Следующие 500 лет: Как подготовить человека к жизни на других планетах - Кристофер Мэйсон

на космических станциях и на самом Марсе. Технологии такого рода критически важны для решения проблем, с которыми нам придется столкнуться далеко от Земли. С учетом огромного разнообразия условий хотелось бы иметь возможность просто менять целевую последовательность или систему доставки. Чтобы не везти с собой целую аптеку, где у каждого препарата свое назначение и порядок применения, лучше обзавестись цельной системой с одним модульным компонентом (который можно синтезировать) и адаптировать ее к конкретным потребностям.

Так, планируется развернуть на орбите Марса обитаемую станцию, которая будет называться «Марсианский базовый лагерь». Компания Lockheed Martin намерена реализовать этот проект к 2040 г. Там нас ждут по-настоящему интересные исследования, касающиеся пределов выживаемости человека на других планетах и средств, которые потребуются для такой жизни. Можно было бы перепрограммировать человека на клеточном уровне, подстраивая организм к параметрам новой окружающей среды. Но сначала нужно выяснить, что нас ждет.

Генетическая защита в космосе

Отправившись к Марсу, мы выйдем за пределы радиационных поясов и земной магнитосферы. Эти пояса обеспечивают Земле и всем ее обитателям превосходную защиту от потоков жесткого солнечного и галактического излучения[13]. Этот электромагнитный щит создает непрерывно вращающееся земное ядро, состоящее из расплавленного железа. Магнитосфера отклоняет жесткое излучение, во многом благодаря ей Земля остается обитаемой.

Если прогуляться голышом по поверхности Марса, то вас ждут проблемы, и совсем не юридического характера. Беда в том, что вы обморозитесь и одновременно схватите дозу радиации из-за того, что в настоящее время магнитосфера на Марсе отсутствует[14]. Когда-то у Марса было расплавленное металлическое ядро и магнитный щит (кроме того, в тот период поверхность Марса была весьма многоводной), поэтому и климат там был гораздо мягче. Так что астронавты будут испытывать воздействие жесткого излучения не только во время полета, но и на поверхности Марса. Уровни облучения будут несопоставимыми с теми, которые мы получаем на Земле или во время уже состоявшихся космических полетов (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Уровни облучения и радиационные риски. Примерные дозы радиации, получаемые при экспедициях и процедурах различной длительности. Учитываются медицинские процедуры, пребывание на поверхности разных небесных тел, участие в космических полетах, рекомендуемые предельные дозы для астронавтов, рассчитанные в NASA, а также общие рекомендации, касающиеся естественного земного радиационного фона.

Комиссия по ядерному регулированию США считает, что любая ненулевая доза радиации повышает риск возникновения рака, а это означает, что «безопасного» порога облучения не существует. По мере того как астронавт облучается, разрушения на клеточном уровне накапливаются, поскольку организм не успевает чинить разрывы двойной спирали, перестановки нуклеотидов или мутации. Конечно, сильно поврежденные клетки могут самоуничтожаться ради блага остального организма, однако механизм апоптоза несовершенен и с возрастом все чаще сбоит. Все эти «молекулярные отказы» – клеточные, эпигенетические и генетические изменения и повреждения – в долгосрочной перспективе повышают риск развития сердечно-сосудистых и других заболеваний, в том числе онкологических.

Биологическое воздействие радиации на человека измеряют в зивертах (Зв). Один зиверт (или 1000 мЗв) – это доза, после получения которой на 5,5 % возрастает вероятность онкологического заболевания. Канцерогенность – один из основных рисков, присущих радиации. Воздействие 1 миллигрея (мГр) ионизирующего излучения на организм оказывает биологический эффект, равный 1 мЗв (0,001 Зв). Изучение радиации называется «дозиметрия», и иногда в ней используются другие единицы, в частности рентген (Р, 1 Р = 10 мГр) и рад (поглощенная доза радиации). Прямо скажем, радиологи не страдают от недостатка единиц измерения.

Скотт Келли, находившийся на околоземной орбите высотой 400 км, получал дозу радиации, эквивалентную четырем рентгеновским просвечиваниям грудной клетки в день (во время этой процедуры вы получаете примерно 0,1 мЗв). Соответственно, ежедневно он хватал по 0,43 мЗв. Такая дневная доза облучения гораздо ниже той, что досталась астронавтам «Аполлона» (13–16 мЗв)[15] на пути к Луне и обратно, а также ниже, чем облучение при некоторых рентгеновских исследованиях (например, велоэргометрия с радионуклидной визуализацией дает 49 мЗв). Однако к моменту возвращения на Землю дозиметр Скотта суммарно показывал 146 мЗв, это довольно серьезное облучение. Также важно отметить различие между разовой дозой (рис. 5.2) и радиационным облучением, полученным за долгий срок. Большая доза «залпом» опаснее, чем та же доза, накопленная за долгий срок, поскольку организм успевает восстанавливаться.

Рис. 5.2. Риски от разных разовых доз облучения: вероятные последствия для здоровья

Как показывают эпидемиологические исследования, вероятность смерти из-за рака, вызванного облучением, также зависит от места жительства человека. Чем выше в горах вы живете, тем тоньше атмосфера над головой и, следовательно, слабее защита от космического излучения. Но радиация также может поступать снизу, из грунта и пород, где содержатся уран, радон, торий и другие естественные радиоактивные вещества. Например, средняя естественная доза облучения жителя США составляет около 2,4 мЗв в год, что в четыре раза выше среднемирового уровня (0,6 мЗв). В Скалистых горах радиационный фон втрое выше, чем в среднем по США. Эти дозы невелики по сравнению с облучением в космосе, что видно на примере капитана Скотта Келли. Согласно расчетам Комиссии по ядерному регулированию, в результате продолжавшегося год полета риск онкологического заболевания для Скотта увеличился на 0,58 %.

К счастью, все астронавты NASA получают превосходное медицинское обслуживание, а большинство из них участвует в долгосрочном исследовании здоровья, проводимом для выявления и отслеживания рисков и физиологических изменений. Наши возможности по картированию мутаций и способность понимать, как они могут повлиять на организм, значительно выросли благодаря развитию секвенирования и разнообразных методов, применявшихся, в частности, в рамках Twin Study. Эти соматические мутации могут повлиять на медленно делящиеся клетки, например на гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) и на их клетки-потомки, которые делятся быстрее. Иногда мутации в ГСК дают эволюционное преимущество, и тогда мутантные клетки умножаются в результате «клональной экспансии». Первые свидетельства активности этих мутантных клонов в организме в остальном здоровых людей обнаружил доктор Росс Левин из Мемориального онкологического центра Слоуна–Кеттеринга также работавший в лаборатории Мейсона в 2012 г.

Развивая эту работу в 2018 г., доктора Дуэйн Хассан, Гейл Робоз, Моника Гузман и их коллеги показали, что по таким мутациям можно спрогнозировать развитие рака и сердечно-сосудистых заболеваний примерно за 15 лет до их проявления. Фактически мутантные клетки подобны часовой бомбе: они служат первым из двух факторов, необходимых для развития рака (если придерживаться так называемой двухфакторной гипотезы). Действительно, это новая дисциплина, изучающая медленное накопление клональных мутаций и сопряженные с ними риски. Данный процесс называется «клональный гемопоэз», и он помогает лучше понять механизмы, обусловливающие риски для крови. Такое отслеживание мутационной нагрузки, выявление связанной с ней рисков и проектирование терапевтических вмешательств для применения в случае необходимости – это важнейшие предпосылки для безопасного исследования Марса и других планет. Все мы в той или иной степени мутанты. Вопрос лишь в том, какими мутантными признаками мы обладаем и на какой планете живем.

Такое медленное и неотвратимое движение к молекулярному разладу и бесконечному накоплению мутаций может казаться приговором, но все не так безнадежно. Рано или поздно мы научимся не только отслеживать этот процесс, но и вмешиваться в него по мере необходимости. Более того, накапливается все больше доказательств, что данный процесс можно замедлить или даже остановить. Яннис Айфантис из Нью-Йоркского университета и Омар Абдель-Вахаб из Мемориального онкологического центра Слоуна–Кеттеринга изучали этот процесс на мышах и показали, что витамин C позволяет снизить долю мутантных клеток в крови (этот показатель называют частотой вариантных аллелей, или VAF). Согласно их данным, профилактическая терапия позволяет снизить, а потенциально даже исключить риск лейкемии и сердечно-сосудистых заболеваний.

Интересно, что при анализе очищенных клеточных фракций Скотта Келли во время его космической экспедиции в них удалось обнаружить клоны с мутациями в гене TET2. Общий показатель VAF для мутантных клонов снизился, поэтому после годичного космического полета кровь Келли словно «помолодела». Это неудивительно, учитывая стабильность его «эпигенетического возраста» и удлинение теломер, о чем мы говорили ранее. Правда, когда мы вновь проанализировали