การวิจัยในวงกว้างเปรียบเทียบนักบินอวกาศ Scott Kelly กับ Mark . น้องชายฝาแฝดของเขา
NASA มีแผนใหญ่สำหรับอนาคตของยานอวกาศของมนุษย์ ข้อเสนอของหน่วยงานอวกาศในการส่งภารกิจระยะยาวแบบมีลูกเรือไปยังดวงจันทร์และในที่สุดนักบินอวกาศบนดาวอังคารจะต้องมีความก้าวหน้าอย่างมากในด้านฮาร์ดแวร์จรวดและยานอวกาศ แต่พร้อมกับเทคโนโลยีใหม่ นักวิทยาศาสตร์กำลังต่อสู้กับคำถามสำคัญอีกข้อหนึ่ง: ร่างกายมนุษย์สามารถดำรงตัวเองอยู่ได้ในช่วงเวลานั้นในอวกาศหรือไม่? ภารกิจสำรวจดาวอังคารอาจใช้เวลาสองหรือสามปี ในขณะที่การสำรวจอวกาศส่วนใหญ่จนถึงตอนนี้ใช้เวลาหกเดือนหรือน้อยกว่านั้น ภารกิจที่ขยายออกไปนอกวงโคจรของโลกอาจส่งผลให้เกิดผลกระทบทางชีวภาพที่ลึกซึ้งและอาจเป็นอันตรายในร่างกายของนักบินอวกาศ
เพื่อศึกษาอิทธิพลของสภาวะไร้น้ำหนัก การแผ่รังสี และการกักขังในยานอวกาศระยะยาว NASA ได้เลือกฝาแฝด Scott และ Mark Kelly สำหรับภารกิจพิเศษ ฝาแฝดที่เหมือนกันทั้งสองเคยทำหน้าที่เป็นนักบินทดสอบและนักบินอวกาศของ NASA และสก็อตต์ได้รับเลือกให้ปฏิบัติภารกิจที่สถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) เป็นเวลาหนึ่งปี โดยทิ้งพี่ชายของเขาซึ่งเป็นสำเนาพันธุกรรมของตัวเองลงบนพื้นโลก นักวิจัยใช้เครื่องหมาย Earthbound เป็นแบบควบคุมเพื่อเปรียบเทียบกับการเปลี่ยนแปลงใดๆ ใน Scott ในช่วงปีที่เขาอยู่ในอวกาศ ซึ่งกินเวลาตั้งแต่วันที่ 27 มีนาคม 2015 ถึง 1 มีนาคม 2016
นักวิทยาศาสตร์สิบทีมได้ศึกษาแง่มุมต่างๆ ของสุขภาพและชีววิทยาของฝาแฝด ตั้งแต่การแสดงออกของยีน แบคทีเรียในลำไส้ ไปจนถึงการรับรู้ วันนี้ ทีมงานได้เผยแพร่งานวิจัยที่รวบรวมไว้บางส่วนในการศึกษาแบบสหวิทยาการซึ่งจะเผยแพร่ในวันที่ 12 เมษายนในวารสารScience
ด้วยผู้เขียนมากกว่า 80 คน การศึกษานี้ได้รวบรวมและวิเคราะห์ข้อมูลที่หลากหลาย ซึ่งรวบรวมจากฝาแฝดทั้งสองในช่วงภารกิจตลอดทั้งปี บวกกับเดือนก่อนและหลังทันที ผลลัพธ์ที่ได้นั้นกว้างขวาง แต่โดยหลักแล้วแสดงให้เห็นว่าร่างกายของสก็อตต์เด้งกลับอย่างรวดเร็วหลังจาก 340 วันในสภาพพื้นที่ที่มีความตึงเครียดโดยมีข้อยกเว้นเด่นบางประการ งานวิจัยสร้าง “ภาพจำลองของการปรับตัวระดับโมเลกุล สรีรวิทยา และพฤติกรรม และความท้าทายสำหรับร่างกายมนุษย์ในระหว่างการบินในอวกาศที่ยืดเยื้อ” ผู้เขียนเขียน
คำถามแห่งวัย
หนึ่งในสิบทีมที่นำโดย Susan Bailey ศาสตราจารย์ด้านชีววิทยารังสีและมะเร็งที่มหาวิทยาลัยแห่งรัฐโคโลราโด มุ่งเน้นไปที่เทโลเมียร์ “แคป” ที่ปกป้องปลายสายดีเอ็นเอ บนโลกนี้ เทโลเมียร์เหล่านี้จะหมดไปตลอดช่วงชีวิตของบุคคล เนื่องจากการจำลองดีเอ็นเอแต่ละรอบจะสึกหรอไปจากพวกเขา
เมื่อทีมของ Bailey วิเคราะห์เทโลเมียร์ในเซลล์เม็ดเลือดขาวของสก็อตต์ พวกเขาพบว่าความยาวเทโลเมียร์เฉลี่ยในเซลล์เหล่านี้เพิ่มขึ้นจริง ๆ ในระหว่างการปฏิบัติภารกิจ “มันตรงกันข้ามกับที่เราจินตนาการไว้เลย” เบลีย์กล่าว “เราเสนอว่า อันที่จริง เนื่องจากความเครียดและการสัมผัสกับสิ่งต่าง ๆ เช่น สภาวะไร้น้ำหนัก การแผ่รังสีในอวกาศ และการแยกตัว … [มัน] ดูเหมือนว่าพวกเขาจะเร่งการสูญเสียเทโลเมียร์ในอวกาศ”
เมื่อสกอตต์แตะพื้นโลก ทีมงานของเบลีย์สังเกตว่าความยาวเทโลเมียร์เฉลี่ยของเขาลดลงจนใกล้เคียงกับระดับก่อนการบิน อย่างไรก็ตาม ในช่วงหลายเดือนหลังการบิน เทโลเมียร์จำนวนมากขึ้นหรือลดลงอย่างมาก นี่อาจเป็นข้อค้นพบที่เกี่ยวกับการค้นพบ เนื่องจากการที่เทโลเมียร์สั้นลงและการสูญเสียนั้นสัมพันธ์กับความชราภาพและความอ่อนไหวต่อโรคที่เกี่ยวข้องกับอายุ รวมถึงปัญหาหัวใจและหลอดเลือดและมะเร็ง
นักวิจัยยังไม่แน่ใจว่าการเปลี่ยนแปลงของเทโลเมียร์เกิดขึ้นได้อย่างไรหรือเพราะอะไร ทีมงานหวังว่าจะวิเคราะห์กิจกรรมของเทโลเมอเรส ซึ่งเป็นเอ็นไซม์ที่ขยายเทโลเมียร์แต่ถูกปิดในเซลล์ร่างกายของผู้ใหญ่ส่วนใหญ่ เพื่อดูว่ามีการกระตุ้นอย่างใดในขณะที่สกอตต์อยู่บนเครื่องบิน อย่างไรก็ตาม วัสดุที่พวกเขาต้องการนั้น “หายไปในอวกาศ” Bailey กล่าว ตัวอย่างเลือดถูกส่งกลับมายังโลกด้วยยานอวกาศโซยุซ แต่กิจกรรมเทโลเมอเรสตายไปแล้วเมื่อมาถึง ซึ่งอาจเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในระหว่างการกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลกอีกครั้ง
การเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับกลไกเบื้องหลังการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ในระหว่างและหลังการบินในอวกาศจะมีความสำคัญต่อการก้าวไปข้างหน้า Bailey กล่าว—ไม่ใช่แค่เพื่อประโยชน์ของนักบินอวกาศเท่านั้น แต่ยังเพราะความเข้าใจอย่างถ่องแท้เกี่ยวกับอายุมากขึ้นจะมีประโยชน์ต่อสุขภาพของ “มนุษย์ดิน”
การแสดงออกของยีนในอวกาศ
นักวิจัยยังได้ศึกษาจีโนมของสกอตต์เพื่อดูว่าการแสดงออกของยีนเปลี่ยนไประหว่างการบินหรือไม่ เนื่องจากมันมักจะเกิดขึ้นในสถานการณ์ที่ตึงเครียด ทีมที่นำโดย Chris Mason นักพันธุศาสตร์ที่ Weill Cornell Medicine ได้ศึกษาการดัดแปลง DNA และ RNA ที่จะส่งสัญญาณถึงการปรับตัวของ epigenetic พวกเขาสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงบางอย่างในการแสดงออกของยีน และการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เร่งขึ้นในช่วง 6 เดือนที่ผ่านมาของภารกิจ การแสดงออกของยีนแตกต่างกันมากกว่าหกเท่าในช่วงครึ่งหลังเมื่อเทียบกับจุดเริ่มต้นของเที่ยวบิน
การค้นพบนี้ค่อนข้างน่าประหลาดใจ Mason กล่าว เพราะเขาคาดว่าความแตกต่างเหล่านี้จะช้าลงหรือหยุดลงหลังจากช่วงเริ่มต้นของการปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อมใหม่ การเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมอย่างต่อเนื่องและเพิ่มขึ้นแสดงให้เห็นว่าร่างกายยังคงเปลี่ยนแปลงต่อไปในอวกาศเป็นเวลานาน
Andrew Feinberg ศาสตราจารย์และนักวิจัยทางการแพทย์ที่ Johns Hopkins University และทีมของเขามุ่งเน้นไปที่กลุ่มเมธิล ซึ่งเป็นเครื่องหมายทางเคมีที่มักจะส่งสัญญาณการเปลี่ยนแปลงในการแสดงออกของยีน และพบว่าปริมาณการเปลี่ยนแปลงของอีพีเจเนติกส์มีความคล้ายคลึงกันสำหรับพี่น้องสองคน แม้จะมีความแตกต่างเล็กน้อย แต่จีโนมของสก็อตต์ก็มีพฤติกรรมที่ “ไม่น่าเป็นห่วง” ไฟน์เบิร์กกล่าว
หลังจากสิ้นสุดภารกิจ 90% ของการแสดงออกของยีนที่ได้รับการดัดแปลงจะกลับสู่เส้นฐานก่อนบิน ซึ่งเป็นสัญญาณที่ดีว่าร่างกายสามารถฟื้นตัวได้หลังจากปฏิบัติภารกิจอันยาวนาน Mason กล่าว อีก 10 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งประกอบด้วยยีนมากกว่า 800 ยีน ซึ่งรวมถึงยีนที่เกี่ยวข้องกับการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันและการซ่อมแซมดีเอ็นเอ ยังคงแสดงออกอย่างแตกต่างออกไปหลังจากสกอตต์กลับมาถึงหกเดือน “ดูเหมือนว่าในระดับหนึ่ง เซลล์ในร่างกายเพียงพอจะมีความทรงจำเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นว่ายังมีการปรับตัวและการปรับเทียบใหม่เพื่อให้กลับมาอยู่บนโลกได้อย่างต่อเนื่อง” Mason กล่าว
ร่างกายของนักสำรวจอวกาศ
นักวิจัยสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับการบินในอวกาศทั่วทั้งร่างกายส่วนที่เหลือของสกอตต์ ในการศึกษาไมโครไบโอม ซึ่งเป็นชุมชนแบคทีเรียที่อาศัยอยู่ในลำไส้ของมนุษย์ ทีมวิจัยที่นำโดยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิร์น พบว่าสัดส่วนของแบคทีเรียประเภทต่างๆ เปลี่ยนไปในช่วงปีที่สก็อตต์อยู่ในอวกาศ อย่างไรก็ตาม ความหลากหลายโดยรวมของแบคทีเรียไม่ได้ลดลง ซึ่งเป็นสัญญาณที่ดีที่ไมโครไบโอมยังคงมีสุขภาพดี
ทีมที่นำโดยบรินดา รานา นักวิจัยด้านวิทยาศาสตร์สุขภาพที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก พบว่าโปรตีนหลายชนิดเปลี่ยนแปลงไประหว่างการบินในอวกาศ ตัวอย่างปัสสาวะจากเวลาที่สกอตต์อยู่บนสถานีอวกาศนานาชาติมีคอลลาเจนในระดับสูง ซึ่งเป็นโปรตีนที่มีโครงสร้าง การดูการวัดนี้ควบคู่ไปกับการเปลี่ยนแปลงทางสรีรวิทยา เช่นที่พบในดวงตาและระบบหลอดเลือดของสก็อตต์ อาจเป็นสัญญาณว่าร่างกายกำลังมีการปรับโครงสร้างใหม่ Rana กล่าว นักวิจัยยังสังเกตเห็นระดับที่เพิ่มขึ้นของ aquaporin 2 ซึ่งเป็นโปรตีนที่มีแนวโน้มว่าจะเป็นเครื่องหมายของภาวะขาดน้ำ
อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงส่วนใหญ่ที่ทีมของรานาและคนอื่นๆ สังเกตเห็นได้หายไปเมื่อสกอตต์แตะพื้นโลก “มันเป็นการแสดงให้เห็นว่าร่างกายมีความยืดหยุ่นเพียงใด และร่างกายมนุษย์สามารถปรับตัวอย่างไรกับสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน” รานากล่าว “หนึ่งปีในอวกาศ—ร่างกายสามารถจัดการกับสิ่งนั้นได้”
เนื่องจากขนาดกลุ่มตัวอย่างของการศึกษาฝาแฝดของ NASA มีขนาดเล็กเท่าที่จะเป็นได้ นักวิจัยจึงเน้นว่าพวกเขาไม่สามารถสรุปผลลัพธ์ของพวกเขาได้ และไม่สามารถพิสูจน์การเชื่อมโยงเชิงสาเหตุโดยตรงระหว่างยานอวกาศกับการสังเกตการณ์ของพวกเขาได้ ถึงกระนั้น งานของพวกเขาถึงแม้จะมีขอบเขตจำกัดโดยเนื้อแท้ก็ตาม ทำให้ NASA ได้เบาะแสบางอย่างว่าพวกเขาอาจเห็นการเปลี่ยนแปลงทางชีววิทยาระหว่างการบินในอวกาศ ซึ่งเป็น “แผนงานอันมีค่า” ต่อความเสี่ยงที่อาจเกิดขึ้นจากการเดินทางไกลเข้าสู่ระบบสุริยะของเรา
Feinberg กล่าวว่าการทำงานในการศึกษาครั้งนี้เหมือนกับการเป็นนักเขียนแผนที่ในยุคแรกๆ เขาและผู้วิจัยคนอื่นๆ พยายามทำความเข้าใจในภาพรวมว่าการเปลี่ยนแปลงใดเกิดขึ้นในร่างกายระหว่างการบินในอวกาศ สร้างรูปร่างทั่วไปและออกจากห้องสำหรับการวิจัยในอนาคตเพื่อกรอกรายละเอียด
นาซ่ามีแผนที่จะกรอกแผนที่ร่างกายมนุษย์นี้ต่อไป เบลีย์และนักวิจัยคนอื่นๆ จะดำเนินการติดตามโครงการระยะยาวต่อไป “นักบินอวกาศสิบคนในภารกิจหนึ่งปี สิบคนในภารกิจหกเดือน และสิบคนในทริปครั้งละสองถึงสามเดือน ข้อมูลด้านสุขภาพจะถูกนำไปเปรียบเทียบกับผู้คนบนพื้นที่ที่อยู่โดดเดี่ยวในช่วงเวลาเดียวกันนั้น” ตามข่าวประชาสัมพันธ์ของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐโคโลราโด นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ กำลังเดินหน้าโครงการแอนะล็อกบนโลก รวมถึง Rana ที่กำลังศึกษามาตรการจากอาสาสมัครเรื่องที่พักพิงระยะยาวที่เลียนแบบสภาวะไร้แรงโน้มถ่วง
แม้ว่าจะมีงานอีกมากที่ต้องทำ แต่ตอนนี้ NASA มีกรอบการทำงานสำหรับการทำงานร่วมกันแบบสหสาขาวิชาชีพที่มีแนวโน้มว่าจะดำเนินต่อไปในการศึกษาในอนาคต Basner กล่าว สำหรับสกอตต์ เคลลี่ เขาพร้อมที่จะอยู่ในนั้นในระยะยาว
“บางครั้งคำถามที่วิทยาศาสตร์ถามก็ถูกตอบด้วยคำถามอื่นๆ และฉันจะทำแบบทดสอบปีละครั้งตลอดชีวิตที่เหลือของฉัน” เขาเขียนไว้ในหนังสือของเขาในปี 2017 ชื่อEndurance : My Year in Space, A Lifetime of Discovery “สิ่งนี้ไม่ได้รบกวนฉันเป็นพิเศษ มันคุ้มค่าที่จะมีส่วนร่วมในการพัฒนาความรู้ของมนุษย์”
