A végtelenbe és tovább! Emberi űrrepülés és élettudomány

Jules Verne korai írásai (A földtől a Holdig, 1865; 1. ábra ) és H. G. Wells (Első emberek a Holdon, 1901; 2. ábra ) voltak a tudományos-fantasztikus kiindulópont és az űrkutatás álma. Verne egy „lövedék golyókapszulát” javasolt, amelyet egy Columbiad nevű hosszú ágyúból lőttek ki, 3 eszköz számára, hogy elérjék a Föld gravitációjának elhagyásához szükséges menekülési sebességet (1). Még 1865-ben is aggályok merültek fel az emberek azon képessége miatt, hogy túléljék-e a rendkívüli sebességeket. Verne nyers számításokat végzett az ágyú hosszáról, amelyre az embernek szüksége van ahhoz, hogy túlélje a Holdra dobást. Majdnem 100 évvel később az Egyesült Államok egy nagyon hasonló alakú, Columbia nevű Apollo kapszulát használt fel 3 űrhajós - Armstrong, Collins és Aldrin - felvételére a Holdra és visszatérésre a Földre.

Jules Verne „golyókapszulája”, amelynek célja, hogy 3 felfedezőt a Holdra vigyen egy nagyon hosszú fegyvercsövből lőve. Illusztráció Jules Verne A földről a Holdra című regényéből; rajzolta Henri de Montaut (1868). Kép jóvoltából magángyűjtő.

Puhakötésű borító illusztráció az első emberhez a holdban, H. G. Wells, először 1901-ben jelent meg. Kép jóvoltából az Airmant Publishing Co., Inc.

Az űrrepülés jövőképe a tudományos-fantasztikus irodalommal kezdődött, amelyet évtizedekkel később követtek a valósággá vált tudományos, mérnöki és egyéb technológiai eredmények. A háború lendületébe került a technológia továbbjutása egy olyan pontig, ahol az űrutazás lehetséges volt. A második világháború után az Egyesült Államok és a Szovjetunió újra felhasználta a háború zsákmányát, az egykor terrorizáló német V-2 rakétaprogramot új űrprogramokká alakítva. Néhány járművet kifejezetten szuborbitális (ballisztikus) repülésre terveztek; Ilyen például a legénység által szállított járművek, például az X-15 rakétarepülő, a zengő rakéták és a Virgin Galactic SpaceShipTwo, valamint a nem csavart rakéták, például a kontinentális közti ballisztikus rakéták.

Az első űrrepülés ballisztikus volt, és a tenger felett 17 tengeri mérföld (31,5 km) magasságot ért el. A ballisztikus repülések értelemszerűen nem mennek pályára, és csak rövid mikrogravitációs periódusokkal rendelkeznek (10 −3 és 10 −6 g között). A ballisztikus repülések során az űrrepülés mikrogravitációja néhány másodperctől vagy néhány órától néhány óráig tart, mielőtt visszatérne a bolygóra. Ez a repüléstípus csak rövid lehetőségeket kínál a tudományos lekérdezésekhez.

Az orbitális járatok ∼ 17 500 tengeri mérföld per óra (∼ 32 400 km/h) sebességgel haladnak a bolygó körül, és más kísérleti időskálán vannak, mivel a mikrogravitáció napoktól, hetektől és hónapoktól évekig tarthat. Az orbitális repülések sokféle tudományos vizsgálatot támogatnak, a jelátviteltől és a génexpressziótól a differenciálódásig, a fiziológiáig és a fejlődésig. A Föld körüli pálya magassága az űrhajótól függ: a transzfer ∼160 tengeri mérföldre (∼300 km) keringett, míg a Nemzetközi Űrállomás (ISS) egy kör alakú pályán ∼192 tengeri mérföldre (∼360 km) ). Az amerikai hadsereg és a Nemzeti Repülési és Űrhivatal (NASA) űrhajós repülési érmeket adományoz azoknak a személyzet tagjainak, akik ≥50 tengeri mérföldnyire repülnek a föld felett. Az X-15 rakétarepülő és a korai Merkúr szórólapok kivételével a legtöbb űrhajós a szükséges magasságot a pálya repülésén teljesítette.

Az első ember által készített tárgy pályára szállásával 1957. október 4-én a Sputnik 1 megkezdte az intenzív versenyt a Szovjetunió és az Egyesült Államok között, versengve az űrverseny első helyéért. Annak megállapítására, hogy az állatok túlélhetik-e az indítóerőket, mindkét ország állatokat repített, hogy teszteljék az élet fenntarthatóságát az űrrepülés során, és elindították a gravitációs és az űrbiológia területeit. Nyikita Hruscsov megrendelte az állat első orbitális űrrepülését a Szputnyik 1 sikeres repülése után. Látványos indulást akart 1957. november 7-én, a bolsevik forradalom 40. évfordulóján. Kérésére válaszként a szovjet tervezők és mérnökök orbitális repüléssel álltak elő, fedélzetén kutyával. Egy kóbor, Laikia ( 3. ábra ), az első kutyának választották az űrben, túlélési képességei miatt Moszkva havas utcáin. Sajnos a határidő túllépésében nem volt idő fenntartható környezeti rendszer vagy visszatérési terv megtervezésére. Laikia, az első Föld, amely a bolygó körül kering, nem élte túl a repülést.

Laika, az első állat, amely a föld körül kering (1957). Kép jóvoltából a szerző fotógyűjteménye.

Később űrrepüléssel tanulmányozták a mikrogravitáció élő rendszerekre gyakorolt hatását és a gravitáció követelményét a test rendszereinek normális működéséhez. Az Apollo-missziók elsőként mutattak ki jelentős változásokat több biológiai rendszerben az űrrepülések során. Ezek a változások magukban foglalták a vestibularis rendellenességeket, a repülés közbeni szívritmuszavarokat, a csökkent repülés utáni ortosztatikus toleranciát, a repülés utáni dehidratációt és a fogyást. A tudósok a vörösvértestek (RBCM) jelentős csökkenését is megállapították. A dokumentált további főbb változások a negatív repülés közbeni nitrogénmérleg és a kalcium és a csont jelentős csökkenése voltak (2–5).

Ezek a megfigyelések segítették a NASA tudósait a Skylab-korszak (1973–1974; 4. ábra ). A Skylab-küldetések során a tudósok elvégezték az első részletes metabolikus és immunvizsgálatokat. Amikor a Skylab személyzet tagjainak csontritkulását vizsgálták az os calcis-ban (a sarok legnagyobb csontja), a csontvesztés csak a hosszabb Skylab-küldetéseknél volt látható (5).

Skylab 3 (1973–1974), az első NASA űrállomás. Kép a NASA jóvoltából.

A Skylab küldetésein tanulmányozták először részletesen az immunfunkció jelentős változásait. A hajózószemélyzet és a segédszemélyzet limfocitáit fitohemagglutinin (PHA) -stimulált növekedési elővizsgálat során teszteltük leszálláskor, majd 13 nappal később. Nem észleltek jelentős változásokat az immunválaszban a mentő személyzetnél; azonban a T-sejt válaszainak túlnyomó része elveszett a hajózó személyzetnél a Földre való visszatéréskor. Az immunfunkció csak 13 nappal később tért vissza (6). A Skylab-kísérletek az erőteljes testmozgás előnyeit is megmutatták, mint ellenintézkedést a kardiovaszkuláris dekondicionálás minimalizálása érdekében.

A Skylab 4 küldetés elsőként tanulmányozta a vizuális fényvillanások előfordulását, amelyeket először az Apollo 11-n észleltek. Az egyik űrhajós összesen 168 villanást számolt meg 2 munkamenet során. Úgy gondolták, hogy a sötét alkalmazkodás után látott villanások az ionizációs energiaveszteségnek köszönhetők, mivel egy részecske bejárta a retina sejtjeit (7). 1991-es járatomon azt mondták nekünk, hogy van egy napkitörés; miután aznap éjjel lehunytam a szemem, emlékszem, hogy ragyogó fényvillanásokat néztem - elaludtam, mielőtt a számlálásom 20-ra.

1991-ben a NASA repítette az első dedikált orvosi missziót, amelyet Spacelab Life Sciences-1 (STS-40) néven jelöltek meg. A legénység 7 tagból állt: 3 keringő űrhajósból és 4 hasznos teher űrhajósból. A küldetés célja az volt, hogy megvizsgálja az élettani változások okát, amelyeket korábban az Apollo, a Skylab és a Szovjetunió programjai során figyeltek meg. Az itt tárgyalt fiziológiai téradaptációk a folyadékeltolódás (a gravitáció hiánya miatt, amely a folyadékot az alsó testbe húzza) és a térszegénység (az RBCM elvesztése); űrcsontritkulás és kalciumvesztés; és az immunszuppresszió az űrben.

FOLYADÉK VÁLTOZÁS ÉS TERÜLETI ANEMIA

Az űrrepülés során az alsó végtagokban a térfogat ~ 10% -kal csökken, mivel a lábaktól a felsőtestig 1-2 liter folyadék változik. A fej arca teljességét, duzzadt megjelenését és az alsó végtagok csökkent volumenét „puffadt arc-madár láb” szindrómának nevezik (8). A plazma térfogatának űrkutatásai 22% -os csökkenést mutattak az elővizsgálati adatokból vett átlagos plazma térfogathoz képest. Ez a plazmatérfogat-csökkenés a repülés d 2-én következett be, annak ellenére, hogy a legénység szorgalmasan tartotta magas hidratációs állapotát. A repülés d 8. napján még mindig 12% -kal csökkent a plazma térfogata, és leszállás után 6 nap kellett ahhoz, hogy a személyzet plazma térfogata visszatérjen az előrepülési szintre. Az űrrepülés során a plazma térfogatának csökkenése nagy valószínűséggel a test által érzékelt folyadékeltolódás eredménye, és fokozott diurézist eredményez (9). Amikor a plazma térfogatát csökkentették, drámai mértékben csökkent az eritropoietin (EPO), a vesekéregben termelt glikoprotein.

Megállapították, hogy az űrrepülés emberi eritrokinetikára gyakorolt hatását a csökkent plazma EPO okozza, amely viszont különféle hormonokat, például pitvari natriuretikus peptidet (ANP) érint. Az ANP 20% -kal csökkent a repülés d 1-től, a legalacsonyabb értéke ~ 60% volt a repülés d 8-án (10–13). A szérum ANP szintje a leszállás után csak 6 nap múlva normalizálódott. A szérum EPO szintje ~ 40% -kal csökkent a repülés d 2-ig, és depresszióban maradt a leszállás utáni napig, ekkor majdnem kétszeresére emelkedett az előrepülés alapszintjéhez képest.

Alfrey és mtsai. (11) megállapította, hogy az vörösvértestek túlélése csökkent az űrrepülés során az vörösvértestek apoptózisa miatt, mivel az űrrepülés során az EPO szérumszintje nem volt elégséges. Az űrkísérleteinek ezen áttöréses megállapítása után Alfrey folytatta az RBC szabályozásának tanulmányozását, és kimutatta, hogy a vörösvérsejtek tömege csökken, amikor az EPO szérumszintjét elnyomják. Ez a legfiatalabb keringő vörösvértestek, az úgynevezett neociták szelektív hemolíziséhez vezet. A folyamatot ma neocitolízisnek hívják, és számos fiziológiai és patofiziológiai helyzettel igazolták, ideértve a nagy magasságban élők tengerszintre süllyedését, a veseelégtelenség vérszegénységét, valamint az EPO beadásán és megvonásán alapuló emberi modellt (13 - 18).

ŰR OSTEOPOROSIS

A csontvesztést az Apollo és a Skylab missziók is jól dokumentálták. A csontritkulás jelenleg a hosszú távú űrrepülések egyik legsúlyosabb egészségügyi veszélye. A mikrogravitációnak való kitettség során folyamatosan és progresszíven csökken a kalcium és a súlyt viselő csont (19). Egy korai áttekintésben bebizonyosodott, hogy emberben és állatban egyaránt csontvesztés tapasztalható 1 hét és 237 nap közötti mikrogravitáció után (19). Az SLS-1 volt az első lehetőség a mellékpajzsmirigy-hormon (PTH) és a kalcium szisztematikus mérésére mind a férfi, mind a női személyzet szérummintáiban az űrrepülés során. Arnaud és Cann (20) a repülés d2-ével szignifikánsan ~ 30% -os szérumionizált kalcium növekedést találtak. A d8-on mért ionizált szérum kalcium még mindig ~ 30% -kal emelkedett, a PTH mérése ugyanazon a napon az intakt PTH (iPTH) ~ 50% -os csökkenését mutatta a küldetés során. Még 16 nappal a leszállás után sem a kalcium, sem az iPTH értékek nem normalizálódtak (20).

Az Apollo 14–16 missziók csontvesztése csaknem 2% volt, annak ellenére, hogy az űrrepülések csak 9–12 napig tartottak (5). Noha az Apollo-küldetések rövid időtartamúak voltak, az Apollo-űrhajósok idejük nagy részét kis kapszulába szorítva töltötték, és viszonylag mozdulatlanok voltak. Az első személyzetű Skylab küldetés (Skylab 2) 28 nap volt, de a legénység kiterjedt aktivitása miatt nem figyeltek meg jelentős csontvesztést. Amikor azonban a Skylab küldetések 2 és 3 hónapra nőttek, jelentős csontvesztés volt látható (5). A Skylab 3-on (59 d) csak a tudós pilóta szenvedett jelentős csontvesztést; a Skylab 4-en (84 d) mind a tudós pilótának, mind a pilótának magas volt a csontvesztése, ami arra utal, hogy a súlytalanságnak való kitettség hosszan okozó tényező volt a csont homeosztázisának elvesztésében (5). A parancsnokok csontjainak sűrűsége alig vagy alig változott, leginkább a feladataikhoz szükséges megnövekedett gyakorlat miatt. Úgy gondolják, hogy a csontvesztés oka a mikrogravitációban bekövetkező mechanikai stresszveszteség és a repülés időtartama (8, 21–23).

Vico és mtsai. (24) a perifériás kvantitatív komputertomográfiával (pQCT) mért 6 hónapos űrrepülés után a disztális sípcsont trabekuláris csontjának 24% -os elvesztéséről számoltak be kozmonautákban. Hat hónappal a visszatérés után sok űrhajós nem mutatta teljes mértékben a csont ásványi sűrűségét (BMD). Lang és mtsai. (25, 26) kimutatta, hogy az űrrepülés 4–6 hónapos időtartama alatt a BMD 0,9%/hó sebességgel elveszett a gerincnél (P 5. ábra ) a személyzet tagjai átlagosan jelentős és jelentős veszteséget szenvedtek mind a trabecularis, mind a corticalis csontban a csípőben, és valamivel kisebb veszteségeket szenvedtek a gerincben (25, 26). Az ISS későbbi tanulmányai (25, 27–29) azt mutatják, hogy a csontváz sűrűségének helyreállítása hosszú időtartamú űrmissziók után meghaladhatja az 1 évet (27). Érdekes, hogy a ~ 2 órás napi testmozgás ellenére csontvesztés következett be. Ez azt sugallja, hogy a mikrogravitáció által kiváltott csontvesztés mögöttes sejtmechanizmus lehet, ami űrcsontritkulást okoz. Az oszteoblaszt-szerű sejtek vizsgálata kimutatta a citoszkeleton integritásának elvesztését az űrrepülések során, összehasonlítva a földi (30) és az 1 g repülési kontrollokkal (31). Mások több sejttípusban találtak citoszkeleton változásokat a szimulált mikrogravitációban és az űrrepülésben (32–36). Végül kimutatták, hogy az oszteoblasztos sejtek megváltoztatták a mag alakját és csökkentették a szaporodó sejtmag antigén (PCNA) anabolikus génexpresszióját, transzformáló növekedési faktort β (TGFβ), ciklooxigenáz-2 (cox-2), citoszolos foszfolipázt A2 (cpla2), osteocalcin (OC), c-myc és fibroblaszt-2 növekedési faktor (fgf-2) a normális gravitációhoz viszonyítva (31). További vizsgálatok meghatározzák, hogy a gravitációra van-e szükség a normális csontnövekedéshez.

Nemzetközi Űrállomás, egy amerikai nemzeti laboratórium, az STS-134-ből nézve. Kép a NASA jóvoltából.

IMMUNSZUPRESSZIÓ A TÉRBEN

Az Apollo-küldetéseken a 29 Apollo-asztronauta 29 közül 15 számolt be bakteriális vagy vírusfertőzésről a Földre történő leszállás alatt vagy azon belül 1 héten belül (3). Úgy gondolták, hogy az Apollo viszonylag magas fertőzési gyakorisága összefüggésben van az űrhajósok vér- és vizeletmintáiban észlelt megemelkedett kortizolszinttel és szimpatikus aktivációval. Ezek az eredmények arra késztették a korai kutatókat, hogy javasolják a fertőzés szisztémás okát (6, 37). Cogoli és mtsai tanulmányai. (38, 39) bebizonyította, hogy a limfociták tompán aktiválják az űrrepülés során, ezáltal a gravitációt, mint a normális immunfunkció szükséges tényezőjét.

A későbbi földi vizsgálatok géntömbök és kvantitatív RT-PCR (qRT-PCR) alkalmazásával kimutatták, hogy a normális T-sejt aktiváláshoz gravitációra volt szükség (40). A mikrogravitáció szimulációjára véletlenszerű pozícionáló gép segítségével meglepő módon azt találtuk, hogy 91 gén indukciója a gravitáció jelenlététől függ. A génindukciót részben transzkripciós faktorok szabályozzák a gén 5'-végén lévő promoter régióban. A promóter régió elemzése azt találta, hogy a mikrogravitációban lefelé szabályozott gének többségét az NFκB, CREB, ELK, AP-1 és STAT transzkripciós faktorok szabályozták - a protein kináz A (PKA) szignalizációtól lefelé fekvő transzkripciós faktorok (40). A laboratórium új előzetes adatai (41) azt mutatták, hogy a nem kódoló RNS diszregulált az ISS űrrepülésben aktivált T-sejtjeiben, összehasonlítva az 1 g fedélzeti kontrollokkal. Az immunsejtek új szabályozási szintje az űrrepülés során új lehetőségeket kínál egy új technológia tanulmányozására, amely segíthet azonosítani az immunbetegségek kezelésére szolgáló egyedi gyógyszerészeti célpontokat.

Bár sok ismeretes az űrrepülést követő közvetlen immunállapotról, az űrrepülés során az immunitás megértése korlátozott. Az elvégzett néhány repülés közbeni vizsgálat azt jelzi, hogy az űrrepülés konkrétan összefügghet a látens herpeszvírusok reaktivációjával és a sejtek által közvetített immunitás romlásával (42–48). Az űrhajós immunállapot megfigyelése a leszállás után számos változást mutatott az immunsejtek működésében, ideértve a keringő limfociták megváltozott eloszlását, a citokinek termelésének megváltozását, a granulociták csökkent funkcióját és a T-sejtek aktivációjának csökkenését (8). A látens vírusreaktiváció, a megváltozott vírusspecifikus immunitás és a korai/késői gén Epstein-Barr vírusainak expressziója eseteit észlelték az űrhajósok repülés után (42, 45–48). Az űrrepülések vírusreaktivációjának jövőbeni tanulmányai szintén új megvilágításba helyezhetik a vírusszabályozást itt a Földön.

Számos bizonyíték áll rendelkezésre arról, hogy a csont- és immunsejtek normális működéséhez gravitáció szükséges. Mivel az egész élet gravitációs környezetben alakult ki, nem meglepő, hogy egyes biológiai rendszerek függhetnek a gravitációs erőtől. A matematikában, ha egy változót eltávolítunk az egyenletből, sokszor megoldható. Lehetséges, hogy ugyanez igaz a biológiai rendszerekre is. Az űrrepülés okozta csontritkulás és immunszuppresszió jövőbeni vizsgálata új információkat és gyógyszerészeti célpontokat hozhat a földhöz kötött emberi betegségek kezelésére.

A VÉGTELEN JÖVŐJE

Az STS-135 repülése befejezte a Shuttle korszakot. Tervezik azonban a SpaceX Falcon rakéta és annak kapszulájának, a Dragonnak a használatát, hogy a közeljövőben ellátásokat és kísérleteket juttasson el az ISS-hez. A közelmúltban a NASA 92 millió dollárt osztott ki a Boeingnek a kereskedelmi személyzet fejlesztésére szolgáló kapszula (CCDev2) fejlesztésének elősegítésére, 80 millió dollárt a Szahara Nevada Corporation-nek egy transzferszerű Dream Chaser hajó tervezésére, és 75 millió dollárt a SpaceX-nek a fejlesztések végrehajtására. Sárkánykapszula a személyzet szállításához az ISS-hez. Figyelembe véve, hogy az Egyesült Államok kormánya most asztronautánként 63 millió dollárt fizet Oroszországnak egyetlen utazásért az ISS-be és vissza, ezek szerény technológiai beruházások, amelyek lehetővé teszik az Egyesült Államok számára, hogy az ISS-be szállítsanak.

Vajon finanszírozza-e az Egyesült Államok az űrrepüléssel kapcsolatos vizsgálatokat az ISS-en, hogy új orvosi felfedezéseket és új technológiákat teremtsen? Előrehalad-e a tudomány és a technológia fejlődése a következő évszázad során, mint az elmúlt 60 évben? Ez a finanszírozástól függ; 2003-ban a NASA tudományos finanszírozásának ~ 90% -át „ideiglenesen” csökkentették a Columbia űrhajó elvesztése után; ez lényegében letiltotta az űrkutatás minden területét abban az időben, amikor az ISS elérhetővé vált. A csökkentett finanszírozás magában foglalta a hallgatói és a posztgraduális képzés megszüntetését, ezáltal megszakítva a tudósok következő generációjának ellátási vezetékét. Sajnos ezt a finanszírozást soha nem sikerült helyreállítani. Ma hasonló csökkentéseket tapasztalunk a Nemzeti Egészségügyi Intézetek költségvetésében, amely tovább korlátozza az orvosi kutatást és az új nyomozók képzését.

Jövőnk a mai látnokoktól függ - íróinknak a jövőt kell elképzelniük, politikusainknak szavazniuk kell ezen elképzelés finanszírozására, iskoláinknak pedig új mérnököket és tudósokat kell oktatniuk. Ezeknek a mérnököknek és tudósoknak új technológiák kifejlesztésén kell dolgozniuk, az üzletembereknek pedig be kell vonniuk az új technológiákat és megújítani gazdaságunkat. Vajon a tudomány a végtelenségig és azon túl is eljut-e új munkahelyek teremtésével és jövőbeni jólétünk biztosításával? Én biztosan remélem.

Köszönetnyilvánítás

A szerző a NASA egykori űrhajósa. A cím buzdítás egy idézet Buzz Lightyear űrőrtől, a Toy Story (Pixar Animation Studios) című filmben, 1995. november 22.