За всю космическую эру было накоплено не много данных о том, как долгое пребывание в космосе влияет на здоровье людей. Только восемь человек из 559 побывавших в космосе провели на орбите более 300 дней. Между тем следующий шаг в освоении космоса — полеты человека на Марс и дальше — потребует гораздо более продолжительного времени полета. Как годы в космосе изменят человека? Возможно ли, что спустя полтора-два года проявятся неожиданные неблагоприятные факторы, которые невозможно выявить в краткосрочных миссиях? Эксперимент NASA с близнецами не дает ответов на все вопросы, так как на сравнении всего двух человек далеко идущие выводы не построить. Но этот опыт помог понять, за какими именно изменениями в организмах астронавтов нужно будет следить более пристально.

Участниками «близнецового» эксперимента стали астронавты Скотт и Марк Келли. К началу исследования им исполнилось по 50 лет. Они одновременно были отобраны в группу подготовки астронавтов в 1996 году и за следующие 15 лет совершили по 4 космических полета. Скотт при этом провел в космосе существенно больше времени — более 180 суток против 54 суток у Марка. Оба близнеца к началу эксперимента не участвовали в космических полетах около четырех лет, но участником исследования на орбите стал именно Скотт. Все 340 дней космической миссии, которые Скотт провел на орбите вместе с российским космонавтом Михаилом Корниенко, Марк проходил те же самые медицинские тесты на Земле.

Генетически идентичные астронавты-близнецы Келли стали редкой удачей для исследователей. В эксперимент они вступили в практически одинаково хорошем состоянии здоровья, хотя из-за большего летного стажа у Скотта на орбите было больше проблем со зрением, чем бывает у астронавтов с меньшим опытом. Благодаря генетической идентичности и схожему физическому состоянию близнецов ученые NASA смогли по итогам эксперимента оценить и их физиологические показатели, и экспрессию генов, и работу иммунной системы.

Эксперимент продолжался дольше, чем сама экспедиция Скотта Келли и Михаила Корниенко на МКС в 2015–2016 годах. Исследование включало пред- и постполетные осмотры и анализы, и в общей сложности данные о здоровье братьев собирали 27 месяцев: 317 образцов мочи, кала и крови на Земле и на орбите, многочисленные измерения физиологического и когнитивного состояния. В анализе результатов участвовали 84 исследователя в составе десяти команд по различным направлениям.

Многие результаты эксперимента подтвердили наблюдения, сделанные в предыдущих продолжительных экспедициях на МКС. Среди них — снижение артериального давления на всем протяжении космической миссии и утолщение стенок артерий, похожее на изменения при атеросклерозе. Уровни белков, связанных с изменением сосудистых стенок, у Скотта были повышены на всем протяжении миссии (впрочем, после полета они вернулись к прежним «земным» значениям). Возможно, в более продолжительных космических полетах изменения сердечно-сосудистой системы могут привести к развитию заболеваний, так что в этом направлении здоровье астронавтов нуждается в особой защите.

Исследование помогло подтвердить и влияние космической радиации на МКС на человеческую ДНК. По сравнению с братом у Скотта Келли участились масштабные хромосомные мутации — инверсии (повороты) и перемещения участков хромосом. Причем эти изменения продолжались и после полета, что доказывает роль космической радиации в повреждении ДНК.

Еще один известный эффект полетов — снижение массы тела. У Скотта Келли оно составило 7%. Также у него было заметно ухудшение зрения, что связывают с неправильным распределением жидкости в теле при невесомости — кровь буквально приливает к голове. Хотя в целом артериальное давление понижено, давление в сосудах головы повышается. Сравнение показателей Скотта с его близнецом Марком, как считают исследователи, помогло им выявить вероятные молекулярные пути этих изменений.

Тесты когнитивных функций показали, что во время миссии скорость и точность Скотта в решении различных задач оставались в целом сравнимыми с показателями брата, а способности к ориентации в пространстве даже улучшились. Однако все показатели упали после полета и оставались сниженными еще полгода. Причиной этого мог стать и стресс во время приземления, и огромная загруженность в первые полгода на Земле.

Хорошей новостью стало то, что полет не изменил работу иммунной системы Скотта. В ходе миссии в образцах его крови наблюдался более высокий уровень индикаторов воспаления, но реакция на прививку от гриппа оказалась такой же, как у близнеца на Земле. Впрочем, возвращение на Землю также вызывает стресс и усиливает иммунный ответ: уровни некоторых провоспалительных факторов подскочили у Скотта именно в момент возвращения.

Значительной разницы не было обнаружено в разнообразии микробиоты на орбите и на Земле, хотя исследователи ожидали, что из-за однообразия диеты на МКС состав микробных популяций в кишечнике астронавта существенно сократится. Разница возникла в соотношении разных бактериальных родов, но количество и разнообразие бактерий не снизились.

Несколько результатов эксперимента исследователи выделили как особенно неожиданные. Ранее в краткосрочных полетах уже наблюдалось удлинение у космонавтов теломер — концевых участков ДНК. Они укорачиваются с каждым делением клетки, что считается одним из индикаторов клеточного старения. У Скотта Келли за год в космосе теломеры также стали длиннее на 14%. Но уже в первые 48 часов после возвращения на Землю они значительно укоротились, и в итоге коротких теломер у Скотта стало больше по сравнению с братом. Что вызывает удлинение теломер на орбите (может, упорядоченный образ жизни с оптимальным питанием и регулярными упражнениями?) и как избежать их резкого укорочения после приземления, еще предстоит разобраться.

Новые данные были получены и по экспрессии генов астронавтов. Всего за время полета активность изменили больше девяти тысяч генов Скотта, в то время как у Марка они работали по-прежнему, при этом за вторые шесть месяцев полета произошло в шесть раз больше изменений, чем в первые полгода. Это дает основания предполагать, что изменения в активности генов усиливаются вместе с увеличением срока полета, и в будущих продолжительных экспедициях могут проявиться пока неизвестные эффекты. Еще одно открытие заключается в том, что экспрессия 7% от числа всех измененных генов Скотта не вернулась к нормальной после возвращения на Землю. В дальнейших исследованиях здоровья астронавтов именно на эти гены будет направлено особое внимание — возможно, именно они отвечают за долгосрочные последствия полетов в космос.

По итоговым оценкам исследователей NASA, наибольшую угрозу здоровью людей в продолжительных космических полетах представляют изменения, которые могут проявляться еще долгое время после возвращения на Землю. Причем некоторые из них, похоже, напрямую провоцирует стресс во время приземления. Это изменения в сердечно-сосудистой системе из-за утолщения стенок сосудов, нарушение распределения жидкости в теле, влияющее на зрение, резкое сокращение теломер после приземления, ухудшение когнитивных способностей после стресса во время возвращения. Эти последствия, так же как повреждение ДНК из-за радиации и нарушение экспрессии генов во время долгих полетов, будут предметом особого внимания в следующих продолжительных миссиях.