Как проверить внутричерепное давление в космосе? Для начала надо взять образцы крови, слюны и мочи, потом сделать УЗИ сосудов сердца, шеи, головы и глаз, приставляя сканирующее устройство к черным точкам, нанесенным на ваше тело перед вылетом с Земли.
Затем вы забираетесь в русский прибор «Чибис». Это такие твердые штаны из резины с рифленой поверхностью, пояс у которых герметичен. Там создается отрицательное давление, имитирующее земную гравитацию, которая притягивает в нижнюю часть тела кровь, слизистые выделения, воду в клетках, а также церебральные и лимфатические жидкости из головного мозга.
В космосе жидкости не уходят из организма, и поэтому лица у астронавтов красные и опухшие. Они жалуются на прилив крови и шум в ушах. Есть и более серьезные последствия: 40% живших на Международной космической станции астронавтов страдают от тех или иных глазных заболеваний, в том числе, от отека диска зрительного нерва, от уплощения глазного яблока и от складок в сосудистой оболочке глаза, как называют наполненный кровью слой между сетчаткой и белочной оболочкой. В НАСА считают, что внутричерепное давление является возможным объяснением так называемого нейроокулярного синдрома, возникающего в космических полетах. Там придумали тест для измерения количества жидкости, приливающей к голове и глазам астронавта.
Носить «Чибис» довольно неудобно и неприятно. Один российский космонавт даже потерял сознание, когда у него снизилась частота сердечных сокращений. Товарищи подумали, что у него инфаркт. В другой раз космонавт, регулировавший установки «Чибиса», слишком сильно понизил давление, и у его напарника-астронавта возникло ощущение, что из него «вытягивают кишки самым пренеприятнейшим способом».
Но если все пойдет нормально, вы погуляете в «Чибисе» несколько часов и сделаете несколько снимков УЗИ. Проверите кровяное давление. Измерите количество ушной жидкости вставляемым в ухо прибором, проверите внутриглазное давление с помощью датчика. Вы сможете просканировать глазное яблоко лазером, чтобы увидеть хороидальные складки и утолщение зрительного нерва.
Эксперимент с «перемещением жидкостей» проводил астронавт Скотт Келли, работая на МКС с 27 марта 2015 года по 1 марта 2016 года. Это был самый продолжительный космический полет, совершенный американцами. В это же самое время его брат-близнец и тоже астронавт Марк проверял свое внутричерепное давление на Земле.
За 25 месяцев братья провели целую серию параллельных умственных и физических проверок. Скотту сделали люмбальную пункцию до, во время и после полета. Всего у братьев было собрано 317 проб кала, мочи и крови, которые были проанализированы на предмет эпигеномных, метаболомических, транскриптомных, протеомных и микробиомных изменений. Все это НАСА делала впервые, поскольку до этого космическое агентство ни разу не брало современные биологические анализы у астронавтов, тем более, у близнецов.
За этим исследованием стоит простая логика. Поскольку у близнецов одинаковый набор хромосом, то сравнивая изменения у двух братьев, находящихся в космосе и на Земле, можно получить новые представления о последствиях длительного космического полета для здоровья человека. Самые серьезные изменения были в экспрессии генов и в ДНК.
Результаты были опубликованы сегодня в журнале «Сайнс», и они расширяют наши представления о том, что происходит с организмом человека за год пребывания в космосе. «Исследование близнецов под названием «Многоаспектный анализ годичного полета человека в космос» стал триумфом междисциплинарной науки. В одном из обзоров его назвали «титаническим исследованием», потому что в нем принял участие десяток различных университетских коллективов со всей страны и 82 автора.
Ведущий автор статьи в «Сайнс» Франсин Гарнетт-Бакельман (Francine Garnett-Bakelman), работающая молекулярным биологом в университете Виргинии, сказала, что достигнут «максимально всесторонний результат на основе имеющихся данных». Но на основополагающий вопрос «Годен ли человек для космоса?» авторы исследования дают неполные и весьма тревожные ответы. Длительные космические полеты опасны; а если исходить из того, что нам известно на сегодня, путешествие на Марс пока еще слишком рискованно.
В космосе побывало более 500 человек, и некоторые изменения в их организмах за месяц или за шесть месяцев полета вполне понятны. Жидкости приливают к голове астронавта, у него увеличивается левая сторона сердца. Если астронавт не будет напряженно тренироваться, он потеряет мышечную и костную массу.
Но больше года в космосе пробыли всего четыре человека, и физиологические последствия долговременного космического полета неизвестны. Полет человека на Марс может продлиться три года, а исследование близнецов сухим и лаконичным языком подтверждает следующее: «Генетическая, иммунная система и метаболические функции вызывают особую обеспокоенность из-за космического излучения, ограничений в рационе питания… нарушений суточного биологического ритма и невесомости».
Американское правительство заявило, что американцы вернутся на Луну к 2024 году. Марс будет следующим, в 2033 году, когда появится «низкоэнергетическое стартовое окно». В это время эксцентрическая орбита Красной планеты максимально приблизит ее к Земле. Но если мы хотим осуществлять «исследовательские полеты», как их называет НАСА, нам надо знать гораздо больше.
Поэтому удивляет то, что исследования близнецов проводились не в рамках программы НАСА по изучению человека в космосе. Идею предложил сам Скотт Келли. «Меня инструктировали в рамках подготовки к пресс-конференции, на которой должны были объявить состав экипажа для полета на МКС. Они хотели, чтобы Миша (космонавт Михаил Корниенко, напарник Скотта) и я ознакомились с научной программой и могли отвечать на вопросы о ней. На той встрече я сказал: „Кто-нибудь задаст вопрос о моем брате Марке? Вы, ребята, не собираетесь проводить на нас генетические исследования?" Они сказали, что нет. Но пару недель спустя у меня была еще одна встреча с этими людьми, а они к тому времени поговорили с какими-то университетскими учеными, и те посчитали, что это довольно ценная идея».
Скотт и Марк Келли родились в 1954 году в Ориндже, штат Нью-Джерси. Они единственные астронавты-близнецы в истории НАСА, что по любым меркам является выдающимся фактом. Никто из знавших их в детстве людей даже представить себе не мог, что они станут астронавтами. Разве что детский психолог, специализирующийся на ищущих приключений себе на шею братьях, мог предугадать такую перспективу. Скотт в своей автобиографии рассказывает, что в детстве они с Марком часто шли на «безумный риск». («Мы покупали дрянные лодки без навигационного оборудования и радиостанций, и отправлялись за горизонт подальше от берегов Джерси, причем делали это в любую погоду».) Неизбежным последствием были переломы.
Родители у них были полицейскими и крепко выпивали, причем отец был алкоголиком, склонным к жестокости. Скотт пишет: «Иногда я думаю, что если бы мой отец не был полицейским, он бы стал преступником». То же самое легко можно подумать и о двух братьях: если бы их родители не были полицейскими, они могли бы стать малолетними преступниками и оказаться в заключении.
Оба плохо учились в школе, но Марк успевал лучше, чем Скотт. Обоим все быстро надоедало. Но оба испытывали невероятное желание стать астронавтами. Скотт — потому что влюбился в яркую прозу Томаса Вулфа. «Я хотел стать летчиком ВМС. Я был малообразованным и беспутным 18-летним юношей с ужасными оценками, и ничего не знал о самолетах. Но „Нужная вещь" Вулфа дала мне план на всю жизнь».
В военно-морскую авиацию они попали не сразу. Марк — через службу подготовки офицеров резерва при мореходном училище, а Скотт — через морской колледж Нью-Йоркского университета. Во время учебы выяснилось, что они очень умные инженеры. Теперь, когда у них была цель, они получали отличные оценки по математике. А в ВМС они сажали самолеты на авианосцы и стали летчиками-испытателями. Марк участвовал в боевых вылетах во время войны в Персидском заливе.
Обоих отобрали в астронавты в 1996 году. За время работы в НАСА Марк стал пилотом и командиром четырех экипажей космических челноков. Скотт пилотировал и командовал двумя шатлами, а перед своим годичным полетом шесть месяцев провел на МКС. Когда в 2011 году была ранена жена Марка, член палаты представителей от Аризоны Гэбби Гиффордс (Gabby Giffords), он еще раз слетал в космос и уволился из космического агентства. Скотт очень великодушно говорит о своем брате и о том, что он сделал ради этого исследования. «Ему надо отдать должное. Он не купался в лучах славы, потому что не находился в космосе. Он делал это исключительно ради науки».
Но потребности исследования и Скотту не принесли никакой славы. А времени и сил они отнимали много. «Бывали времена, может, раз в неделю, когда я, как мне казалось, весь день сдавал анализы. Просыпаешься утром и берешь образцы крови. Потом прогоняешь ее через центрифугу и ставишь в холодильник. Затем первый забор мочи, второй, и так целый день, 24 часа. Это надоедает, потому что космическим туалетом пользоваться нельзя. Это муторно. Помочился в пакет, потом надо убрать из него трубки, затем поставить штрих-код, отсканировать его, после чего убрать образец в холодильник. А лабораторный холодильник штука сложная. Когда открываешь его дверцу, ее надо закрыть как можно скорее, потому что внутри минус 80 градусов и можно получить небольшое обморожение. В тот же день надо брать образцы кожи, кала».
Что касается темы исследования, то МКС немного похожа на любую земную лабораторию или клинику. В беседах и в своей книге Скотт Келли умело описывает, как космический дом давит на чувства. Внутри МКС очень шумно: жужжат вентиляторы, гудит электроника. Пахнет тоже плохо: пластиком, мусором, человеческим телом. (Сам космос тоже пахнет, рассказывает нам Скотт. Вернее, оказывающиеся в космическом вакууме предметы обладают уникальным запахом. «Это сильный запах горелого металла, знаете, как бенгальские огни на 4 июля, или как запах сварки».)
Невесомость создает серьезные проблемы для изучения человека в космосе, особенно астронавту, который устал, замерз и раздражен из-за того, что вдыхает слишком много углекислого газа. Приборы для сбора образцов и сами образцы нельзя поставить на стол, их приходится крепить к стенкам, а эксперименты нужно проводить в заранее установленной последовательности.
Когда на МКС и на Земле были собраны образцы, работа только началась. Образцы Скотта пришлось возвращать на Землю в спускаемых аппаратах «Союз» (Марк воспользовался услугами почты). Кровь близнецов отделили от плазмы и от различных клеток, включая те клетки, которые управляют иммунной системой. Все образцы пришлось проанализировать, и результаты анализов были переданы 10 рабочим группам. Неудивительно, что весь это проект занял более четырех лет.
Что удалось узнать? Главный исследователь из группы экспрессии генов Крис Мейсон (Chris Mason), преподающий физиологию и биофизику в медицинском колледже Корнельского университета, сказал, что последствия космического полета для генов Скотта это «не просто бенгальский огонь, это как фейерверк в небе». «Чтобы вам было понятнее, — объясняет Мейсон. — В человеческом геноме около 58 тысяч известных генов, и поэтому мы видим, как активируются многочисленные способности реагирования организма».
Это вполне разумно, учитывая пагубные нагрузки во время взлета, годичного пребывания в космосе и возвращения на Землю. И тем не менее, группы, занимавшиеся исследованием близнецов, пришли в изумление, увидев, какие огромные изменения произошли в организме Скотта, включая длину теломер (концевые участки хромосом), защищающие целостность ДНК кэпы на концах хромосом, регулирование генов, измеряемое взаимодействием со средой и управлением генной активностью, кишечную флору, размеры сонной артерии и состояние зрения.
Иммунная система Скотта за год его пребывания в космосе была в целом очень неспокойна. Многие связанные с иммунной системой клеточные функци были нарушены, включая адаптивную иммунную систему, врожденные иммунные реакции и природные клетки-убийцы, защищающие организм от лейкемии и вирусов. (Результат этот подтверждает данные шокирующего исследования, опубликованные в январе. В этом исследовании сравнили иммунные системы восьми астронавтов, пробывших в космосе более полугода, и здоровых взрослых людей на Земле. Уже через 90 дней полета способность бороться с клетками лейкемии у клеток-убийц астронавтов уменьшилась наполовину. Познавательные функции у Скотта тоже ослабли, то есть, на МКС он поглупел.
Человеческий организм обладает чудесной способностью адаптироваться, и почти все эти изменения носили временный характер. Через шесть месяцев после возвращения на Землю Скотт пришел в норму. Он стал таким же, как и раньше, за исключением обычных возрастных изменений. Но некоторые последствия от космического полета все же остались Скотт поглупел на МКС, но вернувшись на Землю, он не стал умнее. Скорость и точность его интеллектуальных функций через шесть месяцев после возвращения остались без изменений.
Самое большое удивление вызвали теломеры Скотта. Когда он был на МКС, его теломеры странным образом удлинились. Наверное, это было вызвано тем, что он много тренировался и мало ел. Но через двое суток после возвращения астронавта на Землю теломеры у него быстро сократились из-за нагрузок при приземлении. Большая часть теломер Скотта со временем вернулась в норму, но через шесть месяцев после приземления у него в целом было значительно меньше теломер, а количество очень коротких теломер увеличилось. Это было тревожное открытие. Потеря теломер может привести к развитию раковых заболеваний и других болезней пожилого возраста.
Авторы исследования близнецов проводят различия между низким уровнем рисков, средним уровнем, неизвестными рисками и очень рискованными последствиями годичного космического полета. Потеря теломер у Скотта была неизвестным риском. Примером «динамичной ассоциации с потенциально низким риском» были изменения в кишечной флоре Скотта. Авторы исследования подтвердили несколько хорошо известных изменений из зоны высокого риска, включая нейроокулярный синдром, связанный с космическим полетом. Однако были найдены и некоторые новые рискованные изменения, и чтобы отправлять человека в длительный космический полет, им надо будет найти объяснения.
В течение шести месяцев 91,3% генов Скотта с изменившейся во время полета экспрессией вернулись в нормальное состояние. Но вполне определенная группа генов осталась измененной. Речь идет о 811 генах из разных типов клеток, причем почти все они относятся к иммунной функции и к восстановлению ДНК. Это плохая новость для будущих космических путешественников, так как именно эти гены должны защищать астронавтов от космического излучения.
Магнитные поля и атмосфера Земли в значительной мере защищают нас от ионизирующего излучения, которое существует в космосе. Типичный землянин каждый год получает около трех миллизивертов. За длящийся неделю полет космического челнока астронавт может получить 5,59 миллизиверта. Экипаж «Аоллона-14» получил 11,4 миллизиверта. Скотт Келли за год пребывания в космосе набрал 146,34 миллизиверта. Закрывая глаза и засыпая в своей тесной космической постели, он видел «внутренним зрением космические вспышки», являющиеся результатом воздействия радиации на сетчатку.
Наверное, результатом воздействия космической радиации стала также нестабильность и перестройка генома, зафиксированная в ходе исследования. Повреждение ДНК может способствовать нарушениям в экспрессии генов. Это вызывает особую тревогу, так как в последние шесть месяцев пребывания Скотта в космосе количество дифференциально экспрессируемых генов было у него в шесть раз больше.
Ни Крис Мейсон, ни другие ученые не знают, исчезла бы эта разрегулированная экспрессия генов, остановила свой рост или продолжила увеличиваться, останься Скотт на борту МКС еще на полгода или дольше. «Нам такое развитие событий ни к чему, — говорит Мейсон. — Мы видим, как группы генов активируются в ответ на повреждение ДНК, и организм приспосабливается, но такой реакции может оказаться недостаточно для преодоления радиационного поражения».
Это важно, потому что заряженная энергия космического излучения убивает клетки и выводит их из строя, либо нарушает связки ДНК и уничтожает пары оснований. Мертвые или слабо функционирующие клетки вызывают инфаркт или снижение когнитивных способностей. Если клетки не в состоянии ликвидировать повреждения ДНК, мутации накапливаются, и это вызывает рак и наследственные болезни.
МКС находится над Землей на высоте 400 километров, то есть, ниже защитного зонтика радиационного пояса Ван Аллена. Во время полета на Марс астронавт может получить 1 200 миллизивертов. «В целом риск заболеть раком у астронавта невелик, но почти все они летают близко к Земле, — говорит Мейсон. — Хотя пока нам это точно неизвестно, я бы сказал, что радиация это большая проблема».
В проведенном НАСА исследовании близнецов были свои очевидные ограничения. Во-первых, это была одна-единственная проверка на одном-единственном испытуемом по определенному набору параметров, в силу чего невозможно отделить закономерность от случайности. (Один инженер-биохимик из Массачусетского технологического института сказал об этом еще более пренебрежительно: «Да это просто шоу. Чтобы реально все проконтролировать, надо было сравнить близнецов НАСА с другими близнецами, причем одного из них следовало поселить в спокойном американском пригороде, а второго — в шумной и страшной иракской тюрьме сроком на год».
Директор программы НАСА по изучению человека Билл Палоски (Bill Paloski), ставший автором идеи провести исследование близнецов, понимает доводы критиков. «Мы бы хотели продолжить эксперимент с нашими экипажами. Но на меня произвела сильное впечатление способность человека адаптироваться. Мы не нашли проблем, способных остановить все исследование», — сказал он.
Палоски считает, что это исследование следует считать генератором гипотез. Крис Мейсон, первым предложивший в 2010 году следить за геномами и эпигеномами астронавтов до, во время и после космического полета, с радостью с ним соглашается. Его группа подготовила семь работ, которые сейчас находятся на рецензировании. Среди них статьи о соматических мутациях и о динамике отдельной клетки. Другие группы готовят пять или шесть работ.
У Мейсона грандиозные устремления. Он предложил «500-летний план» по колонизации космоса. Самая радикальная его идея состоит в том, чтобы добавлять, удалять или модифицировать гены для создания постоянных и наследуемых изменений у новых видов путешествующего в космосе человека разумного. «Исследование близнецов стало самой универсальной молекулярной картой человеческого организма, сделанной в космическом полете. Это первая важная ступенька на лестнице длиной в 500 лет, и она представляет собой биомедицинскую дорожную карту реакций и рисков длительного космического полета, которая поможет астронавтам выжить во время полета на Марс и благополучно жить на Красной планете».
Марк Келли однажды сказал: «Полет на Марс это не космическая наука. Это наука политическая», Безусловно, он прав. Решение о полете НАСА на Марс будет политическим, оно будет иметь политические издержки и выгоды, и его утвердят только в том случае, если оно получит широкую политическую поддержку. Для сравнения, построить достаточно продуманный и надежный космический корабль, выбрать для него оптимальную траекторию и подобрать экипаж довольно просто. Но для полета на Марс надо будет решить целый ряд умопомрачительных медико-биологических проблем.
Сегодня мы просто не знаем, что может сделать с человеческим организмом длительная радиация, с которой столкнутся астронавты за пределами земной магнитосферы. Не знаем и того, какое вмешательство позволит предотвратить или излечить возможные болезни. Далее команда НАСА по изучению человека намерена работать с теми же учеными, которые проводили исследование близнецов, чтобы накопить больше данных об астронавтах в ходе будущих экспериментов.
Но для Марка и Скотта научный вклад в решение проблем длительного космического полета стал делом прошлого. Скотт Келли ушел из НАСА и женился на своей давней знакомой. Марк баллотируется в сенат.
Отвечая на вопрос о том, чувствует ли он себя иначе, Скотт говорит: «Не могу сказать, что есть какие-то ощущения как прямо из полета. У меня есть изменения в зрении. Радиация повлияла на мою ДНК. Я этого не чувствую, но знаю, что это есть. Меня это не очень сильно тревожит. Конечно, лет через 20 я буду это ощущать, в этом нет сомнений».
