La NASA a de grands projets pour l'avenir des vols spatiaux habités. Les propositions de l’agence spatiale d’envoyer des missions à long terme avec équipage sur la Lune et, éventuellement, des astronautes terrestres sur Mars nécessiteront des avancées considérables en matériel de fusée et de vol spatial. Mais avec la nouvelle technologie, les scientifiques se débattent avec une autre question cruciale: le corps humain peut-il se maintenir pendant tout ce temps dans l'espace? Une mission exploratoire sur Mars pourrait prendre deux ou trois ans, alors que la plupart des expéditions spatiales ont duré six mois ou moins. Des missions prolongées au-delà de l'orbite terrestre pourraient avoir des effets biologiques profonds et potentiellement dangereux sur le corps des astronautes.
Pour étudier l'influence de la microgravité, des radiations et du confinement dans les vols spatiaux de longue durée, la NASA a choisi les jumeaux Scott et Mark Kelly pour une mission unique. Les deux jumeaux identiques ont tous deux servi de pilotes d’essai et d’astronautes de la NASA. Scott a été choisi pour une mission d’un an à la Station spatiale internationale (ISS), laissant son frère - une copie génétique de celui-ci - sur Terre. Les chercheurs ont utilisé le Mark Earthbound comme une sorte de contrôle pouvant être comparé à tout changement survenu au cours de son année spatiale dans Scott, qui a duré du 27 mars 2015 au 1er mars 2016.
Dix équipes de scientifiques ont étudié différents aspects de la santé et de la biologie des jumeaux, allant de l'expression des gènes aux bactéries intestinales en passant par la cognition. Aujourd’hui, les équipes ont publié une partie de leurs recherches compilées dans le cadre d’une étude interdisciplinaire, qui sera publiée le 12 avril dans la revue Science.
Illustration graphique du chemin parcouru par les chercheurs individuels de Twins Study: de la recherche à l’intégration, en passant par un document de synthèse et plusieurs documents complémentaires. (NASA) Avec plus de 80 auteurs, l’étude rassemble et analyse un large éventail de données, recueillies auprès des deux jumeaux au cours de la mission d’une durée d’un an, ainsi que des mois immédiatement avant et après. Les résultats sont expansifs, mais montrent principalement que, à quelques exceptions notables, le corps de Scott s'est rapidement rebondi après 340 jours dans des conditions de stress extrêmes. La recherche crée «un portrait intégré des adaptations moléculaires, physiologiques et comportementales et des défis auxquels le corps humain est confronté au cours d'un vol spatial prolongé», écrivent les auteurs.
Une question de vieillissement
L'une des dix équipes, dirigée par Susan Bailey, professeure de radiologie et de biologie du cancer à la Colorado State University, s'est concentrée sur les télomères, les «bouchons» qui protègent les extrémités des brins d'ADN. Sur Terre, ces télomères s'épuisent au cours de la vie d'une personne à mesure que chaque cycle de réplication de l'ADN s'use de moins en moins.
Lorsque l'équipe de Bailey a analysé les télomères dans les globules blancs de Scott, elle a constaté que la longueur moyenne des télomères dans ces cellules avait augmenté au cours de la mission. «C’était exactement le contraire de ce que nous avions imaginé», déclare Bailey. «Nous avons proposé cela, en fait, à cause de tous les stress et expositions réellement uniques, tels que la microgravité, les radiations spatiales et l'isolation… [il] semblait vraiment qu'ils accéléreraient la perte de télomères dans l'espace."
Scott Kelly à bord de la Station spatiale internationale durant son année dans l'espace. (NASA) Une fois que Scott a touché le sol, l'équipe de Bailey a constaté que sa longueur moyenne de télomère diminuait pour correspondre sensiblement aux niveaux d'avant le vol. Dans les mois qui ont suivi le vol, toutefois, un plus grand nombre de télomères ont été perdus ou raccourcis de manière critique. Cette constatation pourrait être préoccupante, car le raccourcissement et la perte de télomères sont associés au vieillissement et à la susceptibilité aux maladies liées au vieillissement, notamment les problèmes cardiovasculaires et le cancer.
Les chercheurs ne savent pas encore comment ni pourquoi ces changements de télomères ont eu lieu. L’équipe espérait analyser l’activité de la télomérase, une enzyme qui allonge les télomères mais s’éteint dans la plupart des cellules du corps des adultes, pour vérifier si elle était activée pendant le vol de Scott. Cependant, le matériel dont ils avaient besoin était «perdu dans l'espace», dit Bailey. Les échantillons de sang ont été renvoyés sur Terre à bord d'un vaisseau spatial Soyouz, mais l'activité de la télomérase était morte à l'arrivée, probablement en raison des changements de température lors de la rentrée dans l'atmosphère terrestre.
En savoir plus sur le mécanisme à l'origine de ces changements pendant et après les vols spatiaux, il sera important d'aller de l'avant, déclare Bailey, non seulement pour le bien des astronautes, mais aussi parce qu'une compréhension plus approfondie du vieillissement serait précieuse pour la santé des "terriens".
Expression de gènes dans l'espace
Les chercheurs ont également étudié le génome de Scott pour déterminer si l'expression des gènes était modifiée pendant le vol, comme cela a souvent été le cas dans des situations stressantes. Une équipe dirigée par Chris Mason, un généticien de Weill Cornell Medicine, a étudié des modifications de l'ADN et de l'ARN signalant une adaptation épigénétique. Ils ont observé quelques changements dans la façon dont les gènes étaient exprimés, et ces variations se sont accélérées au cours des six derniers mois de la mission. Plus de six fois plus de différences dans l'expression des gènes apparaissaient au cours de cette dernière moitié par rapport au début du vol.
Les résultats étaient quelque peu surprenants, dit Mason, car il s’attendait à ce que ces différences ralentissent ou s’arrêtent après une période initiale d’adaptation au nouvel environnement. Les transformations génétiques soutenues et en augmentation montrent que le corps continue à se transformer sur de longues périodes de temps dans l’espace.
Andrew Feinberg, professeur et chercheur en médecine à la Johns Hopkins University, et son équipe se sont concentrés sur les groupes méthyle - marqueurs chimiques qui signalent généralement des changements dans l'expression des gènes - et ont découvert que l'ampleur des changements épigénétiques était similaire pour les deux frères. Malgré quelques différences mineures, le génome de Scott s'est comporté d'une manière qui n'était «pas inquiétante», explique Feinberg.
Après la fin de la mission, 90% des expressions géniques modifiées sont revenues à leur niveau de référence avant le vol - un bon signe que le corps peut rebondir après une longue mission, dit Mason. Les 10% restants, qui comprenaient plus de 800 gènes, y compris ceux liés à la réponse immunitaire et à la réparation de l'ADN, étaient toujours exprimés différemment six mois après le retour de Scott. "Il semble, dans une certaine mesure, que suffisamment de cellules dans le corps aient la mémoire de ce qui s'est passé et qu'il reste encore quelques adaptations et réétalonnages en cours pour revenir sur Terre", déclare Mason.
Influence de l'esprit sur les vols spatiaux
Dans un résultat potentiellement préoccupant, une équipe d'étudiants en cognition a découvert que la performance de Scott lors d'une série de tests cognitifs déclinait après la période de vol. Mathias Basner, professeur de psychiatrie à l'Université de Pennsylvanie, et son équipe ont conçu une batterie de tests cognitifs spécialisés pour la NASA, une série de 10 tâches informatisées permettant de mesurer différents aspects de la pensée des astronautes, notamment la reconnaissance émotionnelle, la prise de risque et l'attention.
Bien que les mesures en vol de Scott soient stables, son «efficacité cognitive» ou sa rapidité et sa précision dans la réalisation de la batterie de test ont chuté une fois qu'il est retourné sur Terre. La diminution a persisté au cours des six mois qui ont suivi son retour.
Bien que Scott n'ait montré aucun effet cognitif alarmant au cours de son vol spatial, il semble avoir eu beaucoup plus de problèmes avec les tests après son retour dans l'environnement terrestre par rapport à sa période de réajustement après sa précédente mission de six mois d'octobre 2010 à octobre. Mars 2011. Les résultats cognitifs pourraient être un «drapeau rouge» lors de la planification d'une mission comme une mission sur Mars, explique Basner, au cours de laquelle les astronautes devront effectuer des tâches complexes après l'atterrissage.
L'astronaute de la NASA Scott Kelly (à gauche), le mécanicien de bord d'Expedition 43/44 et le commandant d'Expedition 45/46; et le cosmonaute russe Mikhail Kornienko, ingénieur de vol Expedition 43-46, ont passé 340 jours cumulés dans l’espace. (NASA / Bill Stafford) «L’espace est un environnement très hostile», déclare Basner. "Nous voulons toujours que les astronautes soient à leur meilleur, dans la mesure où, vous le savez, de petites erreurs peuvent se traduire par des erreurs catastrophiques - dans le pire des cas, par l'échec d'une mission, la perte d'équipement et la vie des astronautes."
Selon Basner, ces changements cognitifs devraient être surveillés lors des futures missions, bien que les opérations conduites par des astronautes entraînés nécessiteraient probablement un degré élevé de dégradation, d'autant plus que les humains ont une faible capacité à évaluer leur propre statut cognitif, tendant à accepter leurs conditions actuelles. conditions comme la «nouvelle normalité» même s’ils sont en réalité pires qu’auparavant.
Le corps de l'explorateur de l'espace
Les chercheurs ont observé d'autres changements liés au vol spatial dans le reste du corps de Scott. Dans une étude sur le microbiome, la communauté de bactéries vivant dans l’intestin, une équipe de chercheurs de la Northwestern University a révélé que les proportions de différents types de bactéries avaient changé au cours de l’année spatiale de Scott. La diversité globale des bactéries n’a toutefois pas diminué, ce qui est un bon signe que le microbiome reste en bonne santé.
Une équipe dirigée par Brinda Rana, chercheuse en sciences de la santé à l'Université de Californie à San Diego, a découvert que plusieurs protéines avaient également changé pendant le vol spatial. Les échantillons d'urine de l'époque de Scott à bord de l'ISS contenaient des niveaux élevés de collagène, une protéine structurelle. En regardant cette mesure avec les changements physiologiques - comme ceux observés dans les globes oculaires et le système vasculaire de Scott - pourrait indiquer que le corps était en train de se restructurer, dit Rana. Les chercheurs ont également observé des niveaux élevés d'aquaporine 2, une protéine qui tend à être un marqueur de la déshydratation.
Cependant, la grande majorité des changements observés par l'équipe de Rana et d'autres ont disparu une fois que Scott est retombé sur Terre. «Cela montre à quel point le corps est résilient et adaptable à différents environnements», déclare Rana. "Un an dans l'espace, le corps peut gérer ça."
Étant donné que la taille de l'échantillon de l'étude Twins de la NASA est à peu près aussi petite que possible, les chercheurs ont souligné qu'ils ne pouvaient pas généraliser leurs résultats ni prouver l'existence d'un lien de causalité direct entre les vols spatiaux et leurs observations. Malgré tout, leur travail, malgré sa portée intrinsèquement limitée, donne à la NASA quelques indices sur les éventuels changements biologiques au cours des vols spatiaux - une "feuille de route précieuse", indique l'étude, sur les risques possibles de longs voyages dans notre système solaire.
Travailler sur cette étude était comme être un cartographe de l’époque, dit Feinberg. Avec d'autres enquêteurs, il a tenté de comprendre, de manière générale, les changements qui se produisent dans le corps pendant le vol spatial, créant ainsi une forme générale et laissant de la place aux recherches futures pour compléter les détails.
La NASA a déjà prévu de continuer à remplir cette carte du corps humain. Bailey et d'autres chercheurs poursuivront leur travail avec un autre projet à long terme visant à surveiller «dix astronautes participant à des missions d'un an, dix autres à des missions de six mois et dix lors de voyages de deux à trois mois à la fois. Les données sur la santé seront comparées aux personnes sur le terrain qui sont isolées pendant les mêmes périodes », selon un communiqué de presse de la Colorado State University. D'autres scientifiques avancent dans des projets analogiques sur Terre, notamment Rana, qui étudie les mesures de sujets sur un repose-lit à long terme imitant les conditions d'apesanteur.
Bien que beaucoup de travail reste à faire, la NASA dispose désormais d’un cadre pour le type de collaboration multidisciplinaire qu’elle poursuivra probablement dans les études à venir, indique Basner. Scott Kelly, quant à lui, est prêt à rester sur le long terme.
«Parfois, d'autres questions répondent aux questions scientifiques, et je continuerai à subir des tests une fois par an pour le restant de ma vie», écrit-il dans son livre de 2017, Endurance: mon année dans l'espace, une vie de découvertes . «Cela ne me dérange pas particulièrement. Cela vaut la peine de contribuer à l'avancement des connaissances humaines. "
