NASA: lla on suuret suunnitelmat ihmisten avaruuslentojen tulevaisuudesta. Avaruusagentuurin ehdotukset pitkän aikavälin miehitettyjen virkamatkojen lähettämisestä kuuhun ja lopulta maapallon astronautit Marsiin vaativat merkittäviä parannuksia raketti- ja avaruuslentolaitteissa. Mutta uuden tekniikan ohella tutkijat kamppailevat toisen tärkeän kysymyksen kanssa: Voiko ihmiskeho ylläpitää itseään niin paljon aikaa avaruudessa? Tutkittava Mars-operaatio voi viedä kaksi tai kolme vuotta, kun taas suurin osa tähän mennessä suoritetuista avaruusmatkoista on kestänyt enintään kuusi kuukautta. Laajennetut tehtävät maan kiertoradan ulkopuolella voivat johtaa perusteellisiin ja mahdollisesti vaarallisiin biologisiin vaikutuksiin astronauttien ruumiissa.
NASA valitsi kaksoset Scott ja Mark Kelly ainutlaatuiseen tehtävään tutkiakseen mikrogravitaation, säteilyn ja rajoittumisen vaikutuksia pitkäkestoisissa avaruuslennoissa. Kaksi identtistä kaksoset ovat toimineet sekä NASA: n koelentäjinä että astronauteina, ja Scott valittiin vuoden mittaiseen operaatioon kansainväliseen avaruusasemaan (ISS) jättäen veljensä - geneettisen kopion itsestään - maan päälle. Tutkijat käyttivät maanalaista merkkiä eräänlaisena ohjausobjektina verratakseen Scottissa tapahtuneisiin muutoksiin hänen avaruusvuonna, joka kesti 27. maaliskuuta 2015 - 1. maaliskuuta 2016.
Kymmenen tutkijaryhmää tutkivat kaksosien terveyden ja biologian eri näkökohtia geenien ilmentymisestä suoliston bakteereihin kognitioon. Ryhmät julkaisivat tänään osan kootusta tutkimuksestaan poikkitieteellisessä tutkimuksessa, joka julkaistaan 12. huhtikuuta Science- lehdessä .
Graafinen esitys polusta, jonka yksittäiset kaksosetutkimuksen tutkimukset kulkevat tutkimuksesta integraatioon yhteen yhteenvetopaperiin useisiin seurapapereihin. (NASA) Yli 80 kirjailijaa käsittelevä tutkimus yhdistää ja analysoi laajan valikoiman tietoja, jotka on kerätty molemmilta kaksosilta vuoden mittaisen virkamatkan aikana sekä välittömästi edeltävät ja sen jälkeiset kuukaudet. Tulokset ovat laajoja, mutta lähinnä osoittavat, että Scottin vartalo palasi melko nopeasti takaisin 340 päivän kuluttua stressaavista avaruusolosuhteista joitain merkittäviä poikkeuksia lukuun ottamatta. Tutkimus luo ”integroidun muotokuvan ihmisen kehon molekyylisistä, fysiologisista ja käyttäytymismuutoksista ja haasteista laajennetun avaruuslennon aikana”, kirjoittajat kirjoittavat.
Kysymys ikääntymisestä
Yksi kymmenestä ryhmästä, jota johtaa Colorado State Universityn säteily- ja syöpäbiologian professori Susan Bailey, keskittyi telomeereihin, "korkkeihin", jotka suojaavat DNA-juosteiden päitä. Maapallolla nämä telomeerit ehtyvät ihmisen elinaikana, kun jokainen DNA-replikaation kierros kuluu heille.
Kun Baileyn joukkue analysoi Scottin valkosolujen telomeerejä, he huomasivat, että näiden solujen keskimääräinen telomeeripituus todella kasvoi operaation aikana. "Se oli täysin päinvastainen kuin olimme kuvitelleet", Bailey sanoo. "Ehdotimme, että tosiasiassa kaikkien todella ainutlaatuisten rasitusten ja altistumisen takia, kuten mikropaino, avaruus säteily ja eristys ... [näytti] todella siltä, että ne kiihdyttäisivät telomeerin häviämistä avaruudessa."
Scott Kelly kansainvälisellä avaruusasemalla avaruusvuonna. (NASA) Kun Scott kosketti takaisin maan päälle, Baileyn joukkue havaitsi, että hänen keskimääräinen telomeerin pituutensa pieneni suunnilleen vastaamaan lentoa edeltävää tasoa. Kuitenkin lentoa seuraavina kuukausina suurempi määrä telomeerejä katosi tai lyheni kriittisesti. Tämä voi olla huolestuttava havainto, koska telomeerin lyheneminen ja häviäminen liittyy ikääntymiseen ja alttiuteen ikään liittyviin sairauksiin, mukaan lukien sydän- ja verisuonitaudit ja syöpä.
Tutkijat eivät ole vielä varmoja siitä, kuinka tai miksi nämä telomeerimuutokset tapahtuivat. Ryhmä toivoi analysoivan telomeraasin aktiivisuutta, entsyymiä, joka pidentää telomeerejä, mutta kytkeytyy pois päältä useimmissa aikuisten kehon soluissa nähdäkseen, aktivoitiinko se jotenkin Scottin lennon aikana. Tarvittava materiaali kuitenkin kadotettiin avaruuteen, Bailey sanoo. Verinäytteet lähetettiin takaisin maahan Soyuz-avaruusaluksella, mutta telomeraasiaktiivisuus oli kuollut saapuessaan, mahdollisesti lämpötilan muutosten seurauksena palautuessaan Maan ilmakehän läpi.
Oppimalla lisätietoja näiden muutosten takana olevasta mekanismista avaruuslennon aikana ja sen jälkeen on tärkeää edetä eteenpäin, Bailey sanoo - ei pelkästään astronautien vuoksi, vaan myös siksi, että perusteellisempi ikääntymisen ymmärtäminen olisi arvokasta "maanlaskijoiden" terveydelle.
Geeniekspressio avaruudessa
Tutkijat tutkivat myös Scottin perimää selvittääkseen, muuttuivatko geenien ilmentyminen lennon aikana, kuten sillä on taipumus tehdä stressitilanteissa. Weill Cornell Medicine -genetologin Chris Masonin johtama ryhmä tutki DNA: n ja RNA: n muunnoksia, jotka osoittaisivat epigeneettistä sopeutumista. He havaitsivat joitain muutoksia geenien ilmentymisessä, ja nämä variaatiot kiihtyivät operaation viimeisen kuuden kuukauden aikana. Jälkipuoliskolla yli kuusi kertaa niin paljon eroja geeniekspressioissa verrattuna lennon alkuun.
Tulokset olivat jonkin verran yllättäviä, Mason sanoo, koska hän odotti näiden erojen hidastuvan tai pysähtyvän alkuperäisen sopeutumisen jälkeen uuteen ympäristöön. Jatkuvat ja kasvavat geneettiset muutokset osoittavat, että kehon muutokset jatkuvat avaruudessa pitkien ajanjaksojen ajan.
Johns Hopkinsin yliopiston professori ja lääketieteellinen tutkija Andrew Feinberg ja hänen tiiminsä keskittyivät metyyliryhmiin - kemiallisiin markkereihin, jotka yleensä osoittavat muutoksia geeniekspressiossa - ja havaitsivat, että epigeneettisen muutoksen määrä oli samanlainen molemmille veljille. Pienistä eroista huolimatta Scottin genomi käyttäytyi tavalla, joka ei ollut ”huolestuttava”, Feinberg sanoo.
Operaation päättymisen jälkeen 90 prosenttia modifioiduista geeniekspressioista palasi lentoa edeltäneelle lähtötasolleen - hyvä merkki siitä, että ruumis voi palautua takaisin pitkän operaation jälkeen, Mason sanoo. Muut 10 prosenttia, jotka sisälsivät yli 800 geeniä, mukaan lukien immuunivasteeseen ja DNA: n parantamiseen liittyvät geenit, ilmennettiin edelleen eri tavalla kuusi kuukautta Scottin paluun jälkeen. "Vaikuttaa siltä, että tietyssä määrin kehon soluilla on muisto tapahtuneesta, että siellä on vielä jonkin verran mukautumista ja uudelleenkalibrointia palaamiseksi maan päälle", Mason sanoo.
Avaruuslennon vaikutus mieliin
Yhdessä mahdollisesti koskettavassa tuloksessa kognitioita tutkittava joukkue havaitsi, että Scottin suorituskyky kognitiivisten testien sarjassa heikkeni lennon jälkeisenä aikana. Pennsylvanian yliopiston psykiatrian professori Mathias Basner ja hänen tiiminsä suunnittelivat NASA: lle erikoistuneen kognitiivisen testiakun - sarjan 10 tietokoneistettua tehtävää, joilla mitataan astronautien ajattelun eri näkökohtia, mukaan lukien tunne tunnistaminen, riskinotto ja huomio.
Vaikka Scottin lennon aikana mitat olivat vakaat, hänen ”kognitiivinen tehokkuus” tai nopeus ja tarkkuus testiakun täyttämisessä putosi, kun hän palasi takaisin Maahan. Lasku viipyi kuuden kuukauden aikana paluustaan.
Vaikka Scott ei osoittanut hälyttäviä kognitiivisia vaikutuksia koko vuoden avaruuslennon aikana, hänellä näytti olevan paljon enemmän vaikeuksia kokeissa palattuaan maan ympäristöön verrattuna hänen sopeutumisaikaansa hänen edellisen kuuden kuukauden virkamatkansa jälkeen lokakuusta 2010 - Maaliskuu 2011. Kognitiiviset tulokset voivat olla ”punainen lippu” suunniteltaessa jotain Marsiin tehtävää, Basner sanoo, että astronautien olisi suoritettava monimutkaisia tehtäviä laskeutumisen jälkeen.
NASAn astronautti Scott Kelly (vas.), Expedition 43/44 -insinööri ja Expedition 45/46 -komentaja; sekä venäläinen kosmonautti Mihail Kornienko, Expedition 43-46-lentoinsinööri, viettivät molemmat 340 kumulatiivista päivää avaruudessa. (NASA / Bill Stafford) "Avaruus on erittäin vihamielinen ympäristö", Basner sanoo. "Haluamme aina, että astronautit suorittavat parhaimmillaan siinä mielessä, että pienet virheet voivat johtaa katastrofaalisiin virheisiin - pahimmassa tapauksessa operaation epäonnistumiseen ja laitteiden ja astronautien ihmishenkien menetykseen."
Vaikka koulutettujen astronautien johtamiin operaatioihin todennäköisesti tarvitaan korkea heikentymisaste, näitä kognitiivisia muutoksia olisi seurattava tulevissa tehtävissä, Basner sanoo, etenkin koska ihmisillä on heikko kyky arvioida omaa kognitiivista tilaaan ja taipumus hyväksyä nykyinen "uudena normaalina" olosuhteet, vaikka ne olisivatkin aiempaa pahempia.
Avaruusmatkailijan vartalo
Koko muun Scottin kehon alueella tutkijat havaitsivat muita avaruuslentoihin liittyviä muutoksia. Tutkimuksessa, joka koski mikrobiomia, bakteereja, jotka elävät suolistossa, Northwestern Universityn tutkijoiden johtama ryhmä havaitsi, että erityyppisten bakteerien osuudet muuttuivat Scottin vuoden aikana avaruudessa. Bakteerien yleinen monimuotoisuus ei kuitenkaan vähentynyt, mikä on hyvä merkki siitä, että mikrobiomi pysyi terveenä.
Kalifornian San Diegon yliopiston terveystieteiden tutkijan Brinda Ranan johtama ryhmä havaitsi, että myös useat proteiinit muuttuivat avaruuslennon aikana. Scott-ajan ISS-aluksella olleet virtsanäytteet sisälsivät korkeita määriä kollageenia, rakenneproteiinia. Tämän toimenpiteen tarkasteleminen yhdessä fysiologisten muutosten kanssa - kuten Scottin silmämunassa ja verisuonissa havaitut - voisi olla merkki kehon rakenneuudistuksesta, Rana sanoo. Tutkijat havaitsivat myös kohonnut akvaporiinin 2 taso, proteiini, jolla on taipumus olla kuivumisen merkki.
Suurin osa Rana-ryhmän ja muiden havaitsemista muutoksista katosi, kun Scott kosketti kuitenkin takaisin maan päälle. "Se vain eräänlainen osoittaa, kuinka elin joustava on ja kuinka mukava ihmisen kehon toiminta on erilaisissa ympäristöissä", Rana sanoo. "Vuotta avaruudessa - vartalo pystyy käsittelemään sitä."
Koska NASA: n kaksosetutkimuksen otoskoko on juuri niin pieni kuin mahdollista, tutkijat korostivat, etteivät he pysty yleistämään tuloksiaan, eivätkä he pystyneet todistamaan suoraa syy-yhteyttä avaruuslennon ja havaintojen välillä. Silti heidän työnsä, luontaisesti rajoitetusta soveltamisalasta huolimatta, antaa NASA: lle joitain vihjeitä siitä, missä he saattavat nähdä biologisia muutoksia avaruuslennon aikana - "arvokkaan etenemissuunnitelman", tutkimuksessa sanotaan, että pidempien matkojen mahdolliset riskit aurinkokuntamme.
Tämän tutkimuksen parissa työskenteleminen oli kuin varhainen kartografi, Feinberg sanoo. Hän ja muut tutkijat yrittivät ymmärtää laajoilla tahdilla kehossa tapahtuvia muutoksia avaruuslennon aikana, luomalla yleisen muodon ja jättäen tilaa tulevaisuuden tutkimukselle yksityiskohtien täyttämiseksi.
NASA: lla on jo suunnitelmia jatkaa tämän ihmisen kehon kartan täyttämistä. Bailey ja muut tutkijat jatkavat toista pitkäaikaista hanketta seuraten ”kymmentä astronauttia yhden vuoden virkamatkoissa, kymmentä kuuden kuukauden virkamatkoissa ja kymmenen matkoilla kahdesta kolmeen kuukautta kerrallaan. Terveystietoja verrataan kentällä oleviin ihmisiin, jotka ovat eristyneinä saman ajanjakson ajan ”, sanotaan Colorado State Universityn lehdistötiedotteessa. Toiset tutkijat ovat siirtymässä eteenpäin analogisten hankkeiden kanssa maapallolla, mukaan lukien Rana, joka tutkii kohteita, jotka ovat pitkäaikaisella vuodeistuimella ja jäljittelevät nollapainoisia olosuhteita.
Vaikka tehtävää on vielä paljon, NASA: lla on nyt puitteet sellaiselle monitieteiselle yhteistyölle, jota se todennäköisesti jatkaa tulevissa tutkimuksissa, Basner sanoo. Scott Kelly on valmis olemaan siinä pitkällä matkalla.
”Joskus vastaamme tieteen esittämiin kysymyksiin muilla kysymyksillä, ja teen testit kerran vuodessa koko elämäni”, hän kirjoitti vuoden 2017 kirjassaan Endurance: My Year in Space, A Lifetime of Discovery . ”Tämä ei häiritse minua. Se on sen arvoista myötävaikuttaa ihmisten tietämyksen edistämiseen. ”
