Сегодня космические запуски – проекты долгосрочные. В планах – постоянное присутствие человека на орбите Земли, создание обитаемой инфраструктуры на Луне и многомесячные рейсы на Красную планету.
Новая страница космической эпохи готовит нам техническое воплощение сюжетов из научной фантастики. Вот только… мы не научный робот «Перси» из алюминия, титана и углепластика, которым не страшны ни марсианские морозы, ни радиация, ни удары о местные породы.
Человек соткан из живых биоматериалов, пригодных для жизни именно в земных условиях. Космос – среда для него неестественная, враждебная. К колонизации мира за пределами родной планеты мы постепенно приближаемся технически. А готовы ли мы к ней физиологически?
Коллектив учёных Кёнсанского национального университета ответил на этот вопрос в своей недавней статье в издании Journal of Animal Reproduction and Biotechnology. Для них освоение космоса – задача в первую очередь биомедицинская. Корейские эксперты убеждены: безопасное и благополучное вынашивание ребёнка в космосе – краеугольный камень, на котором зиждутся, но о который могут и разбиться все наши далеко идущие планы по расширению присутствия человека во Вселенной.
Учёные предупреждают: «Без надёжной возможности размножения задача межпланетной колонизации может оказаться биологически нежизнеспособной». Эту репродуктивную проблему поистине вселенского масштаба человечество должно решить «на берегу». Иначе любое долгосрочное путешествие к звёздам превратится в миссию камикадзе, и дело отважных звездоплавателей продолжать будет попросту некому.
Углубиться в дальний космос нам мешают серьёзные исследовательские пробелы. Катастрофически не хватает прикладных знаний об особенностях продолжения вида homo sapiens в условиях радиации и невесомости. Такое положение дел – призыв к действию. Подготавливая почву, корейские специалисты обозначают белые пятна в сфере космической биомедицины и задают направления научных изысканий на будущее.
Что уже знают учёные?
В космосе из всех биосистем человеческого организма наиболее уязвима система репродуктивная. Работающая на Земле как часы, она особенно восприимчива к ионизирующему излучению, отсутствию силы тяжести и нарушению ритмов смены дня и ночи. Механизм её действия основан на тонко настроенной передаче сигналов головного мозга, которые стимулируют выработку половых гормонов.
Центральный «узел связи», гипоталамус, выделяет гормон-«командир» – гонадолиберин, который запускает всю систему размножения и управляет её работой через цепочку органов. Он отдаёт приказ гипофизу вырабатывать гонадотропины: фолликулостимулирующий гормон (ФСГ) и лютеинизирующий гормон (ЛГ). Эти гормоны попадают в кровь и активизируют половые железы. ФСГ помогает созреванию половых клеток, а благодаря ЛГ организм производит основные половые гормоны: ключевой мужской гормон тестостерон, главные женские гормоны эстроген и прогестерон (базовый гормон беременности и покоя).
Система размножения человека строго иерархична и опирается на обратную связь. При избытке половых гормонов гипоталамус и гипофиз становятся менее активными, а при их недостатке гипоталамус, наоборот, усиливает сигнал. На Земле бесперебойная работа канала связи гипоталамус – гипофиз – половые железы поддерживает баланс гормонов в крови и создаёт условия для образования половых клеток в организме. А что же происходит с ним в космосе?
Как отмечают корейские биомедики, система претерпевает серьёзные гормональные нарушения. У мужчин подавляется выработка гонадолиберина. Это значит, что гипофиз перестаёт получать нужные «позывные».
Следовательно, понижается уровень гормонов-стимуляторов половых желёз (ФСГ и ЛГ), а за ними резко падает и тестостерон. Кровоток в яичках уменьшается, половая функция угасает. Сперматозоиды становятся вялыми и менее живучими, меняют форму и строение. Их цепочки ДНК сильно повреждаются, а зачастую просто рвутся. Стоит ли говорить, что при таком раскладе шансы на успешное зачатие малыша ничтожно малы?
Качество спермы в условиях радиации и микрогравитации исследовали космонавты МКС на примере грызунов. Было установлено: в космосе мужские половые клетки сохраняют способность оплодотворения. Потомство выживает.
Однако при этом происходят серьёзные изменения на уровне работы генов, которые отражаются на здоровье плода. Так, дальнейшие исследования выявили повышенную активность определённых участков ДНК в клетках печени у детёнышей, зачатых в невесомости. Такие изменения в главном органе обмена веществ требуют изучения развития особей в нескольких поколениях. Но в первую очередь необходимо выяснить, как космический полёт меняет «базовые настройки» сперматозоидов. Вот нетривиальная задача космической биомедицины на ближайшее будущее.
У женщин картина также отнюдь не безоблачна. Как известно, женский организм функционирует по циклам. Им подчинено и высвобождение гормонов ФСГ, ЛГ, эстрогена и прогестерона, которые отвечают за созревание яйцеклетки и подготовку матки к имплантации эмбриона. В условиях космической среды регулярность этого процесса может нарушиться.
Параллельно радиация и невесомость запускают ещё один процесс. Начинает быстро истощаться и без того ограниченный запас яйцеклеток в яичниках женщины. А тут ещё и расстраивается система сигналов, которые рабочий тандем гормонов эстроген-прогестерон посылает в ткани мозга, яичников, матки, молочных желёз и сосудов для управления репродуктивным аппаратом.
Исход такой глобальной перестройки организма может быть любым: от подавления менструального цикла и неудачного прикрепления эмбриона к стенке матки до плацентарной недостаточности и даже бесплодия.
Изучение мышей показало: фолликулы яичников (пузырьки с яйцеклетками) самок максимально чувствительны к космическому излучению и микрогравитации именно на начальных стадиях своего формирования. Оплодотворение и раннее развитие эмбриона за пределами планеты возможны.
Однако на следующих этапах беременности в суровой космической среде мать и дитя поджидает всё больше опасностей. Эксперименты подтверждают: невесомость ставит под угрозу имплантацию эмбриона в матку. В результате изменения структуры клеток и нарушения обмена сигналами между молекулами матка не готова принять оплодотворённую яйцеклетку, а зародыш — благополучно развиваться.
Страдает также процесс формирования плаценты и её функции. В микрогравитации клетки трофобласта, строительного материала этого уникального временного органа, плохо прикрепляются к стенке матки. Новых сосудов образуется всё меньше, а значит, кровоток для питания ребёнка оскудевает. Плацента с трудом справляется с поставкой кислорода и питательных веществ в организм малыша.
Со своей стороны, радиация способна парализовать процессы восстановления ДНК плаценты и вызвать повреждение сосудов. Что может ожидать насельницу космоса? Преждевременные роды, задержка внутриутробного развития малыша, в худшем случае — гипоксия плода.
Опыт исследований свидетельствует: космическое излучение бьёт по цепочкам ДНК и путям передачи сигналов внутри клеток-предшественниц нейронов. Это может привести к порокам развития нервной трубки (будущего головного и спинного мозга) и микроцефалии. В свою очередь, отсутствие силы тяжести создаёт дополнительный риск. Передвижение клеток и получение ими специальных функций затормаживается.
Как показали эксперименты, развитие даже на первый взгляд благополучного потомства космических грызунов может пойти отнюдь не по привычному сценарию. Любой едва заметный сдвиг на уровне молекул или экспрессии (работы) генов чреват задержкой нервно-психического развития новорождённых. Поэтому изучать нужно не отдельных особей, а целые поколения.
Под особой угрозой также и будущая репродуктивная система потомства. Ведь помимо экспрессии генов условия космического полёта сбивают «компас» гормональных и биомеханических сигналов. Так, например, к микрогравитации особенно восприимчив ген SOX9, который отвечает за образование яичек у эмбриона.
Невесомость может сорвать его миссию по развитию мужских половых желёз. А галактические лучи – вызвать аномалии развития органов размножения, поражая вольфовы и мюллеровы протоки (зачатки мужской и женской половых систем), а также первичные половые клетки.
Какой план действий предлагают корейские эксперты?
В биологическую готовность к колонизации мира за пределами родной орбиты мы не придём автоматически. А нацелены мы отнюдь не на околоземное пространство. Нас манят загадочные лунные моря и бескрайние марсианские пустыни. Это значит, что нам первым делом нужно основательно исследовать вопрос продолжения жизни вдалеке от нашей земной «колыбели» и принять адресные меры.
Так, в программу длительных космических миссий следует включить несколько обязательных пунктов.
Во-первых, постоянно следить за репродуктивным здоровьем экипажа.
Во-вторых, производить оценку рисков непосредственно перед зачатием ребёнка.
В-третьих, разработать протоколы неотложной перинатальной помощи. Опыт появления на свет здорового поколения мышат из семени самцов, побывавших на МКС, говорит о том, что размножение с условиями космоса вполне совместимо. Только прежде нужно внимательно изучить, как будут вести себя гены космических наследников.
Для благополучного продолжения человеческого рода в космосе учёным нужно действовать «единым фронтом» сразу в ряде областей.
Проблема космического деторождения находится на стыке целого спектра научных дисциплин и требует комплексного подхода. Вопросы физиологии, технологий и окружающей среды – лишь верхушка айсберга. Конкретно в сфере биомедицинских исследований команда Кёнсанского университета выделяет четыре приоритетных задачи.
Первая: изучить специфические особенности влияния радиации и невесомости на мужской и женский организм. И делать это нужно по отдельности. У мужчин процессы образования половых клеток, структура тканей и механизмы гормональной регуляции сильно отличаются от женских. А значит, и действовать эти космические факторы будут на каждый пол по-своему.
Вторая: исследовать каждый этап космической беременности на животных и человеческих биоматериалах в ультрасовременных лабораториях. Задача номер один – выяснить, какой вред развитию эмбриона, его органов и нервной системы совместными усилиями наносит враждебный дуэт космического излучения и микрогравитации.
Третья: разработать арсенал профилактических средств с учётом пола космонавта. Ведь на условия космического полёта мужской и женский организм реагируют по-разному. Так, мужские гены, особенно репродуктивные, под воздействием радиации мутируют. Проблема требует разработки антиоксидантных методов лечения и стабилизирующих препаратов. На карте – сохранение структуры ДНК и генетического материала сперматозоидов.
В свою очередь, женское гормональное здоровье и баланс питательных веществ обеспечивают Омега-3 и витамин D. Эти вещества – достойные кандидаты на долгосрочные лётные испытания. Ведь функцию яичников и способность рождения здорового ребёнка в космосе нужно постоянно поддерживать. А ещё необходимо тщательно исследовать возможности генной терапии. Секрет успеха нашей репродуктивной миссии – в грамотном сочетании всех этих средств.
Четвёртая: отслеживать способность размножения в динамике и с охватом нескольких поколений. Так мы поймём, что за изменения происходят с земным организмом в космосе. Это может быть всего лишь временная адаптация к условиям межзвёздной среды. А могут быть и новые постоянные свойства, которые передаются по наследству генетически.
Способен ли человек благополучно продолжать свой род за пределами земного шара? Для долгосрочного освоения космоса нам жизненно важно получить чёткий ответ на этот естественный – и неизбежный – вопрос. В этом залог нашего выживания в полном отрыве от природной среды обитания.
