Die NASA hat große Pläne für die Zukunft der bemannten Raumfahrt. Die Vorschläge der Weltraumorganisation, Langzeitmissionen mit Besatzung zum Mond und schließlich zu Lande-Astronauten auf dem Mars zu schicken, erfordern erhebliche Fortschritte bei der Raketen- und Raumfahrtausrüstung. Doch neben der neuen Technologie setzen sich Wissenschaftler mit einer weiteren entscheidenden Frage auseinander: Kann sich der menschliche Körper während dieser Zeit im Weltraum selbst ernähren? Eine Mars-Erkundungsmission könnte zwei oder drei Jahre dauern, während die meisten Weltraumexpeditionen bisher höchstens sechs Monate gedauert haben. Ausgedehnte Missionen außerhalb der Erdumlaufbahn könnten tiefgreifende und möglicherweise gefährliche biologische Auswirkungen auf den Körper von Astronauten haben.
Um den Einfluss von Mikrogravitation, Strahlung und Begrenzung im Langzeitraumflug zu untersuchen, wählte die NASA die Zwillinge Scott und Mark Kelly für eine einzigartige Mission aus. Die beiden identischen Zwillinge haben beide als NASA-Testpiloten und Astronauten gedient, und Scott wurde für eine einjährige Mission zur Internationalen Raumstation (ISS) ausgewählt, wobei sein Bruder - eine genetische Kopie von ihm - auf der Erde zurückblieb. Die Forscher verwendeten die erdgebundene Markierung als eine Art Kontrollobjekt, um sie mit Änderungen in Scott während seines Weltraumjahres zu vergleichen, das vom 27. März 2015 bis zum 1. März 2016 dauerte.
Zehn Wissenschaftlerteams untersuchten verschiedene Aspekte der Gesundheit und Biologie der Zwillinge, von der Genexpression über Darmbakterien bis hin zur Wahrnehmung. Heute haben die Teams einen Teil ihrer gesammelten Forschungsergebnisse in einer interdisziplinären Studie veröffentlicht, die am 12. April in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wird.
Grafische Darstellung des Weges der einzelnen Twins Study-Forschung von der Forschung über die Integration zu einer Zusammenfassung bis hin zu mehreren Begleitpapieren. (NASA) Mit mehr als 80 Autoren führt die Studie eine Vielzahl von Daten zusammen und analysiert sie, die von beiden Zwillingen im Laufe der einjährigen Mission sowie in den Monaten unmittelbar davor und danach gesammelt wurden. Die Ergebnisse sind expansiv, zeigen aber vor allem, dass Scotts Körper nach 340 Tagen unter stressigen Weltraumbedingungen mit einigen bemerkenswerten Ausnahmen ziemlich schnell zurückprallte. Die Forschung schafft "ein integriertes Porträt von molekularen, physiologischen und verhaltensbezogenen Anpassungen und Herausforderungen für den menschlichen Körper während ausgedehnter Raumflüge", schreiben die Autoren.
Eine Frage des Alterns
Eines der zehn Teams unter der Leitung von Susan Bailey, Professorin für Strahlen- und Krebsbiologie an der Colorado State University, befasste sich mit Telomeren, den „Kappen“, die die Enden von DNA-Strängen schützen. Auf der Erde werden diese Telomere im Laufe des Lebens einer Person aufgebraucht, da jede Runde der DNA-Replikation sie abnutzt.
Als Baileys Team die Telomere in Scotts weißen Blutkörperchen analysierte, stellte es fest, dass die durchschnittliche Telomerlänge in diesen Zellen während der Mission tatsächlich anstieg. "Es war genau das Gegenteil von dem, was wir uns vorgestellt hatten", sagt Bailey. "Wir schlugen vor, dass aufgrund all der wirklich einzigartigen Belastungen und Belastungen durch Dinge wie Mikrogravitation, Weltraumstrahlung und Isolation ... [es] wirklich so aussah, als würden sie den Verlust von Telomeren im Weltraum beschleunigen."
Scott Kelly an Bord der Internationalen Raumstation während seines Jahres im Weltraum. (NASA) Nachdem Scott wieder auf der Erde gelandet war, stellte Baileys Team fest, dass seine durchschnittliche Telomerlänge auf ungefähr das Niveau vor dem Flug abnahm. In den Monaten nach dem Flug ging jedoch eine größere Anzahl von Telomeren verloren oder wurde kritisch verkürzt. Dies könnte ein besorgniserregender Befund sein, da die Verkürzung und der Verlust von Telomeren mit dem Altern und der Anfälligkeit für altersbedingte Krankheiten, einschließlich Herz-Kreislauf-Problemen und Krebs, verbunden sind.
Die Forscher sind sich noch nicht sicher, wie oder warum diese Telomerveränderungen auftraten. Das Team hoffte, die Aktivität der Telomerase, eines Enzyms, das die Telomere erweitert, aber in den meisten erwachsenen Körperzellen ausgeschaltet wird, analysieren zu können, um festzustellen, ob sie während des Fluges von Scott aktiviert wurde. Das benötigte Material sei jedoch „im Weltraum verloren gegangen“, sagt Bailey. Die Blutproben wurden mit einem Sojus-Raumschiff zur Erde zurückgeschickt, aber die Telomerase-Aktivität war bei der Ankunft tot, möglicherweise infolge von Temperaturänderungen während des Wiedereintritts in die Erdatmosphäre.
Mehr über den Mechanismus zu erfahren, der hinter diesen Veränderungen während und nach der Raumfahrt steckt, wird wichtig für die Zukunft sein, sagt Bailey - nicht nur um der Astronauten willen, sondern auch, weil ein gründlicheres Verständnis des Alterns für die Gesundheit von „Erdlingen“ wertvoll wäre.
Genexpression im Weltraum
Die Forscher untersuchten auch das Scott-Genom, um festzustellen, ob sich die Genexpression während des Fluges geändert hat, wie dies in stressigen Situationen der Fall ist. Ein Team unter der Leitung von Chris Mason, Genetiker bei Weill Cornell Medicine, untersuchte DNA- und RNA-Modifikationen, die eine epigenetische Anpassung signalisieren würden. Sie beobachteten einige Veränderungen in der Genexpression und diese Veränderungen nahmen in den letzten sechs Monaten der Mission zu. Mehr als sechsmal so viele Unterschiede in der Genexpression sind in der zweiten Hälfte im Vergleich zum Beginn des Fluges aufgetreten.
Die Ergebnisse waren etwas überraschend, sagt Mason, weil er erwartet hatte, dass sich diese Unterschiede nach einer anfänglichen Phase der Anpassung an die neue Umgebung verlangsamen oder aufhören würden. Die anhaltenden und zunehmenden genetischen Transformationen zeigen, dass sich der Körper über lange Zeiträume im Raum weiter verändert.
Andrew Feinberg, Professor und medizinischer Forscher an der Johns Hopkins University, und sein Team konzentrierten sich auf Methylgruppen - chemische Marker, die normalerweise Veränderungen der Genexpression signalisieren - und stellten fest, dass das Ausmaß der epigenetischen Veränderung für die beiden Brüder ähnlich war. Trotz einiger geringfügiger Unterschiede verhielt sich Scotts Genom „nicht besorgniserregend“, sagt Feinberg.
Nach dem Ende der Mission kehrten 90 Prozent der veränderten Genexpressionen zu ihrer Grundlinie vor dem Flug zurück - ein gutes Zeichen dafür, dass der Körper nach einer langen Mission zurückprallen kann, sagt Mason. Die anderen 10 Prozent, die über 800 Gene umfassten, einschließlich der Gene, die mit der Immunantwort und der DNA-Reparatur zusammenhängen, wurden sechs Monate nach Scotts Rückkehr immer noch anders exprimiert. "Es scheint, dass bis zu einem gewissen Grad genügend Zellen im Körper eine Erinnerung daran haben, was passiert ist, dass es immer noch einige Anpassungen und Neukalibrierungen gibt, um wieder auf der Erde zu sein", sagt Mason.
Der Einfluss der Raumfahrt auf den Geist
In einem potenziell relevanten Ergebnis stellte ein Team, das sich mit Kognition befasste, fest, dass die Leistung von Scott bei einer Reihe von kognitiven Tests nach dem Flug abnahm. Mathias Basner, Professor für Psychiatrie an der Universität von Pennsylvania, und sein Team entwickelten eine spezielle kognitive Testbatterie für die NASA - eine Reihe von 10 computergestützten Aufgaben zur Messung verschiedener Aspekte des Denkens von Astronauten, einschließlich emotionaler Erkennung, Risikobereitschaft und Aufmerksamkeit.
Obwohl Scotts Messungen während des Fluges stabil waren, sank seine "kognitive Effizienz" oder seine Geschwindigkeit und Genauigkeit bei der Fertigstellung der Testbatterie, sobald er wieder auf der Erde war. Der Rückgang hielt über die sechs Monate nach seiner Rückkehr an.
Während Scott im Laufe des jahrelangen Weltraumflugs keine alarmierenden kognitiven Effekte zeigte, schien er mit den Tests nach der Rückkehr in die Umwelt der Erde viel mehr Probleme zu haben als nach seiner erneuten Anpassung nach seiner letzten sechsmonatigen Mission von Oktober 2010 bis März 2011. Die kognitiven Ergebnisse könnten eine „rote Fahne“ sein, wenn man eine Mission zum Mars plant, sagt Basner, bei der Astronauten nach der Landung komplexe Aufgaben ausführen müssten.
NASA-Astronaut Scott Kelly (links), Expedition 43/44 Flugingenieur und Expedition 45/46 Kommandeur; und der russische Kosmonaut Mikhail Kornienko, Expedition 43-46 Flugingenieur, verbrachten beide 340 kumulative Tage im Weltraum. (NASA / Bill Stafford) "Der Weltraum ist eine sehr feindliche Umgebung", sagt Basner. "Wir wollen immer, dass Astronauten ihr Bestes geben, in dem Sinne, dass winzige Fehler zu katastrophalen Fehlern führen können - im schlimmsten Fall zum Misserfolg und zum Verlust von Ausrüstung und Leben von Astronauten."
Obwohl die Beeinträchtigung von Operationen, die von ausgebildeten Astronauten geleitet werden, mit hoher Wahrscheinlichkeit ein hohes Ausmaß erfordert, sollten diese kognitiven Veränderungen in zukünftigen Missionen überwacht werden, sagt Basner, insbesondere, da Menschen nicht in der Lage sind, ihren eigenen kognitiven Status einzuschätzen, und dazu tendieren, ihren aktuellen Status zu akzeptieren Bedingungen wie die "neue Normalität", auch wenn sie tatsächlich schlechter sind als zuvor.
Der Körper des Weltraumforschers
Während des gesamten Rests von Scott beobachteten die Forscher weitere Veränderungen im Zusammenhang mit der Raumfahrt. In einer Studie über das Mikrobiom, die Gemeinschaft der im menschlichen Darm lebenden Bakterien, fand ein Team unter Leitung von Forschern der Northwestern University heraus, dass sich die Anteile verschiedener Arten von Bakterien während des Scott-Jahres im Weltraum verändert haben. Die Gesamtvielfalt der Bakterien nahm jedoch nicht ab, was ein gutes Zeichen dafür ist, dass das Mikrobiom gesund geblieben ist.
Ein Team unter der Leitung von Brinda Rana, Forscherin für Gesundheitswissenschaften an der Universität von Kalifornien in San Diego, stellte fest, dass sich mehrere Proteine auch während der Raumfahrt veränderten. Urinproben aus Scotts Zeit an Bord der ISS enthielten einen hohen Gehalt an Kollagen, einem Strukturprotein. Ein Blick auf dieses Maß zusammen mit physiologischen Veränderungen - wie sie bei Scotts Augäpfeln und Gefäßen beobachtet werden - könnte ein Zeichen dafür sein, dass sich der Körper umstrukturiert, sagt Rana. Die Forscher beobachteten auch erhöhte Werte von Aquaporin 2, einem Protein, das tendenziell ein Marker für Dehydration ist.
Die überwiegende Mehrheit der Veränderungen, die von Ranas Team und anderen beobachtet wurden, verschwand jedoch, als Scott wieder auf der Erde aufschlug. "Es zeigt nur, wie widerstandsfähig der Körper ist und wie anpassungsfähig der menschliche Körper für verschiedene Umgebungen ist", sagt Rana. "Ein Jahr im Weltraum - der Körper kann damit umgehen."
Da die Stichprobe der NASA-Zwillingsstudie so klein wie möglich ist, betonten die Forscher, dass sie ihre Ergebnisse weder verallgemeinern noch einen direkten Kausalzusammenhang zwischen der Raumfahrt und ihren Beobachtungen nachweisen könnten. Ihre Arbeit gibt der NASA trotz ihres inhärent begrenzten Umfangs Hinweise darauf, wo sie während der Raumfahrt biologische Veränderungen beobachten könnten - eine „wertvolle Roadmap“, so die Studie zu den möglichen Risiken längerer Reisen in unser Sonnensystem.
Die Arbeit an dieser Studie war wie ein früher Kartograf, sagt Feinberg. Er und andere Forscher versuchten in groben Zügen zu verstehen, welche Veränderungen im Körper während der Raumfahrt auftreten, wodurch eine allgemeine Form geschaffen und Raum für zukünftige Forschungen gelassen wurde, um die Details auszufüllen.
Die NASA hat bereits Pläne, diese Karte des menschlichen Körpers weiter auszufüllen. Bailey und andere Forscher werden mit einem weiteren Langzeitprojekt fortfahren, bei dem zehn Astronauten auf einjährigen Missionen, zehn auf sechsmonatigen Missionen und zehn auf Reisen von jeweils zwei bis drei Monaten überwacht werden. Gesundheitsdaten werden mit Menschen vor Ort verglichen, die für die gleichen Zeiträume isoliert sind “, heißt es in einer Pressemitteilung der Colorado State University. Andere Wissenschaftler treiben analoge Projekte auf der Erde voran, darunter Rana, die Maßnahmen an Probanden mit Langzeitbettruhe untersucht, die die Schwerelosigkeit imitieren.
Obwohl noch viel zu tun ist, hat die NASA jetzt einen Rahmen für die Art der multidisziplinären Zusammenarbeit, die sie wahrscheinlich in zukünftigen Studien fortsetzen wird, sagt Basner. Scott Kelly ist bereit, auf lange Sicht dabei zu sein.
"Manchmal werden die Fragen, die die Wissenschaft stellt, durch andere beantwortet, und ich lasse den Test für den Rest meines Lebens einmal im Jahr durchführen", schrieb er in seinem 2017 erschienenen Buch " Ausdauer: Mein Jahr im Weltraum, eine Lebenszeit der Entdeckung" . „Das stört mich nicht besonders. Es lohnt sich, zur Weiterentwicklung des menschlichen Wissens beizutragen. “
