, за Скот, бяха в съответствие с промените, които той претърпя: „неща, свързани с дължината на теломерите, с възпаление, с имунен отговор и с активността на костите“, Андрю Файнберг, директор на Центъра за епигенетика към университета Джон Хопкинс и съавтор на изследването, каза по време на телеконференцията.

Изследователите също така измерват любопитно нещо: Много от защитните капачки на хромозомите на Скот, наречени теломери, се удължават по време на полета му, измерено в кръв, изпратена обратно на Земята за анализ - въпреки че теломерите на клетките му се връщат на приблизително същата средна дължина, с някои малко по -къси, след като се върна на земята.

„Теломерите [са] краищата на нашите хромозоми, които се скъсяват с напредването на възрастта“, каза по време на телеконференцията Сюзън Бейли, изследовател от Държавния университет в Колорадо и съавтор на новата работа. „И те могат да служат като биомаркер за ускорено стареене или някои от свързаните с тях рискове за здравето, като сърдечно -съдови заболявания или рак. И така, със сигурност сме си представяли, че влизайки в изследването, че уникалните видове стрес и екстремни експозиции на околната среда като космическа радиация и микрогравитация, всички тези неща, ще действат за ускоряване на загубата на теломери.

За да разбере необичайното им удължаване и бързото съкращаване отново в рамките на два дни след кацането на Земята, Бейли каза, че очаква работата на другите изследователи, включително работата по експресията на гени и други физиологични промени, за потенциални причини. Но тя предупреди: „Не мисля, че [удължението] наистина може да се разглежда като извора на младостта и че хората биха могли да очакват да живеят по -дълго, защото са в космоса.“ Всъщност цялостното леко скъсяване на теломерите средно след кацането на Скот е по-скоро дългосрочна последица от космическите полети, тъй като по-късите теломери могат да бъдат рискови фактори за заболявания, свързани със стареенето.

Бейли и други изследователи също наблюдават увреждане на ДНК, включително хромозомни пренареждания, наречени инверсии, както и повишен отговор на възстановяване на ДНК. Въпреки че Международната космическа станция не е обсипана с толкова радиация, колкото дълбокия космос - тя все още е в защитните радиационни пояси на Ван Алън на Земята, които отклоняват енергийните частици - тя получава повишено количество в сравнение със земята. Увреждането на ДНК от излагане на радиация вероятно ще се увеличи за астронавтите, излезли извън ниската орбита на Земята; астронавтите, пътуващи до Марс, ще изпитат около 8 пъти радиацията, както Скот.

Свързани: Международната космическа станция: отвътре и отвън (инфографика)

Скот и Марк Кели на пресконференция през 2015 г. преди Скот

Скот и Марк Кели на пресконференция през 2015 г. преди почти годишния престой на Скот на Международната космическа станция. Изследователите внимателно проследиха двамата близнаци по време на мисията и след това, за да наблюдават как тялото и способностите на Скот се променят поради космически полети.(Изображение: НАСА/Робърт Марковиц)

Отскача обратно

Изследователите отбелязват, че много ефекти, които Скот изпитва, включително 91,3% от промените в нивото на неговата генна активност, се връщат към нормалното в рамките на шест месеца след завръщането си на Земята. Имунният му отговор (към грипна ваксина) остава нормален през целия полет, въпреки повишения стрес върху тази система; пространствената му ориентация и моторната точност, изхвърлени от килтъра от престоя му в космоса, се нормализираха, както и телесната му маса.

Съотношението на микробите в червата на Скот, наречено микробиом, се променя по време на полет, но се връща към нормалното след завръщането си и неговото разнообразие остава постоянно. (Да, за да проследи това, той трябваше да изпраща редовни фекални проби от космическата станция.)

Според Скот той се чувствал обратно на 100 процента след около осем месеца у дома, което било по -дълго, отколкото при предишните му космически полети.

„Бих казал, субективно за мен, времето в космоса се проследява много добре със симптомите след завръщането, като съм летял с продължителни полети през цялата си кариера: седем дни; 13; 159 и 340 “, каза Скот пред guesswhozoo.com. „Всъщност бях някак изненадан, че почувствах - бях в космоса повече от два пъти по -дълго [като миналия път] - почувствах се повече от два пъти по -зле, когато се върнах.”

Като цяло обаче най -голямото му препятствие след полет може да е било психологическо, Скот каза: „Преживяхте това значимо събитие, в което живеете в много контролирана среда за много дълго време и след това вече нямате това . За да се приспособя отново - не само физически, но и като цяло да се приспособя към живота на Земята - ми отне около осем месеца. “

Отиваме по -нататък

Разбира се, потенциалните космически пътешественици също ще трябва да се борят с по-дълготрайни ефекти, които изследователите установиха-продължителни увреждания на ДНК, дължащи се на радиационната експозиция, за една. Промените, дължащи се на дългосрочни промени в течностите, поради микрогравитация, също доведоха до удебеляване на каротидните артерии, които доставят кръв към мозъка, което може да бъде маркер за сърдечни заболявания. Същата смяна на течността предизвика промени във формата на очите и други проблеми, които навредиха на зрението на Скот. Изследователите също така проследяват гени, които все още показват разлики в активирането, като например някои, свързани с възстановяването на ДНК.

Скот също е показал намаляване на когнитивната скорост и точност шест месеца след завръщането си на Земята, според вестника. И може да има повишен риск от сърдечни заболявания и някои видове рак в клетките, които завършват с съкратени теломери.

Много от тези промени ще бъдат по -значими за дори по -дълги полети или такива, които пътуват извън ниската орбита на Земята. Така че изследователите се надяват да направят повече целогодишни проучвания върху повече индивиди, както на ниска орбита на Земята, около луната и някой ден по -далеч, за да продължите да проследявате тези промени. Изследователите подчертават, че технологията се е променила след мисията на Скот; сега един астронавт е секвенирал ДНК в космоса и излезе нова техника за анализ на епигенетиката по време на полет, казват изследователите. Всички тези инструменти биха могли да подобрят бъдещите изследвания.

- Искам да кажа, аз съм генетик. Иска ми се всеки един човек да има близнак, който винаги да прави нещо различно и винаги да ги проследяваме, но не мисля, че ще получим одобрение от IRB, за да копираме всички “, пошегува се Мейсън за идеалното си изследване.

„Изследването на близнаците представлява значителна първа стъпка в използването на нови изследователски подходи, за да се разберат по -добре предизвикателствата пред членовете на екипажа, изпълняващи междупланетни мисии“, казва Бил Палоски, директор на Програмата за изследване на човека на НАСА, в изявление, предоставено на Science. 'Резултатите са в съответствие с предишни данни и наблюдения от дълготрайни мисии на борда на руски космически кораби.'

„Ние в Програмата за човешки изследвания на НАСА планираме да продължим тази линия на разследване през следващите години, включително на борда на космическата станция по време на Интегрирания едногодишен мисионен проект, в момента в процес на разработка ,' той добави.

От гледна точка на Скот като астронавт, резултатите от проучването са обещаващи, каза той пред guesswhozoo.com. „Изводът е, че от всички тези проучвания - и, разбира се, това е експеримент с една точка от данни ... би било, че няма нищо, което видяхме, което да ни попречи да отидем на Марс“, каза той.

„Разбира се, има някои неща, които те ще продължат да разглеждат - генна експресия, теломери, други проблеми, които астронавтите имат със зрението си“, добави той, „но няма изложби, които да изскочат на никого“.

Скот каза, че въз основа на своя опит смята, че времевите мащаби, необходими за пътуване до Марс, биха били изпълними за астронавтите. Но за полети с още по-голяма продължителност може да са необходими някои нови технологии, каза той.

„Мисля, че когато ще обмислим да прекараме много години в космоса, вероятно ще трябва да обмислим някакъв вид изкуствена гравитация, за да смекчим някои от негативните последици от живота в тази среда за продължителен период“, каза Скот. „В противен случай ще имате хора, които ще стигнат до спътниците на Юпитер или Сатурн и няма да могат да функционират добре или да се върнат на Земята, след като са били в космоса в продължение на 10 години и да бъдат пълни кошници.

„Но не мисля, че скоро ще трябва да се тревожим за това“, добави той.

Изпратете имейл на Сара Левин на slewin@guesswhozoo.com или я последвайте @SarahExplains . Последвай ни в Twitter @Spacedotcom и нататък Facebook .