«Как он вообще выжил?» Американец провел на орбите целый год. Последствия полета ужаснули ученых: космос изменил его тело и ДНК

Американский астронавт Скотт Келли провел на космической орбите долгие месяцы. После одного из таких полетов его тело детально исследовали ученые. Результаты повергли их в шок. Оказалось, что космос необратимо изменил ДНК Келли, повлияв на состояние его организма. О том, как поменялась его жизнь после длительного полета, рассказывает книга биолога и генетика Кристофера Мэйсона «Следующие 500 лет: Как подготовить человека к жизни на других планетах». «Лента.ру» с разрешения издательства «Альпина Паблишер» публикует отрывок из этой книги.

Генетика и космонавтика: начало

340 дней к моей коже ничего не прикасалось... а сейчас любое прикосновение обжигает. (Скотт Келли, астронавт)

Мы находились в кольце мониторов, пестрящих молекулярными и генетическими данными, а также всевозможной телеметрией, — и все как один недоумевали и волновались

Дело было морозным декабрьским вечером в Нью-Йорке, заканчивался 2017 год. Мы собрались в генетической лаборатории в медицинском колледже Вейля при Корнеллском университете. Только что был закончен интегрированный анализ всех молекулярных данных (ДНК, РНК, белки, малые молекулы), взятых у капитана Скотта Келли, вернувшегося из самой долгой космической экспедиции в истории NASA. Он провел на орбите почти целый год (340 дней кряду). Долгосрочный космический полет Келли проводился в рамках уникального эксперимента NASA под названием Twins Study, в котором участвовали два астронавта, являющихся однояйцевыми близнецами, — Марк и Скотт Келли. Эксперимент должен был показать отличия состояний человеческого организма до, во время и после годичного космического полета.

Эксперимент выполнялся с участием 10 исследовательских команд со всех уголков США. Наша лаборатория занималась анализом генетических, эпигенетических, микробиологических показателей, а еще мы изучали экспрессию генов. У нас были исчерпывающие молекулярные и генетические данные по результатам того времени, что Скотт провел в космосе, и мы могли сравнивать их с аналогичными данными Марка, остававшегося на Земле.

Перед нами стояли следующие задачи:

1. оценить, что произошло со Скоттом за время столь долгого полета;
2. изучить изменения, чтобы в дальнейшем ориентироваться на них при подготовке пилотируемой экспедиции к Марсу;
3. спланировать, как снизить для других астронавтов те риски, которые будут выявлены.

Было ясно, что организму Скотта пришлось несладко и он был вынужден заново привыкать к вернувшемуся тяготению. Сам Скотт описал пережитые мытарства в книге «Стойкость: Мой год в космосе»*.

Несмотря на желание поскорее попасть в интенсивную терапию, ему была понятна причина таких перемен в организме: еще бы, он ведь только вернулся из космоса! Но иммунитету от этого понимания не легче. Скотт покрылся сыпью, страдал от зуда при прикосновении. Даже обычная одежда казалась ему тяжкой ношей, давящей под действием гравитации и вызывающей раздражение кожи. Мы судили об иммунном ответе по молекулярным показателям его анализов крови. Особенно заметно изменились белки и экспрессия генов (синтез РНК).

Тем не менее все в изумлении глядели на мониторы... Может быть, такая реакция — это нормальная обратная адаптация к тяготению? Не придется ли из-за этого менять планы на экспедицию к Марсу?

Мы провели проверку вместе с доктором Скоттом Смитом из NASA, который руководит отделом по биохимическому анализу состояния астронавтов (как наших близнецов, так и других), и он подтвердил, что все верно.

А также добавил: «Это наивысшие значения, которые я когда-либо видел».

Образцы обрабатывались в двух экземплярах для верности, и наши результаты совпали с расчетными. Хотя воспаление — одна из нормальных реакций организма на стресс, в случае капитана Келли возврат в земную гравитацию спровоцировал небывалый всплеск маркеров.

В частности, после возвращения на Землю у него фиксировались запредельные уровни антагониста рецептора интерлейкина-1 (IL-ra1) — важнейшего естественного противовоспалительного белка.

То же касалось других цитокинов (интерлейкина-6, интерлейкина-10) и C-реактивного белка (CRP). Зашкаливал и цитокин CCL-2 (цитокины — это белки, служащие для передачи сигналов от одних клеток к другим), подтягивающий иммунные клетки к ранам или очагам инфекции.

Мы быстро прошерстили весь массив научной литературы, и в частности медицинские журналы: хотели выяснить, наблюдались ли у кого-нибудь показатели, близкие к этим. В особенности нас интересовал IL-ra1 (у Келли > 10 000 пг/ мкл). Ближайшие значения по IL-ra1, которые нам удалось отыскать, наблюдались у пациентов, только что перенесших инфаркт миокарда (статья 2004 г., Patti и др.). Пиковые значения интерлейкина-10 фиксировались у пациентов, выживших после сепсиса.

Несмотря на дискомфорт, вызванный возвращением на Землю, Скотт почти сразу же отправился в бассейн, а в течение нескольких дней вернулся к нормальной жизни. Однако у него радикально изменился не только уровень этих биомаркеров.

Нам выпал беспрецедентный шанс изучить его организм во всех деталях — от каждого нуклеотида в генетическом коде до клеточных реакций во всем теле, вылившихся в фенотипические изменения. Большинство из этих показателей были новыми и ранее не измерялись даже у астронавтов. Келли был первым из астронавтов, которому составили полный генетический профиль (секвенировали геном), а также проверили другие характеристики. По этим данным мы старались предположить, что же происходит с человеком, прожившим год в космосе.

Ущерб для ДНК

Первым делом мы проверили, как на Скотта повлияла радиация. Жесткое излучение может повреждать ДНК, клетки, белки, а также нарушать работу механизмов, регулирующих функционирование клетки. Галактические космические лучи рождаются в звездах, т. е. за пределами нашей Солнечной системы. Кроме того, есть высокоэнергетические частицы, испускаемые нашим Солнцем. Оба этих потока частиц пронизывали тело Скотта. Подобно микроскопическим пулям, частицы оставляют за собой разрушения. Потоки этих частиц обычно состоят из высокоэнергетических протонов, ядер гелия, а также высокоэнергетических ионов, именуемых HZE-ионами, где H означает «высокий», Z — «атомный номер», а E — «энергия». Вредоносное воздействие таких лучей на организм астронавтов впервые наблюдали в 1969 и 1970 гг., когда Нил Армстронг, слетавший на Луну и обратно, специально обертывал лодыжки фольгой с чувствительным слоем, в котором оставались следы HZE-частиц.

Рисунок на этих детекторах напоминал снимки столкновения атомов в ускорителях частиц. Правда, в данном случае «ускоритель» выстреливал HZE- частицы, а мишенью, к сожалению, было человеческое тело.

Как правило, днем HZE-частицы остаются незамеченными, но, когда на МКС Скотт закрывал глаза, погружаясь в сон, он видел вспышки света, будто у него под веками проносились падающие звезды. Истинной причиной такой волшебной иллюминации были как раз HZE-частицы, бомбардировавшие сетчатку и проходившие прямо через глаза. Вместо колыбельной Скотт мог засыпать под такой прекрасный фейерверк, но расплачиваться за это приходилось сетчаткой, на которой не оставалось живого места*.

Например, мы ожидали, что его теломеры под действием излучения и стресса, сопряженного с космическим полетом, будут рваться и укорачиваться (теломеры — это концевые участки хромосом, которые, как правило, укорачиваются при старении организма). Кроме того, на длину теломер влияет рацион и уровень стресса. По мере исчезновения теломер хромосомы теряют стабильность, что, в свою очередь, активизирует старение на молекулярном уровне. Доктор Сьюзен Бейли как раз занималась этим вопросом, и мы отправили ей в лабораторию часть анализируемой нами ДНК, а также позаимствовали у нее лабораторные образцы — для контроля.

Неожиданные эффекты космического полета

Как ни странно, теломеры у Скотта за время пребывания в космосе удлинились, что полностью противоречило нашим ожиданиям. Мы перепроверили оба контрольных набора ДНК — из лаборатории Бейли и из нашей — и убедились, что теломеры действительно стали длиннее. Наиболее выраженным это явление оказалось в одном из типов иммунных клеток, так называемых T-клетках (преимущественно в T-клетках категории CD4+, также такие изменения прослеживались в клетках категории CD8+). Менее выраженное удлинение теломер наблюдалось в B-клетках (категория CD19+). Поскольку эти результаты подтвердились на множестве реплицированных образцов, вытяжек, в разных лабораториях и с применением разных методов (флуоресцентная гибридизация in situ, ПЦР, нанопоровое секвенирование), мы сочли результаты корректными.

Процесс поддержания теломер обычно коррелирует с потерей веса, а Скотт за время экспедиции похудел примерно на 7% — поскольку условия работы на МКС очень суровые. Помимо прочего, он ежедневно делал зарядку, питался продуктами с улучшенными питательными свойствами, не употреблял алкоголь. Можно сказать, что в космосе у него был более здоровый образ жизни, чем на Земле. Кроме того, с поддержанием теломер связан метаболизм фолиевой кислоты, а уровни фолиевой кислоты в крови Скотта за время полета также выросли. За время экспедиции Скотт подрос на 5 см. Кроме того, в космосе скорость его движения была ближе к скорости света, чем на Земле.

Когда мы обнародовали эти результаты, многим они показались захватывающими, и нас спрашивали: «Так что же, в космосе скрыт источник молодости? Можно ли подрасти и омолодиться, если слетать в космос?» В каком-то смысле — да.

Во-первых, требовалось изолировать все переменные и учесть, а что еще произошло со Скоттом. Взять, например, фактор приближения к скорости света: Скотт во время полета перемещался в среднем со скоростью 7,68 км/c. Это достаточно много, чтобы на человеческом организме начали сказываться эйнштейновские релятивистские эффекты и замедление времени. Чем ближе к скорости света та скорость, с которой движется объект, тем сильнее замедляется время. Для движущегося объекта время течет медленнее, чем для других объектов, находящихся в стационарной системе координат.

<...>

Как следует из этого уравнения, Скотт помолодел примерно на 0,1 сек. относительно всех, кто остался на Земле, в том числе стал моложе своего брата. Скотт родился через 6 мин после Марка, а проведя год в космосе, отыграл у брата еще примерно 0,1 сек.