Законы генетики грозят теории относительности: ученые столкнулись с проблемами
Альберт Эйнштейн, выдающийся физик, оставил неизгладимый след в науке благодаря своим предсказаниям относительно гравитационных волн, гравитационных линз и парадокса близнецов. Этот парадокс, известный как парадокс относительности времени, иллюстрирует эффект замедления времени для объекта, движущегося с релятивистскими скоростями относительно неподвижной системы отсчета. В контексте парадокса близнецов один из них остается на Земле, тогда как другой отправляется в космическое путешествие. В результате, из-за релятивистского замедления времени, второй близнец стареет существенно медленнее, чем его земной брат-близнец.
Константин Циолковский, основатель теоретической космонавтики, выдвинул идею о том, что Земля является лишь временной колыбелью человечества, и что для дальнейшего развития вида необходимо выйти за пределы нашей планеты. Несмотря на то, что оба ученых не были биологами, их работы заложили фундамент для междисциплинарных исследований в области космической биологии и медицины.
С началом эры пилотируемых космических полетов ученые столкнулись с рядом серьезных проблем, связанных с воздействием микрогравитации на организм человека. В условиях невесомости наблюдаются такие явления, как деминерализация костной ткани, атрофия мышц и снижение плотности костной массы, даже при регулярной физической активности. После возвращения на Землю космонавты часто сталкиваются с переломами из-за резкого увеличения гравитационной нагрузки, что требует использования специализированных ортопедических устройств.
Исследования, проведенные учеными из Киотского университета, показали, что длительное пребывание стволовых клеток сперматогониев в условиях микрогравитации приводит к структурным изменениям в их геномах. В течение полугода пребывания на Международной космической станции (МКС) не было зафиксировано значительного увеличения апоптоза, однако наблюдались повреждения ДНК по сравнению с контрольными клетками, выращенными на Земле. Тем не менее, эксперименты с мышами на МКС подтвердили возможность криоконсервации репродуктивных клеток для длительных космических миссий, что открывает новые перспективы для поддержания репродуктивного потенциала в условиях космоса.
Следует отметить, что несмотря на схожие геномы у людей и грызунов, различия в их структуре и функциях могут влиять на результаты экспериментов. В 2015 году был проведен уникальный эксперимент с астронавтами-близнецами Скоттом и Марком Келли, один из которых провел год на МКС. По возвращении на Землю у астронавта были выявлены укороченные теломеры и повреждения ДНК, что указывает на клеточный стресс и возможное ускорение процессов старения.
В нормальных условиях поврежденные участки ДНК восстанавливаются с помощью ферментов репарации. Однако мутации в этих ферментах могут привести к развитию прогерии – преждевременного старения. За последние десять лет научные исследования значительно продвинулись в понимании влияния космического пространства на человеческий организм. Профессор Катриона Джеймисон из Калифорнийского университета в Сан-Диего исследовала культуры стволовых клеток костного мозга, выращиваемых как на МКС, так и на Земле. Результаты показали, что клетки, подвергшиеся воздействию микрогравитации, стареют быстрее вследствие сокращения периодов клеточного деления и повреждений теломер.
Кроме того, ученым удалось полностью секвенировать геномы этих клеток и выявить однобуквенные мутации, которые могут нарушать стабильность генома. Для оценки рисков, связанных с нежелательными генетическими изменениями, была разработана программа AlphaMissense. Особенно подвержены мутациям стволовые клетки крови, которые могут накапливать генетические дефекты, что потенциально может привести к развитию онкологических заболеваний. Мутация, при которой аминокислота глицин заменяется на валин, обнаружена как в клетках саркомы крыс, так и у человека, что указывает на возможные механизмы канцерогенеза.
В отличие от клеток, подвергшихся воздействию космического пространства, земные контрольные клетки не демонстрируют подобных изменений. В перспективе на борту космических кораблей могут быть установлены системы защищенного хранения крови, что позволит поддерживать здоровье экипажей в длительных космических миссиях.