La NASA ha grandi progetti per il futuro del volo spaziale umano. Le proposte dell'agenzia spaziale di inviare missioni a lungo termine con equipaggio sulla luna e, infine, sbarcare gli astronauti su Marte richiederanno significativi progressi nell'hardware dei missili e dei voli spaziali. Ma insieme alle nuove tecnologie, gli scienziati stanno affrontando un'altra domanda cruciale: il corpo umano può sostenersi durante quel tanto tempo nello spazio? Una missione esplorativa su Marte potrebbe richiedere due o tre anni, mentre la maggior parte delle spedizioni spaziali finora è durata sei mesi o meno. Missioni estese oltre l'orbita terrestre potrebbero provocare effetti biologici profondi e potenzialmente pericolosi nei corpi degli astronauti.
Per studiare l'influenza della microgravità, delle radiazioni e del confinamento nel volo spaziale di lunga durata, la NASA ha selezionato i gemelli Scott e Mark Kelly per una missione unica. I due gemelli identici hanno entrambi servito come test pilot della NASA e astronauti, e Scott è stato scelto per una missione di un anno alla Stazione Spaziale Internazionale (ISS), lasciando suo fratello - una copia genetica di se stesso - sulla Terra. I ricercatori hanno usato il marchio terrestre come una sorta di controllo soggetto a paragoni con qualsiasi cambiamento di Scott durante il suo anno nello spazio, che è durato dal 27 marzo 2015 al 1 marzo 2016.
Dieci team di scienziati hanno studiato diversi aspetti della salute e della biologia dei gemelli, dall'espressione genica ai batteri intestinali fino alla cognizione. Oggi, i team hanno pubblicato alcune delle loro ricerche compilate in uno studio interdisciplinare, che sarà pubblicato il 12 aprile sulla rivista Science.
Illustrazione grafica del percorso che la ricerca individuale sui gemelli conduce dalla ricerca all'integrazione a un documento di sintesi a diversi documenti di accompagnamento. (NASA) Con oltre 80 autori, lo studio riunisce e analizza una vasta gamma di dati, raccolti da entrambi i gemelli nel corso della missione annuale più i mesi immediatamente precedenti e successivi. I risultati sono ampi, ma mostrano principalmente che, con alcune notevoli eccezioni, il corpo di Scott è tornato indietro abbastanza rapidamente dopo 340 giorni in condizioni di spazio stressante. La ricerca crea "un ritratto integrato di adattamenti e sfide molecolari, fisiologici e comportamentali per il corpo umano durante un lungo volo spaziale", scrivono gli autori.
Una questione di invecchiamento
Una delle dieci squadre, guidata da Susan Bailey, professore di biologia delle radiazioni e del cancro presso la Colorado State University, si è concentrata sui telomeri, i "tappi" che proteggono le estremità dei filamenti di DNA. Sulla Terra, questi telomeri si esauriscono nel corso della vita di una persona mentre ogni ciclo di replicazione del DNA si consuma.
Quando il team di Bailey ha analizzato i telomeri nei globuli bianchi di Scott, hanno scoperto che la lunghezza media dei telomeri in queste cellule è effettivamente aumentata durante la missione. "Era esattamente l'opposto di quello che avevamo immaginato", afferma Bailey. "Abbiamo proposto che, in effetti, a causa di tutti gli stress e le esposizioni davvero unici a cose come la microgravità, la radiazione spaziale e l'isolamento ... [sembrava] davvero che avrebbero accelerato la perdita di telomeri nello spazio."
Scott Kelly a bordo della Stazione Spaziale Internazionale durante il suo anno nello spazio. (NASA) Una volta che Scott è tornato sulla Terra, il team di Bailey ha osservato che la sua lunghezza media dei telomeri è diminuita per corrispondere approssimativamente ai livelli pre-volo. Nei mesi successivi al volo, tuttavia, un numero maggiore di telomeri andarono persi o ridotti in modo critico. Questo potrebbe essere un dato preoccupante, poiché l'accorciamento e la perdita di telomeri sono associati all'invecchiamento e alla suscettibilità alle malattie legate all'età, inclusi problemi cardiovascolari e cancro.
I ricercatori non sono ancora sicuri di come o perché si siano verificati questi cambiamenti nei telomeri. Il team sperava di analizzare l'attività della telomerasi, un enzima che estende i telomeri ma si spegne nella maggior parte delle cellule del corpo adulto, per vedere se in qualche modo è stato attivato mentre Scott era in volo. Tuttavia, il materiale di cui avevano bisogno era "perso nello spazio", afferma Bailey. I campioni di sangue furono rispediti sulla Terra su un veicolo spaziale Soyuz, ma all'arrivo l'attività della telomerasi era morta, probabilmente a causa dei cambiamenti di temperatura durante il rientro nell'atmosfera terrestre.
Imparare di più sul meccanismo alla base di questi cambiamenti durante e dopo il volo spaziale sarà importante andare avanti, afferma Bailey, non solo per il bene degli astronauti, ma anche perché una comprensione più approfondita dell'invecchiamento sarebbe preziosa per la salute dei "terrestri".
Espressione genica nello spazio
I ricercatori hanno anche studiato il genoma di Scott per vedere se l'espressione genica è cambiata durante il volo, come tende a fare in situazioni stressanti. Un team guidato da Chris Mason, genetista della Weill Cornell Medicine, ha studiato le modificazioni di DNA e RNA che avrebbero segnalato un adattamento epigenetico. Hanno osservato alcuni cambiamenti nel modo in cui i geni sono stati espressi e queste variazioni hanno accelerato negli ultimi sei mesi della missione. Più di sei volte più differenze nelle espressioni geniche spuntate nell'ultima metà rispetto all'inizio del volo.
I risultati sono stati in qualche modo sorprendenti, dice Mason, perché si aspettava che queste differenze rallentassero o si fermassero dopo un periodo iniziale di adattamento al nuovo ambiente. Le trasformazioni genetiche sostenute e in aumento mostrano che il corpo continua a cambiare per lunghi periodi di tempo nello spazio.
Andrew Feinberg, professore e ricercatore medico presso la Johns Hopkins University, e il suo team si sono concentrati su gruppi metilici - marcatori chimici che di solito segnalano cambiamenti nell'espressione genica - e hanno scoperto che la quantità di cambiamento epigenetico era simile per i due fratelli. Nonostante alcune differenze minori, il genoma di Scott si è comportato in un modo "non preoccupante", afferma Feinberg.
Dopo la fine della missione, il 90 percento delle espressioni geniche modificate è tornato alla loro linea di base pre-volo, un buon segno che il corpo può riprendersi dopo una lunga missione, dice Mason. L'altro 10 percento, che comprendeva oltre 800 geni, compresi quelli relativi alla risposta immunitaria e alla riparazione del DNA, era ancora espresso in modo diverso sei mesi dopo il ritorno di Scott. "Sembra, in una certa misura, che un numero sufficiente di cellule nel corpo abbia un ricordo di ciò che è successo e che c'è ancora qualche adattamento e ricalibrazione in corso per tornare sulla Terra", dice Mason.
L'influenza di Spaceflight sulla mente
In un risultato potenzialmente preoccupante, un team che studia cognizione ha scoperto che le prestazioni di Scott in una serie di test cognitivi sono diminuite nel periodo post-volo. Mathias Basner, professore di psichiatria presso l'Università della Pennsylvania, e il suo team hanno progettato una batteria di test cognitivi specializzati per la NASA, una serie di 10 compiti computerizzati per misurare diversi aspetti del pensiero degli astronauti, tra cui il riconoscimento emotivo, l'assunzione di rischi e l'attenzione.
Anche se le misure in volo di Scott erano stabili, la sua "efficienza cognitiva", o la sua velocità e precisione nel completare la batteria di prova, sono diminuite una volta tornato sulla Terra. La diminuzione si è protratta nei sei mesi successivi al suo ritorno.
Mentre Scott non ha mostrato alcun allarmante effetto cognitivo nel corso del volo spaziale annuale, sembra che abbia avuto molti più problemi con i test dopo essere tornato nell'ambiente terrestre rispetto al suo periodo di riadattamento dopo la sua precedente missione di sei mesi da ottobre 2010 a Marzo 2011. I risultati cognitivi potrebbero essere una "bandiera rossa" quando pianificano qualcosa come una missione su Marte, dice Basner, durante la quale gli astronauti dovrebbero svolgere compiti complessi dopo l'atterraggio.
L'astronauta della NASA Scott Kelly (a sinistra), l'ingegnere di volo Expedition 43/44 e il comandante di Expedition 45/46; e il cosmonauta russo Mikhail Kornienko, ingegnere di volo Expedition 43-46 trascorsero entrambi 340 giorni cumulativi nello spazio. (NASA / Bill Stafford) "Lo spazio è un ambiente molto ostile", afferma Basner. "Vogliamo sempre che gli astronauti si esibiscano al meglio, nel senso che, sai, piccoli errori possono tradursi in errori catastrofici - nel peggiore dei casi, in missione fallita e perdita di equipaggiamento e di vite di astronauti".
Anche se probabilmente ci vorrebbe un alto livello di compromissione per influenzare le operazioni condotte da astronauti addestrati, questi cambiamenti cognitivi dovrebbero essere monitorati nelle missioni future, afferma Basner, specialmente dal momento che gli umani hanno una scarsa capacità di valutare il proprio stato cognitivo, tendendo ad accettare il loro attuale condizioni come la "nuova normalità" anche se in realtà sono peggiori di prima.
Il corpo dell'esploratore spaziale
Durante tutto il resto del corpo di Scott, i ricercatori hanno osservato altri cambiamenti relativi al volo spaziale. In uno studio sul microbioma, la comunità di batteri che vivono nell'intestino umano, un team guidato da ricercatori della Northwestern University ha scoperto che le proporzioni di diversi tipi di batteri sono cambiate durante l'anno di Scott nello spazio. La diversità complessiva dei batteri non è diminuita, tuttavia, il che è un buon segno che il microbioma è rimasto sano.
Un team guidato da Brinda Rana, un ricercatore di scienze della salute presso l'Università della California di San Diego, ha scoperto che anche diverse proteine sono cambiate durante il volo spaziale. I campioni di urina dell'epoca di Scott a bordo della ISS contenevano alti livelli di collagene, una proteina strutturale. Osservare questa misura insieme a cambiamenti fisiologici - come quelli osservati nei bulbi oculari e nel sistema vascolare di Scott - potrebbe essere un segno che il corpo si stava ristrutturando, dice Rana. I ricercatori hanno anche osservato livelli elevati di acquaporina 2, una proteina che tende ad essere un marker di disidratazione.
La stragrande maggioranza dei cambiamenti osservati dal team di Rana e altri sono scomparsi una volta che Scott è tornato sulla Terra, tuttavia. "In un certo senso dimostra quanto sia resistente il corpo e quanto sia adattivo il corpo umano a diversi ambienti", afferma Rana. "Un anno nello spazio: il corpo può gestirlo."
Dal momento che la dimensione del campione dello studio Twins della NASA è pressoché minima, i ricercatori hanno sottolineato che non possono generalizzare i loro risultati, né potrebbero dimostrare un nesso causale diretto tra il volo spaziale e le loro osservazioni. Tuttavia, il loro lavoro, nonostante lo scopo intrinsecamente limitato, fornisce alla NASA alcuni indizi su dove potrebbero vedere i cambiamenti biologici durante il volo spaziale: una "preziosa tabella di marcia", dice lo studio, ai possibili rischi di viaggi più lunghi nel nostro sistema solare.
Lavorare su questo studio è stato come essere un primo cartografo, afferma Feinberg. Lui e altri investigatori hanno cercato di capire, a grandi linee, quali cambiamenti si verificano nel corpo durante il volo spaziale, creando una forma generale e lasciando spazio a ricerche future per riempire i dettagli.
La NASA ha già in programma di continuare a compilare questa mappa del corpo umano. Bailey e altri ricercatori continueranno con un altro progetto a lungo termine che monitorerà “dieci astronauti in missione di un anno, dieci in missione di sei mesi e dieci in viaggio da due a tre mesi alla volta. I dati sanitari saranno confrontati con le persone sul terreno che sono isolate per gli stessi periodi di tempo ", secondo un comunicato stampa della Colorado State University. Altri scienziati stanno andando avanti con progetti analogici sulla Terra, tra cui Rana, che sta studiando misure di soggetti su poggiatesta a lungo termine che imitano le condizioni di gravità zero.
Sebbene ci sia ancora molto lavoro da fare, la NASA ora ha una struttura per il tipo di collaborazione multidisciplinare che probabilmente continuerà negli studi futuri, afferma Basner. Per quanto riguarda Scott Kelly, è pronto a partecipare per il lungo raggio.
"A volte le domande che la scienza pone ricevono risposta da altre domande e continuerò a fare i test una volta all'anno per il resto della mia vita", ha scritto nel suo libro del 2017, Endurance: My Year in Space, A Lifetime of Discovery . “Questo non mi disturba particolarmente. Ne vale la pena contribuire al progresso della conoscenza umana. "
