Как несколько дней в космосе могут изменить биологию астронавтов

Сегодня, когда на рынок выходят частные, коммерческие и многонациональные компании, осуществляющие космические полеты, мы являемся свидетелями новой эры полетов человека в космос. Продолжительность полетов варьируется от нескольких минут, часов и дней до нескольких месяцев.

Поскольку человечество планирует вернуться на Луну в ближайшее десятилетие, миссии по исследованию космоса будут намного более продолжительными, и в них примут участие гораздо больше космических путешественников и даже космических туристов. Это также означает, что более широкий круг людей столкнется с экстремальными условиями космоса – больше женщин и людей разных национальностей, возрастов и состояния здоровья.

Поскольку люди по-разному реагируют на уникальные факторы стресса и воздействия космоса, исследователи в области космического здравоохранения, такие как я, стремятся лучше понять влияние космических полетов на здоровье человека. Располагая такой информацией, мы можем понять, как помочь астронавтам оставаться здоровыми как во время их пребывания в космосе, так и после возвращения на Землю.

В 2019 году в рамках исторического исследования NASA Twins мы с коллегами опубликовали новаторское исследование о том, как один год на борту Международной космической станции влияет на организм человека.

Я специалист по радиационной биологии рака на факультете наук об окружающей среде и радиологической медицине Университета штата Колорадо. Последние несколько лет я потратил на то, чтобы развить результаты этого более раннего исследования в серии статей, недавно опубликованных в журналах Nature.

Эти документы являются частью пакета рукописей, данных, протоколов и репозиториев Space Omics и Medical Atlas, который представляет собой крупнейшую коллекцию, когда-либо собранную для аэрокосмической медицины и космической биологии. Более 100 учреждений из 25 стран внесли свой вклад в скоординированный выпуск широкого спектра данных о космических полетах.

Исследование близнецов НАСА

Исследование близнецов НАСА воспользовалось уникальной возможностью для проведения исследований.

НАСА выбрало астронавта Скотта Келли для участия в первой годичной миссии агентства, в ходе которой он провел год на борту Международной космической станции с 2015 по 2016 год. В течение того же периода времени на Земле оставался его брат-близнец Марк Келли, бывший астронавт и нынешний сенатор США, представляющий Аризону.

Мы с моей командой исследовали образцы крови, взятые у близнеца в космосе и его генетически подходящего двойника на Земле до, во время и после космического полета. Мы обнаружили, что теломеры Скотта – защитные колпачки на концах хромосом, похожие на пластиковый наконечник, который предохраняет шнурок от истирания, – неожиданно удлинились за год его пребывания в космосе.

Однако, когда Скотт вернулся на Землю, его теломеры быстро укоротились. В последующие месяцы его теломеры восстановились, но после полета они все еще были короче, чем до полета в космос.

С возрастом их длина сокращается из-за различных факторов, включая стресс. Длина ваших теломер может служить биологическим показателем риска развития у вас возрастных заболеваний, таких как деменция, сердечно-сосудистые заболевания и рак.

В отдельном исследовании моя команда изучила группу из 10 астронавтов, участвовавших в шестимесячных полетах на борту Международной космической станции. У нас также была контрольная группа участников, которые соответствовали возрасту и полу и оставались на земле.

Мы измерили длину теломер до, во время и после космического полета и снова обнаружили, что теломеры были длиннее во время космического полета, а затем укорачивались по возвращении на Землю. В целом, после полета в космос у астронавтов стало намного больше коротких теломер, чем было до этого.

Кристофер Мейсон, один из исследователей, проводивших исследование близнецов, и я провели еще одно исследование теломер – на этот раз с близнецами-альпинистами, занимающимися высотными видами спорта, – в условиях, в чем-то схожих с экстремальными условиями на Земле.

Мы обнаружили, что во время восхождения на Эверест теломеры альпинистов были длиннее, а после того, как они спустились, их теломеры укоротились. У их близнецов, которые оставались на небольшой высоте, длина теломер не изменилась. Эти результаты показывают, что не микрогравитация на космической станции привела к изменениям длины теломер, которые мы наблюдали у астронавтов, – более вероятны другие причины, такие как повышенное воздействие радиации.

Гражданские лица в космосе

В нашем последнем исследовании мы изучали теломеры членов экипажа, участвовавшего в миссии SpaceX Inspiration 4 в 2021 году. В этой миссии был первый полностью гражданский экипаж, возраст которого составлял четыре десятилетия. Теломеры всех членов экипажа удлинились во время полета, и у трех из четырех астронавтов также наблюдалось укорочение теломер, когда они вернулись на Землю.

Что особенно интересно в этих результатах, так это то, что миссия Inspiration4 длилась всего три дня. Таким образом, ученые теперь не только располагают последовательными и воспроизводимыми данными о реакции теломер на космический полет, но и знают, что это происходит быстро. Эти результаты свидетельствуют о том, что даже короткие поездки, например, на выходные в космос, будут связаны с изменениями длины теломер.

Ученые до сих пор не до конца понимают, как такие изменения длины теломер влияют на здоровье человека. Нам понадобятся дополнительные исследования, чтобы выяснить, как длинные и короткие теломеры могут повлиять на здоровье астронавта в долгосрочной перспективе.

Теломерная РНК

В другой статье мы показали, что у команды Inspiration4, а также у Скотта Келли и альпинистов, занимающихся высотными восхождениями, наблюдался повышенный уровень теломерной РНК, называемой TERRA.

Теломеры состоят из множества повторяющихся последовательностей ДНК. Они преобразуются в TERRA, что способствует формированию структуры теломер и помогает им выполнять свою работу.

В сочетании с лабораторными исследованиями эти данные говорят нам о том, что теломеры повреждаются во время космических полетов. Хотя мы еще многого не знаем, мы знаем, что теломеры особенно чувствительны к окислительному стрессу. Таким образом, хроническое окислительное повреждение, которое испытывают астронавты при круглосуточном воздействии космической радиации, вероятно, способствует наблюдаемым нами реакциям теломер.

Мы также написали обзорную статью с более футуристической перспективой о том, как лучшее понимание теломер и процессов старения может помочь людям не только выжить в длительных космических путешествиях, но и процветать и даже колонизировать другие планеты. Для этого людям потребуется размножаться в космосе, а будущим поколениям расти в космосе. Мы пока не знаем, возможно ли это вообще.

Выращивать теломеры в космосе

Мои коллеги и я также внесли свой вклад в другие работы по космической астрономии и медицинскому атласу, включая статью, опубликованную в журнале Nature Communications. Исследовательская группа, возглавляемая биологом из Техасского университета Дороти Шиппен и биологом из Университета Огайо Сарой Уайатт, обнаружила, что, в отличие от людей, у растений, побывавших в космосе, во время пребывания на борту Международной космической станции теломеры не были длиннее.

Однако растения увеличили выработку теломеразы, фермента, который помогает поддерживать длину теломер.

Любой, кто видел “Марсианина”, знает, что растения будут играть важную роль в долгосрочном выживании человека в космосе. Это открытие позволяет предположить, что растения, возможно, более приспособлены к космическим стрессам, чем люди.

Сьюзан Бейли, профессор биологии и онкологии радиационного рака, Университет штата Колорадо

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.