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.
Однако сразу же возникли вопросы «как?» и «почему?». Мы изучали другие собранные данные, пытаясь осмыслить эту аномалию. 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. Это явление зависит от нескольких факторов, которые можно вводить в уравнение Эйнштейна/Шварцшильда, предполагая, что:
1. dr = 0 (мы остаемся на окружности с неизменным радиусом) и df = 0 (остаемся в одной и той же орбитальной плоскости);
2. МКС движется со скоростью 7,68 км/c, а радиус орбиты МКС составляет 400 км от поверхности Земли;
3. Изменения, произошедшие с Марком Келли (dtMK), остававшимся на Земле, относительно изменений со Скоттом Келли (dtSK), находившимся на МКС.
В полном уравнении также содержатся координаты кошироты (тета), скорость света (c), а также гравитационная метрика между двумя сферами. Уравнение в целом выглядит так:
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. Правда, хотя в буквальном смысле он действительно стал моложе, чем если бы провел это время на Земле, этот фактор вряд ли существенно повлиял на увеличение его теломер.
Мы это знаем, так как наблюдали в его организме изменения еще по многим другим биологическим модальностям, например изменение экспрессии генов (включение или выключение генов либо снижение или увеличение их активности). У нас тысячи генов, экспрессия которых меняется каждый день, поэтому неудивительно, что мы могли наблюдать изменения в работе генов Келли, когда он отправился в космос и когда вернулся на Землю. Эти изменения коснулись, в частности, тех генов, которые отвечают за восстановление ДНК и клеточное дыхание. Иммунная система Келли работала очень активно, в том числе когда впервые в истории он получил прививку от гриппа, находясь на орбите. Кроме того, наблюдались признаки гиперкапнии – это состояние, возникающее при перенасыщении крови диоксидом углерода. При гиперкапнии ощущается головокружение и головная боль – и действительно, в своей книге Скотт упоминает об этом. Он отметил, что у него болела голова из-за того, что в крови прыгал уровень диоксида углерода. Всякий раз, когда на МКС выходили из строя установки для очистки воздуха от углекислоты, Скотт жаловался на усиление головных болей.
Мы проанализировали уровни содержания углекислого газа в воздухе на космической станции. Хотя некоторые флуктуации действительно наблюдались, они были не слишком серьезными и не должны были приводить к физиологическим изменениям. Нам пришлось искать другие причины. Оказывается, дыхание в невесомости происходит не так, как на Земле. В частности, при каждом выдохе на МКС у вас перед лицом образуется небольшое облачко CO2, которое не рассеивается, если только вы не отплывете в сторону или не сдуете его феном. Соответственно, некоторые изменения, которые мы наблюдали в крови Скотта и которые, надо полагать, прослеживаются и в крови других астронавтов и космонавтов, связаны именно с высокой концентрацией CO2 у самого лица. Такая «атмосфера» более напоминает венерианскую, чем земную.
Также мы рассмотрели динамику микробиома у Скотта. Микробиом – это совокупность микроорганизмов (бактерий, вирусов, грибков и других клеток, не являющихся человеческими), обитающих в нашем теле. Нас интересовало, что произошло с микробиомом в ходе космического полета. Мы наблюдали некоторые изменения в соотношении определенных видов, в частности фирмикутов и бактероидов[4] (соотношение F/B). Для этого использовались результаты анализа кала Келли, проведенного докторами Стефаном Грином, Фредом Туреком, Мартой Хотц Витатерной, а также наши собственные результаты анализа мазков с кожи и из полости рта. Общее биоразнообразие в целом сохранилось, и это хорошо. Эти показатели в конце концов вернулись в норму, поэтому никакого «пожара» на уровне микробиома не случилось.
Молекулярный состав крови Скотта имел некоторые особенности. Количество митохондрий, которые обычно находятся внутри клеток и отвечают за клеточное дыхание (т. е. буквально обеспечивают поступление в клетки кислорода и энергии), достигло в крови пиковых значений, когда Скотт оказался в космосе. У здорового человека примерно 500 экземпляров митохондриальной ДНК (мтДНК) на миллилитр крови, а у Скотта этот уровень достигал 6500 экземпляров на миллилитр, по данным докторов Киити Накахиры и Агустина Чхоя. Затем мы совместно со Стейси Хорнер и Нанданом Гокхале из Университета Дьюка исследовали РНК в крови и также выявили многочисленные следы митохондрий.
Это был совершенно новый показатель стресса, зафиксированный у астронавтов, однако такие уровни уже наблюдались в других контекстах. В Колумбийском университете в Нью-Йорке есть лаборатории, в которых изучаются экстремальные перепады в количестве митохондрий и даже митохондриальная психобиология (см. работу докторов Андреа Баккарелли и Мартина Пикара). Эти лаборатории рассматривали изменения концентрации мтДНК в крови у людей на Земле в стрессовых ситуациях. В частности, проводились исследования биоматериала людей, которым приходилось выступать с лекцией перед незнакомой аудиторией. После таких выступлений в крови испытуемых наблюдался всплеск мтДНК. Следовательно, есть убедительные доказательства, что уровень мтДНК может повышаться после общего стресса, например в результате тревоги во время публичных выступлений, а также в других ситуациях, субъективно воспринимаемых как опасность.
Но почему человеческие клетки наращивают производство своих энергетических станций или извергают их? Чтобы выяснить это, проводились и другие исследования, проливающие свет на то, что происходит с организмом после годичного пребывания в космосе. В 2018 г. вышла статья (см. Ингелссон и др.), показавшая, что белые кровяные тельца (лимфоциты) могут извергать свою мтДНК, подогревая таким образом иммунную систему. Эти «сети ДНК» словно предупреждают другие иммунные клетки, что нужно готовиться к борьбе с инфекцией или клеточной угрозой. По-видимому, в космосе эти «сети» работают столь же успешно, как и на Земле. Наши исследования и работа Афшина Бехешти из NASA позволили наблюдать обусловленное стрессом умножение мтДНК в крови у многих астронавтов, а также различные сигнатуры РНК, связанные с пребыванием в космосе (в том числе мелкие РНК-цепочки, именуемые микроРНК). Все эти изменения – со стороны теломер, изменений в экспрессии генов, гипоксии из-за накопления выдыхаемого углекислого газа прямо под носом, иммунного стресса, митохондриальной ДНК и воспаления – происходят быстро и выглядят как стремительный ответ организма на космический полет. Остается надеяться, что впоследствии все вернется в норму.
Возвращение на Землю
К счастью, почти по всем показателям, связанным с реакцией на длительный космический полет, организм отличается пластичностью и приспосабливаемостью. Скотт действительно подрос примерно на 5 см, но это было связано лишь с тем, что его позвоночник долго не испытывал притяжения Земли. Уже через несколько часов после возвращения на Землю нормальный рост восстановился. Кроме того, в течение первых 48 ч теломеры Скотта приобрели обычную длину, большинство физиологических маркеров и показателей крови также вернулись в нормальный диапазон. Что касается экспрессии генов, то 91 % изменений, произошедших за время пребывания в космосе, также сгладились до нормальных значений в течение полугода.
Следует отметить, что к нормальным уровням вернулась экспрессия у большинства генов в организме Скотта, но не у всех. В некоторых из них сохранялось «молекулярное эхо» пребывания в космосе: гены продолжали активно ремонтировать ДНК и укреплять ее стабильность. Эти данные согласовывались с др