Kelly na orbicie, Kelly na Ziemi

Mark i Scott Kelly są jedynymi astronautami bliźniakami. Obaj wielokrotnie brali udział w lotach wahadłowców i misjach na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Obaj wezmą udział w unikalnym eksperymencie; jeden z nich – Scott – począwszy od marca roku 2015 r., spędzi rok na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, drugi pozostanie na Ziemi i będzie prowadził normalne życie mieszkańca stanu Arizona. Obaj zaś będą pod stałą obserwacją sztabu specjalistów. Naukowcy z NASA będą mieli niepowtarzalną okazję oceny stanu fizycznego i psychicznego obu braci.

Trudna równowaga

Początkowo eksperyment miał obejmować jedynie długoterminowy pobyt na orbicie. Scott Kelly został wybrany do udziału w pierwszej rocznej misji – dwukrotnie dłuższej niż dotychczas – na pokładzie stacji orbitalnej jeszcze w ubiegłym roku. Razem ze Scottem Kellym na stacji ma przebywać kosmonauta Michaił Kornienko – rosyjski weteran lotów kosmicznych wybrany przez rosyjską agencję Roskosmos. Obaj powrócą na Ziemię wiosną 2016 roku na pokładzie rosyjskiego statku Sojuz.

Kilkanaście dni temu NASA ogłosiła rozszerzenie eksperymentu: przez cały czas trwania misji monitorowany będzie również stan zdrowia Marka Kelly'ego na Ziemi.

Mark karierę astronauty zakończył jako dowódca misji STS-134. Był to ostatni lot promu „Endeavour". Kilkanaście tygodni przed planowanym startem jego żona Gabrielle Giffords, parlamentarzystka, została postrzelona przez zamachowca w Arizonie. Mark jeszcze przed tą misją rozważał decyzję o rezygnacji. Ostatecznie pod koniec 2011 roku rozstał się z NASA.

Naukowcy mają nadzieję, że bliźniacy Kelly pomogą naukowcom w zrozumieniu podstawowych zmian w organizmie człowieka podczas lotów kosmicznych. Ewolucja nie przystosowała człowieka do życia w przestrzeni kosmicznej, toteż funkcjonowanie na stacji przy prawie zerowej grawitacji przysparza sporo kłopotów. Nie licząc poważniejszych konsekwencji dla zdrowia.

Medycyna rejestruje je od ponad pół wieku, od kiedy ludzie zaczęli latać w kosmos. Astronauci mają trudności z utrzymaniem równowagi, odczuwają skutki braku snu. Mają problemy z układem sercowo-naczyniowym, zmagają się ze wzdęciami i zawrotami głowy. Muszą zmagać się ze zmniejszoną gęstością kości, utratą masy mięśni, a nawet z zaburzeniami widzenia.

Ostatnie badania NASA prowadzone m.in. przez dr. Sharmila Bhattacharya, biologa z NASA Ames Research Center NASA, do tego katalogu przypadłości każą dorzucić także upośledzenie układu odpornościowego.

Wyniki badań pozwolą sprawdzić, jakim zmianom ulega genom człowieka w przestrzeni kosmicznej

Do wiosny 2014 r. NASA wraz ze specjalistami rosyjskimi realizuje program ćwiczeń i diety na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Naukowcy sprawdzają, jak i czy w ogóle dieta i treningi są w stanie pomóc w zwalczaniu skutków stanu nieważkości.

Co się dzieje z DNA

Na pomysł skonfrontowania stanu dwóch osób o prawie identycznym materiale genetycznym przebywających przez rok w innych warunkach wpadł sam Scott Kelly.

– Kiedy omawialiśmy plany ze Scottem, w pewnym momencie zaproponował rozszerzenie obserwacji o brata bliźniaka – powiedział dr John Charles, główny naukowiec Programu Badań Człowieka (HRP) prowadzonego przez NASA. Rada programu szybko podchwyciła ten pomysł.

To nie pierwszy raz, kiedy NASA próbowała prowadzić badania nad bliźniakami. Nigdy dotąd jednak nie udało się przeprowadzić ich w warunkach stacji kosmicznej. Prof. Alan Hargens z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego prowadził badania z grupą 15 par bliźniaków. Przez miesiąc uczestnicy badania leżeli w pochylonych łóżkach z głową w dół. Taka pozycja w połączeniu z brakiem aktywności miała symulować efekt nieważkości.

U badanych naukowcy zauważyli mniejszą aktywność układu sercowo-naczyniowego i utratę masy kości i mięśni podobne do obserwowanego u astronautów. Jeden z każdej pary bliźniaków został poproszony o regularne wykonywanie ćwiczeń fizycznych w pozycji leżącej, a drugi pozostał nieruchomy. Naukowcy przekonali się, że trening może spowolnić niekorzystne zmiany u pacjentów.

Wstępne plany badania bliźniaków Kellych zakładają pobieranie próbek krwi i śliny Scotta w regularnych odstępach czasu przed, w trakcie i po zakończeniu misji na stacji orbitalnej. Takie same próbki naukowcy pobiorą od Marka. Badacze będą monitorowali także ich sen oraz stan układu sercowo-naczyniowego. Będą również mierzyć stan kości obu bliźniaków przed misją i po jej zakończeniu.

Te podstawowe badania na pokładzie stacji kosmicznej pomogą określić długoterminowe efekty lotów kosmicznych na ludzi.

Ale naukowcy chcą skupić się na analizie skutków przebywania człowieka w kosmosie na poziomie molekularnym. Badania będą obejmować śledzenie cząsteczek chemicznych we krwi, ślinie, moczu, a nawet stolcu astronautów. Na te zmiany wpływają dieta, stres, stan nieważkości i inne czynniki, na jakie wystawieni są ludzie podczas lotów kosmicznych.

Jednym z najbardziej obiecujących aspektów eksperymentu z bliźniakami w kosmosie może być zbadanie działania środowiska stacji orbitalnej na ludzkie DNA.

– Rewolucja genetyczna dosięgnęła nauki kosmicznej – twierdzi dr Charles. – Jest to niepowtarzalna okazja. Jesteśmy otwarci na wszelkiego rodzaju pomysły. Oczekujemy poważnych sugestii.

Muszki i ludzie

Eksperymenty, które miały wyjaśnić, jak zachowywały się ludzkie geny, były już prowadzone w kosmosie. W 1999 roku, na przykład, naukowcy na pokładzie wahadłowca prowadzili hodowlę ludzkich komórek nerek.

– Okazało się, że ponad tysiąc genów zachowywało się inaczej niż na Ziemi – powiedziała prof. Kate Beckingham z Rice University. – Między innymi produkowane były dodatkowe receptory witaminy D. Nadwyżka tych receptorów może zmniejszyć ryzyko raka prostaty u mężczyzn. Być może to jest korzyść z lotów kosmicznych.

Inne zmiany zanotowane przez naukowców były już mniej pozytywne. Komórki układu odpornościowego astronautów nie atakują bakterii tak zaciekle jak na Ziemi. Jeśli człowiek zachoruje w przestrzeni, trudniej będzie dochodził do zdrowia.

– To obniżenie odporności, jak również osłabienie kości bez wielu ćwiczeń, zanik mięśni podczas długich podróży – wszystkie te zmiany zakorzenione są w ekspresji genetycznej – twierdzi prof. Beckingham.

To, że podróże kosmiczne wpływają na geny, nie budzi kontrowersji, ale naukowcy chcą wiedzieć, jak dokładnie minimalna grawitacja wpływa na poszczególne geny. Stąd pomysł wysłania na stację orbitalną... muszek owocowych.

– Genetycznie rzecz biorąc, muszki owocowe i ludzie są zaskakująco podobni – wyjaśnia dr Sharmila Bhattacharya.

Około 61 proc. znanych ludzkich genów, które odpowiadają za choroby, dało się rozpoznawać w kodzie genetycznym muszek owocowych.

Dlatego owady Drosophila mogą być dobrym substytutem badań na ludziach. Rozmnażają się na tyle szybko, że w krótkim czasie może być badanych wiele pokoleń, a ich genom został całkowicie rozszyfrowany. Są używane jako model w badaniach wielu genetycznych chorób człowieka, w tym parkinsona i huntingtona.

Na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej w latach 2006–2008 prowadzony był eksperyment „Drosophila Behavior and Gene Expression in Microgravity". Naukowcy nadal badają pokolenia owadów, które wyrosły w kosmosie i zamrożone powróciły na Ziemię. Badacze chcą określić wpływ podróży kosmicznych na geny – przynajmniej te wspólne zarówno dla muszek, jak i człowieka.