https://www.thermofisher.com/ru/ru/home/products-and-services/promotions/30-years-discovery-russia-promo.html?cid=PJT4417-WE42944-Biomolecula-Russia-30yearsinRussiaBanner-December
Подписаться
Оглавление
Биомолекула

Пациентом по галактике: как долгий космический перелет повлияет на наше здоровье?

Пациентом по галактике: как долгий космический перелет повлияет на наше здоровье?

  • 196
  • 0,2
  • 2
  • 2
Добавить в избранное print
Обзор

Карен Найберг, американская женщина-космонавт, снимает изображение сетчатки своего глаза с помощью фундоскопа, находясь на МКС

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Страдают ли от насморка в космосе, почему после длительной командировки за пределы Земли могут понадобиться очки и как возникает «внеземной» недосып? Своей работой специалисты космической отрасли приближают будущее, в котором ответы на эти вопросы будут иметь прикладное значение не только для них, но и для обычных пользователей сервиса «Ответы Mail.ru» в разделе «Туризм». С помощью этой обзорной статьи, обобщающей результаты последних крупных биомедицинских исследований с участием космонавтов международных космических миссий, мы надеемся подготовить читателей к относительно скорому наступлению новой космической эпохи.

Конкурс «био/мол/текст»-2019

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2019.


Центр наук о жизни Сколтеха

Генеральный спонсор конкурса и партнер номинации «Сколтех» — Центр наук о жизни Сколтеха.


«Диа-М»

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.


BioVitrum

Спонсором приза зрительских симпатий выступила компания BioVitrum.


«Альпина нон-фикшн»

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Параллельно с активно освещаемыми в СМИ испытаниями ракет-носителей проводятся исследования, часто более скромные по объемам финансирования, но в той же степени необходимые для выполнения космических программ. В случае пилотируемых миссий, по определению подразумевающих наличие экипажа из одного или нескольких космонавтов, на первый план выходят работы в области астробиологии и космической медицины, направленные на:

  • изучение факторов экстремальной космической среды и их влияния на организм;
  • определение скорости адаптации и предела адаптивных возможностей человека;
  • пути снижения негативных последствий пребывания в космосе, например, с помощью лекарств и адаптивных упражнений;
  • моделирование условий космического полета на Земле, проведение аналогий со схожими экстремальными условиями, включая полярные и спелеологические экспедиции.

Астробиология фокусируется на разнообразных формах жизни — например, ученые-астробиологи выдвигают гипотезы о жизни на других планетах [1] и исследуют физиологию растений в космосе [2]. Объектом выступает и человек — космонавты самостоятельно производят заборы биологических жидкостей и отправляют на Землю, рапортуют о состоянии своего здоровья, ведут учет лекарств на борту.

Обычно космонавты непрерывно находятся в космосе до полугода; в единичных случаях продолжительность полета составляет год или более. Однако в возможном недалеком будущем, где пилотируемые космические полеты на Марс из научной фантастики станут объективной реальностью, один только трансфер займет около трех лет. Организации-лидеры по размерам бюджета и штата специалистов планируют осуществить свои первые запуски на красную планету в ближайшее время: SpaceX, частная компания под руководством Илона Маска, — в 2024 году; пользующиеся государственной поддержкой ЕКА и НАСА ориентируются на 2030-е годы. В связи с этим особого внимания удостаиваются работы, анализирующие адаптивные изменения в организме человека при длительном пребывании в космосе.

В мире всего пара-тройка потенциальных объектов для исследований подобного рода, но иногда при невезении с количеством ученым невероятно везет с качеством. Например, у американского космонавта Скотта Келли, проведшего на МКС вместе с российским космонавтом Михаилом Корниенко рекордные для этой станции 340 суток, есть однояйцевый брат-близнец Марк Келли — тоже космонавт, который оставался на Земле во время миссии родственника (рис. 1). Генетическое сходство и одинаковая физическая подготовка братьев позволяют описать последствия влияний космических условий с большей точностью с использованием близнецовых методов [3].

Американские космонавты Скотт и Марк Келли

Рисунок 1. Американские космонавты Скотт и Марк Келли. Скотт скоро отправится в миссию на МКС продолжительностью в год, тогда как его брат-близнец Марк останется на Земле.

«Опасность — неотъемлемая часть любой игры, милочка»*

Кандидаты в космонавты неспроста проходят тщательный отбор — космос по праву считается особо агрессивной средой, встречающей представителей живой природы отсутствием кислорода, радиацией, невесомостью и низкой температурой космического пространства. Помимо самогó пребывания в космосе, опасными являются и перегрузки при взлете, и адаптации к нормальной гравитации после полета.

Экстремальность условий не ограничивается перечисленными факторами среды. Среди дополнительных рисков обычно называют следующие:

  • циркадные ритмы (наши внутренние «часы», регулируемые Солнцем) «сбиваются» в космосе, вследствие чего организм не понимает, когда происходит смена дня и ночи;
  • существуют определенные ограничения в движении и питании в условиях тесного внутреннего пространства корабля и его труднодоступности для транспортировки грузов с Земли;
  • ограниченность пространства, социальная изоляция и стрессовые ситуации также негативно влияют на психическое самочувствие, приводя к развитию депрессивных состояний, апатии и тревожности [4].

Во время длительных миссий некоторые изменения в физиологии выражены сильнее, и возвращение к исходному состоянию после космического полета занимает больше времени. К примеру, процесс уменьшения объема плазмы и количества красных клеток крови существенно не отличается в коротких и длительных миссиях, тогда как сердечно-сосудистые адаптации (например, увеличение массы левого желудочка и нарушения ортостатической толерантности) и потеря мышечной массы становятся более выраженными в длительных полетах [3].

Многие неблагоприятные последствия пребывания в космосе после возвращения на Землю исчезают с течением времени, однако ученые описывают все больше хронических «профессиональных» болезней космонавтов.

«Капитан, моя ДНК... с ней что-то не так...»

От космического излучения экипаж МКС частично защищен магнитным полем Земли, но при солнечных вспышках радиационные дозы возрастают. Межпланетные перелеты, таким образом, обладают еще большим радиационным риском, а с возрастанием их длительности будут возрастать и эффекты от влияния излучения.

Космическое излучение опасно тем, что оно нарушает стабильность генома, вызывает разного рода изменения в структуре хромосом, в самой последовательности ДНК. В космосе увеличенной частотой могут похвастаться такие хромосомные перестройки (аберрации), как инверсии, когда участок хромосомы поворачивается на 180 градусов, вследствие чего последовательность меняется на обратную. Увеличивается и частота транслокаций, в ходе которых участок с одной хромосомы переходит на другую [3].

Особенно интересно, что за время полета у Скотта увеличилась длина теломер. Теломеры — шестибуквенные повторы на концах хромосом, которые «колпачком» прикрывают концевые последовательности ДНК, тем самым предохраняя хромосомы от деградации и поддерживая стабильность генома. Укорочение теломер ассоциировано со старением и влиянием таких факторов, как стресс, загрязнение воздуха и радиация; их удлинение свидетельствует об активности фермента теломеразы, «накручивающей» дополнительные повторы на ДНК [5]. Теломеразная активность продлевает жизнь клетки, но излишнее и неконтролируемое клеточное деление приводит к появлению популяций раковых клеток. В космосе у Скотта изменилось метилирование ДНК в области промотора гена TERT, кодирующего регуляторную субъединицу теломеразы, а также сильнее экспрессировались гены, чьи продукты отвечают за упаковку теломер. Однако увеличенная за время полета длина теломер сократилась после двух суток, проведенных на Земле, и стабилизировалась на предполетных средних значениях в течение нескольких месяцев. Основные механизмы и потенциальные последствия такого кратковременного удлинения теломер пока неизвестны, так что говорить о «космическом омоложении» пока рановато. Более того, количество обнаруженных у Скотта теломер существенно уменьшилось, и в других исследованиях у космонавтов МКС, как правило, теломеры после полета были короче, чем до него [3].

Как было описано выше, меняться может не только сама последовательность ДНК, но и процесс перевода с языка ДНК на язык РНК и белков (непосредственный синтез продуктов генов, называемый экспрессией генов). Изменение в таком случае является не генетическим, а эпигенетическим. Экспрессия генов зависит от эпигенетических событий, одними из которых являются метилирование и деметилирование ДНК в промоторных областях генов. Благодаря «правильно» расставленному по геному метилированию ненужные нам гены «молчат» (их промоторы метилированы), а нужные «говорят», производя необходимое количество продуктов. «Неправильный» паттерн метилирования схож по эффектам с генетической мутацией, но сама последовательность ДНК при этом никак не меняется — например, метилирование ДНК в области промотора гена опухолевого супрессора («подавителя» опухолей) приводит к «молчанию» этого гена и, следовательно, к росту опухоли .

Об эпигенетических механизмах, передаче от поколения к поколению и прикладному значению для медицины и науки можно узнать больше в статьях «Развитие и эпигенетика, или История о Минотавре» [6], «Эпигенетика поведения: как бабушкин опыт отражается на ваших генах?» [7], «Эпигенетические часы: сколько лет вашему метилому?» [8], «Катится, катится к ДНК гистон» [9] и «Пилюли для эпигенома» [10].

В случае Скотта Келли показатели экспрессии большинства генов, изменившиеся во время космического полета, вернулись к нормальным диапазонам в течение полугода после возвращения на Землю. Несмотря на то, что при исследовании лимфоцитов Скотта были обнаружены изменения метилирования ДНК по всему геному, они находились в пределах диапазона изменений, наблюдаемых у его брата Марка. И хотя изменения были минимальными, исследователи пессимистично предположили, что во время полета не исключены локальные изменения, которые могут привести к негативным последствиям. После полугода на Земле в норму не пришла экспрессия всего ~9% генов, но многие из них связаны с иммунной функцией и исправлением ошибок (репарацией) в ДНК [3].

Гены иммунной системы не в полной мере восстанавливают свою изначальную функциональность, изменяются многие пути, включая путь адаптивной иммунной системы, врожденного иммунного ответа и иммунитета, опосредованного клетками-киллерами. У Скотта во время полета был зафиксирован сильный эпигенетический дисбаланс в области промоторов гена NOTCH3, одного из регуляторов дифференцировки Т-клеток, и гена SLC1A5, способствующего активации тех же клеток. Это может означать, что Т-клетки не смогут адекватно распределять между собой роли «наводчиков» (T-хелперы) и «пулеметчиков» (T-киллеры) и реагировать на вторжение «врагов» [3].

Другие исследования подтверждают сильное изменение количества, пропорций и функций лимфоцитов. В частности, Т-хелперы, так и Т-киллеры из крови, взятой у космонавтов во время полета, неэффективно реагируют на различные раздражители, и при нормальных обстоятельствах эти же стимулы вызвали бы более сильный ответ. Что касается естественных киллеров (natural killer cells, NK-клеток), уничтожающих вирусные частицы / инфицированные вирусом клетки, то в некоторых случаях изменяются как их функция, так и их количество [11].

Об изменениях в иммунной системе свидетельствуют и косвенные признаки. В течение полета и некоторое время после него соотношение соединений с омега-6-ненасыщенной кислотой и омега-3-ненасыщенной смещено в сторону первых; некоторые исследователи полагают, что омега-6 обладает провоспалительным действием, а омега-3 — противовоспалительным [3].

Изменяются и количественные пропорции цитокинов — сигнальных молекул, задействованных в иммунных клеточных взаимодействиях. Результаты исследований в этой области противоречивы из-за применения разных методов анализа и оценки, но уже точно известно об изменении в концентрации интерлейкина-6 (IL-6) в биологических жидкостях [12]. Особого внимания также заслуживает сдвиг в соотношении интерферона гамма (IFNγ) и интерлейкина-10 (IL-10). Интерферон гамма снижает активность Th2-клеток — подвида T-хелперов, которые ассоциированы с активацией гуморального иммунитета [13]. В результате космических перелетов у космонавтов соотношение IFNγ : IL10 снижается, что говорит о том, что, с одной стороны, происходит увеличение количества Th2-клеток, а с другой — понижение продукции T-хелперов первого типа (Th1-клеток), которые отвечают за развитие клеточного иммунитета. В условиях длительного космического полета этот сдвиг может оказывать существенное негативное влияние на здоровье: повышается риск развития Th2-ассоциированных аутоиммунных заболеваний и аллергий, а также увеличивается восприимчивость к болезням, связанным с ослаблением клеточного иммунитета .

Подробнее об иммунных процессах, T-лимфоцитах разных типов, цитокинах можно прочитать в статьях «Иммунитет: борьба с чужими и... своими» [14], «Т-лимфоциты: путешественники и домоседы» [15] и «Псориаз: Т-хелперы, цитокины и молекулярные шрамы» [16].

«Сэр, наших запасов супрастина не хватит на всех...»

Высыпания на коже космонавта

Рисунок 2. Высыпания на коже космонавта, находившегося в длительной космической миссии

Помимо бессонницы и усталости, которые будут описаны ниже, около половины космонавтов сообщает о других заметных ухудшениях самочувствия. В большинстве случаев они проявляются как сыпь или гиперчувствительность (рис. 2); за ними следуют заболевания верхних дыхательных путей, так что насморк в космосе — явление довольно частое.

Изначально исследователи выделили несколько возможных причин перевеса кожных заболеваний и гиперчувствительности:

  • гигиенические факторы (использование воды на станции ограничено, поэтому существует вероятность неполного смывания мыла и шампуня);
  • раздражение от специфического оборудования (скафандры для выхода в открытый космос, кислородные маски и прочее);
  • условия среды на борту станции: низкая влажность, ограниченность движения воздушных потоков и кондиционирование воздуха, длительный контакт с влагой от пота;
  • ранний этап адаптации к новым условиям среды;
  • стойкое ухудшение функционирования иммунной системы [17].

Все пункты могут вносить свою лепту в возникновение высыпаний и гиперчувствительности, но последний, судя по всему, является одним из самых существенных.

Антигистаминные препараты — одни из самых популярных на борту МКС. Развитие гиперчувствительности, до боли знакомой аллергикам и астматикам, связано с выработкой антител IgE, которые стимулируют синтез гистамина, серотонина и лейкотриенов. Предполагается, что в случае космонавтов гиперчувствительность вызывается упомянутым выше сдвигом в активации хелперных клеток Th2. Сверхактивация Th2 приводит к развитию IgE-опосредованной гиперчувствительности [18].

Молекулярные механизмы развития аллергенной гиперчувствительности и современные исследования в этой области хорошо описаны в статьях «Старые друзья — ключ к аутоиммунным заболеваниям» [19], «Как победить аллергию за четыре инъекции?» [20] и «Антитело: лучший способ распознать чужого» [21].

Гиперчувствительность такого типа относительно легко купируется однократным или курсовым приемом антигистаминных препаратов. Однако у связанных с иммунным дисбалансом высыпаний на теле может быть иная, более сложная и опасная природа.

Герпесвирусы наносят ответный удар

Наверняка в детстве вы уже переболели ветрянкой, и вас заверили, что больше такого кошмара с вами не произойдет. Не могли же они предположить, что вы отправитесь в межпланетный круиз?

Многие герпесвирусы, к которым принадлежит и возбудитель ветряной оспы HHV-3, эволюционировали вместе с нами, «изобретая» сложные стратегии для уклонения от реакции нашей иммунной системы. Они сохраняются в нашем организме в латентной фазе как затаившиеся в кустах тигры. Но стоит только иммунной системе расслабиться, как герпесвирусы реактивируются — тот же HHV-3 может вызвать опоясывающий лишай при изменениях в системе клеточного иммунитета.

Вирусная нагрузка (количество вирусных частиц) может быть высокой, но при этом не приводить к клиническим симптомам реактивации. Тем не менее было зарегистрировано несколько случаев, когда реактивация у исследователей космоса заканчивалась атопическим дерматитом (и другими последствиями вирусной инфекции), при этом частота репликации некоторых герпесвирусов во время космического полета напрямую коррелировала с его продолжительностью [22].

У космонавтов зарегистрированы реактивации таких герпесвирусов, как вышеупомянутый HHV-3, вирус простого герпеса HSV-1, вирус Эпштейна—Барр HHV-4 и цитомегаловирус HHV-5. Уже сейчас очевидно, что HHV-3 представляет собой серьезную опасность для здоровья членов экипажа — некоторые из них страдали от опоясывающего лишая, будучи на МКС. Это создает риск для благополучия не только космонавтов, но и не переболевших людей, контактирующих с ними на Земле, поскольку вирусная нагрузка HHV-3 сильно увеличивается со временем, а сам вирус присутствует в слюне около 60% космонавтов [22]. HHV-4 в условиях иммунодефицита приводит к мононуклеозу, имеющему серьезные последствия для многих систем организма; активно изучается HHV-4 и в контексте ассоциации с прогрессированием опухолей [23]. HHV-5 может быть иммуноподавляющим агентом и играть роль в хорошо задокументированной на МКС и шаттлах иммунной дисфункции, тем самым «открывая двери» для остальных латентных герпесвирусов и иных заболеваний [22].

«Если вам нравится лежать в ванной, вы полюбите невесомость»*

Описанные выше неполадки в иммунной системе могут вызываться не только мутагенным космическим излучением. Невесомость, очевидными способами влияющая на сердечно-сосудистую, мышечную и другие системы организма, на иммунитет действует более изощренно.

Космонавты подвергаются таким типам гравитационных воздействий, как гипер- и микрогравитация. Гипергравитация — это перегрузка, увеличение уровня гравитации во время взлетов и посадки космических аппаратов [24]. Микрогравитация — это небольшая сила тяжести, которая присутствует на околоземной орбите (однако физиологически организм воспринимает подобную микрогравитацию как полное отсутствие тяготения). Выработка упомянутого ранее цитокина IL-6 грависенситивна, то есть реагирует на изменения гравитации. Исследователи подвергали действию микро- и гипергравитации человеческие клетки (в частности, для оценки условий микрогравитации использовали мононуклеарные клетки периферической крови, а гипергравитации — хондроциты и раковые клетки щитовидной железы) и показали, что выработка IL-6 снижается в условиях микрогравитации, а в условиях гравитационной перегрузки, напротив, увеличивается. Конкретные механизмы действия микрогравитации на сигнальные пути пока не ясны, но известно, что она влияет на экспрессию некоторых факторов транскрипции, в том числе на транскрипционный ядерный фактор «каппа-би» (nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells, NF-κB), контролирующий экспрессию генов иммунного ответа, апоптоза и клеточного цикла, в том числе генов, кодирующих цитокины (включая ген IL-6) [25].

IL-6 играет важную регуляторную роль во врожденном и адаптивном иммунитете, кроветворении, а также в костном, мышечном и метаболическом гомеостазе [25], [26]. Он способствует выработке других цитокинов, контролирует пролиферацию, созревание и выживание некоторых иммунных клеток, иногда инициирует выработку антител. IL-6 может выступать как про-, так и противовоспалительный цитокин, может вызывать аутоиммунные реакции, например, повреждение суставов при артрите.

Одним из критических факторов является то, что во время полета снижение секреции IL-6 может ассоциироваться с ускоренными потерями костной и мышечной массы и мышечной силы. Как это происходит? IL-6 повышает выносливость при физической нагрузке, активируя AMPK-опосредованное увеличение поглощения глюкозы и окисления жиров в мышечных клетках. AMPK — это АМФ-активируемая протеинкиназа (AMP activated protein kinase, AMPK); в исследованиях на мышах показано, что в условиях микрогравитации подавляется экспрессия этого фермента в сердечной мышце. Соответственно, это влечет за собой ухудшение работы мышц и снижает выносливость организма. IL-6 также восстанавливает чувствительность к инсулину и регулирует его секрецию, предотвращает ожирение, поэтому снижение выработки этого цитокина в космосе также может способствовать развитию субклинического диабета (преддиабета) [25].

Влияние невесомости на человека в целом подробно описано для сердечно-сосудистой, костно-мышечной и сенсомоторной систем. Сердечно-сосудистая адаптация включает:

  • нарушение сердечно-сосудистой реакции на ортостатический стресс, связанный с изменением положения тела в пространстве и влиянием физической нагрузки;
  • снижение сердечной функции — в космосе артериальное давление слегка снижается.

Также уменьшается объем плазмы крови, причем у женщин этот процесс происходит по непонятным причинам быстрее. Хорошо известен и эффект «пухлого лица» (puffy face) — перераспределение крови и других жидкостей организма в верхнюю часть тела (рис. 3) [27].

Космонавты миссии «Одиссея»

Рисунок 3. Космонавты миссии «Одиссея» до полета (сверху) и в первый день полета (снизу)

Наблюдается также увеличение в плазме крови отношения аполипротеина B, вызывающего накопление «плохого» холестерина, к аполипротеину А1, вызывающему накопление «хорошего» холестерина , на поздних этапах полета. Судя по всему, концентрация аполипротеина B с увеличением длительности полета будет только возрастать [3], что может привести к атеросклерозу и другим сосудистым заболеваниям.

Подробнее о составе «плохого» и «хорошего» холестерина и связи их метаболизма с болезнями сердечно-сосудистой системы можно узнать из статей «Холестериновая страшилка, которая правит миром» [28], «Хороший, плохой, злой холестерин» [29], «Наночастицами — по «плохому» холестерину!» [30].

За время пребывания на космической станции космонавты слегка худели не только за счет потери в костной массе, но и из-за уменьшения потребления пищи и воды. Такая «диета» может быть связана с уменьшением подвижности верхних и нижних отделов ЖКТ из-за пониженной силы тяжести. Микрогравитация также негативно влияет на реабсорбцию воды, в результате чего возрастает подверженность почечнокаменной болезни [3], [27].

Недавно у космонавтов, находившихся в длительных миссиях, нашли характерное только для них заболевание — появление хориоидальных складок и отек диска зрительного нерва, названные нейроокулярным синдромом, связанным с космическим полетом (space flight-associated neuro-ocular syndrome, SANS). Наиболее схожа с ним «земная» внутричерепная гипертензия, но в случае SANS головные боли отсутствуют, то есть субъективно космонавт сможет отследить прогрессирование заболевания только по ухудшению зрения [31].

Зрение может пропасть и в одно мгновение. Слезы не падают в невесомости, скапливаясь у глаза (рис. 4). При большом количестве жидкости образуется сильный отек, приводящий к слепоте, что испытал на себе канадский космонавт Крис Хэдфилд прямо в открытом космосе при выполнении работ на поверхности станции. В этом случае зрение возвращается довольно быстро при своевременно оказанной медицинской помощи (у Криса все хорошо!) [32].

Крис Хэдфилд

Рисунок 4. Канадский космонавт Крис Хэдфилд показывает на себе, как слезы накапливаются возле глаз

«В космосе нет утра»*

Еще одним фактором, сильно ударяющем по иммунитету и здоровью в целом, является плохой по продолжительности и качеству сон космонавтов. Жалобы на сонливость и усталость обгоняют по частоте жалобы на гиперчувствительность и сыпь, а снотворные средства — единственные препараты, которые обгоняют антигистаминные по объемам употребления на МКС [33].

Общеизвестно, что хороший сон очень важен для поддержания как физического, так и психического здоровья, когнитивных способностей и производительности труда даже в условиях Земли. Недосыпания ухудшали эмоциональное состояние космонавтов, включая уровень энергии, состояние возбуждения, общую импульсивность, мотивацию и концентрацию; тесты на когнитивные способности свидетельствуют о потере скорости и точности ответов [34]. Депривация сна приводит к тому, что человек не может отличить характерную для гнева мимику от мимики удовольствия. Это может быть важной причиной проблем социальных отношений внутри экипажа в длительном космическом полете [35].

В среднем космонавты спят на два часа меньше, чем рекомендовано медицинскими организациями — шесть часов сна против рекомендованных восьми. Более того, сама структура сна изменяется во время космического полета: латентный период первой фазы быстрого сна (rapid eye movement, REM) слишком короткий, а медленный сон (non-REM) перераспределен между первым и вторым циклами сна. Общая продолжительность REM-сна в космосе сокращается до 50% по сравнению с пребыванием на Земле.

Сами космонавты называли несколько субъективных причин бессонницы: некомфортная температура окружающей среды, более высокий уровень шума, неудобное спальное место (рис. 5), отсутствие привычной гравитации и внезапное изменение рабочего расписания [36].

Сунита Л. Уильямс

Рисунок 5. Сунита Л. Уильямс, американская женщина-космонавт, показывает «кровать»-бокс на МКС

Темпы процессов жизнедеятельности меняются в течение суток. На наши «биологические часы» (циркадные ритмы) влияют как внешние, так и внутренние факторы; нарушения циклов сна и бодрствования ассоциированы с патологическими процессами и старением. Внешним фактором, негативно влияющим на сон, является отсутствие циркадных сигналов наподобие солнечных циклов или даже ослабленного света, что нарушает биологические ритмы человека [4]. В некоторых исследованиях установлено, что по сравнению с наземным контролем физиологические параметры, связанные с циркадным ритмом, такие как температура тела и уровень кортизола, снижались или отставали по темпу наращивания у космонавтов в космосе .

Циркадные ритмы — популярная тема современных исследований, с которой можно ознакомиться, прочитав статьи «Найдена связь между обменом веществ и циркадным ритмом» [37], «Тик-так по-шведски. Нобелевская премия за циркадные ритмы» [38], «Прообраз биологических часов» [39], «Скрытая наследственность» [40], «Молекулярные часы работают не так, как мы думали» [41], «Сон и старение I: «Часы в мозге» и влияние генов на ритм жизни» [42], «Сон и старение II: Чем отличается сон пожилых и больных от сна молодых и здоровых?» [43].

Космонавты, находящиеся в длительной миссии, в большей степени страдают от психологических и физиологических проблем. Физиологические и психологические проблемы, подразумевающие депрессию, тревогу и конфликты между членами экипажа, ведут к биологическому стрессу, в дальнейшем выражаясь в плохом качестве сна и снижении иммунной функции [44].

Соединения из групп глюкокортикоидов и катехоламинов часто называются «гормонами стресса». Хотя острые реакции на стресс могут быть полезны, длительный или хронически высокий уровень гормонов стресса может отрицательно влиять на здоровье. Чаще всего оценивают содержание в биологических жидкостях упомянутого выше глюкокортикоида кортизола. Во время полета его концентрация в слюне постоянно повышена, что свидетельствует о длительном стрессе. Высокие уровни кортизола не только сами влияют на разные системы организма, но и запускают другие системы реагирования на стресс, такие как эндоканнабиноидная система. Эндоканнабиноидная система также важна для реагирования на стресс, выполняя схожие с кортизолом функции в физиологических процессах стресса, метаболизме, в определении соотношения сна и бодрствования и в иммуномодуляции [45]. Таким образом, каскад реакций от начальных гормонов стресса до конечных приводит к постоянному наращиванию концентраций этих же гормонов, а возникающая бессонница запускает эти каскады заново.

И что же теперь, не лететь?

Исследователи постоянно придумывают новые решения, способные облегчить жизнь космонавтами и приоткрыть для обывателей дверцу космических путешествий. Некоторые меры уже были применены, хоть и с переменным успехом.

Со многими недомоганиями, как уже было сказано выше, справляются медикаментозным путем [11], [33]. Антигистаминные и снотворные препараты принимаются регулярно; если космонавт сонлив, но его работа по обслуживанию станции безотлагательна, то в бой идут стимуляторы. Космонавты принимают различные добавки с витаминами и минералами. Аптечка космической станции полна разнообразных лекарств, но сложные заболевания на МКС не лечат — протокол предписывает эвакуировать космонавта в случае серьезных симптомов. Пока неизвестны даже действие и последствия анестезии в условиях невесомости [46].

НАСА обновляет рекомендации по питанию и упражнениям во время миссии, и, судя по всему, упражнения действительно могут помочь не одним только замедлением потери мышечной массы. Известно, что на Земле уровни IL-6 в плазме увеличиваются при физических упражнениях, и если увеличение происходит и при занятиях в космосе, то это один из способов компенсации дефицита IL-6 [25]. Тем не менее пока непонятно, какой набор упражнений более выгоден для организма в условиях космоса, и не приносят ли они какого-либо вреда [47]. К тому же самим космонавтам регулярные упражнения кажутся скучными и занимающими много времени; из-за монотонности и трудоемкости физкультуры в условиях микрогравитации они не особо горят заниматься спортом на МКС [3].

В 2016 году на станции сменили освещение — теперь оно позволяет имитировать ход светового дня на Земле для поддержания адекватных циркадных ритмов у экипажа. Исследователи предлагают различные способы для улучшения среды МКС для сна и психического самочувствия: сделать спальные боксы удобнее, обеспечить тишину и приемлемую температуру, обеспечить психологическую поддержку и обучать экипаж мерам психологической самопомощи [36].

Судя по всему, прожить и три года на МКС возможно, но это не аналогично трехгодичному полету до Марса и тем более не аналогично пешей прогулке по нему. Но наука и медицина не останавливаются на достигнутом, и в космос уже отправляются очень разные люди разных возрастов, прошедшие не такой жесткий отбор по здоровью, как Юрий Гагарин [48].

Российский космонавт Михаил Корниенко, «напарник» Скотта Келли в 340-суточном пребывании на МКС, затруднился ответить на вопрос о примерной дате высадки на Марс. По его мнению, если будет такая политическая задача, то в течение десяти лет человека высадят на красную планету. Однако для этого нужна серьезная кооперация всех стран-участниц космического клуба, которым надо преодолеть свои проблемы и попытаться найти общий язык между собой [49].

Литература

  1. Дикий-дикий космос;
  2. Растения в космосе: инструкция по применению;
  3. Garrett-Bakelman F.E., Darshi M., Green S.J., Gur R.C., Lin L., Macias B.R. et al. (2019). The NASA Twins Study: A multidimensional analysis of a year-long human spaceflight. Science. 364;
  4. Wikipedia: Space medicine;
  5. «Нестареющая» Нобелевская премия: в 2009 году отмечены работы по теломерам и теломеразе;
  6. Развитие и эпигенетика, или История о Минотавре;
  7. Эпигенетика поведения: как бабушкин опыт отражается на ваших генах?;
  8. Эпигенетические часы: сколько лет вашему метилому?;
  9. Катится, катится к ДНК гистон;
  10. Пилюли для эпигенома;
  11. Brian Crucian, Raymond P Stowe, Satish Mehta, Heather Quiriarte, Duane Pierson, Clarence Sams. (2015). Alterations in adaptive immunity persist during long-duration spaceflight. npj Microgravity. 1;
  12. T. P. Stein, M. D. Schluter. (1994). Excretion of IL-6 by astronauts during spaceflight. American Journal of Physiology-Endocrinology and Metabolism. 266, E448-E452;
  13. Nathan Guéguinou, Cécile Huin-Schohn, Matthieu Bascove, Jean-Luc Bueb, Eric Tschirhart, et. al.. (2009). Could spaceflight-associated immune system weakening preclude the expansion of human presence beyond Earth's orbit?. Journal of Leukocyte Biology. 86, 1027-1038;
  14. Иммунитет: борьба с чужими и… своими;
  15. Т-лимфоциты: путешественники и домоседы;
  16. Псориаз: Т-хелперы, цитокины и молекулярные шрамы;
  17. Brian Crucian, Adriana Babiak-Vazquez, Smith Johnston, Duane Pierson, C Mark Ott, Clarence Sams. (2016). Incidence of clinical symptoms during long-duration orbital spaceflight. IJGM. Volume 9, 383-391;
  18. Jinfang Zhu, William E. Paul. (2008). CD4 T cells: fates, functions, and faults. Blood. 112, 1557-1569;
  19. Старые друзья — ключ к аутоиммунным заболеваниям;
  20. Как победить аллергию за четыре инъекции?;
  21. Антитело: лучший способ распознать чужого;
  22. Bridgette V. Rooney, Brian E. Crucian, Duane L. Pierson, Mark L. Laudenslager, Satish K. Mehta. (2019). Herpes Virus Reactivation in Astronauts During Spaceflight and Its Application on Earth. Front. Microbiol.. 10;
  23. От поцелуя до лимфомы один вирус;
  24. Лозовская Е. (2004). Жизнь с гравитацией и без нее. «Наука и жизнь». 9;
  25. John Kelly Smith. (2018). IL-6 and the dysregulation of immune, bone, muscle, and metabolic homeostasis during spaceflight. npj Microgravity. 4;
  26. Yuji Yoshida, Toshio Tanaka. (2014). Interleukin 6 and Rheumatoid Arthritis. BioMed Research International. 2014, 1-12;
  27. André E Aubert, Irina Larina, Iman Momken, Stéphane Blanc, Olivier White, et. al.. (2016). Towards human exploration of space: the THESEUS review series on cardiovascular, respiratory, and renal research priorities. npj Microgravity. 2;
  28. Холестериновая страшилка, которая правит миром;
  29. Хороший, плохой, злой холестерин;
  30. Наночастицами — по «плохому» холестерину!;
  31. Andrew G Lee, Thomas H Mader, C Robert Gibson, Tyson J Brunstetter, William J Tarver. (2018). Space flight-associated neuro-ocular syndrome (SANS). Eye. 32, 1164-1167;
  32. Хэдфилд К. (2014). Чему я научился, ослепнув в космосе? TED;
  33. Laura K Barger, Erin E Flynn-Evans, Alan Kubey, Lorcan Walsh, Joseph M Ronda, et. al.. (2014). Prevalence of sleep deficiency and use of hypnotic drugs in astronauts before, during, and after spaceflight: an observational study. The Lancet Neurology. 13, 904-912;
  34. Evans-Flynn E., Gregory K., Arsintescu L., Whitmire A., Leveton L., Vessey W. (2015). Risk of performance decrements and adverse health outcomes resulting from sleep loss, circadian desynchronization, and work overload. NASA;
  35. Derk-Jan Dijk, David F. Neri, James K. Wyatt, Joseph M. Ronda, Eymard Riel, et. al.. (2001). Sleep, performance, circadian rhythms, and light-dark cycles during two space shuttle flights. American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 281, R1647-R1664;
  36. Bin Wu, Yue Wang, Xiaorui Wu, Dong Liu, Dong Xu, Fei Wang. (2018). On-orbit sleep problems of astronauts and countermeasures. Military Med Res. 5;
  37. Найдена связь между обменом веществ и циркадным ритмом;
  38. Тик-так по-шведски. Нобелевская премия за циркадные ритмы;
  39. Прообраз биологических часов;
  40. Скрытая наследственность;
  41. Молекулярные часы работают не так, как мы думали;
  42. Сон и старение I: «Часы в мозге» и влияние генов на ритм жизни;
  43. Сон и старение II: Чем отличается сон пожилых и больных от сна молодых и здоровых?;
  44. Jin-Hu Guo, Wei-Min Qu, Shan-Guang Chen, Xiao-Ping Chen, Ke Lv, et. al.. (2014). Keeping the right time in space: importance of circadian clock and sleep for physiology and performance of astronauts. Military Med Res. 1, 23;
  45. Judith-Irina Buchheim, Sandra Matzel, Marina Rykova, Galina Vassilieva, Sergey Ponomarev, et. al.. (2019). Stress Related Shift Toward Inflammaging in Cosmonauts After Long-Duration Space Flight. Front. Physiol.. 10;
  46. Matthieu Komorowski, Sarah Fleming, Mala Mawkin, Jochen Hinkelbein. (2018). Anaesthesia in austere environments: literature review and considerations for future space exploration missions. npj Microgravity. 4;
  47. Claire Laurens, Chantal Simon, Joan Vernikos, Guillemette Gauquelin-Koch, Stéphane Blanc, Audrey Bergouignan. (2019). Revisiting the Role of Exercise Countermeasure on the Regulation of Energy Balance During Space Flight. Front. Physiol.. 10;
  48. Батурин Ю. Властелины бесконечности. Космонавт о профессии и судьбе. М.: «Альпина Паблишер», 2018;
  49. Год на орбите: Михаил Корниенко отвечает на вопросы. (2016). «Наука».

Комментарии