Рождены в космосе. Почему звездные путешественники не смогут жить на Земле

  • Жизнь в невесомости
  • Белки как индикаторы изменений
  • Методы протеомики
  • Дело в адаптации
  • «Болезнь» невесомости
  • Человек космический

Рождены в космосе. Почему звездные путешественники не смогут жить на Земле

Биологические процессы в невесомости протекают не так, как на Земле. Организм включает внутренние адаптационные механизмы и перестраивается. Российские ученые попытались на молекулярном уровне разобраться, обратимы ли эти изменения и сможет ли человек вернуться к нормальной жизни после длительного космического полета.

Жизнь в невесомости

Главные факторы риска в космосе — жесткое излучение, смертельное в больших дозах, и невесомость. На низкой околоземной орбите, где находится МКС, от радиации защищает магнитное поле Земли, а вот искусственную гравитацию создавать пока не научились.

Многие космонавты, оказавшись на орбите, жалуются на ослабление аппетита, головокружение, головную боль, тошноту и дезориентацию. Это синдром космической адаптации, или космическая болезнь, через несколько дней все проходит. Но вот от деминерализации костей, мышечной атрофии, ухудшения зрения, нарушения кровообращения в невесомости так просто не избавиться.

Космонавты теряют до полутора процентов костной массы в месяц, развивается остеопороз. Плотность костей продолжает снижаться даже после года на МКС. Слабеют мышцы, обеспечивающие плотное прилегание позвонков друг к другу, в результате рост увеличивается на три-пять сантиметров.

На орбите ничего этого человек не ощущает. Проблемы возникают после возвращения на Землю. Гравитация «сплющивает» позвонки, вызывая боль, каждое движение дается с трудом. И чем дольше космонавт был в невесомости, тем труднее ему вернуться к привычной жизни.

«Реабилитация — процесс длительный. Острый период — две, максимум три недели. Уже через семь-десять дней человек в состоянии жить дома, заниматься обычными делами, — говорит заместитель директора по науке Института медико-биологических проблем (ИМБП) РАН, кандидат медицинских наук, летчик-космонавт Олег Котов. — Когда организм полностью вернется к нормальному физиологическому состоянию — это очень индивидуально. В принципе, считается, что через полгода космонавт должен быть готов к следующему полету».

Рождены в космосе. Почему звездные путешественники не смогут жить на Земле

Герой Российской Федерации, космонавт, заместитель директора по научной работе Института медико-биологических проблем РАН Олег Котов

Белки как индикаторы изменений

Что произойдет с организмом после нескольких лет в космосе, сможет ли человек полностью восстановиться, ученые пока не знают. Этой проблемой занимаются специалисты ИМБП РАН.

На молекулярном уровне адаптация к любым внешним условиям сказывается прежде всего на составе синтезируемых белков. Их совокупность называют протеомом; область биологии, посвященная им, называется протеомикой.

В лаборатории протеомики ИМБП РАН, которой руководит доктор медицинских наук, профессор Ирина Ларина, уже около пятнадцати лет изучают белки, содержащиеся в биологических жидкостях космонавтов: крови, моче, слюне, конденсате выдыхаемого воздуха.

Зная, на что влияет тот или иной белок, можно определить, какие процессы затронуты. Исследователи надеются найти в цепочке преобразований молекулярные мишени — вещества, воздействуя на которые, удастся остановить разрушение костей и потерю мышечной массы.

Рождены в космосе. Почему звездные путешественники не смогут жить на Земле

Заведующая лабораторией протеомики Института медико-биологических проблем РАН, доктор медицинских наук И. М. Ларина (слева внизу) с сотрудниками

Методы протеомики

Протеомика возникла около двадцати лет назад, после того как расшифровали геном человека благодаря развитию современных аналитических технологий, прежде всего неразрушающей масс-спектрометрии.

Масс-спектрометрия позволяет точно определять элементный или изотопный состав вещества, но в классическом варианте, требующем предварительного разложения на атомы, малопригодна для сложных молекул, таких, как белки. После полного разложения собрать их невозможно, а простой подсчет атомов ничего не дает.

Ситуация изменилась, когда ученые научились разрезать белки на аминокислотные фрагменты — пептиды. Масс-спектрометр идентифицирует каждый из таких отрезков, а по их совокупности можно судить о конкретных белках. Но оставалась проблема определения количества: уровень различных белков в крови различается в миллиарды раз и нет универсальной методики, охватывающей весь диапазон.

Решение нашли ученые Сколтеха во главе с членом-корреспондентом РАН, доктором физико-математических наук, профессором Евгением Николаевым. Они предложили синтезировать и добавлять в пробы в качестве стандарта пептиды, меченые стабильными изотопами.

Используя этот метод, специалисты ИМБП РАН и Сколтеха уже несколько лет наблюдают за протеомом космонавтов не только до и после полета, но и во время их пребывания на орбите. В МКС капли крови сохраняют на специальной бумаге и при случае передают на Землю. В лаборатории, экстрагировав из образцов пептиды, определяют качественный состав протеома — до 800 белков в одном пятне, а потом и концентрацию тех белков, для которых есть меченые пептидные маркеры.

Рождены в космосе. Почему звездные путешественники не смогут жить на Земле

Заведующий лабораторией масс-спектрометрии Сколтеха, член-корреспондент РАН, профессор Евгений Николаев

Дело в адаптации

«Вся эволюция животного мира на Земле происходила в гравитационном поле, наш организм не приспособлен к невесомости. Но пробыв более года в космосе, человек возвращается здоровым», — отмечает Ирина Ларина.

Все дело в невероятной способности организма приспосабливаться. Заболевания возникают, когда не срабатывают защитные механизмы.

«На Земле человеческий вид демонстрирует огромный адаптивный потенциал. Люди освоили все экологические ниши, климатические и высотные зоны. Поэтому мы считаем, что можно приспособиться и к повышенной или пониженной гравитации. Длительные полеты в космос это подтверждают», — подчеркивает профессор Ларина.

Ученые надеялись найти на молекулярном уровне какой-то специфический механизм адаптирования к микрогравитации. Пока это не удалось. Похоже, такого механизма просто не существует.

«Человек в своей эволюционной истории никогда не сталкивался с невесомостью, поэтому, скорее всего, и адаптации нет», — уточняет Евгений Николаев.

Рождены в космосе. Почему звездные путешественники не смогут жить на Земле

«Болезнь» невесомости

Предположили, что, реагируя на невесомость, организм включает реакции, похожие на иммунный ответ.

«Мы обнаружили, что это проявляется на уровне всех систем: мышечной, костной, сердечно-сосудистой, дыхательной, иммунной, выделительной. Похоже на преморбидное состояние, как говорят клиницисты, накануне болезни, — объясняет Ирина Ларина. — Мы увидели, что на молекулярном уровне изменения идут в иммунной системе, формируя провоспалительный ответ».

Проанализировали 140 белков — индикаторов определенных заболеваний, для которых имелись меченые изотопами маркеры. Сравнивали показания до полета, сразу после приземления и через неделю. Большинство белков в течение недели пришли в норму, но 19 — нет. В том числе те, что активируются при диабете, сердечно-сосудистых заболеваниях или встрече с инфекцией.

«Это было неожиданно. Наша интерпретация такая: попадав в необычные условия, организм чувствует дискомфорт и включает те защитные системы, которые ему известны, хотя напрямую это и не обусловлено отсутствием гравитации», — предполагает Николаев.

Пока количественные исследования ограничивались белками, для которых есть маркеры. Как правило, это те, что связаны с известными заболеваниями. На самом деле спектр протеомных изменений намного шире. Например, в сухих пятнах крови ученые находят до тысячи измененных белков.

Рождены в космосе. Почему звездные путешественники не смогут жить на Земле

В будущем планируют сделать изотопные стандарты для всех белков, реагирующих на невесомость. Это позволит не только глубже понять молекулярные процессы, но и выявить индивидуальные особенности у каждого космонавта, поскольку, как оказалось, у всех разный набор адаптивных реакций на невесомость. И это коренным образом отличается от того, что происходит при болезни.

«Выходит, организм заинтересован не в том, чтобы всем системам дать сигнал. Видимо, для него важнее из разных реакций создать такую комбинацию, которая поддержит постоянство внутренней среды. Поэтому деятельность мозга и сердца, дыхание, сон, переваривание пищи, физическая работоспособность — все, что обеспечивает жизнедеятельность, в невесомости сохраняется», — указывает Ларина.

Человек космический

При микрогравитации гены синтезируют те же белки. Но затем, по мнению ученых, происходят химические изменения, и это зачастую влияет на функции. Так, установили, что многие белки на орбите принимают более окисленную форму.

«Если какой-то белок до полета был окислен, например, в двух точках, то после — уже в десяти. Молекула та же, но структура другая, а значит, иначе работает. Задача белка — передать сигнал в клетки в том месте, куда принесла его кровь. Если же его свернуть по-другому, он или ничего не передаст, или передаст что-то другое», — рассуждает профессор Ларина.

У человека, выросшего на Земле, биологические процессы после полета довольно быстро восстанавливаются, а вот что будет с теми, кто родится в космосе, ученые пока не знают.

Эксперименты на крысах показали, что зачатие и беременность у млекопитающих в космосе проходят нормально. И рождаются здоровые детеныши. В видовом плане это те же самые крысы. Если их оставить в космосе, они дадут начало новым поколениям, рожденным в невесомости. Но на Землю или другую планету вряд ли смогут вернуться.

Достаточно упомянуть всего один фактор. В невесомости кровь, как и все остальное, теряет вес. У рожденных в космосе животных сердце не обладает мускулатурой, необходимой для работы в условиях гравитации, сосуды очень тонкие.

Поэтому, если когда-то человек отправится в долгое межпланетное путешествие и на борту космической станции сменится несколько поколений, это будет уже другой человек — космический.

Рождены в космосе. Почему звездные путешественники не смогут жить на Земле

Добавить комментарий

Adblock
detector