Подопытные близнецы. Как полеты к звездам меняют гены человека
Американское космическое агентство NASA подвело итоги уникального эксперимента: Скот Келли на год отправился на орбиту, а его брат-близнец Марк остался на Земле. Ведущие СМИ планеты опубликовали сенсационную новость: пребывание в космосе меняет гены человека. Однако на самом деле все не совсем так.
На счету Марка Келли несколько полетов в космос, последний – в 2011-м. Он был командиром шаттла Endeavour и предполагалось, что в феврале он встретит на МКС своего брата-близнеца Скотта, который отправился на орбиту на борту корабля "Союз ТМА-01М". Однако старт Endeavour перенесли, и братья разминулись – Марк вернулся на Землю до того, как Скотт добрался до МКС. В том же 2011-м Марк Келли завершил карьеру: его жену-конгрессмена Габриэль Гиффордс тяжело ранили во время встречи с избирателями, так что астронавт решил выйти на пенсию, чтобы быть с семьей. Скотт же продолжил карьеру – в марте 2015-го он отправился в новую миссию, в ходе которой установил сразу два рекорда США: 340 дней за один полет и общий налет 520 суток 10 часок 31 минута 55 секунд (за четыре полета).
Одной из целей такой длительной миссии стало изучение того, как человеческий организм реагирует на пребывание в глубоком космосе. Поскольку у Скотта есть однояйцевый близнец Марк, найти изменения было проще. После завершения полета многие издания написали, что миссия активизировала "космические гены" Келли: якобы около 7% его генов после возвращения из полета так и не вернулись в прежнее состояние. Так что Скотт и Марк больше не идентичные близнецы. Однако специалисты NASA отмечают: изменились не гены, а то, как они себя вели.
Космические мутанты
В NASA решили провести на близнецах 10 экспериментов. Помимо того, что в рамках специальной программы Human Research Program агентство проводит исследования влияния пребывания в космосе на здоровье человека, миссия с участием близнецов должна была изучить малейшие изменения, которые могут появиться у человека в ходе длительного полета.
Ученые считают, что даже микроскопические изменения могут иметь серьезное влияние на здоровье астронавтов, а это очень важно в свете возможных полетов на Марс, а также длительного пребывания на космических станциях.
Исследования разделили на четыре категории: физиология, поведение, изменение микробиома (микроорганизмов, населяющих человеческое тело) и изменения на молекулярном уровне, включая модификации ДНК. Ученые выясняли, как работают одни и те же гены (независимо от того, включены они или нет) в космосе и на Земле. Будет ли меняться генетический материал под влиянием космической радиации, состояния невесомости или пребывания в замкнутом пространстве станции? Как эти ситуации повлияют на синтез белка в теле космонавта? Эти исследования должны были помочь ученым понять взаимосвязь между врожденным и приобретенным.
Публикацию результатов исследования разделили на три этапа. Первую порцию NASA опубликовала в прошлом году. Сравнив большое количество метаболитов, цитокинов и других белков, ученые выяснили, что для организма человека полет в космос связан со стрессом из-за снижения содержания кислорода, увеличения количества воспалительных процессов и значительных изменений в питании, которые влияют на экспрессию генов (процесс, в ходе которого наследственная информация преобразуется в РНК или белок).
Кроме того, выяснилось, что теломеры у Скотта оказались длиннее, чем у его брата Марка, оставшегося на Земле. Теломеры — концевые участки хромосом, своеобразные чашечки. Считается, что теломеры защищают ДНК в процессе клеточного деления. Между тем сами теломеры в ходе этого процесса сокращаются. Проще говоря, чем человек старше, тем короче теломеры. Впрочем, они могут сокращаться и под влиянием образа жизни – у людей одного возраста клетки могут быть моложе, чем положено по паспорту, или старше. В ходе исследования изменений, которые произошли в теле Скотта Келли за год пребывания в космосе, оказалось, что космос не старит, как считалось ранее, а, наоборот, омолаживает.
После возвращения на Землю Скотт начал заново привыкать к земной гравитации. Большинство биологических изменений, которые произошли с ним в космосе, довольно быстро исчезли – некоторые на протяжении нескольких часов или дней после прилета. Некоторые продержались около полугода. Так, например, во время пребывания на борту МКС Скотт "подрос" на 5 см, но после возвращения на Землю его рост вновь стал таким же, как и до полета.
В январе 2018-го NASA опубликовала очередной фрагмент исследования, речь в котором шла об изменении экспрессии генов Скотта Келли во время пребывания на МКС. Именно вокруг этих данных и разгорелась буря в медиа. Падкие на сенсации СМИ моментально известили читателей, что пребывание в космосе меняет ДНК человека. Так что в космос улетел брат-близнец Марка, а вернулся уже не близнец – около 7% генов Скотта претерпели изменения.
Однако на самом деле ничего такого не произошло. NASA даже пришлось делать официальное заявление о том, что Марк и Скотт остаются близнецами. Ученые говорят, что ДНК Скотта значительно не изменилась, дело в экспрессии генов, то есть в реакции организма на окружающую среду.
На заре развития генетики считалось, что гены отвечают буквально за все: не только за цвет глаз, но и за процессы метаболизма, склонность к определенным болезням и даже продолжительность жизни. Окружающая среда тоже влияла на жизнь человека, но ее роль была далеко не первостепенной. Однако современные исследования доказывают, что гены лишь на 20% определяют то, как функционирует человеческий организм, остальное зависит от рациона и окружающей среды. Исследованием такого рода влияний занимается эпигенетика.
Эксперимент NASA показал различия в экспрессии генов у Скотта и Марка. Эти изменения могут указывать на "космические гены" – те, на функции которых влияет пребывание за пределами Земли. Между тем для подобных мутаций вовсе не обязательно становиться космонавтом. Похожие изменения в экспрессии генов наблюдаются, к примеру, у альпинистов и подводников. К тому же длительные изменения в экспрессии генов в ходе эксперимента NASA коснулись лишь 7% генов, в первую очередь связанных с иммунной системой, восстановлением ДНК, формированием костей и реакцией на нехватку кислорода. Экспрессия остальных 93% генов не изменилась либо же быстро пришла к норме по возвращении на Землю.
Также оказалось, что продление космических миссий с традиционных полугодичных до годичных не привело к значительному снижению когнитивных способностей Скотта по сравнению с его братом-близнецом Марком. Интересно, что временный "интеллектуальный упадок" проявился у Скотта уже после завершения полета, вероятно, из-за повторной адаптации тела к дневному свету и гравитации Земли, а также, возможно, из-за жесткого графика, к которому Скотту пришлось привыкать после завершения миссии.
"Ни одни близнецы на 100% не идентичны", – напоминают в NASA. Эксперты подчеркивают, что со временем близнецы становятся все более разными – у каждого человеческого организма свой уникальный жизненный опыт, связанный с окружающей средой, рационом, уровнем стресса и т. д. Финальный отчет об исследованиях космических близнецов в NASA обещают обнародовать в конце года.
Зачем нужны эксперименты
Изучение изменений, которые могут произойти с человеческим телом во время длительного пребывания в космосе, – один из этапов подготовки к продолжительным космическим миссия, в частности, полетам на Марс. Так, NASA планирует отправить людей на Красную планету в 30-х годах. По предварительным данным, полет будет продолжаться около трех лет. Поэтому ученые и выясняют, насколько изменится человек за это время в условиях глубокого космоса.
Так, ученые уже знают, почему космонавты на орбите "растут", – в условиях невесомости жидкости заполняют большие пространства между позвонками и позвоночник удлиняется. Из-за отсутствия гравитации астронавты также сталкиваются с изменением структуры мышц. Согласно исследованию, проведенному на МКС, миссия продолжительностью от четырех до шести месяцев вызывает максимальные потери мышечной деятельности на 30% и максимальные потери мышечной массы на 15%.
Одно из важных направлений исследований – возможность оплодотворения и вынашивания беременности в космосе. В NASA эту тему комментируют не очень охотно, но еще в 2008-м были проведены испытания 2Suit – специального костюма, предназначенного для занятий сексом в космосе.
Читайте также: Секс-миссия на Марс. Почему мужчинам потребуется помощь
Впрочем, сегодня перед исследователями стоит еще одна важная задача – нейтрализация высокого уровня космической радиации. Так, приборы на борту орбитальной миссии "ЭкзоМарс" помогли ученым выяснить, что астронавты смогут совершить к Марсу лишь один полет. Астронавт, путешествующий примерно год к Марсу, получит около 0,7 зиверта ионизирующего излучения (порядка 73 рентген). Это больше половины от максимальной дозы радиации, допустимой для астронавтов за всю карьеру.
