Чи зможе людина літати на інші планети? Дослідження про вплив космосу на здоров'я

НАСА провело просто "титанічні" дослідження братів-близнюків, щоб ще краще зрозуміти, як космос впливає на людину. Один близнюк перебував на космічній станції на орбіті, другий – на Землі. За 25 місяців брати провели цілу серію паралельних розумових і фізичних перевірок. Журнал Wired Magazine докладно розповідає про цю роботу.

Чи зможе людина літати на інші планети? Дослідження про вплив космосу на здоров'я
З відкритих джерел

Wired Magazine

Інтернет-ЗМІ

НАСА провело просто "титанічні" дослідження братів-близнюків, щоб ще краще зрозуміти, як космос впливає на людину. Один близнюк перебував на космічній станції на орбіті, другий – на Землі. За 25 місяців брати провели цілу серію паралельних розумових і фізичних перевірок. Журнал Wired Magazine докладно розповідає про цю роботу.

Оригінал на сайті Wired Magazine

Як перевірити внутрішньочерепний тиск в космосі? Для початку треба взяти зразки крові, слини і сечі, потім зробити УЗД судин серця, шиї, голови і очей, приставляючи сканувальний пристрій до чорних точок, нанесених на ваше тіло перед вильотом з Землі.

Потім ви забираєте в російський прилад "Чибіс". Це такі тверді штани з гуми з рифленою поверхнею, пояс у яких герметичний. Там створюється негативний тиск, що імітує земну гравітацію, яка притягує в нижню частину тіла кров, слизові виділення, воду в клітках, а також церебральні і лімфатичні рідини з головного мозку.

В космосі рідини не йдуть з організму, і тому обличчя астронавтів червоні й опухлі. Вони скаржаться на приплив крові і шум у вухах.

Є і більш серйозні наслідки: 40% астронавтів, що жили на Міжнародній космічній станції, страждають від тих чи інших очних захворювань, зокрема, від набряку диска зорового нерва, від сплощення очного яблука і від складок в судинній оболонці ока, як називають наповнений кров'ю шар між сітківкою і білковою оболонкою.

У НАСА вважають, що внутрішньочерепний тиск є можливим поясненням так званого нейроокулярного синдрому, що виникає в космічних польотах. Там придумали тест для вимірювання кількості рідини, що припливає до голови й очей астронавта.

Новини за темою

Носити "Чибіс" досить незручно і неприємно. Один російський космонавт навіть втратив свідомість, коли у нього знизилася частота серцевих скорочень. Товариші подумали, що у нього інфаркт.

В інший раз космонавт, який регулював установки "Чибісу", занадто сильно знизив тиск, і у його напарника-астронавта виникло відчуття, що з нього "витягують кишки найбільш неприємним способом".

Але якщо все піде нормально, ви погуляєте в "Чибісі" кілька годин і зробите кілька знімків УЗД. Перевірите кров'яний тиск. Виміряєте кількість вушної рідини приладом, що вставляється в вухо, перевірите внутрішньоочний тиск за допомогою датчика.

Ви зможете просканувати очне яблуко лазером, щоб побачити хоріоїдальні складки і потовщення зорового нерва.

Експеримент з "переміщенням рідин" проводив астронавт Скотт Келлі, працюючи на МКС з 27 березня 2015 року 1 березня 2016 року. Це був найтриваліший космічний політ, здійснений американцями.

У цей же час його брат-близнюк і також астронавт Марк перевіряв свій внутрішньочерепний тиск на Землі.

За 25 місяців брати провели цілу серію паралельних розумових і фізичних перевірок. Скотту зробили люмбальну пункцію до, під і після польоту.

Загалом у братів було зібрано 317 проб калу, сечі і крові, які були проаналізовані на предмет епігеномних, метаболомічних, транскриптомних, протеомних і мікробіомних змін. Все це НАСА робила вперше, оскільки до цього космічне агентство ні разу не брало сучасні біологічні аналізи у астронавтів, тим більше у близнюків.

За цим дослідженням стоїть проста логіка. Оскільки у близнюків однаковий набір хромосом, то порівнюючи зміни у двох братів, які перебувають у космосі і на Землі, можна отримати нові уявлення про наслідки тривалого космічного польоту для здоров'я людини. Найсерйозніші зміни були в експресії генів і в ДНК.

Результати були опубліковані сьогодні в журналі Science, вони розширюють наші уявлення про те, що відбувається з організмом людини за рік перебування в космосі. Дослідження близнюків під назвою "Багатоаспектний аналіз річного польоту людини в космос" став тріумфом міждисциплінарної науки.

В одному з оглядів його назвали "титанічним дослідженням", тому що в ньому взяв участь десяток різних університетських колективів з усієї країни і 82 автори.

Провідний автор статті в Science Франсін Гарнетт-Бакельман, що працює молекулярним біологом в університеті Віргінії, сказала, що досягнуто "максимально всебічний результат на основі наявних даних".

На основоположне питання "Чи придатна людина для космосу?" автори дослідження дають неповні і вельми тривожні відповіді. Тривалі космічні польоти небезпечні, а якщо виходити з того, що нам відомо на сьогодні, подорож на Марс поки ще занадто ризикована.

У космосі побувало понад 500 осіб, і деякі зміни в їхніх організмах за місяць або за шість місяців польоту цілком зрозумілі. Рідини припливають до голови астронавта, у нього збільшується ліва сторона серця. Якщо астронавт не буде напружено тренуватися, він втратить м'язову і кісткову масу.

Але більше року в космосі пробули всього чотири людини, і фізіологічні наслідки тривалого космічного польоту невідомі.

Політ людини на Марс може тривати три роки, а дослідження близнюків сухою і лаконічною мовою підтверджує наступне: "Генетична, імунна система і метаболічні функції викликають особливу стурбованість через космічне випромінювання, обмеження у раціоні харчування… порушення добового біологічного ритму і невагомості".

Американський уряд заявив, що американці повернуться на Місяць до 2024 році. Марс буде наступним, в 2033 році, коли з'явиться "низькоенергетичне стартове вікно".

В цей час ексцентрична орбіта Червоної планети максимально наблизить її до Землі. Але якщо ми хочемо здійснювати "дослідні польоти", як їх називає НАСА, нам треба знати набагато більше.

Тому дивує те, що дослідження близнюків проводилися не у рамках програми НАСА з вивчення людини в космосі. Ідею запропонував сам Скотт Келлі. "Мене інструктували в рамках підготовки до прес-конференції, на якій повинні були оголосити склад екіпажу для польоту на МКС.

Вони хотіли, щоб Міша (космонавт Михайло Корнієнко, напарник Скотта) і я ознайомилися з науковою програмою і могли відповідати про неї. На тій зустрічі я сказав: "Хто-небудь запитає про мого брата Марка? Ви, хлопці, не збираєтеся проводити на нас генетичні дослідження?" Вони сказали, що ні.

Але пару тижнів тому у мене була ще одна зустріч з цими людьми, а вони до того часу поговорили з якимись університетськими вченими, і ті вирішили, що це досить цінна ідея".

Скотт і Марк Келлі народилися в 1954 році в Орінджі, штат Нью-Джерсі. Вони єдині астронавти-близнюки в історії НАСА, що за будь-якими мірками є визначним фактом. Ніхто з тих, хто знав їх в дитинстві, навіть уявити собі не міг, що вони стануть астронавтами.

З відкритих джерел

Хіба що дитячий психолог, що спеціалізується на братах, що шукають пригод собі на голову, міг передбачити таку перспективу. Скотт у своїй автобіографії розповідає, що в дитинстві вони з Марком часто йшли на "божевільний ризик".

"Ми купували погані човни без навігаційного обладнання і радіостанцій, і вирушали за горизонт подалі від берегів Джерсі, причому робили це в будь-яку погоду". Неминучим наслідком були переломи.

Батьки у них були поліцейськими і міцно випивали, причому батько був алкоголіком, схильним до жорстокості. Скотт пише: "я іноді думаю, що якби мій батько не був поліцейським, він би став злочинцем". Те саме легко можна подумати і про двох братів: якби їхні батьки не були поліцейськими, вони могли б стати малолітніми злочинцями і опинитися в ув'язненні.

Обидва погано вчилися в школі, але Марк встигав краще, ніж Скотт. Обом все швидко набридало. Але обидва відчували неймовірне бажання стати астронавтами. Скотт – тому що закохався в яскраву прозу Томаса Вулфа. "Я хотів стати льотчиком ВМС. Я був малоосвіченим і безпутним 18-річним юнаком з жахливими оцінками, і нічого не знав про літаки. Але "Потрібна річ" Вулфа дала мені план на все життя".

У військово-морську авіацію вони потрапили не відразу. Марк – через службу підготовки офіцерів резерву при морехідному училищі, а Скотт– через морський коледж Нью-Йоркського університету. Під час навчання з'ясувалося, що вони дуже розумні інженери. Тепер, коли у них була мета, вони отримували відмінні оцінки з математики.

У ВМС вони садили літаки на авіаносці і стали льотчиками-випробувачами. Марк брав участь у бойових вильотах у час війни в Перській затоці.

Обох відібрали у астронавти в 1996 році. За час роботи у НАСА Марк став пілотом і командиром чотирьох екіпажів космічних човників. Скотт пілотував і командував двома шатлами, а перед своїм річним польотом шість місяців провів на МКС.

Коли в 2011 році була поранена дружина Марка, член палати представників від Арізони Геббі Гіффордс, він ще раз злітав у космос і звільнився з космічного агентства. Скотт дуже великодушно каже про свого брата і про те, що він зробив заради цього дослідження.

"Йому треба віддати належне. Він не купався в променях слави, тому що не перебував у космосі. Він робив це виключно заради науки".

Але потреби дослідження і Скотту не принесли ніякої слави. А часу і сил вони забирали багато. "Бували часи, може, раз на тиждень, коли я, як мені здавалося, весь день здавав аналізи. Прокидаєшся вранці і береш зразки крові. Потім проганяєш її через центрифугу і ставиш в холодильник.

Потім перший забір сечі, другий, і так цілий день, 24 години. Це набридає, тому що космічним туалетом користуватися не можна. Це клопітно. Помочився в пакет, потім треба прибрати з нього трубки, потім поставити штрих-код, відсканувати його, після чого прибрати зразок у холодильник.

А лабораторний холодильник -штука складна. Коли відкриваєш його дверцята, її треба закрити як можна швидше, тому що всередині мінус 80 градусів і можна отримати невелике обмороження. У той же день треба брати зразки шкіри, калу".

Що стосується теми дослідження, то МКС трохи схожа на будь-яку земну лабораторію або клініку. У бесідах і у своїй книзі Скотт Келлі вміло описує, як космічний дім тисне на почуття. Всередині МКС дуже шумно: дзижчать вентилятори, гуде електроніка.

Пахне теж погано: пластиком, сміттям, людським тілом. (Сам космос теж пахне, розповідає нам Скотт. Вірніше, виявляються в космічному вакуумі предмети, що володіють унікальним запахом. "Це сильний запах горілого металу, знаєте, як бенгальські вогні на 4 липня, або як запах зварювання".)

Невагомість створює серйозні проблеми для вивчення людини в космосі, особливо астронавтові, який втомився, замерз і роздратований, бо вдихає занадто багато вуглекислого газу. Прилади для збору зразків і самі зразки не можна поставити на стіл, їх доводиться кріпити до стінок, а експерименти слід проводити у заздалегідь установленій послідовності.

Коли на МКС і на Землі були зібрані зразки, робота тільки розпочалася. Зразки Скотта довелося повертати на Землю в спускних апаратах "Союз" (Марк скористався послугами пошти). Кров близнюків відокремили від плазми і від різних клітин, включаючи ті клітини, які керують імунною системою.

Всі зразки довелося проаналізувати, і результати аналізів були передані 10 робочим групам. Не дивно, що весь цей проект зайняв більше чотирьох років.

Що вдалося дізнатися? Головний дослідник з групи експресії генів Кріс Мейсон, який викладає фізіологію і біофізику в медичному коледжі Корнельського університету, сказав, що наслідки космічного польоту для генів Скотта це "не просто бенгальський вогонь, це як феєрверк у небі".

"Щоб вам було зрозуміліше, - пояснює Мейсон. - У людському геномі близько 58 тисяч відомих генів, і тому ми бачимо, як активуються численні здібності реагування організму".

Це цілком розумно, враховуючи згубні навантаження під час зльоту, річного перебування в космосі і повернення на Землю.

І тим не менш, групи, які займалися дослідженням близнюків, прийшли в подив, побачивши, які величезні зміни відбулися в організмі Скотта, включаючи довжину теломер (кінцеві ділянки хромосом), що захищають цілісність ДНК кепи на кінцях хромосом, регулювання генів, що вимірюэться взаємодією з середовищем і управлінням генною активністю, кишкову флору, розміри сонної артерії і стан зору.

Імунна система Скотта за рік його перебування в космосі була загалом дуже неспокійна. Багато пов'язаних з імунною системою клітинних функцій були порушені, включаючи адаптивну імунну систему, вроджені імунні реакції і природні клітини-вбивці, що захищають організм від лейкемії і вірусів. Цей Результат підтверджує дані шокуючого дослідження, опубліковані в січні.

У цьому дослідженні порівняли імунні системи восьми астронавтів, які пробули в космосі більше півроку, і здорових дорослих людей на Землі. Вже через 90 днів польоту здатність боротися з клітинами лейкемії у клітин-убивць астронавтів зменшилася наполовину. Пізнавальні функції у Скотта теж ослабли.

Людський організм володіє чудовою здатністю адаптуватися, і майже всі ці зміни носили тимчасовий характер. Через шість місяців після повернення на Землю Скотт прийшов у норму. Він став таким же, як і раніше, за винятком звичайних вікових змін.

Але деякі наслідки від космічного польоту все ж залишилися – Скотт подурнішав на МКС, але повернувшись на Землю, він не став розумнішим. Швидкість і точність його інтелектуальних функцій через шість місяців після повернення залишилися без змін.

Найбільше здивування викликали теломери Скотта. Коли він був на МКС, його теломери дивним чином подовжилися. Напевно, це було викликано тим, що він багато тренувався і мало їв. Але через дві доби після повернення астронавта на Землю теломери в нього швидко скоротились через навантаження при приземленні.

Велика частина теломер Скотта з часом повернулася в норму, але через шість місяців після приземлення у нього було значно менше теломер, а кількість дуже коротких теломер збільшилася. Це було тривожне відкриття. Втрата теломер може призвести до розвитку ракових захворювань і інших хвороб літнього віку.

Автори дослідження близнюків проводять відмінності між низьким рівнем ризиків, середнім рівнем, невідомими ризиками і дуже ризикованими наслідками річного космічного польоту.

Втрата теломер у Скотта була невідомим ризиком. Прикладом "динамічної асоціації з потенційно низьким ризиком" були зміни у кишковій флорі Скотта. Автори дослідження підтвердили кілька добре відомих змін з зони високого ризику, включаючи нейроокулярний синдром, пов'язаний з космічним польотом.

Проте були знайдені і деякі нові ризиковані зміни, і щоб відправляти людину в тривалий космічний політ, їм треба буде знайти пояснення.

Протягом шести місяців 91,3% генів Скотта з зміни у час польоту повернулися в нормальний стан. Але цілком певна група генів залишилася зміненою. Мова йде про 811 генів різних типів клітин, причому майже всі вони відносяться до імунної функції і до відновлення ДНК.

Це погана новина для майбутніх космічних мандрівників, так як саме ці гени повинні захищати астронавтів від космічного випромінювання.

Магнітні поля і атмосфера Землі значною мірою захищають нас від іонізуючого випромінювання, яке існує у космосі. Типовий землянин кожен рік отримує біля трьох мілізівертів. За тиждень польоту космічного човника астронавт може отримати 5,59 мілізіверта.

Екіпаж "Аоллона-14" отримав 11,4 мілізіверта. Скотт Келлі за рік перебування в космосі набрав 146,34 мілізіверта. Закриваючи очі і засинаючи в своєму тісному космічному ліжку, він бачив "внутрішнім зором космічні спалаху", що є результатом впливу радіації на сітківку.

Напевно, результатом впливу космічної радіації стала також нестабільність і перебудова геному, зафіксована в час дослідження.

Пошкодження ДНК може сприяти порушенням у експресії генів. Це викликає особливу тривогу, так як в останні шість місяців перебування Скотта космосі кількість диференційно експресованих генів була у нього в шість разів більша.

Ні Кріс Мейсон, ні інші вчені не знають, зникла б ця розрегульована експресія генів, зупинила б свій ріст або продовжила збільшуватися, якби Скотт залишився на борту МКС ще на півроку або довше.

"Нам такий розвиток подій ні до чого, — говорить Мейсон. — Ми бачимо, як групи генів активуються в відповідь на пошкодження ДНК, і організм пристосовується, але такої реакції може виявитися недостатньо для подолання радіаційного ураження".

Це важливо, тому що заряджена енергія космічного випромінювання вбиває клітини і виводить їх із ладу, або порушує зв'язки ДНК і знищує пари підстав. Мертві або слабо функціонуючі клітини викликають інфаркт або зниження когнітивних здібностей.

Якщо клітини не в змозі ліквідувати пошкодження ДНК, мутації накопичуються, і це викликає рак і спадкові хвороби.

МКС знаходиться над Землею на висоті 400 кілометрів, тобто нижче захисної парасольки радіаційного поясу Ван Аллена. Під час польоту на Марс астронавт може отримати 1 200 мілізівертів.

"В цілому ризик захворіти на рак у астронавта невеликий, але майже всі вони літають близько до Землі, — говорить Мейсон. - Хоча це нам поки що точно невідомо, я б сказав, що радіація це велика проблема".

У проведеному НАСА дослідженні близнюків були свої очевидні обмеження. По-перше, це була одна-єдина перевірка на одному-єдиному випробуваному за певним набором параметрів, в силу чого неможливо відокремити закономірність від випадковості.

Новини за темою

Один інженер-біохімік з Массачусетського технологічного інституту сказав про це ще більш зневажливо: "Да це просто шоу. Щоб реально все проконтролювати, треба було порівняти близнюків НАСА з іншими близнюками, причому одного з них випливало поселити в спокійному американському передмісті, а другого — в галасливій і страшній іракській в'язниці терміном на рік".

Директор програми НАСА з вивчення людини Білл Палоскі, який став автором ідеї провести дослідження близнюків, розуміє аргументи критиків. "Ми б хотіли продовжити експеримент з нашими екіпажами. Але на мене справила сильне враження здатність людини адаптуватися. Ми не знайшли проблем, здатних зупинити всі дослідження", — сказав він.

Палоскі вважає, що це дослідження слід вважати генератором гіпотез. Кріс Мейсон, який першим запропонував у 2010 році слідкувати за геномами і епигеномами астронавтів до, під і після космічного польоту, з радістю ним погоджується. Його група підготувала сім робіт, які зараз знаходяться на рецензуванні.

Серед них статті про соматичні мутації і про динаміку окремої клітини. Інші групи готують п'ять або шість робіт.

У Мейсона грандіозні устремління. Він запропонував "500-річний план" колонізації космосу. Найрадикальніша його ідея полягає в тому, щоб додавати, видаляти або модифікувати гени для створення постійних і успадкованих змін у нових видів людини розумної, яка мандрує в космосі.

"Дослідження близнюків стало найбільш універсальною молекулярною картою людського організму, зробленою в космічному польоті. Це перша важлива сходинка на сходах довжиною в 500 років, і вона являє собою біомедичну дорожню карту реакцій і ризиків тривалого космічного польоту, яка допоможе астронавтам вижити під час польоту на Марс і благополучно жити на Червоній планеті".

Марк Келлі одного разу сказав: "Політ на Марс це не космічна наука. Це наука політична". Безумовно, він правий. Рішення про польоти НАСА на Марс буде політичним, воно буде мати політичні витрати і вигоди, і його затвердять тільки в тому випадку, якщо воно отримає широку політичну підтримку.

Для порівняння, побудувати досить продуманий і надійний космічний корабель, вибрати для нього оптимальну траєкторію і підібрати екіпаж досить просто. Але для польоту на Марс треба буде вирішити цілий ряд запаморочливих медико-біологічних проблем.

Сьогодні ми просто не знаємо, що може зробити з людським організмом тривала радіація, з якою зіткнуться астронавти за межами земної магнітосфери.

Не знаємо і того, яке втручання дозволить запобігти або вилікувати можливі хвороби. Далі команда НАСА з вивчення людини має намір працювати з тими самими науковцями, які проводили дослідження близнюків, щоб накопичити більше даних про астронавтів в час майбутніх експериментів.

Скотт Келлі пішов з НАСА і одружився на своїй давній знайомій. Марк балотується в сенат.

Відповідаючи на питання про те, чи відчуває він себе інакше, Скотт каже: "Не можу сказати, що є якісь відчуття як прямо з польоту. У мене є зміни в зорі. Радіація вплинула на мою ДНК.

Я цього не відчуваю, але знаю, що це є. Мене це не дуже турбує. Звичайно, років через 20 я буду відчувати, в цьому немає сумнівів".

Джейсон Понтін

Переклад ІноЗМІ

Редакція може не погоджуватися з думкою автора. Якщо ви хочете написати в рубрику "Думка", ознайомтеся з правилами публікацій і пишіть на [email protected]

відео по темі

Новини за темою

Новини за темою

Новини партнерів

Loading...

Віджет партнерів

d="M296.296,512H200.36V256h-64v-88.225l64-0.029l-0.104-51.976C200.256,43.794,219.773,0,304.556,0h70.588v88.242h-44.115 c-33.016,0-34.604,12.328-34.604,35.342l-0.131,44.162h79.346l-9.354,88.225L296.36,256L296.296,512z"/>