Эксперимент близнецов

«Эксперимент близнецов» (Twin study) объединял десять групп из 12 университетов и исследовательских лабораторий NASA, которые создали молекулярный, физиологический и когнитивный профили астронавтов. Скотт Келли 340 дней (в 2015—2016 годах) провел на МКС, а Марк в это время оставался на Земле.

Так как их геномы одинаковы, то, сравнив состояние здоровья одного и другого после возвращения Скотта на Землю, можно было понять, какое именно влияние на его здоровье оказали именно внешние факторы. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.

Ученых, в частности, интересовало, как долговременное пребывание на околоземной орбите повлияло на работу сердечно-сосудистой системы, ухудшалось ли зрение Скотта, как у него менялся обмен веществ и отражалось ли это на весе астронавта. Важно также было понять, изменились ли его когнитивные способности.

Наблюдения, кроме того, велись за тем, как в космосе менялась экспрессия генов, появлялись ли эпигенетические изменения в ДНК Скотта Келли и как его пребывание на околоземной орбите влияло на динамику теломер — маркеров старения организма. Авторы статьи смотрели, как в космосе протекали биохимические процессы, как менялся состав кишечного микробиома, и как на нестандартные условия реагировала иммунная система.

Во время исследования Скотту и Марку Келли было по 50 лет. За предшествующие 12 лет Скотт, по сравнению с Марком, провел в космосе втрое больше времени, 180 дней против 54. Оба астронавта последние четыре года перед экспериментом не были на околоземной орбите. Исследователи брали у обоих близнецов образцы крови, мочи и фекалий за шесть месяцев до начала полета, во время пребывания на МКС (эти образцы либо хранились на станции до завершения миссии, либо Келли отправлял их на Землю на очередном транспортном корабле), и в течение девяти месяцев после окончания полета.

Низкий уровень риска

Ученые разделили изменения, происходившие в организме Скотта Келли во время полета, на три группы: с потенциально низкой, средней (или неустановленной) и высокой степенью риска. Они могут иметь разные последствия во время продолжительного космического полета и сказываться в течение разного времени после приземления.

Процессы, отразившиеся на показателях, которые в космосе менялись, но после приземления быстро вернулись к предполетному уровню, ученые отнесли к группе низкого риска. Это, в частности, снижение массы тела, изменение состава кишечного микробиома и работы Т-лимфоцитов.

На околоземной орбите также изменился уровень экспрессии более 90 процентов генов в некоторых иммунных клетках Келли, но через полгода после возвращения астронавта на Землю этот показатель вернулся к предполетным значениям. Кстати, прививка от гриппа в космосе «сработала» так же, как и на Земле.

Во время пребывания на орбите у Скотта, по сравнению с предполетным периодом, примерно на 14,5 процента выросла средняя длина теломер. Эти участки на концах хромосом обеспечивают удвоение ДНК при делении клеток. Их сокращение с возрастом является одним из факторов старения организма.

Во время космических полетов удлинение теломер наблюдалось и ранее, у других астронавтов. Почему это происходит, пока неизвестно, как неизвестно и то, к каким последствиям этот эффект приведет в долгосрочной перспективе. Тем не менее, на сегодняшний день удлинение теломер в космосе связывают с повышенной физической активностью, более здоровой диетой и снижением веса астронавтов. Поэтому временное удлинение теломер на околоземной орбите ученые также отнесли к факторам низкого риска.

Угрозы среднего уровня

С другой стороны, в течение двух суток после приземления длина теломер в организме Келли вернулась к прежнему уровню. Что хуже, некоторые из них стали существенно короче, чем до полета. К тому же ученые предполагают, что часть теломер уменьшилась до критического уровня или исчезла вообще: после полета исследователи зафиксировали гораздо меньшее их количество.

Сокращение длины теломер связывают с более быстрым старением организма и с возникновением возрастных заболеваний, в том числе раковых и сердечно-сосудистых. Поэтому исследователи отнесли слишком быстрое укорачивание теломер к факторам среднего или пока неизвестного риска.

К этой категории ученые отнесли и усиленное вымывание из организма астронавта коллагена — основного белка соединительной ткани. Однако после приземления оно прекратилось. Возможно, это связано с тем, что в условиях микрогравитации нагрузка на кости, сухожилия и сосуды меняется и это приводит к повышению содержания коллагена в моче.

Высокая опасность

Зрение.

К группе потенциально опасных изменений ученые отнесли ухудшение работы сердечно-сосудистой системы, нестабильность генома и изменение экспрессии некоторых генов, и некоторые нарушения органов зрения, которые не исчезли и после возвращения Келли на Землю.

Примерно у 40 процентов астронавтов во время космических полетов ухудшается зрение. В частности, возникает отек зрительного нерва и появляются хориоидальные складки, которые образуются на сосудистой оболочке глаза, или хориоидее, и могут привести к повреждению сетчатки и появлению слепых пятен.

Ученые связывают развитие нейроглазного синдрома, вызванного космическими полетами (Spaceflight-associated neuro-ocular syndrome, SANS), с увеличением давления цереброспинальной жидкости в головном мозге. В условиях невесомости отток жидкости из мозга уменьшается, а внутричерепное давление увеличивается и может вызвать отек зрительного нерва и кровеносных сосудов, а также привести к изменению формы глазных яблок.

Кровеносная система.

Невесомостью и, как следствие, недостаточным оттоком жидкости из верхней части тела ученые объясняют и изменения в физиологии кровеносных сосудов. В частности, у астронавтов, проводивших на орбите 4−6 месяцев утолщались стенки сонной и бедренной артерий и увеличивалась их жесткость.

По мнению исследователей, таким образом организм адаптируется к условиям на околоземной орбите, а сами изменения связаны с повышенной резистентностью к инсулину, окислительным стрессом и воспалением. Таким образом происходила адаптация и у Скотта Келли, у него тоже увеличилась толщина стенок сонной артерии. При этом после полугода пребывания на орбите она стабилизировалась. Насколько это явление обратимо и может ли оно повлиять на развитие заболеваний сердечно-сосудистой системы и цереброваскулярных болезней, пока неизвестно.

Геном.

Во время длительных космических полетов под действием радиации, поверждающей ДНК, у некоторых астронавтов наблюдаются структурные изменения генома. В частности, это транслокации и инверсии хромосом, которые могут свидетельствовать о том, что длительные космические полеты неблагоприятны для здоровья.

У Скотта Келли во время полета частота хромосомных транслокаций и инверсий тоже выросла и не вернулась к норме после окончания миссии. Кроме того, в последние полгода полета уровень экспрессии некоторых генов у астронавта вырос почти в шесть раз по сравнению с первой половиной экспедиции. Через полгода после возвращения на Землю экспрессия 811 генов к предполетному уровню так и не вернулась. В основном речь идет о генах, связанных с иммунитетом и репарацией ДНК.

Когнитивные функции.

И наконец, к факторам с высоким риском исследователи относят возможное снижение когнитивных функций, которое может проявиться после полетов продолжительностью один год и более. Они могут начаться уже после приземления (или, если говорить о полете на Марс, «примарсения») и повлиять на безопасную работу экспедиции.

Что дальше

Конечно, у исследования были ограничения. Во-первых, далеко не всегда образцы доставлялись с МКС на Землю в идеальных условиях. Они выдерживали неподходящий температурный режим и вибрации, и поэтому некоторые компоненты образцов были непригодны для исследований. В частности, авторам не удалось обнаружить активность фермента теломеразы, удлиняющей теломеры.

C другой стороны, целостность ДНК в образцах сохранилась и, в том числе, сохранились теломеры на концах хромосом. Во-вторых, и авторы неоднократно это подчеркивают, проводилось изучение только двух человек. И хотя некоторые результаты подтверждаются исследованиями на других астронавтах и космонавтах, делать далеко идущие выводы на такой небольшой выборке нельзя, можно лишь строить гипотезы. А чтобы их подтвердить, потребуются дополнительные исследования с участием бoльшего числа астронавтов (или космонавтов) во время полетов продолжительностью год и более.

По понятным причинам исследователи не смогли (да и не пытались) смоделировать некоторые внешние факторы, потенциально угрожающие членам экспедиции на Марс, в частности высокую дозу ионизирующего облучения. Если на Земле средняя годовая эффективная доза облучения человека составляет примерно 2,4 миллизиверта, то на МКС она возрастает в сотни раз и составляет 44−105 миллизиверт. Во время полета на Марс эта цифра, по оценкам, вырастет еще примерно в пять раз и составит около 500 миллизиверт.

Как все начиналось

Исследование братьев Келли официальные лица из NASA называют «беспрецедентным», «важным первым шагом в использовании новых исследовательских подходов» и «новой эрой в биокосмических исследованиях». Однако его проводили, конечно, не на пустом месте — за годы пилотируемой космонавтики был накоплен богатый опыт подобных экспериментов.

Все началось 70 лет назад в СССР и США. В 1949 году по инициативе Сергея Королева Научно-исследовательский институт авиационной медицины приступил к первым биологическим и медицинским исследованиям, а в 1951 году была запущена первая научно-исследовательская программа «Физиолого-гигиеническое обоснование возможностей полета в особых условиях», в рамках которой ученые определяли, какие неблагоприятные факторы могут возникнуть во время полета, прогнозировали их влияние на организм и разрабатывали требования к системам жизнеобеспечения и герметическим кабинам, а также проводили лабораторные и стендовые исследования на животных.

В 1957—1961 годах СССР запустил в космос несколько космических кораблей с животными на борту, с которых во время полета снимали физиологические показатели. Полет в космос Юрия Гагарина положил начало медицинским исследованиям уже в космосе. Уже во время полетов первых космонавтов на Земле отслеживали их физиологические показатели, проводили вестибулярные и психологические тесты.

В США первая программа по исследованию человека в космосе, Project Mercury, стартовала на несколько лет позднее, в 1958 году. За шесть лет ее существования NASA провело 20 непилотируемых космических полетов (в некоторых участвовали животные) и запустило в космос шестерых астронавтов. А биомедицинские космические исследования в стране стали проводиться в конце 1940-х годов. Кстати, термин «космическая медицина» ввел в оборот бывший нацистский врач, а позднее американский медик немецкого происхождения Хуберт Штругхольд.

Сегодня крупнейший проект по изучению здоровья людей на околоземной орбите, Human Research Program, ведет NASA. Именно в рамках этой программы состоялся «эксперимент близнецов», а сейчас проводится еще одно масштабное исследование, One-Year Mission, в котором участвовали Скотт Келли и российский космонавт Михаил Корниенко. Эти проекты являются подготовкой к полету на Марс, который, как полагают ученые, продлится три года. Длительность «эксперимента близнецов» — 340 дней — примерно соответствует расчетной длительности полета от Земли до Красной планеты, которая составляет 300 земных дней.

Екатерина Русакова.

Читайте также: 10 космических технологий, которые спасают людей на Земле.