NASA отчиталось об эксперименте с астронавтами-близнецами

В 2015 году NASA отправило в космос астронавта Скотта Келли аж на 340 дней — рекордное по сей день время для американской космонавтики. Рекордсменом Келли стал благодаря тому, что у него, помимо всех прочих достоинств, есть брат-близнец — Марк Келли. Когда «космический» брат вернулся к «земному», ученые сравнили их по самым разным признакам. Среди неожиданных находок — изменения в работе генов, снижение когнитивных функций и быстротечная клеточная молодость «космического» близнеца.

В 2030-х годах NASA планирует отправить первых астронавтов на Марс. Такой полет может занять около трех лет с учетом дороги туда-обратно и экспериментов на поверхности планеты. При этом мы до сих пор с трудом представляем, что именно происходит с организмом человека за время его пребывания в космосе. Большинство предыдущих исследований, которые проводились на космонавтах, ограничивалось лишь шестью месяцами за пределами Земли. Теперь NASA получило данные об изменениях физиологии астронавта, который провел на МКС 340 дней — почти целый год. «Контролем» стал его брат-близнец, остававшийся в это время на Земле.

«Космическое» влияние на организм Келли изучали целых 10 исследовательских групп. Свои результаты они представили в одной общей статье в Science.

На начало исследования Марку и Скотту было 50 лет. Они оба астронавты, но с разным стажем полетов: Скотт провел в космосе 180 дней за последние 12 лет и четыре года не был там перед последней экспедицией. Марк провел там лишь 54 дня и также в течение последних четырех лет не покидал Землю. За год эксперимента исследователи (на Земле) и Скотт (на орбите) собрали суммарно 317 образцов крови, кала и мочи обоих братьев. Последнему пришлось труднее: как рассказала пресс-службе Университета Калифорнии Бринда Рана, один из авторов исследования, «собрать нужное количество биологических жидкостей на борту МКС было непросто. В космосе объем крови падает, и астронавты постоянно обезвожены». Несмотря на это, биоматериала оказалось достаточно, чтобы оценить состояние клеток, работу генов и микробный состав в организмах братьев. Кроме того, до и после эксперимента, а также через полгода после возвращения Скотта на Землю близнецов осматривали врачи. Вот краткий перечень различий в их состоянии.

Масса тела. За время работы на МКС Скотт Келли потерял около 7% своей массы тела, в то время как его «земной близнец», напротив, набрал лишние 4%. Это совпадает с данными предыдущих исследований: космонавты часто теряют массу тела как из-за потери жидкости, так и за счет уменьшения мышечной массы.

Сердце и сосуды. Как это часто бывает, артериальное давление Скотта Келли в космосе было слегка снижено. В то же время в ответ на изменение давления и нагрузки стенки его сосудов стали толще. Особенно это заметно в сонной артерии. На Земле утолщение стенок сосудов связано с повышенным давлением (так как они становятся менее эластичными) и риском сердечно-сосудистых заболеваний, таких как инфаркт и инсульт.  Кроме того, такие изменения напоминают картину, характерную для атеросклероза. И у Скотта действительно в крови был повышен уровень белков, транспортирующих холестерин. Несмотря на то что после возвращения на Землю все эти показатели вернулись на место, исследователи называют изменения в стенках сосудов одной из главных проблем, которая встанет перед людьми, отправляющимися в трехгодичный полет на Марс.

Зрение. По возвращении на Землю у многих космонавтов возникают проблемы со зрением. Возможно, дело в том, что в отсутствие гравитации изменяется давление крови в тонких глазных сосудах. В ответ на перепады давления сосудистая оболочка глаза образует складки, а зрительный нерв становится толще. Этот феномен, что интересно, характерен только мужчин, но не для женщин-космонавтов, и у Скотта его тоже обнаружили. Глаза Марка, как и следовало ожидать, за этот год никак не изменились.

Нервная система. Как на Земле, так и в течение полета братья проходили простые компьютерные тесты. Несмотря на то, что до полета и в его начале близнецы почти не различались ни по скорости, ни по аккуратности выполнения заданий, после возвращения на Землю Скотт стал справляться с ними хуже. Его результаты по скорости, точности и общей эффективности были ниже, чем у Марка, как минимум в течение первых шести месяцев после приземления. Это может стать еще одной проблемой для первых людей на Марсе.

Иммунитет. Скотт подвергся более сильному стрессу, чем его брат, поэтому и концентрация стрессовых (провоспалительных) маркеров в его крови была выше. Тем не менее общая активность иммунной системы оказалась примерно одинаковой. Чтобы это проверить, оба близнеца — один на МКС, другой на Земле — получили сезонную прививку от гриппа. Количество Т-лимфоцитов, научившихся распознавать новый патоген после вакцинации, у братьев не отличалось.

Микрофлора. Несмотря на то что кишечным микробам в последнее время приписывают множество важных функций в организме человека, существенных различий между микроскопическими сожителями близнецов найти не удалось. Во время полета у Скотта изменилось соотношение между количеством представителей групп Firmicutes и Bacteroidetes, к которым относится большинство обитателей нашего кишечника, но эти изменения не сильнее, чем у испытывающего стресс человека на Земле. И вскоре после окончания эксперимента равновесие в кишечнике восстановилось.

Клетки и гены. В предыдущих работах ученые обнаруживали повышенную частоту мутаций ДНК у космонавтов. И Скотт не оказался исключением. В основном это были крупные перестроения в хромосомах: обмен участками, двунитевые разрывы. Вероятно, мутагеном в данном случае стала космическая радиация.

Кроме того, в ходе эксперимента исследователи нашли 9317 генов, активность которых различалась у Марка и Скотта. Они предположили, что это может быть связано с эпигенетическими изменениями — метилированием ДНК, «закрывающим» гены для прочтения. Однако несмотря на то, что у братьев были метилированы разные области генома, общее количество этих различий был невелико — не больше 5% областей.

Интересно также, что большая часть расхождений в активности генов (8564) проявилась лишь во второй половине эксперимента, с 6-го по 12-й месяц пребывания Скотта на МКС. Это говорит о том, что в организме продолжают происходить изменения в течение всего времени в космосе и краткосрочные исследования выявить их неспособны.

После возвращения на Землю 90% этих изменений исчезли. Однако около 800 генов продолжали работать с другой силой (по сравнению с генами Марка) даже после полугода пребывания на Земле.

В частности, это гены, связанные с иммунитетом (вероятно, из-за испытанного стресса) и репарацией (починкой) ДНК. Возможно, это и есть генетические следы пребывания в космосе, которые остаются в организме человека надолго.

Клеточная молодость. Одним из распространенных маркеров клеточного возраста являются теломеры — концевые участки хромосом. В ходе жизни клетки они постепенно укорачиваются, и клетка стареет. На скорость утраты теломер могут влиять и другие факторы, например воспаление или другие виды стресса. Исследователи с удивлением обнаружили, что во время работы на МКС Скотт Келли неожиданно помолодел по сравнению со своим земным братом. Его теломеры стали длиннее на 14,5%. Тем не менее, когда он вернулся на Землю, буквально за первые 48 часов они укоротились обратно — возможно, из-за стресса, связанного с посадкой. И теперь длина теломер Скотта даже меньше, чем была до начала его экспедиции на МКС. Впрочем, едва ли здесь можно говорить об «омолаживающем действии космоса». Во-первых, мы так до конца и не знаем, что вызвало удлинение концов хромосом. Во-вторых, другие параметры организма Скотта (потеря веса, проблемы со зрением, утолщение стенок сосудов) не свидетельствуют об улучшении его состояния здоровья. Поэтому колебание длины теломер пока остается лишь любопытным феноменом.

Таким образом, космос влияет на физиологию человека на разных уровнях, хотя и не изменяет ее целиком — например, иммунитет работает примерно так же, как и на Земле. Большинство особенностей космического режима работы организма быстро исчезают по возвращении домой: гены начинают работать так же, как и прежде, зрение восстанавливается, теломеры укорачиваются, а давление растет. Тем не менее ученых настораживают долгосрочные последствия жизни в космосе. Коль скоро многие гены изменили свою работу только через шесть месяцев на орбите, кто знает, что произойдет через год или два? Кроме того, некоторые изменения в физиологии, например снижение когнитивных функций или утолщение стенки сосудов, могут привести к серьезным осложнениям. И пока мы не можем предсказать, будут ли они обратимы после нескольких лет жизни в невесомости.

Впрочем, многочисленные авторы статьи не делают из своего исследования далеко идущих выводов. Выборка из двух человек не позволяет аккуратно сравнивать их физиологические характеристики, поэтому работа носит скорее наблюдательный характер. Целью ее было составить многосторонний портрет человека в космосе и выявить отдельные изменения его здоровья, которые могут представлять опасность для участников более долгих экспедиций. Это скорее пилотный проект, который демонстрирует, насколько эффективно можно собирать и хранить биоматериал в условиях МКС и как много информации из него можно потом получить на Земле. Перед отправкой первых людей на Марс NASA предстоит, конечно же, провести куда более масштабные и тщательно контролируемые эксперименты.