С начала освоения космоса прошло уже несколько десятков лет. Человечество далеко продвинулось не только в исследовании космического пространства, но и узнало много важной информации о том, как космические полеты влияют на живые организмы. На основе статьи группы исследователей космической медицины и биологии, опубликованной в 2020 году в научном журнале Cell мы расскажем вам, что происходит с телом человека, когда он находится в космосе.
Опасности космической среды
Основная масса исследований в области биологии космических полетов сосредоточена на выявлении и прогнозировании рисков, которые поджидают астронавтов в процессе работы на орбите. Главные риски представляют микрогравитация и космическое излучение. МКС (Международная космическая станция) осуществляет работу на низкой околоземной орбите (НОО). Её защищает от излучения магнитосфера Земли.
В перспективе космические исследования планируется вывести за пределы НОО, приступить к масштабному изучению Луны и Марса.
Это ставит астронавтов в опасное положение. Новые исследования подвергнут их интенсивному облучению космической радиацией, негативному воздействию микрогравитации. Физиологическое и психологическое состояние космонавтов также испытывает перегрузки из-за слабого контакта с Землей и изоляции в закрытой и враждебной экосистеме космического корабля.
Исследователи определили основные факторы риска для космических полетов:
- космическое излучение;
- микрогравитация и измененная гравитация;
- изоляция;
- враждебная и закрытая среда;
- расстояние от Земли.
Рисунок 1. Космические риски для здоровья
Рассмотрим подробнее каждую группу
Космическое излучение (радиация) включает в себя высокоэнергетические солнечные частицы, испускаемые во время вспышек на солнце и галактические космические лучи (ГКЛ), состоящие из электронов и позитронов (2%), протонов (85%), ядер гелия (12%) и других тяжелых частиц с высокой энергией и зарядом.
На МКС их воздействие экранируется магнитным полем Земли. Тем не менее, космонавты всё равно подвергаются воздействию радиации примерно 100-200 мЗв/год (зиверт — единица измерения радиации, здесь, милизиверт). Допустимый предел радиации — 50 мЗв/год. Космонавты уже в пространстве НОО получают повышенную дозу облучения. Полеты на Марс предполагают радиацию до 350 мЗв/год для трехлетней миссии.
Микрогравитация и измененная гравитация — это явление, в котором постоянно пребывают сотрудники МКС, когда непосредственное влияние гравитации Земли не исчезает, но тело находится в состоянии невесомости. Все живые организмы нашей планеты за своё эволюционное развитие адаптировались к её гравитационному полю. Удаление от планеты на большое расстояние приводит к сбою этих адаптационных механизмов, что плохо влияет на работу органов. Например, кровь перемещается вверх к голове и грудной клетке, из-за чего изменяется работа сердечно-сосудистой системы, ухудшается кровообращение ног. Кости и мышцы без гравитационной нагрузки атрофируются.
Если вы любите фантастические фильмы, наверняка не раз видели ситуацию, в которой моделируется поведение человека в длительной изоляции. Он часто нервничает, совершает странные поступки. Эти образы имеют под собой четкую основу. Изучение социальной изоляции в аналоговых миссиях (наземное моделирование ситуаций, могущих возникнуть в космосе) в Арктике выявило изменения не только в поведении. Изоляция приводит к неврологическому дефициту, нарушаются функции гиппокампа, наблюдаются сбои в работе иммунитета.
Долгое и непрерsвное проживание в экосистеме космического корабля равносильно нахождению в биологически враждебной и закрытой среде.
Для здоровья астронавтов это огромная нагрузка. В космических аппаратах нужно контролировать температуру, состав воздуха, наличие микробов, уровень давления, освещения и шума, чтобы пребывание в них не было опасным для человека. Постоянный шум, высокий уровень углекислого газа и микроорганизмы могут повлиять на здоровье сердечно-сосудистой, нервной и иммунной систем.
Например, шум может вызвать сердечно-сосудистые нарушения, нарушения сна и сознания. Помимо шума, опасность представляют системы очистки воздуха. Повышенный уровень углекислого газа является обычным явлением для космических аппаратов и может привести к гипоксии (кислородное голодание) или гиперкапнии (отравление углекислым газом). Длительное нахождение внутри космического корабля может уменьшить изменчивость микробиома окружающей среды и плохо повлиять на иммунитет и метаболизм космонавтов.
Последней серьезной опасностью космического полета является расстояние от самой Земли, которое вызывает психологический стресс. Дистанция между МКС и планетой ограничивает возможности медицинской помощи, нехватку медицинского оборудования из-за задержек связи, ограничение медицинских возможностей на борту и невозможность быстрой эвакуации или немедленного спасения во время миссий за пределами НОО.
Биологические характеристики космического полета
Из факторов риска космических полетов следует, что здоровье космонавта подвергается не просто большой нагрузке, оно в каком-то роде перепрограммируется на клеточном уровне, чтобы организм приспособился к полету. Эту «перепрошивку» сопровождают 6 эффектов:
- окислительный стресс;
- повреждения ДНК;
- митохондриальные болезни;
- эпигенетические изменения;
- изменение длины теломер;
- сдвиги микробиома.
Рисунок 2. Биологические особенности космического полета.
Первая особенность биологии космических полетов — высокий окислительный стресс. Это одна из основных реакций на условия полета, которые могут вызвать повреждение ДНК. Окислительный стресс возникает, когда количество свободных радикалов превышает естественные антиоксидантные возможности клетки. Воздействие космической радиации, гипоксии и микрогравитации увеличивает производство клетками активных форм кислорода и азота.
На физиологическом уровне это приводит к нарушениям регуляции сердечно-сосудистой, иммунной, неврологической и метаболической систем.
Повреждения ДНК вызываются космической радиацией. Она приводит к разрывам ДНК. Неправильное устранение таких разрывов может вызвать остановку клеточного цикла, гибель клеток, мутации, хромосомные перестройки и последующий канцерогенез (предрасположенность к онкологии).
Третьей важной особенностью биологических реакций на космический полет является дисфункция митохондрий, которая тесно связана с окислительным стрессом и приводит к развитию митохондриальных болезней. Радиация провоцируется выработку активных форм кислорода (АФК) не только в клеточной цитоплазме, но и в митохондриях, которые занимают значительную площадь клетки и, таким образом, являются общей мишенью радиационного воздействия. Это может привести к клеточным мутациям. Микрогравитация также может стать источником окислительного стресса в митохондриях, независимого от воздействия радиации.
Четвертая особенность биологии космических полетов — эпигенетические (включая генную регуляцию) изменения. Следует отметить, что многие эпигенетические изменения и изменения экспрессии генов были обнаружены в ходе годичной миссии Скотта Келли (https://www.nasa.gov/press-release/astronaut-scott-kelly-to-retire-from-nasa-in-april). Исследование генной регуляции астронавта после возращения на Землю показали, что эти изменения в большинстве случаев обратимы. Более того, жесткое регулирование сна, приема пищи, ежедневных упражнений и взаимодействия с окружающей средой на МКС может фактически сдерживать эпигенетические изменения.
Пятая особенность космических полетов — это изменения длины теломер. Концы хромосом человека закрыты теломерами, которые защищают их от деградации и сохраняют стабильность генома. Окислительный стресс, инфекции и воспаления способствуют укорочению теломер. Дополнительные факторы, какие как образ жизни, пищевой, физический и психологический стресс, воздействие окружающей среды (загрязнение воздуха, радиация и др.) также укорачивают теломеры и приводят к старению организма.
Последняя особенность связана с вызванными космическими полетами сдвигами во взаимодействиях между хозяином и микробом. Микробиом — это динамичная экосистема микроорганизмов, которые живут в нас, на нас и вокруг нас. Его изменения сказываются на работе систем органов. На это влияют два фактора — микробиом астронавтов и микробиом окружающей среды космического корабля.
- Микробиом астронавтов может измениться, охватывая микробиомы кишечника, кожи, полости рта и других областей тела. Исследования NASA Twins (годичный полет Скотта Келли) продемонстрировали изменения в микробиоме, при котором тем не менее сохранилось микробиотическое разнообразие.
- Второй фактор — микробиом окружающей среды космического корабля. Сравнительный анализ микробного состава МКС с земными аналогами показал, что поверхности окружающей среды МКС различались по микробному составу. Исследования выявили, что микробиом окружающей среды МКС больше всего напоминает микробиом кожи экипажа. Более того, полногеномные последовательности нескольких сотен штаммов образцов поверхности окружающей среды МКС привели к открытию новых видов. К ним относятся Solibacillus kalamii, Kalamiella piersonii и Bacillus creus-anthracis clade.
Системные и физиологические риски для здоровья при космических полетах
Космические полеты сказываются на здоровье астронавтов как во время работы на МКС, так и после возвращения на Землю. Постполетная акклиматизация и продолжение наблюдения за астронавтами в наземных условиях проявили несколько групп нарушений:
- сердечно-сосудистая дисрегуляция;
- нарушения в работе центральной нервной системы (ЦНС);
- повышенный риск рака;
- атрофия мышц;
- потеря костной массы;
- нарушения в работе иммунитета;
- высокий риск развития заболеваний печени;
- нарушения регуляции циркадного ритма;
- космический нейроокулярный синдром.
Сердечно-сосудистая дисрегуляция вызывается изменением привычной нагрузки гравитации. Этот процесс запускает «старение». Ухудшается физическая форма, проявляется артериальная жесткость, развивается инсулинорезистентности. Острые эффекты на физиологию сердечно-сосудистой системы включают уменьшение объема циркулирующей крови, снижение диастолического давления артериальной крови, уменьшение размера левого желудочка, ортостатическую непереносимость после перелета и снижение сократимости сердца.
Нарушения в работе ЦНС, вызванные длительным воздействием ГКЛ за пределами магнитного поля Земли, остается критическим риском для здоровья астронавтов в будущих миссиях за пределами НОО. Современные знания о нейротоксичности ГКЛ основаны на имитационных моделях грызунов. Эти модели показали когнитивный и поведенческий дефицит, который связан с нейровоспалением и повреждением нейронов.
Космический полет, моделируемая микрогравитация и облучение ГКЛ у грызунов и других модельных организмов имеют одинаковые эффекты на ЦНС: воспаление и окислительный стресс на клеточно-тканевом уровне, а также поведенческие нарушения. Таким образом, можно ожидать, что во время полетов в дальний космос комбинированные стресс-факторы космического полета усугубят повреждение ЦНС.
Повышенный риск рака ученые связывают с воздействием космического излучения. Радиационно-индуцированный рак является одним из основных рисков исследования дальнего космоса. Космические агентства по всему миру установили предельные карьерные нормы для астронавтов, основанные на предполагаемом риске развития онкологических заболеваний.
Например, НАСА установило 1 Зв (зиверт) в качестве предела карьеры для 25-летней женщины и до 4 Зв для 55-летнего мужчины. Доза в 1 Зв увеличивает риск смерти от рака на 5%. За исключением вторичных опухолей, вызванных радиотерапией на основе частиц, на Земле нет эквивалента для оценки риска рака от компонентов ГКЛ.
Воздействие микрогравитации вызывает дегенерацию мышечной массы. Этот эффект особенно сказывается на ногах астронавтов как при коротких, так и при длительных полетах. Потери мышечной массы зависят от роли каждой группы мышц в противодействии силе тяжести. Нижние конечности страдают сильнее, чем, например, мышцы шеи. Биохимическое профилирование космонавтов до, во время и после космического полета выявило воспалительные маркеры, влияющие на метаболизм мышц и костей, которые продемонстрировали не только неблагоприятное влияние микрогравитации во время полета, но и последствия возвращения в гравитацию.
Упражнения — лучший способ сохранения здоровья мышц, костей и сердечно-сосудистой системы. Однако во время полетов российской космической станции "Мир" члены экипажей существенно различались по частоте и интенсивности упражнений в полете, но потеря объема мышц ног составила почти 20% у всех испытуемых. Беговая дорожка второго поколения вместе с устройством для упражнений с отягощениями были использованы на МКС в 2008 году, что увеличило успехи в увеличении безжировой массы тела.
Потеря костной массы во время космического полета остается главной проблемой для здоровья экипажа из-за множества связанных рисков, включая риск развития почечных камней во время полета и повышенный риск перелома костей после полета. Этот эффект во время космического полета в основном связан с опорой на кости. В среднем за месяц космического полета теряется около 1–1,5% общей плотности костной ткани. Это похоже на количество костей, потерянных за год женщиной в постменопаузе на Земле.
Космический полет вызывает сложную картину иммунной дисфункции у астронавтов. Неблагоприятные клинические проявления у некоторых членов экипажа включают легкое инфекционное заболевание, атипичную аллергию и атопический дерматит.
В последнее время начали накапливаться данные о ключевых изменениях, связанных с печенью, в результате космических полетов. В печени животных, которые наблюдались в аналогичных наземным аналогам МКС, шаттла и микрогравитации условиях, обнаружены повреждения, способствующие увеличению переработки липидов и жирных кислот. Эти изменения могут привести к фиброзу и неалкогольной жировой болезни печени.
Отличительным аспектом враждебной и замкнутой среды космического корабля являются нарушенные циклы сна и бодрствования. Интервал восхода солнца на МКС составляет 90 минут. Кроме того, периоды интенсивной активности на космическом корабле («резкие смены», такие как запуск, стыковка, выход в открытый космос) могут подвергнуть членов экипажа эквивалентной сменной работе и лишить их сна.
Циркадные ритмы влияют на состояние здоровья, особенно в связи с космическими полетами. Было обнаружено, что нарушение циркадного ритма ухудшает здоровье костей, метаболизм, функцию митохондрий, а также активность и функцию иммунной системы, угнетают работу ЖКТ (желудочно-кишечного тракта). Экспериментально вызванные циркадные ритмы и нарушения сна могут изменять нормальный микробиом кишечника, а сам кишечник демонстрирует циркадные или суточные ритмы.
Перемещение жидкости из нижней части тела в верхнюю происходит почти сразу после воздействия микрогравитации. Движение примерно 2 л жидкости вверх может оказывать влияние на несколько систем, включая увеличение сердечного ритма и работу ЖКТ. Этот накопительный эффект влияет на восприятие вкуса и запаха и может стать фактором, способствующим возникновению космического нейроокулярного синдрома, при котором наблюдается повышенное внутричерепное давление и отек диска зрительного нерва. Чаще всего это последствие космического полета наблюдается у мужчин.
Прогнозирование рисков для здоровья
Многие из этих системных и физиологических рисков для здоровья, связанных с космическими полетами, хорошо изучены. Однако, многое еще предстоит открыть. Поскольку планируются длительные миссии в дальний космос на Марс и дальше, неизвестно какие физиологические реакции будут у астронавтов в новых условиях.
Кроме того, индивидуальная чувствительность к стрессовым факторам космического полета может сильно влиять на биологические реакции в зависимости от генетических, демографических и жизненных факторов. Таким образом, критически важно установить и использовать многомерный подход для дальнейшего изучения этих рисков для здоровья и индивидуальных реакций, включая всесторонний мониторинг этих молекулярных и клеточных изменений, чтобы сделать возможным персонализированную аэрокосмическую медицину даже на Марсе.
Моделирование наземных космических полетов, аналоги для окружающей среды Земли и наземные исследования нарушений здоровья, вызванных космическими полетами, могут ускорить открытие эффективных мер противодействия факторам риска и базовой биологической адаптации. Некоторые опасности и факторы стресса, такие как социальная изоляция и окружающий шум, сравнительно легко воспроизвести на Земле, но моделировать микрогравитацию и ионизирующее излучение значительно сложнее. Тем не менее, ученые продолжают моделировать и расширять ситуации влияния факторов риска в наземных условиях, чтобы разработать контрмеры для их минимизации.
Для этого ученые стали применять мультимодальный подход к наблюдению за космонавтами. Каждый фактор риска имеет свой собственный уровень локализации (внеклеточный, внутриклеточный, физиологический, системный или внешний) и обеспечивает уникальное понимание, которое можно использовать для регулярного мониторинга и последующего наблюдения.
Рисунок 3. Платформа мониторинга Multi-omics
Мультимодальный подход поможет точнее прогнозировать возможные ухудшения здоровья и оснастить космический корабль всем необходимым для организации качественной жизни во время полета.
А пока ученые разгадывают тайны космоса, предлагаем вам пройти наш шуточный тест на околомедицинскую и околокосмическую тематику. Попробуйте отгадать по названию, о чем речь — о планете Marvel или о лекарстве.
