スコットとマーク・ケリーの「ヘラクレス的」研究は、人類は宇宙に適しているのかと問う。

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宇宙で頭蓋内圧を検査する方法は次のとおりです。まず、血液、唾液、尿の基準値サンプルを採取し、地球を離れる前に体に刻まれた黒い点にスキャン装置を合わせ、心臓、首、頭、目の血管の超音波画像を撮影します。

次に、ロシア語で「タゲリ」を意味するチビスという、硬い波形ゴムのパンツを履きます。ウエスト部分は密閉できます。このパンツは吸い付くように吸い付きます。真空状態が、地球の重力が血液、粘液、細胞内の水分、脳脊髄液、リンパ液を頭蓋骨から下半身へと引き寄せるのを模倣しているのです。

宇宙では体液が排出されず、宇宙飛行士は顔が赤く腫れ、耳詰まりや耳の圧迫感を訴えます。さらに深刻な影響もあります。国際宇宙ステーションに滞在した宇宙飛行士の40%が、視神経乳頭浮腫、眼球平坦化、網膜と白強膜の間にある血液で満たされた層である脈絡膜のひだ形成など、何らかの眼の損傷を経験しました。NASAは、頭蓋内圧亢進が「宇宙飛行関連神経眼症候群」と呼ばれる症状の原因の可能性があると推定し、宇宙飛行士の頭部と眼への体液の移動を測定する検査を考案しました。

タゲリを装着することは、多少の不安を抱かせる処置です。かつて、ロシアの宇宙飛行士が心拍数の低下で意識を失い、乗組員は心臓発作を起こしたのではないかと考えました。また別の時には、操作していた宇宙飛行士が圧力を下げすぎて吸引力を強めてしまい、その宇宙飛行士は「腸を引っ張り出されそうなくらい不快な思いをした」と語っています。

ジェイソン・ポンティン

ジェイソン・ポンティン（@jason_pontin）はWIREDのアイデア寄稿者です。ボストンに拠点を置くFlagship Pioneeringのシニアパートナーであり、健康、食糧、持続可能性に関する問題を解決する企業を創設、育成、資金提供しています。2004年から2017年まで、MIT Technology Reviewの編集長兼発行人を務めました。それ以前は、ドットコムバブル期に人気を博したビジネス誌Red Herringの編集者でした。ポンティンはFlagshipのポートフォリオ企業やその競合他社について執筆していません。

しかし、何も問題がなければ、数時間スーツを着たまま過ごし、さらに超音波画像を撮影します。血圧を測定し、耳に挿入した器具で蝸牛液の量を測定し、麻酔をかけた眼球に圧力センサーを当てて眼圧を記録します。レーザーで眼球をスキャンし、脈絡膜襞や視神経の腫れを可視化します。

「流体シフト」実験は、スコット・ケリー宇宙飛行士が2015年3月27日から2016年3月1日までISSに滞在した際に実施されました。これはアメリカ人による最長の宇宙飛行記録です。同時に、同じく宇宙飛行士である彼の双子の兄弟マークは、地球に戻って頭蓋内圧の検査を行いました。

25ヶ月にわたり、兄弟はミッション前、ミッション中、そしてミッション後に、研究室で認知機能と身体機能の一連の並行検査（スコットには脊髄穿刺を含む）を受けました。双子の兄弟から合計317個の便、尿、血液サンプルが採取され、エピゲノム、メタボローム、トランスクリプトーム、プロテオーム、そしてマイクロバイオームの変化が分析されました。これはNASAにとって初めての試みでした。NASAは宇宙飛行士の完全なマルチオミクス解析を実施した経験はなく、ましてや宇宙飛行士と一卵性対照群の解析など、これまで例がありませんでした。

この研究の背後にある考え方はシンプルです。双子は同じゲノムを共有しているため、スコットに起こりマークには起こらなかった変化は、長期宇宙飛行によるものである可能性が高い、というものです。本日ついにScience誌に掲載されたこの研究結果は、1年間の宇宙滞在後に人体に何が起こるのかという私たちの理解を深めるものです。

「NASA双子研究：1年間の有人宇宙飛行の多次元分析」は、学際科学の勝利と言えるでしょう。査読者の一人が「ヘラクレスの業」と評したこの研究は、全米各地の大学の10の異なる研究グループと82名の著者による研究成果を統合したものです。

論文の筆頭著者の一人であり、バージニア大学の分子生物学者であるフランシーヌ・ギャレット＝バケルマン氏は、これは「入手可能なデータに基づく限り最も包括的な結果」だと述べた。しかし、「人類は宇宙に適しているのか？」という根本的な問いに対して、この研究は不安を掻き立てる不完全な答えしか与えていない。宇宙飛行への長期的曝露は危険であり、現在の知見に基づくと、火星への旅は依然として検討するにはリスクが高すぎる。

500人以上が宇宙飛行を経験しており、1ヶ月未満から6ヶ月に及ぶミッション中に彼らが経験した身体の変化の一部はよく理解されています。宇宙飛行士の頭部に体液が移動し、心臓の左側が肥大します。激しい運動をしないと、筋肉と骨が失われます。

しかし、1年以上宇宙に滞在した人はわずか4人しかおらず、長期宇宙飛行の生理学的影響は未解明です。火星への有人ミッションは最長3年かかる可能性があり、双子の研究では簡潔な表現で「宇宙放射線への曝露、食事制限、概日リズムの乱れ、無重力状態を考慮すると、遺伝子、免疫系、代謝機能が特に懸念される」と述べられています。

米国政府は、2024年までにアメリカ人が再び月へ向かうことを提案している。次の月探査は2033年の「低エネルギー打ち上げ期間」、つまり赤い惑星の軌道が地球に最も近づく時期である。NASAが「探査級ミッション」と呼ぶミッションに乗り出すには、より多くの情報を得る必要がある。

驚くべきことに、双子研究の発端はNASAヒューマン・リサーチ部門ではなかった。スコット・ケリー自身がこのアイデアを提案したのだ。「ISSミッション43から36の乗組員が発表された時、私はメディアイベントの説明を受けていました」。「彼らは、スコットのカウンターパートである宇宙飛行士ミハイル・コルニエンコと私に科学プログラムについて知ってもらい、質問に答えられるようにしたかったのです。その会議で私は、『もし誰かが私の兄マークについて質問してきたら、私たちの遺伝子研究をするつもりはありますか？』と尋ねました。彼らはノーと答えました。しかし数週間後、同じメンバーと再び会議を開き、彼らはこのアイデアに価値があると考える大学の研究者たちに連絡を取っていたのです」

スコットとマーク・ケリーは1964年、ニュージャージー州オレンジで生まれました。NASA史上唯一の双子の宇宙飛行士であり、あらゆる点で特筆すべき存在です。少年時代を観察していた人なら、刺激を求める兄弟を専門とする小児心理学者を除けば、将来の宇宙飛行士になるとは誰も思わなかったでしょう。スコットの自伝『Endurance 』では、少年時代にマークと共に挑んだ「とんでもないリスク」と、その結果として避けられなかった骨折について綴られています。夏休みになると、一家は航行装置も無線も機能しない「安っぽいボート」を購入し、どんな天候でもニュージャージー海岸の水平線の彼方へと航海に出ました。

両親は酒浸りの警官で、父親は暴力的なアルコール依存症だった。スコットは「父が警官でなかったら、犯罪者になっていたかもしれないと時々思う」と書いている。そして、二人の兄弟についても同じようなことを考えるのは容易だ。両親が警官でなかったら、彼らは少年院に収監された非行少年だったかもしれない。

二人とも学校の成績は悪く、スコットはマークよりも苦労した。二人ともすぐに退屈してしまった。しかし、二人とも宇宙飛行士になりたいという、あり得ない夢を抱いた。スコットはトム・ウルフの鮮やかな散文に魅了されたからだ。「海軍の飛行士になりたかった。当時はまだ方向性を見失い、教育も受けておらず、成績もひどく、飛行機のことなど何も知らなかった18歳だった。しかし、『ライトスタッフ』が私に人生計画の輪郭を与えてくれた。」

マークは商船学校、スコットはニューヨーク州立大学マリタイムカレッジの予備役将校訓練課程に進み、海軍航空隊への裏口を見つけました。大学では、自分たちが非常に優秀なエンジニアであることに気づき、目標ができたことで微積分で満点を取ることも容易になりました。海軍では、ジェット機を空母に着陸させ、テストパイロットになりました。マークは湾岸戦争で実戦飛行を経験しました。

二人は1996年度のクラスで宇宙飛行士に選ばれました。NASAでのキャリアにおいて、マークは4回のスペースシャトルミッションでパイロットまたはコマンダーを務めました。スコットは2回のスペースシャトルのパイロット兼コマンダーを務め、1年間の宇宙滞在の前に国際宇宙ステーション（ISS）で6ヶ月を過ごしました。2011年に妻でアリゾナ州選出の下院議員であるギャビー・ギフォーズが銃撃された後、マークは最後のミッションを終え、NASAを退職しました。スコットは、双子の研究が兄に要求したことを常に寛大に受け止めています。「兄の功績は大きく評価されるべきです。宇宙飛行士としての栄誉は、兄には与えられていませんでした。彼は完全に科学のために尽力したのです。」

しかし、研究に伴う肉体的な負担はスコットにとって決して楽なものではありませんでした。「週に一度くらい、一日中サンプル採取に追われるような時もありました。朝起きて血液を採取し、遠心分離機にかけて冷凍庫に入れます。それから最初の尿を採取し、一日中尿を採取し続けます。24時間尿採取です。スペースに合わせて設計されたトイレが使えないので面倒です。散らかるんです。そして、この袋に排尿したら、尿袋から試験管を取り出し、バーコードをスキャンして冷凍庫に入れなければなりません。研究室の冷凍庫でさえ少し複雑です。ドアを開けるたびに、長時間開けっ放しにすることはできません。零下80度なので、少し冷や汗をかくかもしれません。同じ日に皮膚や糞便のサンプルを採取することもあります。」

研究対象者にとって、ISSは地上の研究所や診療所とは全く異なるものでした。スコット・ケリー氏は、会話や著書の中で、宇宙にある故郷の感覚を巧みに描写しています。国際宇宙ステーションは耳をつんざくほどの騒音を発しています。ファンが唸り、電子機器がブーンという音を立てます。プラスチック、ゴミ、体臭などのガス放出による悪臭も漂います。（宇宙自体が臭いとスコット氏は言います。というか、宇宙の真空にさらされた物体は独特の臭いを放ちます。「7月4日の花火の匂い、あるいは溶接の匂いのような、強い焦げた金属の匂い」です。）

無重力は、人間の研究プログラムにとって、特に疲労感、寒さ、そして過剰な二酸化炭素の吸入による不機嫌さを抱える宇宙飛行士にとって、大きな課題_となりました。採取装置とサンプルは決して下に置くことはできず、壁に固定する必要がありました。実験は事前に決められた手順で進める必要がありました。

ISSと地球でサンプルが採取された後、作業はようやく始まったばかりでした。スコットのサンプルはソユーズ宇宙船で地球に返送され（マークは米国郵便局を利用しました）、双子の血液は血漿と、免疫系を司る細胞を含む様々な細胞に分離されました。すべてのサンプルを検査し、10の作業グループでデータを共有・分析する必要がありました。プロジェクト全体が完了するまでに4年以上かかったのも無理はありません。

何がわかったのか？遺伝子発現グループの主任研究員であり、コーネル大学ワイル医学部の生理学・生物物理学教授であるクリス・メイソン氏は、宇宙旅行がスコットの遺伝子に与えた影響を「単なる線香花火ではなく、まるで空に打ち上がる花火のようだった」と表現した。宇宙飛行によって1万個以上の遺伝子が活性化された。「具体的に言うと」とメイソン氏は説明する。「ヒトゲノムには約5万8000個の遺伝子が知られているので、私たちは体の反応能力の多くが活性化するのを観察できたのです」

打ち上げ、1年間のミッション、そして大気圏再突入という過酷なストレスを考えれば、それも当然と言えるだろう。それでもなお、双子の研究グループは、スコットの体中に生じた広範な変化に驚愕した。テロメア（染色体の末端にあるDNAの完全性を守るキャップ部分）の長さ、環境との相互作用と遺伝子活動の調整の両方から測定される遺伝子調節、腸内細菌叢、頸動脈の大きさ、そして目の健康状態など、様々な変化が見られたのだ。

宇宙滞在1年間、スコットの免疫システムは全体的に不安定だった。獲得免疫システム、自然免疫反応、そして白血病やウイルスなどの癌から体を守るナチュラルキラー細胞など、免疫に関わる細胞経路の多くが破壊されたのだ。（この結果は、1月に発表された衝撃的な研究を裏付けるものだ。この研究では、6ヶ月以上の宇宙飛行を終えた8人の宇宙飛行士と地球上の健康な成人の免疫システムを比較した。宇宙飛行開始からわずか90日で、宇宙飛行士のナチュラルキラー細胞の白血病細胞に対する抵抗力が50%低下していた。）スコットの認知機能も打撃を受け、ISSで思考力が低下した。

人体の適応力は驚くほど高く、これらの変化のほとんどは一時的なものでした。スコットは地球帰還後6ヶ月以内に正常に戻りました。加齢に伴うありふれた衰えを除けば、以前の自分に戻りました。しかし、宇宙飛行の影響の一部は痕跡を残しました。スコットはISSで思考力が低下しましたが、思考力は低下したままでした。思考速度と正確性の低下は、ミッションから6ヶ月経っても続きました。

最も驚くべきは、スコットのアコーディオン状に伸びるテロメアだった。国際宇宙ステーション滞在中、彼のテロメアは奇妙なほど長くなった。これはおそらく、彼が運動量が多く、食事が少なかったためだろう。しかし、地球に帰還してから48時間以内に、着陸のストレスに反応して、テロメアは急速に短くなった。スコットのテロメアの大部分は最終的に基準値に戻ったものの、ミッションから6ヶ月後には、全体的なテロメアが大幅に減少し、極端に短いテロメアの数が増加していた。この発見は憂慮すべきものだった。テロメアの減少は、宇宙飛行士の癌やその他の老年期疾患の発症リスクを高める可能性があるのだ。

NASAの双子研究の著者らは、1年間の宇宙飛行に伴う潜在的に低リスク、中レベルまたは未知のリスク、そして高リスクの影響を分かりやすく区別しています。スコット氏のテロメアの喪失は「未知のリスク」でした。「潜在的に低リスクと非常に動的な関連」の一例として、スコット氏のマイクロバイオームの変化が挙げられます。宇宙飛行関連神経眼症候群など、よく知られた高リスクの変化がいくつかこの研究で確認されました。しかし、新たに発見された高リスクの変化もあり、長期宇宙飛行にはそれらの解決が必要になります。これまでのところ、最も深刻な変化は遺伝子発現とDNAの変化でした。

宇宙飛行中に発現が変化したスコットの遺伝子の91.3%は、6ヶ月以内に正常範囲に戻りました。しかし、一部の遺伝子は正常範囲に戻りませんでした。それは、様々な細胞型にわたる811個の遺伝子で、そのほぼすべてが免疫機能とDNA修復に関連するものでした。これは宇宙における人類の未来にとって悪いニュースです。なぜなら、これらの遺伝子こそが、宇宙放射線から宇宙飛行士を守るべき遺伝子だからです。

地球の磁場と大気は、宇宙を吹き抜ける電離放射線のほとんどから私たちを守ってくれます。平均的な地球人は、年間約3シーベルト（mSv）の放射線を吸収します。1週間のスペースシャトルのミッション中、宇宙飛行士は5.59mSvを浴びたとされています。アポロ14号の乗組員は11.4mSvの放射線を浴びました。スコット・ケリーは1年間の宇宙滞在で146.34mSvの放射線を浴びました。夜、狭い宇宙空間で眠るために目を閉じると、スコットは「宇宙の閃光が視界を照らす」のを目にしたといいます。これは放射線が網膜に当たった結果です。

スコットのDNAは奇妙なねじれを呈していた。染色体の一部は転座し、逆位になっていた。双子の研究で記録されたゲノム不安定性と再編成の多くは、おそらく宇宙放射線の影響によるものと考えられる。そして、このDNA損傷が遺伝子発現の調節不全に寄与している可能性がある。特に懸念されるのは、スコットのミッションの最後の6ヶ月間で、発現レベルが変動した遺伝子の数が6倍に増加したことだ。

クリス・メイソン氏も他の誰にも、スコット氏がISSであと6ヶ月、あるいはそれ以上生きていたとしたら、この調節不全の遺伝子発現が停滞していたのか、それとも増加し続けていたのかは分からない。「これが私たちが望む方向ではないことは分かっています」とメイソン氏は言う。「DNA損傷に反応して遺伝子ネットワークが活発に活性化し、体が適応していく様子は見られますが、放射線による損傷を克服するには不十分な反応かもしれません。」

これは重要な問題です。宇宙放射線の高エネルギーは細胞を死滅させ、機能不全に陥らせたり、DNA鎖を切断して塩基対を破壊したりするからです。死んだ細胞や機能不全の細胞は心臓病や認知機能の低下を引き起こします。細胞がDNA損傷を修復できない場合、変異が蓄積し、がんや遺伝性疾患を引き起こします。

国際宇宙ステーションは地球からわずか250マイル（約400キロメートル）上空にあり、ヴァン・アレン放射線帯の温暖な傘の下にあります。火星ミッション中、宇宙飛行士は最大1,200ミリシーベルト（約1200ミリシーベルト）もの放射線を被曝する可能性があります。「宇宙飛行士のがんリスクは全体的にはまだ比較的低いですが、ほぼ全員が地球に近い場所に飛行しています」とメイソン氏は言います。「まだはっきりとは分かっていませんが、放射線が大きな問題だと言えるでしょう。」

NASAの双子研究には明らかな限界がある。n =1である。「この特定の測定法において、宇宙飛行環境下で被験者を一人しか選ばなかったため、宇宙飛行と偶然の出来事の因果関係を結びつけることは不可能だ」（MITの上級生化学エンジニアはより否定的な見方を示した。「何という策略だ」と彼は冷笑した。「真の対照実験は、NASAの双子を、片方の兄弟がアメリカの郊外に住み、もう片方の兄弟が騒々しく恐ろしいイラクの刑務所に1年間収監された別の双子と比較することだろう」）。

NASAの有人研究プログラムの責任者であり、この研究の最終的な発案者であるビル・パロスキ氏は、こうした批判を理解している。「私たちは今後も飛行乗務員を使った実験を続けたいと思っています。しかし、人間の適応力の高さに感銘を受けました。致命的な問題は何も見つかりませんでした」と彼は言う。

パロスキ氏は、この研究は仮説生成のための研究と捉えるべきだと考えている。2010年に宇宙飛行士のゲノムとエピゲノムを宇宙飛行前、飛行中、そして飛行後にモニタリングすることを初めて提案したクリス・メイソン氏も、この提案に喜んで応じている。彼のグループは、体細胞変異や単一細胞ダイナミクスに関する論文を含む、さらに7本の論文を審査中だ。他のグループからも、今後5～6本の論文が発表される予定だ。

メイソン氏はさらに壮大な野望を抱いている。宇宙植民地化のための「500年計画」を提唱しており、その最も革新的な提案は、遺伝子の追加、削除、あるいは改変によって、宇宙を旅する新種の人類に永続的な遺伝的変化をもたらすというものだ。「双子の研究は、宇宙飛行によって作成された人体の分子マップの中で最も包括的なものです。これは500年という道のりの最初の大きな一歩であり、長期宇宙飛行における対応とリスクに関する生物医学的ロードマップを示すものであり、宇宙飛行士が火星への旅を生き延び、そこで活躍するのに役立つでしょう。」

マーク・ケリーはかつて、「火星へ行くのはロケット科学の問題ではない。政治学の問題だ」と言った。確かにその通りだ。NASAの火星ミッションは政治的な決定であり、政治的な費用と便益を伴う。広範な政治的支持が得られなければ承認されないだろう。それに比べれば、十分に堅牢な宇宙船を建造し、最適な軌道を選択し、乗組員に食料を供給するといった問題は、比較的簡単に思える。しかし、火星へ行くことは、生命科学における途方もない課題でもあるのだ。

現時点では、宇宙飛行士が地球の磁気圏外で長年被曝する放射線が人体にどのような影響を与えるのか、全く分かっていません。また、それによって生じる可能性のある疾患を予防または治療するための介入についても、全く分かっていません。NASAヒューマン・リサーチが今後取り組むべきことは、双子研究を行ったのと同じタイプの研究者と協力し、より多くの宇宙飛行士を対象とした将来の研究でデータを補完することです。

しかし、マークとスコットにとって、長期有人宇宙飛行の課題に対する科学的貢献は過去のものとなった。スコット・ケリーはNASAを退職し、長年のパートナーと結婚した。マークは米国上院議員選挙に立候補している。

何か変わったことは感じているかと聞かれると、スコットはこう答えた。「飛行から直接感じたことはありますが、あまり詳しくは言えません。視力の変化がありますし、DNAに影響を与える放射線の影響もあります。今は何も感じていませんが、確かに影響があることは分かっています。あまり心配していません。20年後には、間違いなく何かを感じるでしょう。」

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