Космонавты и астронавты, возможно, самые изученные люди в мире. Они находятся под постоянным надзором врачей и ученых, которые пытаются разобраться в том, как меняется тело в космическом полете. На них поставлены тысячи экспериментов, хотя часто даже специалисты не могут сказать, какие результаты вызваны воздействием факторов космического пространства, а какие — индивидуальными особенностями организма. Этот вопрос стал особенно актуален в связи с новыми планами отправить экспедицию на Марс, которые озвучили США, Китай, Евросоюз и Россия.
Разумеется, костная и мышечная ткани деградируют у всех: без постоянных занятий на тренажерах потеря массы костей таза в космосе может достигать 1−2% в месяц. Микрогравитация вызывает и перераспределение жидкости в организме, рост внутричерепного давления и нередко приводит к нарушениям зрения из-за деформации глазных яблок. Эти эффекты известны давно, но если вести речь о деталях, то не всегда удается понять, с чем мы столкнулись — с обычным унаследованным свойством организма или с результатом полета в космос.
Для этого можно использовать близнецовый метод. Геномы однояйцевых близнецов идентичны и позволяют увидеть чистые эффекты воздействия среды. Тут ученым «помогло несчастье»: после того как жена астронавта Марка Келли пострадала в теракте, он оставил карьеру, посвятив себя семье и общественной деятельности. Однако в NASA остался его близнец: братья все делали вместе и для подготовки были отобраны еще в 1996 году, успев совершить по несколько полетов. Прежде параллельно на Земле и в космосе исследовали разве что «близнецов» мух и мышей.
Слева на фото:
- Имя: Скотт Джозеф Келли
- Место и дата рождения: 21.02.1964, США
- Профессия: летчик ВМФ, астронавт NASA. В отставке с 2016 года
- Звание: капитан
- Семейное положение: женат, двое детей
- Общая продолжительность космических полетов: 520 дней
- 27.05.2015 — 1.03.2016: на борту МКС, в составе 45-й и 46-й долговременных экспедиций
Справа на фото:
- Имя: Марк Эдвард Келли
- Место и дата рождения: 21.02.1964, США
- Профессия: летчик ВМФ, астронавт NASA. В отставке с 2011 года
- Звание: капитан
- Семейное положение: женат, двое детей
- Общая продолжительность космических полетов: 54 дня
- 27.05.2015 — 1.03.2016: на Земле
Нельзя было упустить редкий шанс, и в 2015 году Скотт Келли отправился на МКС, где провел год в компании космонавта Геннадия Падалки. Его брат оставался на Земле, выступив контрольным объектом, и вел свою обычную жизнь, лишь осложненную бесконечными обследованиями и тестами. Работа с этими данными велась в обстановке строгой секретности: ученые имели дело с уникальным для медицины случаем, когда личности подопытных известны всему миру. Их невозможно скрыть за анонимным индексом, и если даже сами астронавты решили бы разгласить свои генетические данные, то никто не знает, чем это может обернуться для их потомков. Только сегодня, в 2018 году, участники «близнецового исследования» NASA готовятся представить окончательные результаты 383 проведенных экспериментов. Но предварительные выводы уже известны: теперь мы куда лучше понимаем, какими последствиями грозит долгий полет к Марсу для участников экспедиции — американской, российской или международной.
Ищем 10 отличий
1. Теломеры
Клеточные ферменты, которые копируют ДНК, не могут синтезировать новую молекулу с самого конца цепочки, поэтому с каждым удвоением она слегка укорачивается. Чтобы этот процесс не затронул важные участки ДНК, их концы защищены длинными, ничего не значащими повторами теломер. Однако со временем и они деградируют. Поэтому обычная клетка нашего организма способна разделиться лишь около 50 раз и вскоре после этого погибает. Постепенное укорачивание теломер считается одним из факторов старения. Теломеры Марка почти не изменились, а вот у Скотта за 340 дней полета успели даже «подрасти», хотя уже через 48 часов после посадки вернулись к нормальной «земной» длине. Предварительно это связывают с активными упражнениями и низкокалорийной диетой, которым Скотт был волей-неволей привержен все 340 дней полета.
2. Масса тела
За год в космосе Скотт заметно похудел. Несмотря на нормальное питание и почти двухчасовые занятия спортом шесть дней в неделю у него отмечена деградация костной ткани. Зато содержание в крови фолатов — маркеров активного обновления организма, кроветворения, регенерации эпителия кожи и слизистых — стало выше, чем у Марка. Возможно, это также связано с более здоровым образом жизни астронавта, а потеря веса вызвана стрессом и развитием воспаления.
3. Микрофлора
Состав кишечной микрофлоры так же индивидуален, как отпечатки пальцев, однако в норме здесь доминируют различные виды лактобацилл, энтерококки, Bacteroides и кишечная палочка. Микробиота близнецов различалась еще до полета, но на МКС у Скотта произошли дополнительные изменения, которые привели к снижению количества Bacteroides. Скорее всего, это связано с особенностями питания астронавтов на орбите.
4. Мутации
На сегодня не существует технологий, позволяющих распознать ДНК идентичных близнецов по последовательностям их нуклеотидов. Теоретически они различаются лишь небольшим числом мутаций, однако в космосе у Скотта появилось несколько новых. Это неудивительно с учетом количества радиации, полученного астронавтом, — примерно в 24 раза больше, чем досталось его земному брату от естественной фоновой радиации.
5. Сосуды
Для исследования состояния сосудов Скотта был собран специальный аппарат УЗИ, которым астронавт пользовался на МКС самостоятельно, по командам ученых, работавших в Центре управления. Выяснилось, что за время полета стенки его сонной артерии стали заметно толще, чем у Марка. Пока неизвестно, насколько постоянны эти изменения, являются ли они результатом пребывания на орбите или же возрастного атеросклероза.
Комментарий Скотта: «Космос — это фонтан вечной молодости!»
6. Жидкости тела
В космосе у Скотта отмечались повышенные количества аквапорина 2 — белка, который формирует поры для транспорта воды через мембраны клеток почек. Параллельно этому выросло и содержание натрия в плазме крови: все это — признаки дегидратации организма. Дело, конечно, не в нехватке влаги: за время полета астронавт выпил более 730 л воды, полученной после переработки мочи. Однако жидкости в теле, оказавшемся за пределами сильной гравитации Земли, перераспределились. Порядка 2 л ее переместилось от нижних конечностей Скотта, вызвав соответствующие эффекты, включая повышенное внутричерепное давление и ослабление зрения.
Комментарий Бринды Раны, руководительницы проекта: «Потеря костной массы, атеросклероз, нарушения зрения — вам это ничего не напоминает?.. Именно: это как старение».
7. Когнитивные способности
До, в течение и после годовой миссии Скотта оба близнеца регулярно проходили тесты для оценки эмоционального состояния и когнитивных способностей — внимания, памяти и т. п. Существенных различий между Скоттом и Марком не обнаружилось, и пребывание в космосе не сказалось на выполнении сложных заданий. Но вот сразу после возвращения на Землю Скотт отвечал на вопросы тестов медленнее и хуже обычного. Психологи связывают послеполетное снижение координации и когнитивных способностей с адаптацией организма к условиям земной гравитации.
Комментарий Скотта: «Я пробовал дойти до кровати… Но уже на третьем шаге пол встал на дыбы, и я рухнул на кадку с комнатными растениями».
8. Эпигенетика
Тонкая регуляция генной активности может производиться небольшими химическими модификациями ДНК. Такие эпигенетические изменения определяются индивидуальным опытом, накапливаются в течение жизни и наследуются лишь частично. Кстати, именно по ним экспертам удается различить ДНК даже идентичных близнецов — и у Скотта с Марком не совпадают сотни таких участков, а после 340 дней в космосе их стало намного больше. Два года спустя после возвращения Скотта из полета 93% генов вернулись в норму, но остальные так и остались «дерегулированными». Среди них гены, связанные с адаптацией к гипоксии, с ферментом теломеразой (которая может удлинять сократившиеся теломеры), с синтезом коллагена (белковой основы костной ткани) и т. п.
9. Воспаление
Пробы крови позволили отслеживать появление белковых факторов воспаления, цитокинов, а также жирных кислот — повышение их уровня вызывается нарушением обмена липидов и также служит признаком воспалительных процессов. Оба маркера указали на развитие у Скотта хронического воспаления, которое продолжалось все время его пребывания в космосе. Некоторые цитокины сохранялись выше нормы еще около полугода после возвращения. Кстати, воспаление может вызывать развитие инсулинорезистентности, но организм Скотта адаптировался к этому, повысив количество белков, участвующих в метаболизме глюкозы.
10. Иммунитет
Непосредственно перед полетом и сразу после него оба близнеца прошли вакцинацию от гриппа. Существенной разницы между Скоттом и Марком обнаружено не было: у обоих возникал нормальный иммунный ответ, в крови выявлялись ослабленные и мертвые вирусные частицы, и к ним вырабатывались антитела.
