In een beroemd Einsteiniaans gedachte-experiment, de tweelingparadox genaamd, zou een tweeling die aan een wervelende vlucht door de ruimte begon, langzamer verouderen in vergelijking met de tweeling die links op aarde op aarde was achtergebleven, als gevolg van tijdsdilatatie bij het reizen in de buurt van de lichtsnelheid.
Maar wetenschappers die tweelingastronauten van de NASA in een echt scenario bestudeerden, vonden enigszins het tegenovergestelde: astronaut Scott Kelly is misschien net iets sneller verouderd als gevolg van zijn jarenlange verblijf in het International Space Station (ISS) in vergelijking met zijn aardgebonden broer Mark.
Let wel, Albert Einsteins natuurkundige theorieën zijn veilig; Scott Kelly kwam niet eens in de buurt van de lichtsnelheid. Het gaat om de biologische realiteit dat het leven in een baan om de aarde - met gevaren zoals straling, microzwaartekracht, slechte slaap en krappe omstandigheden - zijn tol kan eisen van het lichaam, het verouderingsproces versnelt en mogelijk het risico op kanker verhoogt.
Gelukkig voor Scott Kelly en alle andere dappere zielen die de ruimte intrekken, lijken deze nadelige effecten niet extreem te zijn en lijkt het lichaam zich grotendeels te herstellen, volgens de meest grondige analyse van de NASA Twins Study, die vandaag is gepubliceerd (april 11) in het tijdschrift Science.
De NASA Twins Study
De kans om de enige bekende identieke tweeling te bestuderen, laat staan broers en zussen, die beiden naar de ruimte zijn gereisd, was te groot voor NASA om te laten liggen. Mark vloog op vier NASA-ruimtemissies, elk van minder dan twee weken, en ging in 2011 met pensioen.
Scott vloog ook op vier NASA-ruimtemissies, en de eerste drie waren kort. Voor de vierde missie stuurde NASA Scott in 2015 echter 342 dagen naar het ISS. Het doel was om de gezondheidseffecten van een lange ruimtevlucht te onderzoeken, ongeveer even lang als de negen maanden die nodig zouden zijn om naar Mars te reizen. Met Scott en Mark vond NASA de perfecte test- en controlepersonen, omdat de broers hetzelfde DNA delen.
De tweeling werd voor, tijdens en na de bijna jaarlange vlucht gevolgd. De vandaag gepubliceerde studie vertegenwoordigt 10 afzonderlijke onderzoeken - van boven naar beneden, dat wil zeggen van cognitie van de hersenen en de gezondheid van het gezichtsvermogen tot veranderingen in darmbacteriën - uitgevoerd door universitaire biomedische onderzoekers die grotendeels niet aangesloten zijn bij NASA.
De belangrijkste bevinding was dat Scott meestal herstelde van zijn jaar in de ruimte na een volledig jaar terug op aarde. Maar dat gezegd hebbende, er waren enkele merkwaardige observaties.
Telomeren en straling
Terwijl hij in een baan om de aarde was, nam de lengte van Scott's telomeren - dat zijn moleculaire doppen aan het einde van elk chromosoom - eigenlijk toe, een teken van omgekeerde veroudering. Telomeerlengte neemt doorgaans af naarmate we ouder worden. Dit was de eerste overtuigende waarneming van telomeerverlenging, op aarde of in de ruimte, volgens Susan Bailey, hoogleraar biologie en oncologie van stralingskanker aan de Colorado State University en een van de hoofdonderzoekers van de studie.
Maar Scott verloor deze winsten in lengte toen hij terugkeerde naar de aarde en zou in feite blijvende schade aan zijn telomeren kunnen hebben, zei Bailey. (Het is onduidelijk waardoor Scott's telomeren in de ruimte langer werden.)
"Scott's gemiddelde telomeerlengte na de vlucht stabiliseerde zich tot dichtbij zijn preflight-niveaus," vertelde Bailey aan WordsSideKick.com. "Hij had echter na de vlucht veel meer korte telomeren dan voorheen. En dat is waar ik denk dat het langetermijngevolgen voor de gezondheid is - mogelijk met een verhoogd risico op versnelde veroudering of daarmee samenhangende leeftijdgerelateerde pathologieën zoals hart- en vaatziekten en sommige kankers. "
Bovendien had Scott ten minste tot een jaar na zijn vlucht aanhoudende veranderingen in zijn immuunsysteem en DNA-herstelsystemen vergeleken met preflight.
'We weten nog niet of het goed of slecht is, maar we kunnen wel zeggen dat het proces van aanpassing aan de omstandigheden op aarde wat tijd kost', zegt Christopher Mason, universitair hoofddocent fysiologie en biofysica bij Weill Cornell Medicine in New York, ook een hoofdonderzoeker van de studie.
Mason vertelde WordsSideKick.com dat het ook onbekend is of Scott op lange termijn een verhoogd risico op kanker loopt als gevolg van zijn blootstelling aan kosmische en zonnestraling aan boord van het ISS. Zowel Mark als Scott werden in 2007 gediagnosticeerd en met succes behandeld voor prostaatkanker, een knipoog naar hun genetische gelijkenis. Scott heeft de mogelijke dreiging van kanker door ruimtestraling echter beschreven als een tijdbom die in hem tikt.
Langdurige ruimtereizen en gezondheid
Ondanks dat het een steekproefomvang heeft van slechts één of misschien twee, heeft de NASA Twins Study brede implicaties voor het begrijpen van de gezondheidsrisico's van langdurige ruimtevaart, zei Markus Löbrich, een hoogleraar stralingsbiologie en DNA-reparatie aan de Darmstadt University of Technology in Duitsland. Löbrich maakte geen deel uit van de studie, maar schreef mee aan een begeleidend perspectiefstuk dat ook in het tijdschrift Science werd gepubliceerd.
Löbrich vertelde WordsSideKick.com dat er weinig bekend is over de gezondheidseffecten van ruimtevaart, maar de NASA Twins Study heeft de eerste stappen gezet om de risico's te kwantificeren. Hij zei dat de telomeerveranderingen bijvoorbeeld potentieel ernstig kunnen zijn en het gevolg kunnen zijn van deeltjesstraling. De stralingsdosis op een Mars-missie kan tot vijf keer hoger zijn dan op een ISS-missie, dus NASA moet manieren bedenken om astronauten die heen en weer reizen te beschermen, zei hij.
Maar Robert Zubrin, een stralingsdeskundige en oprichter en president van de Mars Society, vertelde WordsSideKick.com dat de NASA Twins Study 'de stelling ondersteunt dat straling geen showstopper is voor menselijke Mars-missies'.
Zubrin, die niet bij het onderzoek betrokken was, schatte dat de stralingsdosis van een jaar op het ISS, gedeeltelijk afgeschermd van zonne- en kosmische straling, gelijk zou zijn aan de dosis van een reis van zes maanden naar Mars, met de hoogste snelheid die de huidige voortstuwingsmethoden zouden ons daar kunnen brengen. Dus, het feit dat Scott Kelly geen onmiddellijk nadelig effect vertoonde van zijn jarenlange verblijf op het ISS, zoals het geval is voor andere mensen die vergelijkbare cumulatieve blootstelling aan straling in de ruimte hebben gehad, is een goed voorteken voor Mars-verkenning, zei Zubrin.
Sneller naar Mars komen zou het beste scenario zijn om gezondheidsrisico's te minimaliseren. Reizend met bijna lichte snelheid, zoals Einstein's tweelingbroer, zouden we binnen een paar minuten aankomen. Behoudens zo'n fantastische voortstuwingsdoorbraak, zullen we genoegen moeten nemen met zes tot negen maanden. Dankzij Scott en Mark Kelly hebben wetenschappers er nu meer vertrouwen in dat de reis, hoe zwaar ook, waarschijnlijk niet dodelijk zal zijn.
Volg Christopher Wanjek @wanjek voor dagelijkse tweets over gezondheid en wetenschap. Wanjek is de auteur van "Ruimtevaarders: hoe mensen de maan, Mars en daarbuiten zullen vestigen", van Harvard University Press, voorjaar 2020.
