Codzienne życie na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej toczy się szybko. Naprawdę szybko. Podróżując z prędkością około 17 000 mil na godzinę, 300 mil nad Ziemią, astronauci oglądają 16 wschodów i zachodów słońca każdego „dnia”, unosząc się w pudełku z garstką ludzi, od których zależy ich przetrwanie.

Nie trzeba patrzeć dalej niż na hollywoodzkie hity kinowe, takie jak „Marsjanin”, „Grawitacja” i „Interstellar”, aby zobaczyć futurystyczne wizje życia poza Ziemią, gdy zapuszczamy się coraz dalej i głębiej w przestrzeń kosmiczną. Ale co z reakcją ludzkiego ciała na rzeczywiste loty kosmiczne – jakie są ich skutki zdrowotne? Czy kosmiczni podróżnicy będą się starzeć w innym tempie niż my na Ziemi? Jak bardzo jesteśmy w stanie przystosować się do środowiska kosmicznego?

Z pewnością są to obawy dla NASA. Jak podróże kosmiczne i misje o długim czasie trwania mogą zmienić ludzkie ciało, i czy te zmiany są trwałe lub odwracalne po powrocie astronautów na Ziemię, jest w dużej mierze nieznane. Okazja do zbadania tych intrygujących pytań pojawiła się wraz z identycznymi bliźniakami astronautami Scottem i Markiem Kelly.

W listopadzie 2012 roku, NASA wybrała astronautę Scotta Kelly dla jego pierwszej jednorocznej misji. Na konferencji prasowej nie długo potem, to był Scott, który hinted że ten misja może zapewnić szansę porównać wpływ kosmicznego życia na jego ciało z jego Ziemia-mieszkanie identyczny brat bliźniak, Mark Kelly, który również był astronautą i były Navy pilot testowy. Co niezwykłe, bliźniacy Kelly byli osobami o podobnej „naturze (genetyce) i wychowaniu (środowisku)”, więc wymyślono idealny eksperyment kosmiczny – z „kosmicznym bliźniakiem i ziemskim bliźniakiem” jako gwiazdami. Scott spędziłby rok w kosmosie na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, podczas gdy jego identyczny brat bliźniak, Mark, pozostałby na Ziemi.

Studium NASA TWINS reprezentuje najbardziej wszechstronny pogląd na reakcję ludzkiego ciała na lot kosmiczny, jaki kiedykolwiek przeprowadzono. Wyniki będą prowadzić przyszłe badania i spersonalizowane podejścia do oceny skutków zdrowotnych poszczególnych astronautów przez wiele lat.

Jako biolog raka na Colorado State University badam wpływ ekspozycji na promieniowanie na ludzkie komórki. W ramach TWINS Study byłem szczególnie zainteresowany oceną, jak końce chromosomów, zwane telomerami, zostały zmienione przez rok pobytu w kosmosie.

Teasing apart health effects of space living

NASA wystosowała zaproszenie i wybrała 10 recenzowanych badań z całego kraju do TWINS Study. Badania obejmowały środki molekularne, fizjologiczne i behawioralne, a także po raz pierwszy w historii astronautów, badania oparte na „omikach”. Niektóre zespoły oceniały wpływ przestrzeni kosmicznej na genom – całą zawartość DNA w komórce (genomika). Inne zespoły badały, które geny były włączone i produkowały cząsteczkę zwaną mRNA (transkryptomika). Niektóre badania koncentrowały się na tym, jak modyfikacje chemiczne – które nie zmieniają kodu DNA – wpływały na regulację genów (epigenomika). Niektórzy naukowcy badali białka produkowane w komórkach (proteomika), podczas gdy inni analizowali produkty metabolizmu (metabolomika).

Były również badania badające, jak środowisko kosmiczne może zmienić mikrobiom – zbiór bakterii, wirusów i grzybów, które żyją w i na naszych ciałach. Jedno z badań sprawdzało odpowiedź immunologiczną na szczepionkę przeciw grypie. Inne zespoły badały próbki biologiczne Scotta w poszukiwaniu biomarkerów miażdżycy oraz zmian płynów w organizmie spowodowanych mikrograwitacją, które mogą wpływać na wzrok i powodować bóle głowy. Wydajność poznawcza była również oceniana przy użyciu testów poznawczych uruchamianych komputerowo, zaprojektowanych specjalnie dla astronautów.

Ponad 300 próbek biologicznych – stolca, moczu i krwi – zostało pobranych od bliźniąt w wielu momentach przed, podczas i po rocznej misji.

Bliźniacy Kelly są bez wątpienia jedną z najbardziej sprofilowanych par – na naszej planecie lub poza nią. Są także jedną z najczęściej przepytywanych par. Jednym z często zadawanych pytań jest to, czy Scott wróci z kosmosu młodszy od Marka – sytuacja przypominająca „Interstellar” lub tak zwany „Twin Paradox” Einsteina. Jednakże, ponieważ ISS nie podróżuje nigdzie w pobliżu prędkości światła w stosunku do nas, dylatacja czasu – lub spowolnienie czasu z powodu ruchu – jest bardzo minimalna. Więc każda różnica wieku między braćmi będzie tylko kilka milisekund.

Mimo to, kwestia starzenia się związanego z lotami kosmicznymi i towarzyszącego mu ryzyka rozwoju chorób związanych z wiekiem, takich jak demencja, choroby sercowo-naczyniowe i nowotwory – podczas lub po zakończeniu misji – jest ważna i taka, do której chcieliśmy się bezpośrednio odnieść poprzez nasze badanie długości telomerów.

Telomery są końcami chromosomów, które chronią je przed uszkodzeniem i „strzępieniem się” – podobnie jak koniec sznurowadła. Telomery są krytyczne dla utrzymania stabilności chromosomów i genomów. Jednakże telomery naturalnie skracają się w miarę podziału komórek, a także w miarę starzenia się. Na tempo skracania się telomerów w czasie wpływa wiele czynników, w tym stres oksydacyjny i stany zapalne, odżywianie, aktywność fizyczna, stres psychologiczny i czynniki środowiskowe, takie jak zanieczyszczenie powietrza, promienie UV i promieniowanie jonizujące. Tak więc, długość telomerów odzwierciedla indywidualną genetykę, doświadczenia i narażenia, a więc są informacyjnymi wskaźnikami ogólnego stanu zdrowia i starzenia się.

Telomery i starzenie się

W naszym badaniu zaproponowaliśmy, że unikalne stresy i pozaświatowe ekspozycje, których astronauci doświadczają podczas lotów kosmicznych – rzeczy takie jak izolacja, mikrograwitacja, wysoki poziom dwutlenku węgla i galaktyczne promienie kosmiczne – przyspieszyłyby skracanie telomerów i starzenie się. Aby to sprawdzić, oceniliśmy długość telomerów w próbkach krwi pobranych od obu bliźniąt przed, w trakcie i po rocznej misji.

Scott i Mark rozpoczęli badanie z relatywnie podobnymi długościami telomerów, co jest zgodne z silnym komponentem genetycznym. Zgodnie z oczekiwaniami, długość telomerów Marka na Ziemi była względnie stabilna w trakcie trwania badania. Ale ku naszemu zaskoczeniu, telomery Scotta były znacząco dłuższe w każdym punkcie czasowym i w każdej próbce badanej podczas lotu kosmicznego. To było dokładnie przeciwieństwo tego, czego się spodziewaliśmy.

Nasze odkrycia będą miały znaczenie również dla Ziemian, ponieważ wszyscy się starzejemy i rozwijamy choroby związane z wiekiem. Wyniki badania TWINS mogą dostarczyć nowych wskazówek na temat zachodzących procesów, a tym samym poprawić nasze zrozumienie tego, co możemy zrobić, aby ich uniknąć lub wydłużyć okres zdrowia.

Długoterminowe skutki zdrowotne długotrwałych lotów kosmicznych nie zostały jeszcze określone, ale badanie TWINS stanowi przełomowy krok w podróży ludzkości na Księżyc, Marsa i dalej… oraz w tworzeniu fikcji naukowej jako faktu.