NASA mempunyai rancangan besar untuk masa depan spaceflight manusia. Cadangan agensi ruang untuk menghantar misi jangka panjang, berpangkalan ke bulan dan, akhirnya, angkasawan tanah di Marikh akan memerlukan kemajuan yang signifikan dalam perkakasan roket dan spaceflight. Tetapi bersama-sama dengan teknologi baru, saintis bergumul dengan satu lagi soalan penting: Bolehkah tubuh manusia bertahan dalam masa yang lama di angkasa? Misi Marikh yang menerokai boleh mengambil masa dua atau tiga tahun, sementara kebanyakan ekspedisi ruang telah berlangsung selama enam bulan atau kurang. Misi-misi yang dilanjutkan di luar orbit Bumi dapat menghasilkan kesan biologi yang sangat besar dan berpotensi berbahaya di badan-badan angkasawan.
Untuk mengkaji pengaruh microgravity, radiasi dan kurungan dalam jangka masa panjang spaceflight, NASA memilih kembar Scott dan Mark Kelly untuk misi yang unik. Kedua-dua kembar yang sama telah berkhidmat sebagai juruterbang ujian NASA dan angkasawan, dan Scott dipilih untuk misi setahun ke Stesen Angkasa Antarabangsa (ISS), meninggalkan abangnya-salinan genetiknya sendiri di Bumi. Para penyelidik menggunakan Mark sebagai tanah kawalan semacam itu berbanding dengan apa-apa perubahan dalam Scott semasa tahun di ruang angkasa, yang berlangsung dari 27 Mac 2015 hingga 1 Mac 2016.
Sepuluh pasukan saintis mempelajari aspek yang berbeza dari kesihatan dan biologi kembar, dari ekspresi gen kepada bakteria usus untuk kognisi. Hari ini, pasukan mengeluarkan beberapa penyelidikan mereka dalam kajian lintas disiplin, yang akan diterbitkan pada 12 April dalam jurnal Sains.
Ilustrasi graf laluan laluan penyelidikan Kajian Kelima individu mengambil dari penyelidikan untuk menyepadukan satu kertas ringkasan kepada beberapa kertas sahabat. (NASA) Dengan lebih daripada 80 penulis, kajian itu menyatukan dan menganalisis pelbagai data, yang dikumpulkan dari kedua-dua kembar sepanjang perjalanan misi setahun ditambah bulan sebelum dan selepas. Hasilnya adalah luas, tetapi kebanyakannya menunjukkan bahawa, dengan beberapa pengecualian yang ketara, badan Scott bangkit kembali dengan cepat setelah 340 hari dalam keadaan ruang stres. Penyelidikan mencipta "potret gabungan penyesuaian molekul, fisiologi, dan tingkah laku bersepadu untuk tubuh manusia semasa spaceflight dilanjutkan, " tulis penulis.
A Question of Aging
Salah satu daripada sepuluh pasukan, diketuai oleh Susan Bailey, seorang profesor biologi radiasi dan biologi kanser di Colorado State University, memberi tumpuan kepada telomeres, "topi" yang melindungi hujung DNA DNA. Di Bumi, telomer ini habis dalam jangka hayat seseorang kerana setiap pusingan replikasi DNA memusnahkannya.
Apabila pasukan Bailey menganalisis telomeres di sel darah putih Scott, mereka mendapati bahawa purata panjang telomere dalam sel-sel ini sebenarnya meningkat semasa misi. "Ia betul-betul bertentangan dengan apa yang kita bayangkan, " kata Bailey. "Kami mencadangkan, sebenarnya, kerana semua tekanan dan pendedahan yang benar-benar unik kepada perkara-perkara seperti microgravity, radiasi ruang dan pengasingan ... [ia] benar-benar sepertinya mereka akan mempercepat kehilangan telomere di angkasa."
Scott Kelly di Papan Angkasa Antarabangsa semasa tahun beliau di angkasa lepas. (NASA) Setelah Scott menyentuh bumi, pasukan Bailey mengamati panjang rata-rata telomerenya berkurang untuk menyamai tahap pra-penerbangan. Walau bagaimanapun, dalam beberapa bulan selepas penerbangan, bilangan telomer yang lebih banyak telah hilang atau dipendekkan secara kritikal. Ini boleh dijumpai, kerana kekurangan telomere dan kerugian dikaitkan dengan penuaan dan kerentanan terhadap penyakit yang berkaitan dengan usia, termasuk masalah kardiovaskular dan kanser.
Para penyelidik masih belum pasti bagaimana atau mengapa perubahan telomere ini berlaku. Pasukan itu berharap untuk menganalisis aktiviti telomerase, enzim yang meluas telomer tetapi akan dimatikan di kebanyakan sel badan dewasa, untuk melihat apakah ia diaktifkan sementara Scott sedang dalam penerbangan. Walau bagaimanapun, bahan yang mereka perlukan adalah "hilang di angkasa, " kata Bailey. Sampel darah dikirim kembali ke Bumi pada kapal angkasa Soyuz, tetapi aktivitas telomerase mati saat ketibaan, mungkin akibat perubahan temperatur ketika masuk kembali melalui atmosfer bumi.
Belajar lebih lanjut mengenai mekanisme di sebalik perubahan ini semasa dan selepas spaceflight akan menjadi penting ke depan, Bailey berkata-bukan hanya untuk kepentingan angkasawan, tetapi juga kerana pemahaman yang lebih mendalam tentang penuaan akan menjadi berharga untuk kesihatan "earthlings".
Gene Expression in Space
Penyelidik juga mengkaji genom Scott untuk melihat sama ada ekspresi gen berubah semasa penerbangan, kerana ia cenderung dilakukan dalam situasi yang teruk. Pasukan yang diketuai oleh Chris Mason, ahli genetik di Weill Cornell Medicine, mengkaji pengubahsuaian DNA dan RNA yang akan menandakan penyesuaian epigenetik. Mereka melihat beberapa perubahan dalam bagaimana gen dinyatakan, dan variasi ini dipercepat dalam enam bulan terakhir misi. Lebih daripada enam kali ganda banyak perbezaan dalam ekspresi gen meningkat pada separuh akhir berbanding dengan awal penerbangan.
Penemuan itu agak mengejutkan, kata Mason, kerana dia menjangkakan perbezaan ini akan melambatkan atau berhenti selepas tempoh penyesuaian awal terhadap persekitaran baru. Transformasi genetik yang berterusan dan bertambah menunjukkan bahawa tubuh terus berubah dalam jangka masa yang lama di angkasa.
Andrew Feinberg, seorang profesor dan penyelidik perubatan di Johns Hopkins University, dan pasukannya memberi tumpuan kepada kumpulan metil - penanda kimia yang biasanya memberi isyarat perubahan dalam ekspresi gen-dan mendapati jumlah perubahan epigenetik sama dengan kedua-dua saudara lelaki itu. Walaupun beberapa perbezaan kecil, genom Scott berkelakuan dengan cara yang "tidak membimbangkan, " kata Feinberg.
Selepas tamat misi itu, 90 peratus daripada ekspresi gen diubahsuai kembali ke pangkalan pra-penerbangan mereka-satu petanda yang baik bahawa badan itu dapat bangkit kembali selepas misi yang panjang, kata Mason. 10 peratus yang lain, yang terdiri daripada lebih daripada 800 gen, termasuk yang berkaitan dengan tindak balas imun dan pembaikan DNA, masih dinyatakan berbeza enam bulan selepas pulangan Scott. "Seolah-olah, sedikit sebanyak, sel-sel yang mencukupi di dalam badan mempunyai ingatan tentang apa yang berlaku yang masih ada penyesuaian dan pengubahsuaian yang berterusan untuk kembali ke Bumi, " kata Mason.
Pengaruh Spaceflight pada Pikiran
Dalam satu keputusan berpotensi, satu pasukan yang mempelajari kognisi mendapati bahawa prestasi Scott pada satu siri ujian kognitif merosot dalam tempoh selepas penerbangan. Mathias Basner, seorang profesor psikiatri di University of Pennsylvania, dan pasukannya telah merangka bateri ujian kognitif khusus untuk NASA-satu siri 10 tugas berkomputer untuk mengukur aspek yang berbeza dari pemikiran angkasawan, termasuk pengiktirafan emosi, mengambil risiko dan perhatian.
Walaupun langkah dalam penerbangan Scott stabil, "kecekapan kognitif" nya, atau kelajuan dan ketepatannya dalam menyelesaikan bateri ujian, jatuh setelah dia kembali ke Bumi. Penurunan ini berterusan selama enam bulan selepas pulangannya.
Walaupun Scott tidak memaparkan sebarang kesan kognitif yang membimbangkan sepanjang perjalanan spaceflight setahun, dia kelihatannya menghadapi banyak masalah dengan ujian selepas kembali ke persekitaran Bumi berbanding tempoh penyesuaiannya selepas misi enam bulan sebelumnya dari Oktober 2010 hingga Mac 2011. Hasil kognitif boleh menjadi "bendera merah" apabila merancang sesuatu seperti misi ke Marikh, kata Basner, yang mana para angkasawan perlu melakukan tugas yang kompleks selepas mendarat.
Angkasawan NASA Scott Kelly (kiri), Ekspedisi 43/44 komander penerbangan dan ekspedisi 45/46 komander; dan angkasawan Rusia Mikhail Kornienko, Ekspedisi 43-46 jurutera penerbangan kedua-duanya menghabiskan 340 hari kumulatif di ruang angkasa. (NASA / Bill Stafford) "Ruang adalah persekitaran yang sangat bermusuhan, " kata Basner. "Kami sentiasa mahukan para angkasawan melakukan yang terbaik dalam erti kata bahawa, anda tahu, kesilapan kecil boleh diterjemahkan ke dalam kesilapan bencana - dalam kes yang paling teruk, untuk kegagalan misi dan kehilangan peralatan dan kehidupan angkasawan."
Walaupun ia mungkin mengambil tahap yang tinggi untuk menjejaskan operasi yang diterajui oleh angkasawan terlatih, perubahan kognitif ini harus dipantau dalam misi masa depan, kata Basner, terutama kerana manusia mempunyai keupayaan yang kurang untuk menilai status kognitif mereka sendiri, cenderung menerima arus mereka keadaan sebagai "normal baru" walaupun mereka sebenarnya lebih buruk daripada sebelum ini.
Badan Space Explorer
Sepanjang selebihnya badan Scott, penyelidik melihat perubahan lain yang berkaitan dengan spaceflight. Dalam kajian microbiome, komuniti bakteria yang hidup di usus manusia, sebuah pasukan yang diketuai oleh penyelidik dari Northwestern University mendapati bahawa proporsi pelbagai jenis bakteria berubah semasa tahun Scott di ruang angkasa. Walau bagaimanapun kepelbagaian bakteria tidak berkurangan, yang merupakan tanda yang baik bahawa mikrobioma kekal sihat.
Pasukan yang diketuai oleh Brinda Rana, penyelidik sains kesihatan di University of California San Diego, mendapati bahawa beberapa protein juga berubah semasa spaceflight. Contoh air kencing dari masa Scott di atas ISS mengandungi kolagen yang tinggi, protein struktur. Melihat langkah ini bersama-sama dengan perubahan fisiologi-seperti yang diperhatikan dalam bola mata dan sistem vaskular Scott-boleh menjadi tanda bahawa badan itu disusun semula, kata Rana. Penyelidik juga mendapati tahap aquaporin 2 bertambah tinggi, protein yang cenderung menjadi penanda dehidrasi.
Sebilangan besar perubahan yang dilihat oleh pasukan Rana dan yang lain hilang sekali Scott menyentuh ke Bumi. "Ia hanya memperlihatkan betapa berdaya tahan tubuh, dan bagaimana penyesuaian tubuh manusia adalah persekitaran yang berbeza, " kata Rana. "Satu tahun dalam ruang-badan boleh mengendalikannya."
Oleh kerana saiz sampel Kajian Kembar NASA hanya sekecil mungkin, penyelidik menegaskan bahawa mereka tidak boleh menyebarkan hasilnya, dan tidak dapat membuktikan hubungan kausal langsung antara spaceflight dan pemerhatian mereka. Walau bagaimanapun, kerja mereka, walaupun skop yang terhad, memberi petunjuk kepada NASA tentang di mana mereka mungkin melihat perubahan biologi semasa spaceflight-"pelan tindakan yang berharga, " kata kajian itu, dengan kemungkinan kemungkinan perjalanan lebih lama ke dalam sistem suria kita.
Bekerja pada kajian ini adalah seperti seorang kartogram awal, kata Feinberg. Beliau dan penyiasat lain cuba memahami, dalam pukulan yang luas, apa perubahan yang berlaku dalam tubuh semasa spaceflight, mewujudkan bentuk umum dan meninggalkan ruang untuk penyelidikan masa depan untuk mengisi butir-butir.
NASA sudah mempunyai rancangan untuk terus mengisi peta tubuh manusia ini. Bailey dan penyelidik lain akan meneruskan pemantauan projek jangka panjang yang lain "sepuluh astronot dalam misi satu tahun, sepuluh dalam misi enam bulan, dan sepuluh dalam perjalanan dari dua hingga tiga bulan pada satu masa. Data kesihatan akan dibandingkan dengan orang-orang di atas tanah yang berpisah untuk tempoh masa yang sama, "menurut kenyataan akhbar Colorado State University. Lain-lain saintis bergerak ke hadapan dengan projek-projek analog di Bumi, termasuk Rana, yang sedang mengkaji langkah-langkah dari subjek pada tempat tidur belakang jangka panjang yang meniru keadaan sifar graviti.
Walaupun masih banyak kerja yang perlu dilakukan, NASA kini mempunyai kerangka kerja bagi jenis kerjasama multidisiplin yang kemungkinan akan diteruskan dalam kajian masa depan, kata Basner. Bagi Scott Kelly, dia bersedia untuk berada di dalamnya untuk jangka masa panjang.
"Kadang-kadang soalan sains bertanya dijawab oleh soalan-soalan lain, dan saya akan terus melakukan ujian setiap tahun untuk sepanjang hayat saya, " tulisnya dalam bukunya 2017, Endurance: My Year in Space, A Lifetime of Discovery . "Ini tidak mengganggu saya. Ia berbaloi untuk menyumbang kepada kemajuan ilmu pengetahuan manusia. "
