NASAは、人間の宇宙飛行の将来に大きな計画を持っています。 長期にわたる乗組員のミッションを月に送り、最終的には火星の陸上宇宙飛行士を派遣するという宇宙機関の提案は、ロケットと宇宙飛行ハードウェアの大幅な進歩を必要とします。 しかし、新しい技術とともに、科学者たちは別の重要な質問に取り組んでいます：人体は宇宙でそれだけの時間を自分自身で支えられるのでしょうか？ 探査火星ミッションには2〜3年かかりますが、これまでの宇宙探検のほとんどは6か月以内でした。 地球軌道を超えて拡張されたミッションは、宇宙飛行士の身体に重大な、潜在的に危険な生物学的影響をもたらす可能性があります。
長期の宇宙飛行における微小重力、放射、閉じ込めの影響を研究するために、NASAはユニークなミッションのために双子のスコットとマークケリーを選択しました。 2人の同一双生児は両方ともNASAのテストパイロットと宇宙飛行士を務め、スコットは国際宇宙ステーション（ISS）への1年間のミッションに選ばれ、彼の兄弟（自分自身の遺伝子コピー）を地球に残しました。 研究者は、地球に縛られたマークを一種の統制対象として使用して、2015年3月27日から2016年3月1日までの宇宙での1年間のスコットの変化と比較しました。
科学者の10チームは、遺伝子発現から腸内細菌、認識まで、双子の健康と生物学のさまざまな側面を研究しました。 本日、チームは学際的な研究でコンパイルされた研究の一部を発表しました。これは4月12日にScience誌に発表されます。
個々のTwins Studyの研究が研究から統合、1つのサマリーペーパー、複数のコンパニオンペーパーに至るまでの経路の図解。 （NASA） 80人以上の著者がいるこの研究では、1年にわたるミッションとその前後の数か月間に両方の双子から収集した幅広いデータをまとめて分析しています。 結果は広大ですが、主に、いくつかの注目すべき例外を除き、スコットの体がストレスの多い宇宙条件で340日後にかなり早く跳ね返ったことを示しています。 この研究は、「宇宙飛行中の人体に対する分子的、生理学的、および行動的適応と挑戦の統合された肖像」を作成している、と著者らは書いている。
老化の問題
コロラド州立大学の放射線および癌生物学の教授であるスーザン・ベイリーが率いる10チームのうちの1つは、DNA鎖の末端を保護する「キャップ」であるテロメアに焦点を合わせました。 地球上では、これらのテロメアは、DNA複製の各ラウンドがそれらを使い果たしていくにつれて、人の一生の間に枯渇します。
ベイリーのチームがスコットの白血球のテロメアを分析したとき、彼らはこれらの細胞の平均テロメア長がミッション中に実際に増加したことを発見しました。 「それは、私たちが想像していたものと正反対でした」とベイリーは言います。 「私たちは、実際、微小重力、宇宙放射線、隔離などのあらゆる本当に独特なストレスと暴露のために、[...]宇宙でのテロメアの損失を加速するように思われることを提案しました。」
スコットケリーは、宇宙での1年間に国際宇宙ステーションに搭乗しました。 （NASA） スコットが地球に戻ると、ベイリーのチームは、彼の平均テロメア長が飛行前のレベルにほぼ一致するように減少したことを観察しました。 しかし、飛行後数ヶ月で、より多くのテロメアが失われるか、著しく短くなりました。 テロメアの短縮と喪失は、心血管の問題や癌を含む加齢に伴う病気の加齢や感受性に関連しているため、これは懸念される発見かもしれません。
研究者は、これらのテロメアの変化がどのように、またはなぜ起こったのか、まだわかりません。 チームは、テロメラーゼを拡張する酵素であるテロメラーゼの活性を分析することを望んでいましたが、ほとんどの成人の体細胞ではオフになり、スコットが飛行中に何らかの形で活性化されるかどうかを確認しました。 しかし、彼らが必要とした素材は「宇宙で失われた」ものでした、とベイリーは言います。 血液サンプルはソユーズ宇宙船で地球に送り返されましたが、テロメラーゼ活性は、おそらく地球の大気圏への再突入中の温度変化の結果として、到着時に死んでいました。
宇宙飛行中および宇宙飛行後のこれらの変化の背後にあるメカニズムについてさらに学ぶことは、前進するために重要であるとベイリーは言います。宇宙飛行士のためだけでなく、加齢のより完全な理解は「地球人」の健康にとって価値があるからです。
宇宙での遺伝子発現
研究者はまた、ストレスの多い状況で行う傾向があるため、飛行中に遺伝子発現が変化するかどうかを調べるためにスコットのゲノムを調査しました。 Weill Cornell Medicineの遺伝学者であるChris Masonが率いるチームは、エピジェネティックな適応を示すDNAおよびRNAの修飾を研究しました。 彼らは遺伝子の発現方法にいくつかの変化を観察し、これらの変動はミッションの最後の6ヶ月で加速しました。 飛行開始時と比較して、後半にかけて遺伝子発現の差が6倍以上になりました。
これらの違いは、新しい環境への最初の適応期間の後に減速または停止すると予想していたため、調査結果はいくぶん驚くべきものでした。 持続的かつ増加する遺伝子変換は、身体が宇宙空間で長期間にわたって変化し続けることを示しています。
ジョンズ・ホプキンス大学の教授兼医学研究者であるアンドリュー・ファインバーグと彼のチームは、メチル基（通常遺伝子発現の変化を知らせる化学マーカー）に注目し、エピジェネティックな変化の量が2人の兄弟で似ていることを発見しました。 わずかな違いはありますが、スコットのゲノムは「気にならない」ように振る舞いました、とファインバーグは言います。
ミッションの終了後、修正された遺伝子発現の90％が飛行前のベースラインに戻りました。これは、長いミッションの後に体が跳ね返ることができる良い兆候です、とメイソンは言います。 免疫反応やDNA修復に関連する遺伝子を含む800を超える遺伝子で構成された他の10パーセントは、スコットが戻ってから6か月後にも異なって発現されていました。 「ある程度は、体内の十分な細胞が何が起こったのかを記憶しているように思われ、地球に戻るための進行中の適応と再調整がまだある」とメイソンは言う。
宇宙飛行の心への影響
潜在的に懸念される結果の1つで、認知を研究しているチームは、一連の認知テストでのスコットのパフォーマンスが飛行後の期間に低下することを発見しました。 ペンシルベニア大学の精神医学教授であるマティアス・バスナーと彼のチームは、NASA向けの特別な認知テストバッテリーを設計しました。
スコットの飛行中の測定値は安定していましたが、彼の「認知効率」、つまりテストバッテリーの完成速度と精度は、地球に戻ると低下しました。 減少は、彼の帰国後6か月にわたって長続きしました。
スコットは1年間の宇宙飛行の過程で驚くべき認知効果を示しませんでしたが、2010年10月からの6か月のミッションの後の再調整期間と比較して、地球の環境に戻った後のテストでより多くの問題を抱えているようでしたバスナー氏によると、火星へのミッションのような計画を立てている場合、宇宙飛行士は着陸後に複雑なタスクを実行する必要があります。
NASAの宇宙飛行士スコット・ケリー（左）、第43/44遠征飛行技師および第45/46遠征司令官。 ロシアの宇宙飛行士ミハイル・コルニエンコ、第43〜46次遠征飛行技師は、宇宙で累積340日を過ごしました。 （NASA /ビルスタッフォード） 「宇宙は非常に敵対的な環境です」とバスナーは言います。 「私たちは、ごく小さな間違いが壊滅的なエラーに、最悪の場合はミッションの失敗や機器や宇宙飛行士の命の損失につながるという意味で、宇宙飛行士に最高のパフォーマンスを期待しています。」
訓練を受けた宇宙飛行士が率いる作業に影響を与えるには高いレベルの障害が必要になる可能性が高いが、これらの認知の変化は将来のミッションで監視する必要がある、とバスナーは言う。実際に以前よりも悪化していても、「新しい正常」としての条件。
スペースエクスプローラーの体
スコットの残りの身体全体を通して、研究者は宇宙飛行に関連する他の変化を観察しました。 腸内に生息する細菌群集であるマイクロバイオームの研究で、ノースウェスタン大学の研究者が率いるチームは、スコットが宇宙で過ごした年にさまざまな種類の細菌の割合が変化することを発見しました。 ただし、細菌の全体的な多様性は低下しませんでした。これは、微生物叢が健全なままであったことを示す良い兆候です。
カリフォルニア大学サンディエゴ校の健康科学研究者であるBrinda Rana率いるチームは、宇宙飛行中にいくつかのタンパク質も変化することを発見しました。 ISSに搭乗したスコットの時代の尿サンプルには、構造タンパク質であるコラーゲンが高レベルで含まれていました。 スコットの眼球や血管系で観察されるような生理学的変化とともにこの測定値を見ると、体が再構築された兆候である可能性がある、とラナは言います。 研究者は、脱水のマーカーとなる傾向のあるタンパク質であるアクアポリン2のレベルの上昇も観察しました。
しかし、スコットが地球に再び着地すると、ラナのチームと他のチームによって観察された変化の大部分は消えました。 「それは、体がどれほど回復力があり、人体がさまざまな環境に適応できるかを示しているだけです」とラナは言います。 「宇宙で1年。体はそれを処理できます。」
NASAのTwins Studyのサンプルサイズはできる限り小さいため、研究者は結果を一般化することはできず、宇宙飛行と観測の間の直接的な因果関係を証明できないと強調しました。 それでも、彼らの仕事は、その本質的に限られた範囲にもかかわらず、NASAが宇宙飛行中に生物学的変化を見るかもしれない場所に関するいくつかの手がかりを与えます-私たちの太陽系へのより長い旅の可能性のあるリスクに対する「貴重なロードマップ」です。
この研究に取り組むことは、初期の地図製作者のようでした、とファインバーグは言います。 彼と他の研究者は、大まかなストロークで、宇宙飛行中に身体にどのような変化が起こるかを理解し、一般的な形状を作成し、詳細を埋めるために将来の研究の余地を残そうとしました。
NASAは、この人体のマップに記入し続ける計画をすでに持っています。 ベイリーと他の研究者は、「1年間のミッションで10人、6ヶ月のミッションで10人、2か月から3か月の旅行で10人の宇宙飛行士」を監視する別の長期プロジェクトを続けます。 コロラド州立大学のプレスリリースによると、健康データは、同じ期間孤立している地上の人々と比較されます。 他の科学者たちは、無重力状態を模倣する長期のベッドレスト上の被験者からの対策を研究しているラナを含む地球上のアナログプロジェクトを進めています。
まだ多くの作業が残っていますが、NASAには現在、将来の研究で継続される可能性が高い種類の学際的なコラボレーションのフレームワークがあります、とバスナーは言います。 スコット・ケリーに関しては、彼は長い間その中にいる用意ができています。
「科学が求める質問に他の質問が答えられることもあります。残りの人生は年に一度テストを続けます」と彼は2017年の本「 Endurance：My Year in Space、A Lifetime of Discovery 」に書いています。 「これは特に気にしません。 人間の知識の向上に貢献することは価値があります。」
