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Ein Zwilling im Weltraum

NASA-ZWillinge
Mark und Scott Kelly, die Zwillings-Astronauten der NASA (Bild: NASA)

Für die Weltraumforschung sind sie ein seltener Glücksfall: Scott und Mark Kelly sind NASA-Astronauten – und eineiige Zwillinge. Das hat es ermöglicht, erstmals die Auswirkungen eines einjährigen Weltraumaufenthalts bei genetisch identischen Menschen zu untersuchen: Scott verbrachte ein Jahr auf der Internationalen Raumstation, sein Bruder blieb am Boden. Die Ergebnisse dieser Zwillingsstudie enthüllen nun: Der Weltraumflug beeinflusst nicht nur Muskeln, Darmflora und Herz-Kreislaufsystem, auch das Immunsystem, die Genaktivität und die Chromosomen-Endstücke verändern sich. Die erhöhte Strahlenbelastung führt zudem zu vermehrten Kopierfehlern bei der Zellteilung. Die meisten Effekte normalisieren sich nach der Landung wieder – aber nicht alle.

Seit der ersten Mondlandung im Jahr 1969 sind schon weit mehr als hundert Menschen ins All geflogen – die meisten zu Aufenthalten in der Erdumlaufbahn. Doch nur die wenigsten blieben länger als wenige Tage bis Wochen in der Schwerelosigkeit. „Nur vier Menschen haben bisher Raumfahrtmissionen von mehr als einem Jahr absolviert, deshalb gibt es fast keine Erfahrungen mit Flügen länger als sechs Monate“, erklären Francine Garrett-Bakelman von Weill Cornell Medicine in New York und ihre Kollegen. Deshalb hat die Weltraummedizin zwar durchaus schon Erkenntnisse über die Folgen von kürzeren Aufenthalten in der Schwerelosigkeit. So weiß man bereits, dass sich die Flüssigkeitsverteilung im Körper verändert und damit auch die Arbeit des Herz-Kreislaufsystems, die Muskeln- und Knochen schwinden ohne vermehrtes Training und auch die Augen und Sehfähigkeit können sich verändern. Was aber eine mehrjährige Mission zum Mars für Körper und Geist der Astronauten bedeuten könnte, ist noch immer weitgehend unklar.

Ein Jahr im Erdorbit

Deshalb hat nun die NASA die Chance genutzt, um den Effekt eines Langzeit-Aufenthalts im All erstmals bei eineiigen Zwillingen untersuchen zu lassen. Der große Vorteil: Weil Scott und Mark Kelly das gleiche Erbgut besitzen, bringen sie genetisch die gleichen Voraussetzungen mit. Das erleichtert es den Forschern, die für den Weltraumflug spezifischen Veränderungen in Körperfunktionen und Genfunktion zu identifizieren. Während Mark Kelly als genetisch identische Kontrollperson auf der Erde blieb, verbrachte Scott Kelly ein Jahr auf der Internationalen Raumstation ISS. Unter Schwerelosigkeit umkreiste er die Erde in rund 400 Kilometern Höhe während er ein straffes Programm an Experimenten und Untersuchungen durchführte.

Für die Vergleichsstudie gaben beide Brüdern vor, nach und während des Weltraum-Aufenthalts Urin-, Blut- und Speichelproben ab. Diese nutzten dann zehn verschiedene Forscherteams, um genetische, mikrobiologische und physiologische Parameter zu analysierten. Zusätzlich absolvierten beide Astronauten mehrfach im Verlauf des insgesamt 25-Monate dauernden Projekts Tests ihrer körperlichen und geistigen Leistungsfähigkeit. „Die NASA-Zwillingsstudie repräsentiert ein integriertes, multiomisches, molekulares, physiologisches und kognitives Portrait eines Astronauten und enthüllt die biomedizinischen Reaktionen des menschlichen Körpers auf einen einjährigen Weltraumflug“, sagen Garrett-Bakelman und ihre Kollegen.

Überraschung an den Chromosomen-Enden

Jetzt liegen die Ergebnisse vor. Sie enthüllen, dass der Aufenthalt im Weltraum den Körper und Geist auf vielfache Weise beeinflusst und verändert. Sie belegen aber auch, dass die meisten Effekte reversibel sind und nach Rückkehr zur Erde verschwinden – wenngleich nicht alle. „Die Zwillingsstudie demonstriert, wie robust und flexibel sich der menschliche Körper an die vielen Veränderungen in der Weltraum-Umgebung anpassen kann“, konstatiert Co-Autorin Brinda Rana von der University of California in San Diego. Neben den schon bekannten Folgen für Knochen, Muskulatur und Herz-Kreislaufsystem enthüllten vor allem die genetischen Studien einige neue und teilweise unerwartete Effekte. So stellten die Forscher bei Scott Kelly während des ISS-Aufenthalts mehr als 9000 Veränderungen in der Genaktivität fest. „Diese Differenzen in der Genexpression traten in allen Proben und bei allen untersuchten Zelltypen auf“, berichten sie.

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Auffallend und unerwartet jedoch waren Veränderungen an den Telomeren, den Endstücken der Chromosomen. „Unsere erste Reaktion war Überraschung“, berichtet Susan Bailey vom der Colorado State University. Denn bei Scott Kelly registrierten die Forscher eine signifikante Verlängerung dieser Schutzkappen – sie wuchsen im Schnitt um 14,5 Prozent. Überraschend ist dies deshalb, weil Telomere mit dem Alter und gesundheitlichen Belastungen normalerweise eher kürzer werden. Dies aber war nur bei einer Minderheit der Chromosomen-Enden der Fall, die meisten nahmen an Länge zu – Scott Kellys Chromosomen schienen sich im Weltraum zu verjüngen. Nach seiner Rückkehr zur Erde kehrten die meisten Telomeren jedoch zum Normalzustand zurück. Die im All verkürzten Endstücke allerdings blieben teilweise verkürzt – warum ist bisher unklar.

Hinweise auf strahlenbedingte DNA-Schäden

Eine klar negative Folge des Weltraum-Aufenthalts zeigte sich bei der Zellteilung und im Zustand der DNA. Die Wissenschaftler stellten fest, dass die Zellen des Astronauten beim Kopieren der Chromosomen deutlich mehr Fehler machten als zuvor. Teile der DNA-Stränge wurden falsch herum oder an falscher Stelle in die Chromosomen eingebaut. Gleichzeitig erhöhte sich die Aktivität der DNA-Reparatur. Diese Hinweise auf Schäden und Fehler am Erbgut blieben teilweise auch nach der Rückkehr Scott Kellys zur Erde bestehen. Nach Ansicht der Forscher deutet dies auf Schäden des Erbguts und der Zellmaschinerie durch die erhöhte Strahlenbelastung im Erdorbit hin. Der Astronaut war während seines einjährigen Aufenthalts auf der ISS einer Strahlendosis von 146 Millisievert ausgesetzt – das entspricht 50 Jahren der natürlichen Hintergrundstrahlung auf der Erde. Langfristig könnten die Schäden durch diese Strahlenbelastung das Krebsrisiko für Astronauten deutlich erhöhen, so die Forscher. Hinzu kommt, dass der Erdorbit durch das Erdmagnetfeld vor dem größten Teil der kosmischen Strahlung geschützt sind. Bei einem Flug zum Mars könnte die Strahlenbelastung erheblich höher sein.

Doch der Aufenthalt im Weltraum wirkt sich nicht nur auf den Körper aus, sondern auch auf den Geist. Zumindest in einigen Bereichen nahmen die kognitiven Leistungen bei Scott Kelly ab – interessanterweise aber erst nach seiner Rückkehr zur Erde. „Das könnte zu einem Problem für die sichere Bewältigung von Raummissionen werden – beispielsweise nach einer Landung auf dem Mars“, sagen Garrett-Bakelman und ihre Kollegen. Insgesamt bestätigen die Ergebnisse damit, dass ein Weltraumflug eine erhebliche Belastung für Astronauten darstellt. Gleichzeitig gibt es aber selbst bei einem Jahr im Erdorbit nur wenige anhaltende oder schwerwiegenden Folgen. Die Wissenschaftler betonen aber auch, dass bei vielen Effekten die genauen Ursachen noch unbekannt sind und dass Studien mit weiteren Astronauten folgen müssen.

Quelle: Francine Garrett-Bakelman (Weill Cornell Medicine, New York) et al., Science, doi: 10.1126/science.aau8650

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