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

Молекулярный состав крови Скотта имел некоторые особенности. Количество митохондрий, которые обычно находятся внутри клеток и отвечают за клеточное дыхание (т. е. буквально обеспечивают поступление в клетки кислорода и энергии), достигло в крови пиковых значений, когда Скотт оказался в космосе. У здорового человека примерно 500 экземпляров митохондриальной ДНК (мтДНК) на миллилитр крови, а у Скотта этот уровень достигал 6500 экземпляров на миллилитр, по данным докторов Киити Накахиры и Агустина Чхоя. Затем мы совместно со Стейси Хорнер и Нанданом Гокхале из Университета Дьюка исследовали РНК в крови и также выявили многочисленные следы митохондрий.

Это был совершенно новый показатель стресса, зафиксированный у астронавтов, однако такие уровни уже наблюдались в других контекстах. В Колумбийском университете в Нью-Йорке есть лаборатории, в которых изучаются экстремальные перепады в количестве митохондрий и даже митохондриальная психобиология (см. работу докторов Андреа Баккарелли и Мартина Пикара). Эти лаборатории рассматривали изменения концентрации мтДНК в крови у людей на Земле в стрессовых ситуациях. В частности, проводились исследования биоматериала людей, которым приходилось выступать с лекцией перед незнакомой аудиторией. После таких выступлений в крови испытуемых наблюдался всплеск мтДНК. Следовательно, есть убедительные доказательства, что уровень мтДНК может повышаться после общего стресса, например в результате тревоги во время публичных выступлений, а также в других ситуациях, субъективно воспринимаемых как опасность.

Но почему человеческие клетки наращивают производство своих энергетических станций или извергают их? Чтобы выяснить это, проводились и другие исследования, проливающие свет на то, что происходит с организмом после годичного пребывания в космосе. В 2018 г. вышла статья (см. Ингелссон и др.), показавшая, что белые кровяные тельца (лимфоциты) могут извергать свою мтДНК, подогревая таким образом иммунную систему. Эти «сети ДНК» словно предупреждают другие иммунные клетки, что нужно готовиться к борьбе с инфекцией или клеточной угрозой. По-видимому, в космосе эти «сети» работают столь же успешно, как и на Земле. Наши исследования и работа Афшина Бехешти из NASA позволили наблюдать обусловленное стрессом умножение мтДНК в крови у многих астронавтов, а также различные сигнатуры РНК, связанные с пребыванием в космосе (в том числе мелкие РНК-цепочки, именуемые микроРНК). Все эти изменения – со стороны теломер, изменений в экспрессии генов, гипоксии из-за накопления выдыхаемого углекислого газа прямо под носом, иммунного стресса, митохондриальной ДНК и воспаления – происходят быстро и выглядят как стремительный ответ организма на космический полет. Остается надеяться, что впоследствии все вернется в норму.

Возвращение на Землю

К счастью, почти по всем показателям, связанным с реакцией на длительный космический полет, организм отличается пластичностью и приспосабливаемостью. Скотт действительно подрос примерно на 5 см, но это было связано лишь с тем, что его позвоночник долго не испытывал притяжения Земли. Уже через несколько часов после возвращения на Землю нормальный рост восстановился. Кроме того, в течение первых 48 ч теломеры Скотта приобрели обычную длину, большинство физиологических маркеров и показателей крови также вернулись в нормальный диапазон. Что касается экспрессии генов, то 91 % изменений, произошедших за время пребывания в космосе, также сгладились до нормальных значений в течение полугода.

Следует отметить, что к нормальным уровням вернулась экспрессия у большинства генов в организме Скотта, но не у всех. В некоторых из них сохранялось «молекулярное эхо» пребывания в космосе: гены продолжали активно ремонтировать ДНК и укреплять ее стабильность. Эти данные согласовывались с другими, которые мы наблюдали, проверяя на «поломки» и изъяны хромосомы Скотта. Даже после возвращения на Землю у него сохранялись следы низкоуровневых инверсий и транслокации – постоянно залечиваемые повреждения хромосом, исправляемые на генетическом уровне и приводящие к замене старых клеток на новые.

Даже шесть месяцев спустя экспрессия некоторых генов оставалась нарушенной – адаптация продолжалась, и эти нарушения мы рассмотрим далее в книге, когда дойдем до долгосрочных планов на генную инженерию. Данные по экспрессии генов показали, как организм адаптируется к пребыванию в космосе и в каких аспектах не удается добиться полного возвращения к норме. Это согласуется с тем, что говорил сам Скотт: по его словам, он не мог «прийти в норму» и через семь-восемь месяцев после возвращения на Землю. Работа доктора Маттиаса Баснера также показала, что когнитивные способности Скотта и точность его движений после полета ухудшились. Мы в рамках собственного исследования, проведенного совместно с Дэвидом Лайденом в Корнеллском университете, обнаружили в крови такие белки, которые в норме должны быть только в мозге. Эта находка коррелировала с изменениями в генах, которые кодируют эти белки, и указывала на изменения в гематоэнцефалическом барьере. В целом такие молекулярные изменения подсказывают, работу каких генов потребуется ускорить, замедлить или изменить каким-то другим образом, чтобы смягчить реакцию на космический полет.

Другие биологические показатели, которые также могут быть нарушены, выводятся по изменениям показателей, связанных с цитокинами, в частности с воспалительными маркерами. Некоторые маркеры воспаления, например интерлейкин-6, в день посадки были повышены в тысячи раз, а в последующие двое суток некоторые из них еще возросли. Анализы крови демонстрировали явный всплеск воспалительных цитокинов – для капитана Келли это было весьма болезненно, и, скорее всего, именно из-за этих белков он покрылся сыпью. Эти данные подтверждаются результатами из работ докторов Теджаса Мишры и Майкла Снайдера из Стэнфорда. При рассмотрении маркеров в совокупности большинство их функций указывало на регенерацию мышц. Короче говоря, Скотту было больно заново привыкать к работе мышц, так как его тело проходило обширную перестройку, а кровь на молекулярном уровне реагировала на этот затратный физиологический процесс. Она словно кричала: «Черт, опять эта гравитация! Опять мускулами ворочать!»

При всей болезненности возвращения на Землю с орбиты следует отметить, что с Марсом все должно быть гораздо легче – ведь там гравитация равна 38 % земной. Учитывая эту разницу, соответствующие «чертыхания организма» могут составить всего 38 % от тех, что мы наблюдали, а адаптироваться после посадки на Марс также будет гораздо легче. Это позволяет предположить, что человек вполне способен перенести и перелет до Марса, и последующую посадку, чтобы затем начать обживать новый мир в рыжеватых тонах.

Экспедиции будущего

При описании исследования близнецов необходимо учитывать, что в нем участвовали всего два человека, которые развились из одного эмбриона, причем долгое время в космосе провел только один из них. Поэтому экстраполировать эти результаты на других людей можно только в определенных пределах. Более того, на МКС человек не покидает земной магнитосферы, которая простирается примерно на 65 000 км и на орбите МКС все равно служит астронавтам защитным экраном. Чтобы представить масштаб проблем, ожидающих экспедицию на Марс, можно прикинуть ожидаемую дозу радиации, которую космонавты получат по пути: она составляет около 300 миллизивертов (мЗв). А при полете туда и обратно, который займет около 30 месяцев, доза облучения составит примерно 1000 мЗв (рис. 1.3). Суммарно это более чем в шесть раз превышает дозу, полученную Скоттом за весь полет. Хотя такая радиация небезопасна, от нее можно защититься, о чем мы поговорим в следующих главах.

Рис. 1.3. Уровни облучения при разных параметрах экспедиции: оценочные и фактические показатели для различных миссий в мЗв

Действительно, ни к чему идти на риск, связанный с таким облучением, не попытавшись как следует защититься. Помимо физической защиты астронавтов существует еще механизм биологической защиты, который пока не применялся в космосе, но уже опробован на Земле у пациентов в разных состояниях, – это генная инженерия.

Генетическая защита

Необходимо учитывать явные риски долгосрочных экспедиций на другие планеты (например, на Марс), а также вызовы, связанные с экспедициями более отдаленного будущего (например, с межзвездными полетами). При выполнении таких миссий люди окажутся в крайне враждебной среде, подвергнутся гораздо более серьезному облучению, столкнутся с проблемами создания продуктов питания и поддержания нормального метаболизма. Поэтому нам не обойтись без исследования генетических защитных механизмов. Иными словами, если удастся раскрыть секреты жизнестойкости других видов и создать генетические средства защиты, это поможет нам не только выжить,