NASA memiliki rencana besar untuk masa depan pesawat antariksa manusia. Usulan badan antariksa untuk mengirim misi kru jangka panjang ke bulan dan, pada akhirnya, astronot darat di Mars akan membutuhkan kemajuan signifikan dalam perangkat keras roket dan luar angkasa. Tetapi seiring dengan teknologi baru, para ilmuwan bergulat dengan pertanyaan penting lainnya: Dapatkah tubuh manusia mempertahankan diri selama waktu yang begitu banyak di ruang angkasa? Misi eksplorasi Mars bisa memakan waktu dua atau tiga tahun, sedangkan sebagian besar ekspedisi ruang sejauh ini telah berlangsung enam bulan atau kurang. Misi yang diperluas di luar orbit Bumi dapat menghasilkan efek biologis yang mendalam dan berpotensi berbahaya dalam tubuh astronot.
Untuk mempelajari pengaruh gayaberat mikro, radiasi dan kurungan dalam spaceflight jangka panjang, NASA memilih kembar Scott dan Mark Kelly untuk misi unik. Kedua kembar identik keduanya menjabat sebagai pilot uji NASA dan astronot, dan Scott dipilih untuk misi selama setahun ke Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS), meninggalkan saudara lelakinya — salinan genetik dirinya — turun di Bumi. Para peneliti menggunakan Mark yang dibumikan sebagai semacam subjek kontrol untuk membandingkan dengan setiap perubahan dalam Scott selama setahun di ruang angkasa, yang berlangsung dari 27 Maret 2015 hingga 1 Maret 2016.
Sepuluh tim ilmuwan mempelajari berbagai aspek kesehatan dan biologi si kembar, dari ekspresi gen hingga bakteri usus hingga kognisi. Hari ini, tim merilis beberapa penelitian yang dikompilasi dalam studi lintas disiplin, yang akan diterbitkan 12 April di jurnal Science.
Ilustrasi grafik dari jalur yang diambil oleh penelitian Kembar individu dari penelitian hingga integrasi ke satu makalah ringkasan ke beberapa makalah pendamping. (NASA) Dengan lebih dari 80 penulis, penelitian ini menyatukan dan menganalisis berbagai data, yang dikumpulkan dari kedua kembar selama misi selama setahun ditambah bulan-bulan segera sebelum dan sesudah. Hasilnya ekspansif, tetapi terutama menunjukkan bahwa, dengan beberapa pengecualian, tubuh Scott bangkit kembali dengan cepat setelah 340 hari dalam kondisi ruang yang penuh tekanan. Penelitian ini menciptakan "potret terintegrasi adaptasi molekuler, fisiologis, dan perilaku dan tantangan bagi tubuh manusia selama penerbangan luar angkasa yang luas, " tulis para penulis.
Pertanyaan tentang Penuaan
Salah satu dari sepuluh tim, dipimpin oleh Susan Bailey, seorang profesor radiasi dan biologi kanker di Colorado State University, berfokus pada telomer, "topi" yang melindungi ujung-ujung untaian DNA. Di Bumi, telomer-telomer ini terkuras habis sepanjang hidup seseorang karena setiap putaran replikasi DNA memudar pada mereka.
Ketika tim Bailey menganalisis telomer dalam sel darah putih Scott, mereka menemukan bahwa panjang rata-rata telomer dalam sel-sel ini sebenarnya meningkat selama misi. "Itu persis kebalikan dari apa yang kita bayangkan, " kata Bailey. "Kami mengusulkan itu, pada kenyataannya, karena semua tekanan dan paparan yang benar-benar unik untuk hal-hal seperti gayaberat mikro, radiasi ruang dan isolasi ... [itu] benar-benar tampak seperti mereka akan mempercepat kehilangan telomer di ruang angkasa."
Scott Kelly naik Stasiun Luar Angkasa Internasional selama setahun di ruang angkasa. (NASA) Begitu Scott mendarat kembali di Bumi, tim Bailey mengamati bahwa panjang rata-rata telomernya turun untuk secara kasar menyamai tingkat pra-penerbangan. Namun, pada bulan-bulan setelah penerbangan, sejumlah besar telomer hilang atau dipersingkat secara kritis. Ini bisa menjadi temuan yang memprihatinkan, karena pemendekan dan kehilangan telomer dikaitkan dengan penuaan dan kerentanan terhadap penyakit terkait usia, termasuk masalah kardiovaskular dan kanker.
Para peneliti belum yakin bagaimana atau mengapa perubahan telomer ini terjadi. Tim berharap untuk menganalisis aktivitas telomerase, enzim yang memperluas telomer tetapi dimatikan di sebagian besar sel tubuh orang dewasa, untuk melihat apakah itu diaktifkan ketika Scott masih dalam penerbangan. Namun, bahan yang mereka butuhkan "hilang di ruang angkasa, " kata Bailey. Sampel darah dikirim kembali ke Bumi menggunakan pesawat ruang angkasa Soyuz, tetapi aktivitas telomerase mati pada saat kedatangan, mungkin sebagai akibat dari perubahan suhu selama masuk kembali melalui atmosfer Bumi.
Belajar lebih banyak tentang mekanisme di balik perubahan ini selama dan setelah spaceflight akan menjadi langkah penting yang penting, kata Bailey — tidak hanya demi astronot, tetapi juga karena pemahaman yang lebih menyeluruh tentang penuaan akan bermanfaat bagi kesehatan "penduduk bumi."
Ekspresi Gen di Luar Angkasa
Para peneliti juga mempelajari genom Scott untuk melihat apakah ekspresi gen berubah selama penerbangan, seperti yang cenderung terjadi dalam situasi stres. Sebuah tim yang dipimpin oleh Chris Mason, ahli genetika di Weill Cornell Medicine, mempelajari modifikasi DNA dan RNA yang akan menandakan adaptasi epigenetik. Mereka mengamati beberapa perubahan dalam bagaimana gen diekspresikan, dan variasi ini dipercepat dalam enam bulan terakhir misi. Lebih dari enam kali lebih banyak perbedaan dalam ekspresi gen yang terpotong pada paruh kedua dibandingkan dengan awal penerbangan.
Temuan itu agak mengejutkan, kata Mason, karena ia mengharapkan perbedaan ini melambat atau berhenti setelah periode awal adaptasi dengan lingkungan baru. Transformasi genetik yang berkelanjutan dan meningkat menunjukkan bahwa tubuh terus berubah dalam jangka waktu yang lama di ruang angkasa.
Andrew Feinberg, seorang profesor dan peneliti medis di Universitas Johns Hopkins, dan timnya berfokus pada kelompok-kelompok metil — penanda kimia yang biasanya menandakan perubahan dalam ekspresi gen — dan menemukan bahwa jumlah perubahan epigenetik serupa untuk kedua saudara tersebut. Meskipun ada beberapa perbedaan kecil, genom Scott berperilaku dengan cara yang "tidak mengkhawatirkan, " kata Feinberg.
Setelah misi berakhir, 90 persen dari ekspresi gen yang dimodifikasi kembali ke garis dasar pra-penerbangan mereka — pertanda baik bahwa tubuh dapat bangkit kembali setelah misi yang panjang, kata Mason. 10 persen lainnya, yang terdiri lebih dari 800 gen, termasuk yang terkait dengan respon imun dan perbaikan DNA, masih diekspresikan secara berbeda enam bulan setelah Scott kembali. "Tampaknya, sampai taraf tertentu, cukup banyak sel dalam tubuh yang memiliki ingatan tentang apa yang terjadi sehingga masih ada beberapa adaptasi dan kalibrasi ulang yang berkelanjutan untuk kembali ke Bumi, " kata Mason.
Pengaruh Spaceflight pada Pikiran
Dalam satu hasil yang berpotensi memprihatinkan, tim yang mempelajari kognisi menemukan bahwa kinerja Scott pada serangkaian tes kognitif menurun pada periode pasca penerbangan. Mathias Basner, profesor psikiatri di University of Pennsylvania, dan timnya merancang baterai tes kognitif khusus untuk NASA — serangkaian 10 tugas terkomputerisasi untuk mengukur berbagai aspek pemikiran astronot, termasuk pengenalan emosi, pengambilan risiko, dan perhatian.
Meskipun langkah-langkah dalam penerbangan Scott stabil, "efisiensi kognitif, " atau kecepatan dan akurasinya dalam menyelesaikan tes baterai, turun begitu ia kembali ke Bumi. Penurunan bertahan selama enam bulan setelah kembali.
Sementara Scott tidak menampilkan efek kognitif yang mengkhawatirkan selama perjalanan luar angkasa selama setahun, ia tampaknya memiliki lebih banyak masalah dengan tes setelah kembali ke lingkungan Bumi dibandingkan dengan periode penyesuaian kembali setelah misi enam bulan sebelumnya dari Oktober 2010 ke Maret 2011. Hasil kognitif bisa menjadi "bendera merah" ketika merencanakan sesuatu seperti misi ke Mars, kata Basner, di mana para astronot harus melakukan tugas-tugas rumit setelah mendarat.
Astronot NASA Scott Kelly (kiri), Ekspedisi 43/44 insinyur penerbangan dan komandan Ekspedisi 45/46; dan kosmonot Rusia Mikhail Kornienko, insinyur penerbangan Ekspedisi 43-46 menghabiskan 340 hari kumulatif di luar angkasa. (NASA / Bill Stafford) "Ruang adalah lingkungan yang sangat bermusuhan, " kata Basner. "Kami selalu ingin para astronot melakukan yang terbaik dalam arti bahwa, Anda tahu, kesalahan kecil dapat diterjemahkan menjadi kesalahan bencana - dalam kasus terburuk, kegagalan misi dan kehilangan peralatan dan kehidupan astronot."
Meskipun kemungkinan akan memerlukan tingkat kerusakan yang tinggi untuk mempengaruhi operasi yang dipimpin oleh astronot terlatih, perubahan kognitif ini harus dipantau dalam misi masa depan, kata Basner, terutama karena manusia memiliki kemampuan yang buruk untuk menilai status kognitif mereka sendiri, cenderung menerima arus mereka kondisi sebagai "normal baru" bahkan jika mereka sebenarnya lebih buruk dari sebelumnya.
Tubuh Space Explorer
Di seluruh tubuh Scott, para peneliti mengamati perubahan lain yang berkaitan dengan spaceflight. Dalam sebuah studi tentang microbiome, komunitas bakteri yang hidup di usus manusia, tim yang dipimpin oleh peneliti dari Northwestern University menemukan bahwa proporsi berbagai jenis bakteri berubah selama tahun Scott di luar angkasa. Namun, keragaman bakteri secara keseluruhan tidak menurun, yang merupakan pertanda baik bahwa mikrobioma tetap sehat.
Sebuah tim yang dipimpin oleh Brinda Rana, seorang peneliti ilmu kesehatan di Universitas California San Diego, menemukan bahwa beberapa protein juga berubah selama penerbangan luar angkasa. Sampel urin dari waktu Scott di atas ISS mengandung kolagen tingkat tinggi, protein struktural. Melihat ukuran ini bersama dengan perubahan fisiologis - seperti yang diamati dalam bola mata Scott dan sistem vaskular - bisa menjadi tanda bahwa tubuh sedang mengalami restrukturisasi, kata Rana. Para peneliti juga mengamati tingginya level aquaporin 2, sebuah protein yang cenderung menjadi penanda dehidrasi.
Namun, sebagian besar perubahan yang diamati oleh tim Rana dan lainnya menghilang begitu Scott menyentuh bumi. "Ini hanya semacam menunjukkan betapa tangguhnya tubuh, dan seberapa adaptif tubuh manusia terhadap lingkungan yang berbeda, " kata Rana. "Setahun di luar angkasa — tubuh bisa mengatasinya."
Karena ukuran sampel Studi Kembar NASA hampir sekecil mungkin, para peneliti menekankan bahwa mereka tidak dapat menggeneralisasi hasil mereka, juga tidak dapat mereka membuktikan hubungan sebab akibat langsung antara spaceflight dan pengamatan mereka. Meski demikian, pekerjaan mereka, meskipun memiliki ruang lingkup terbatas, memberi NASA beberapa petunjuk tentang di mana mereka mungkin melihat perubahan biologis selama penerbangan luar angkasa - sebuah "peta jalan yang berharga, " kata penelitian itu, dengan kemungkinan risiko perjalanan yang lebih jauh ke tata surya kita.
Bekerja pada penelitian ini seperti menjadi kartografer awal, kata Feinberg. Dia dan simpatisan lain mencoba memahami, dengan garis besar, perubahan apa yang terjadi dalam tubuh selama penerbangan luar angkasa, menciptakan bentuk umum dan memberikan ruang bagi penelitian di masa depan untuk mengisi rinciannya.
NASA sudah memiliki rencana untuk terus mengisi peta tubuh manusia ini. Bailey dan peneliti lain akan melanjutkan dengan proyek jangka panjang lain yang memantau "sepuluh astronot pada misi satu tahun, sepuluh pada misi enam bulan, dan sepuluh pada perjalanan dari dua hingga tiga bulan sekaligus. Data kesehatan akan dibandingkan dengan orang-orang di lapangan yang berada dalam isolasi untuk periode waktu yang sama, ”menurut siaran pers Colorado State University. Ilmuwan lain bergerak maju dengan proyek-proyek analog di Bumi, termasuk Rana, yang mempelajari langkah-langkah dari subjek di atas ranjang jangka panjang yang meniru kondisi gravitasi nol.
Meskipun ada banyak pekerjaan yang masih harus dilakukan, NASA sekarang memiliki kerangka kerja untuk jenis kolaborasi multidisiplin yang kemungkinan akan berlanjut dalam studi masa depan, kata Basner. Adapun Scott Kelly, dia siap berada di dalamnya untuk jangka panjang.
“Terkadang pertanyaan yang diajukan sains dijawab oleh pertanyaan lain, dan saya akan terus melakukan tes setahun sekali selama sisa hidup saya, ” tulisnya dalam bukunya tahun 2017, Endurance: My Year in Space, A Lifetime of Discovery . “Ini tidak terlalu menggangguku. Layak untuk berkontribusi dalam memajukan pengetahuan manusia. "
