Die NASA Twins-Studie mit den Astronauten-Zwillingen Scott und Mark Kelly war das perfekte Weltraumexperiment. Scott verbrachte ein Jahr an Bord der Internationalen Raumstation. Mark blieb auf der Erde. Die Ergebnisse?
Die Ergebnisse der von 2015 bis 2016 durchgeführten NASA-Zwillingsstudie wurden am 11. April 2019 in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft. Die NASA sagte, dass das Papier - das Arbeiten von 10 Forschungsteams umfasst - „einige interessante, überraschende und beruhigende Daten darüber enthüllt, wie sich ein menschlicher Körper an die extreme Umgebung des Weltraums angepasst und von ihr erholt hat.“
Von Susan Bailey, Colorado State University
Das tägliche Leben an Bord der Internationalen Raumstation verläuft schnell. Wirklich schnell. Die Astronauten reisen mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 27.000 km / h und 300 km über der Erde und beobachten jeden „Tag“ 16 Sonnenauf- und -untergänge, während sie in einer Kiste mit einer Handvoll Menschen herumschweben, von denen sie zum Überleben abhängen.
Man muss nicht weiter suchen als nach Hollywood-Blockbustern wie "The Martian", "> Gravity" und "Interstellar" für futuristische Visionen des Lebens jenseits der Erde, während wir uns länger und tiefer in den Weltraum wagen. Aber was ist mit der Reaktion des menschlichen Körpers auf die reale Raumfahrt - was sind die gesundheitlichen Auswirkungen? Werden Raumfahrer anders altern als wir auf der Erde? Wie anpassungsfähig sind wir an die Weltraumumgebung?
Sind Space Twin Scott und Earth Twin Mark nicht mehr identisch? Bild über Robert Markowitz / NASA.
Dies sind sicherlich Bedenken für die NASA. Wie Raumfahrt und Langzeitmissionen den menschlichen Körper verändern und ob diese Veränderungen dauerhaft oder reversibel sind, wenn Astronauten auf die Erde zurückkehren, ist weitgehend unbekannt. Die Gelegenheit, diese faszinierenden Fragen zu untersuchen, ergab sich mit den identischen Zwillingsastronauten Scott und Mark Kelly.
Im November 2012 wählte die NASA den Astronauten Scott Kelly für seine erste einjährige Mission aus. Bei einer Pressekonferenz wenig später wies Scott darauf hin, dass diese Mission die Möglichkeit bieten könnte, den Einfluss des auf seinem Körper lebenden Weltraums mit seinem erdbewohnenden Zwillingsbruder Mark Kelly zu vergleichen, der ebenfalls Astronaut gewesen war und ehemaliger Navy Testpilot. Bemerkenswerterweise waren die Kelly-Zwillinge Individuen von ähnlicher „Natur (Genetik) und Art (Umwelt)“, und so wurde das perfekte Weltraumexperiment konzipiert - mit „Weltraumzwilling und Erdzwilling“ als Sternen. Scott würde ein Jahr an Bord der Internationalen Raumstation im All verbringen, während sein identischer Zwillingsbruder Mark auf der Erde bleiben würde.
Die NASA-Zwillingsstudie bietet den umfassendsten Überblick über die Reaktion des menschlichen Körpers auf Weltraumflüge, die jemals durchgeführt wurden. Die Ergebnisse werden künftige Studien und personalisierte Ansätze zur Bewertung der gesundheitlichen Auswirkungen einzelner Astronauten für die kommenden Jahre leiten.
Als Krebsbiologe an der Colorado State University untersuche ich die Auswirkungen der Strahlenexposition auf menschliche Zellen. Im Rahmen der Zwillingsstudie war ich besonders daran interessiert zu untersuchen, wie sich die Enden der Chromosomen, die als Telomere bezeichnet werden, um ein Jahr im Weltraum verändert haben.
Einen Tag bevor der Astronaut Scott Kelly die Sechsmonatsgrenze im All erreicht, spricht er live an Bord der ISS mit John Hughs (links), seinem Zwillingsbruder Mark Kelly und dem Astronauten Terry Virts (rechts). Bild über die NASA / Bill Ingalls.
Die gesundheitlichen Auswirkungen des Lebens im Weltraum auseinander nehmen
Die NASA hat einen Anruf veröffentlicht und 10 von Experten geprüfte Untersuchungen aus dem ganzen Land für die Zwillingsstudie ausgewählt. Die Studien umfassten molekulare, physiologische und verhaltensbezogene Maßnahmen sowie zum ersten Mal bei Astronauten „Omics“ -basierte Studien. Einige Teams untersuchten den Einfluss des Weltraums auf das Genom - das gesamte DNA-Komplement in einer Zelle (Genomics). Andere Teams untersuchten, welche Gene aktiviert waren und produzierten ein Molekül namens mRNA (Transkriptomik). Einige Studien konzentrierten sich darauf, wie chemische Modifikationen - die den DNA-Code nicht verändern - die Regulation der Gene (Epigenomik) beeinflussen. Einige Forscher untersuchten die in den Zellen produzierten Proteine (Proteomics), während andere die Stoffwechselprodukte (Metabolomics) untersuchten.
Es gab auch Studien, die untersuchten, wie die Weltraumumgebung das Mikrobiom verändern könnte - die Ansammlung von Bakterien, Viren und Pilzen, die in und auf unserem Körper leben. Eine Untersuchung untersuchte die Immunantwort auf den Grippeimpfstoff. Andere Teams suchten in Scotts biologischen Proben nach Biomarkern für Atherosklerose und aufsteigende Flüssigkeitsverschiebungen im Körper aufgrund der Mikrogravitation, die das Sehvermögen beeinträchtigen und Kopfschmerzen verursachen können. Die kognitive Leistung wurde auch mithilfe computergestützter Erkennungstests bewertet, die speziell für Astronauten entwickelt wurden.
Mehr als 300 biologische Proben - Stuhl, Urin und Blut - wurden den Zwillingen vor, während und nach der einjährigen Mission mehrmals entnommen.
Die Kelly-Zwillinge sind ohne Zweifel eines der profiliertesten Paare - auf oder neben unserem Planeten. Sie sind auch eine der am meisten befragten. Eine häufig gestellte Frage ist, ob Scott aus dem Weltraum zurückkehren wird, der jünger als Mark ist - eine Situation, die an "Interstellar" oder Einsteins sogenanntes "target =" _ blank "Twin Paradox erinnert Licht im Verhältnis zu uns, Zeitdilatation - oder die Verlangsamung der Zeit aufgrund von Bewegung - ist sehr gering. Ein Altersunterschied zwischen den Brüdern würde also nur wenige Millisekunden betragen.
Dennoch ist die Frage des raumfahrtbedingten Alterns und des damit verbundenen Risikos, altersbedingte Krankheiten wie Demenz, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Krebs zu entwickeln - während oder nach einer Mission - ein wichtiges Thema, das wir mit unserer Studie direkt ansprechen wollten der Telomerlänge.
Telomere sind die schützenden DNA-Abschnitte an der Spitze der Chromosomen. Mit zunehmendem Alter werden die Telomere kürzer. Bild über Vectormine / Shutterstock.
Telomere sind die Enden von Chromosomen, die sie vor Beschädigung und "Ausfransen" schützen - ähnlich wie das Ende eines Schnürsenkels. Telomere sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der Chromosomen- und Genomstabilität. Telomere verkürzen sich jedoch auf natürliche Weise, wenn sich unsere Zellen teilen, und ebenso, wenn wir älter werden. Die Geschwindigkeit, mit der sich Telomere im Laufe der Zeit verkürzen, wird von vielen Faktoren beeinflusst, einschließlich oxidativem Stress und Entzündungen, Ernährung, körperlicher Aktivität, psychischen Belastungen und Umwelteinflüssen wie Luftverschmutzung, UV-Strahlen und ionisierender Strahlung. Somit spiegelt die Telomerlänge die Genetik, Erfahrungen und Exposition eines Individuums wider und ist somit ein informativer Indikator für den allgemeinen Gesundheitszustand und das Altern.
Telomere und Altern
Unsere Studie schlug vor, dass die einzigartigen Belastungen und außergewöhnlichen Expositionen der Astronauten während der Raumfahrt - Isolation, Schwerelosigkeit, hohe Kohlendioxidgehalte und galaktische kosmische Strahlung - die Verkürzung und Alterung der Telomere beschleunigen würden. Um dies zu testen, haben wir die Telomerlänge in Blutproben ausgewertet, die von beiden Zwillingen vor, während und nach der einjährigen Mission erhalten wurden.
Scott und Mark begannen die Studie mit relativ ähnlichen Telomerlängen, was mit einer starken genetischen Komponente übereinstimmt. Ebenfalls wie erwartet war die Länge der erdgebundenen Mark-Telomere im Verlauf der Studie relativ stabil. Zu unserer großen Überraschung waren Scotts Telomere zu jedem Zeitpunkt erheblich länger und in jeder Probe, die während der Raumfahrt getestet wurde, deutlich länger. Das war genau das Gegenteil von dem, was wir erwartet hatten.
Darüber hinaus verkürzte sich die Telomerlänge nach Scotts Rückkehr zur Erde rapide und stabilisierte sich in den folgenden Monaten auf fast den Durchschnitt vor dem Flug. Unter dem Gesichtspunkt des Alterns und des Krankheitsrisikos verfügte er jedoch nach dem Weltraumflug über viel mehr kurze Telomere als zuvor. Unsere Herausforderung besteht nun darin, herauszufinden, wie und warum solche raumflugspezifischen Verschiebungen der Telomerlängendynamik auftreten.
Unsere Ergebnisse werden auch für Erdbewohner relevant sein, da wir alle alt werden und altersbedingte Probleme entwickeln. Diese Ergebnisse der Twins-Studie können neue Hinweise auf die beteiligten Prozesse liefern und so unser Verständnis dafür verbessern, was wir tun können, um sie zu vermeiden oder die Gesundheitsspanne zu verlängern.
Die langfristigen Auswirkungen des Langzeit-Weltraumflugs auf die Gesundheit müssen noch ermittelt werden. Die TWINS-Studie ist jedoch ein Meilenstein auf dem Weg der Menschheit zum Mond, zum Mars und darüber hinaus.
Susan Bailey, Professorin für Strahlenkrebsbiologie und -onkologie, Colorado State University
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Fazit: Die Ergebnisse der NASA Twins-Studie stammen von den Zwillings-Astronauten Kelly Brothers.
