Nach einem Jahr im Weltraum kehrt ein eineiiger Zwilling zurück – aber etwas ist anders
Können Menschen im Weltraum überleben? Die NASA beschäftigt sich schon seit Jahrzehnten mit dieser Frage. Im Jahr 2015 führte sie dazu eine Studie an zwei Zwillingsbrüdern durch. Diese eineiigen Zwillinge sind die einzigen Geschwister in der Geschichte, die beide Astronauten sind. Nachdem einer der Zwillinge ein Jahr lang im Weltraum gelebt hatte, war sowohl sein Aussehen als auch sein Empfinden ganz anders. Hier sind die wissenschaftlichen Ergebnisse der Zwillingsstudie der NASA.
Zwei Brüder, zwei Astronauten
Am 21. Februar 1964 wurden in Orange, New Jersey, eineiige Zwillinge geboren. Sie heißen Scott und Mark Kelly und werden später die einzigen Geschwister in der Geschichte sein, die beide ins All fliegen.
Marks und Scotts Eltern waren beide Polizeibeamte. Aber die Jungs wollten Piloten werden. Am College machte Mark einen Master in Luftfahrttechnik und Scott einen Bachelor in Elektrotechnik, um die Marinefliegerei zu studieren. Sie landeten beide in der gleichen Branche.
Sie kamen beide zur gleichen Zeit zur NASA
In den 1980er-Jahren arbeiteten die Brüder für die Navy. Beide waren Piloten; Mark flog über 50.000 Stunden in 50 verschiedenen Flugzeugen, und Scott flog über 65.000 Kilometer in 40 Flugzeugen. Doch 1995 beschlossen die Zwillinge, die Navy zu verlassen.
Scott und Mark bewarben sich 1995 bei der NASA, um sich ihren Kindheitstraum zu erfüllen, Astronaut zu werden. Im Jahr 1996 wurden sie in das Programm aufgenommen. Die Brüder wurden Space-Shuttle-Piloten und verbrachten viele Jahre ihres Lebens im Weltraum.
Würden sie zu einem wissenschaftlichen Experiment werden?
Als Scott und Mark der NASA beitraten, wussten sie, dass sie ideale Teilnehmer für wissenschaftliche Studien waren. „Schon früh in unserer Astronautenkarriere hatten mein Bruder und ich uns darüber Gedanken gemacht“, sagt Scott Kelly. „Hey, ich frage mich, ob sie jemals ein Experiment mit uns beiden machen werden, da wir genetisch fast identisch sind.“
Da eineiige Zwillinge die gleiche DNA haben, wäre es einfach, Veränderungen im Körper zu verfolgen. Würde sich die Gesundheit eines Zwillings verändern, wenn er mehr Zeit im Weltraum verbringt?
Aber jahrzehntelang bestand kein Interesse
Die Zwillinge waren gerne bereit, an einem Experiment teilzunehmen. Tatsächlich sprach Scott Kelly das Thema bei der NASA an, kurz nachdem er eingestellt worden war. Die Forscher dachten, dass die Studie mit nur zwei Brüdern zu klein sei, um etwas Bemerkenswertes zu erreichen.
Aber 2013 flammte das Interesse wieder auf. Scott Kelly sollte die Expedition 45 der Internationalen Raumstation leiten, die länger im All bleiben sollte als jede andere Crew in der Geschichte zuvor. Damit ergab sich eine einzigartige Gelegenheit.
Warum sich die NASA plötzlich dafür interessiert hat
Warum interessiert sich die NASA plötzlich im Jahr 2013 und nicht in den 1990er-Jahren? Laut Business Insider will die NASA in den 2030er-Jahren Menschen auf den Mars bringen. Obwohl wir die Raketentechnologie dafür haben, brauchen die Wissenschaftler noch mehr Informationen über den menschlichen Körper.
Die Menschen sind noch nicht lange genug im Weltraum geblieben, um die gesundheitlichen Auswirkungen zu bestimmen. Wird ihr Immunsystem geschwächt sein? Können sie noch genauso lange leben? Bevor sie Menschen auf den Mars bringen, müssen Wissenschaftler diese Fragen beantworten.
Scott Kelly Became The Space Subject
2013 meldete sich Scott Kelly, um ein ganzes Jahr lang im Weltraum zu leben. Er war Kapitän einer Crew an der Seite des russischen Kosmonauten Mikhail Kornienko. „Als ich erfuhr, dass ich ein Jahr im Weltraum verbringen würde, war das so einmalig, dass ich dachte, dass es vielleicht doch etwas Sinnvolles bedeuten könnte“, sagte Scott.
Die Diskussion wurde bald zu einer Studie über die Kelly-Zwillinge. „Es stellte sich heraus, dass es ein gewisses Interesse gab, als die Leute anfingen, darüber zu reden“, fügte Scott hinzu.
Scott verbrachte ein ganzes Jahr im Weltraum
Am 27. März 2015 flogen Scott Kelly und Mikhail Kornienko zur Internationalen Raumstation (ISS), einem großen Raumschiff, das die Erde umkreist. Sie verbrachten eine rekordverdächtig lange Zeit in der Umlaufbahn. Es war die sogenannte Ein-Jahres-Mission.
Normalerweise bleiben Astronauten etwa 182 Tage im Weltraum. Aber Kelly und Kornienko waren 340 Tage im All, so lange wie kein anderer Mensch zuvor. Für eine Rundreise zum Mars wären die Menschen etwa drei Jahre im All.
Während dieser Reise testete er sich selbst
Während seiner Zeit im Weltraum führte Scott Kelly verschiedene Tests an sich selbst durch und schickte die Ergebnisse zurück zur Erde. Er zeichnete alles auf, darunter Urinproben, Bluttests, kognitive Tests, Speichelproben, Fäkalien und mehr.
Darüber hinaus wurde die Umgebung des Raumschiffs genau überwacht. Astronauten wissen, dass die Radioaktivität des Raumschiffs und die fehlende Schwerkraft Auswirkungen auf den Körper haben können. Wie alle Astronauten hielt sich Scott an einen strengen und straffen Zeitplan. Diese Menge an Stress kann sich auch physiologisch auf den Körper auswirken.
Währenddessen blieb Mark auf der Erde zurück
Während Scott Kelly das Jahr im Weltraum verbrachte, blieb Mark Kelly auf der Erde. Aber er war nicht im Urlaub. Mark führte alle Tests durch, die auch Scott durchführte: Bluttests, Urinproben, Überwachung der Ernährung und der Arbeit, etc. Alles in seinem Leben wurde genau kontrolliert.
Trotzdem war Marks Leben unbeschwerter als Scotts. Während Mark essen konnte, was er wollte, hielt sich Scott an eine strenge Diät und an seinen Arbeitsplan. Da sie 400 Kilometer voneinander entfernt waren, führten sie ein unterschiedliches Leben.
Auch nach Scotts Landung gingen die Tests weiter
Scott Kelly kehrte am 1. März 2016 zur Erde zurück. Doch damit waren die Tests noch nicht beendet. Zehn Teams von Wissenschaftlern analysierten seinen Körper noch sechs Monate lang. Sie wollten herausfinden, ob sich der menschliche Körper nach der Rückkehr zur Erde wieder normalisiert.
Zum Beispiel verlieren Astronauten aufgrund der fehlenden Schwerkraft Muskelmasse. Wenn sie auf die Erde zurückkehren, können sie trainieren, um ihre Muskeln wieder aufzubauen. Gilt das auch für das Immunsystem oder die Darmgesundheit?
Die Forschungsergebnisse wurden erst Jahre später veröffentlicht
An der Zwillingsstudie waren 84 Forscherinnen und Forscher von zwölf verschiedenen Universitäten beteiligt, die fast vier Jahre an der Studie arbeiteten. Die Teams untersuchten jeden Teil der Kelly-Brüder, von der DNA über die Gene bis hin zu Entzündungen. Am 11. April 2019 wurde die Studie schließlich in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
„Dies ist wahrscheinlich die gründlichste Studie, die jemals an Menschen im Weltraum durchgeführt wurde, zumindest auf biochemischer Ebene“, sagt Mike Snyder, Mitautor der Studie. Die Forscher verglichen Scotts Genetik mit der von Mark, um herauszufinden, wie sich Menschen an den Weltraum anpassen.
Scotts Gene veränderten sich im Weltraum
Die auffälligste Veränderung bei Scott Kelly war in seinen Genen. Christopher Mason, Genetiker am Weill Cornell Medical Center, sagte, dass sich über 1000 von Scotts Genen im Weltraum verändert haben. Ein Teil von Scotts Chromosomen wurde auf den Kopf gestellt und einige von ihnen wurden umgedreht.
„Die am stärksten angereicherten Gene sind fast alle an der Regulierung des Immunsystems beteiligt“, erklärte Mason. „Das Immunsystem ist quasi in höchster Alarmbereitschaft, um zu versuchen, die neue Umgebung zu verstehen.“
Merkwürdigerweise hatte Mark mehr genetische Veränderungen
Während Scotts Aufenthalt im Weltraum veränderte sich seine DNA in der zweiten Hälfte seiner Reise etwa sechsmal mehr. Aber auch Marks Genetik veränderte sich – sogar noch stärker als Scotts. Ihre DNA hat sich einfach auf unterschiedliche Weise angepasst.
Andrew Feinberg, ein Genetiker an der Johns Hopkins University, glaubt, dass dies auf Stress zurückzuführen ist. Durch die vielen Reisen und die ständig wechselnde Ernährung hatte Mark ein chaotischeres Leben auf der Erde. Scott erlebte im Weltraum eine andere Art von Stress, der seinen Körper verändert haben könnte.
Scotts Chromosomen sind länger geworden
Am auffälligsten ist, dass Scotts Chromosomen im Weltraum gewachsen sind. Seine Telomere, die Enden der Chromosomen, die die DNA schützen, haben sich verlängert. Das ist das Gegenteil von dem, was Wissenschaftler erwartet hatten.
Telomere steuern den Alterungsprozess eines Menschen. Im Laufe des Lebens verkürzen sich die Telomere eines Menschen, wenn er altert. Susan Bailey, Professorin für Strahlenforschung an der Colorado State University, glaubt, dass ein Enzym namens Telomerase aktiviert wurde, als Scott im Weltraum war. Dieses Enzym hat seine Chromosomen nach der Strahlung schnell repariert, wodurch sich die Telomere möglicherweise verlängert haben.
Können Menschen im Weltraum länger leben?
Scotts Telomermarker warfen die Frage auf: Werden Menschen im Weltraum länger leben? Das ist unwahrscheinlich, sagt Andrew Feinberg, einer der Mitautoren der Studie. Innerhalb von 48 Stunden nach der Landung erreichten Scotts Telomere wieder ihre normale Länge.
„Ich glaube nicht, dass [diese Verlängerung] wirklich als Jungbrunnen angesehen werden kann und dass die Menschen erwarten könnten, länger zu leben, weil sie im Weltraum sind“, sagt Bailey. Tatsächlich könnte das ungewöhnliche Verlängern und Verkürzen von Scotts Telomeren sein Leben verkürzt haben.
Scott sah danach sogar anders aus
Als Mark seinen Bruder zum ersten Mal seit einem Jahr wiedersah, sah er fast genauso aus wie vorher. Seine Augenform war jedoch etwas anders, seine Augäpfel waren verändert und seine Sicht war nicht mehr so scharf. Laut der Studie könnte dies auf die Kohlendioxidbelastung zurückzuführen sein.
Im Weltraum gibt es mindestens zehnmal mehr Kohlendioxid als auf der Erde. „Ich spürte immer einen Druck in meinem Kopf“, erinnert sich Scott Kelly. „Es brannte in den Augen. Ich konnte den CO₂-Gehalt ziemlich genau bestimmen, ohne auf die Messung schauen zu müssen.“
Er musste sich an einen anderen Blutfluss gewöhnen
Auf der Erde drückt die Schwerkraft das meiste Blut in deine Beine. Aber ohne Schwerkraft fließt mehr Blut in das Gehirn und den Brustkorb. Scott hat die Erfahrung gemacht, dass mehr Flüssigkeit in seinen Kopf fließt als bei seinem erdgebundenen Bruder Mark.
„Wenn du auf die Erde zurückkehrst, sammelt sich das ganze Blut in deinen Beinen“, sagte Scott in einem Interview. Nach seiner Rückkehr verspürte Scott Schmerzen in den Beinen und seine Haut bekam Ausschlag und Nesselausschlag, wenn er Druck darauf ausübte. Schließlich verschwanden diese Symptome.
Scotts Körper „restrukturiert“
Ein Forschungsteam der University of California, San Diego, hat untersucht, wie sich Scotts Proteine entwickelt haben. Nicht nur seine Augen hatten sich verändert, sondern auch sein Kreislaufsystem. Als mehr Blut in der Nähe seines Kopfes floss, waren seine Arterien und Blutgefäße verhärtet.
„Das zeigt, wie widerstandsfähig und wie anpassungsfähig der menschliche Körper an verschiedene Umgebungen ist“, erklärt Teamleiterin Brinda Rana. „Ein Jahr im Weltraum – das kann der Körper aushalten.“ Vielleicht kann er in Zukunft auch drei Jahre aushalten.
Und sein Körper produzierte auch andere Proteine
Das Forschungsteam in San Diego stellte fest, dass sich der Körper von Scott Kelly „umstrukturiert“ hatte. Während seines Aufenthalts im All produzierte sein Körper andere Proteine. Er bildete mehr Kollagen, ein Protein, das Haare und Fingernägel aufbaut. Scott hatte auch mehr Aquaporin 2, ein Indikator für Dehydrierung.
Brinda Rana, die Gesundheitswissenschaftlerin, die das Team leitete, sagte, dass sich Scotts Körper an die Raumfahrt angepasst habe. Als Scott zur Erde zurückkehrte, verschwanden diese Symptome zusammen mit vielen anderen Ergebnissen der Studie.
Neunzig Prozent von Scotts Genen waren identisch
Als Scott von seiner Reise zurückkehrte, wollten die Wissenschaftler wissen, wie sich seine Genome verändert hatten. Stresssituationen können die menschlichen Gene verändern, genauso wie Strahlung und Isolation im Weltraum. Aber Scotts Genome waren „nicht besorgniserregend“, so der medizinische Forscher Andrew Feinberg.
Scott hatte einige genetische Unterschiede, aber nach der Landung kehrten neunzig Prozent seiner Gene in den Normalzustand zurück. Mark und Scott hatten beide nur wenige Genomveränderungen. Laut Feinberg beweist dies, dass sich die menschlichen Gene nach einer langen Weltraummission wieder normalisieren können.
Was ist mit den anderen zehn Prozent?
Aber zehn Prozent von Scotts Genen – etwa 800 – haben sich nicht sofort wieder normalisiert. Diese Gene kontrollierten hauptsächlich die Immunreaktion und die DNA-Reparatur. Sie machten immer noch Überstunden, um Scotts Körper zu reparieren.
„Es scheint, als hätten genügend Zellen im Körper eine Erinnerung an das, was passiert ist, sodass sie sich immer noch an die Rückkehr auf die Erde anpassen und neu kalibrieren“, erklärt Chris Mason. Mit anderen Worten: Scotts Zeit im Weltraum könnte ein Trauma in seinem Körper hinterlassen haben.
Scott könnte ein höheres Risiko für altersbedingte Krankheiten haben
Die Verlängerung und Verkürzung von Scotts Telomeren könnte unerwartete Folgen haben. Bailey glaubt, dass dies den Körper zu sehr belastet haben könnte; es könnte sogar Scotts Risiko für altersbedingte Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Krebs erhöhen.
Aber die Forscher brauchen mehr Zeit, um dies zu bestätigen. Auf der NASA-Website heißt es: „Die langfristigen Auswirkungen dieser Forschung werden in den kommenden Jahren untersucht. Obwohl die Zwillinge keine Blutproben mehr abgeben, werden sie weiterhin Gegenstand der Forschung sein.“
Die beunruhigendste Veränderung war psychologisch bedingt
Während der gesamten Reise unterzog sich Scott häufigen kognitiven Tests, die aus Rätseln und Computertests bestanden. Doch in der zweiten Hälfte des Fluges verschlechterten sich seine Ergebnisse rapide. Obwohl seine Ergebnisse nicht alarmierend waren, sanken sie nach der Landung weiter.
Scotts kognitive Testergebnisse waren niedriger und er brauchte länger, um zu antworten, erklärte Psychiatrieprofessor Mathias Basner. Wenn man eine Reise zum Mars plant, sind diese Ergebnisse besorgniserregend. Emotionale Regulierung, Risikobereitschaft und hohe Aufmerksamkeit sind für die Raumfahrt notwendig.
Warum Scotts Auffassungsgabe nachgelassen hat
Basners Team von der University of Pennsylvania vermutet, dass Scotts kognitiver Verfall auf Stress zurückzuführen ist. „Der Weltraum ist eine sehr feindliche Umgebung“, erklärt Basner. „Winzige Patzer können zu katastrophalen Fehlern führen – im schlimmsten Fall zum Scheitern der Mission und zum Verlust von Ausrüstung und Astronautenleben.“
Scotts Testergebnisse könnten auch auf Schmerzen nach dem Flug, Müdigkeit oder mangelnde Motivation zurückzuführen sein. Aber im Laufe des Fluges wurden seine Ergebnisse immer ungenauer. Astronauten auf einer dreijährigen Reise zum Mars könnten mit psychischem Stress zu kämpfen haben.
Auch seine Darmbakterien haben sich verändert
Während die Wissenschaftler Scotts Verhalten untersuchten, analysierte ein Forschungsteam der Northwestern University sein Darmmikrobiom. Die Forscher fanden heraus, dass verschiedene Bakterienarten im Weltraum zunahmen, während andere abnahmen. Die Vielfalt der Darmbakterien blieb jedoch gleich, was beweist, dass der Darm auch im Weltraum gesund sein kann.
Aber all das war nur vorübergehend. Nachdem Scott gelandet war, kehrte sein Mikrobiom zur Normalität zurück. Die Genetikerin Martha Hotz Vitaterna vermutet, dass seine veränderten Darmbakterien auf eine Abweichung in seinen Genen zurückzuführen sind.
Die möglichen langfristigen Auswirkungen auf die Gesundheit
Obwohl es noch zu früh ist, um die langfristigen Auswirkungen der Raumfahrt zu bestimmen, haben die Forscher ein paar Dinge vorausgesagt. Zum einen verhärteten sich Scotts Arterien aufgrund des höheren Blutflusses und sein Herz wurde schwächer. Beides sind Anzeichen für eine mögliche Herzerkrankung.
Scott glaubt, dass sein großes Symptom psychologisch bedingt sein könnte. „Du hast ein bedeutendes Ereignis hinter dir, bei dem du für eine sehr lange Zeit in einer sehr kontrollierten Umgebung lebst, und dann hast du das nicht mehr“, sagte er bei der Beschreibung der Weltraumreise.
Scott brauchte auch länger, um sich zu erholen
Scotts Ein-Jahres-Mission war nicht sein einziger Weltraumflug. „Ich habe im Laufe meiner Karriere Flüge mit zunehmender Dauer absolviert: sieben Tage, 13, 159 und 340“, sagte Scott gegenüber space.com. Aber je länger er im Weltraum war, desto länger brauchte er, um sich zu Hause zu erholen.
„Ich war mehr als doppelt so lange im Weltraum [wie beim letzten Mal] – ich fühlte mich mehr als doppelt so schlecht, als ich zurückkam“, fuhr er fort. Er brauchte etwa acht Monate zur Erholung. Trotzdem glaubt Scott, dass Astronauten eine dreijährige Reise zum Mars bewältigen können.
Es ist zu früh, um die Ergebnisse zu verallgemeinern
Obwohl die Zwillingsstudie einige wichtige Erkenntnisse geliefert hat, ist es noch zu früh, um all diese Ergebnisse auf andere Astronauten anzuwenden. Forscher der University of California, San Diego, betonten, dass die Stichprobengröße zu klein ist.
Dennoch lieferten Mark und Scott Kelly einen „wertvollen Fahrplan“ für die weitere Forschung, so die Wissenschaftler. Die NASA weiß jetzt, was sie von langen Weltraumreisen erwarten kann. Und was noch wichtiger ist: Sie weiß, dass Astronauten viele Jahre im Weltraum aushalten können.
Scott Kelly glaubt, dass Menschen zum Mars fliegen können
Trotz seiner Schwierigkeiten nach einem Jahr im Weltraum glaubt Scott fest daran, dass Menschen zum Mars fliegen können. „Unterm Strich haben wir bei all diesen Studien nichts gesehen, was uns davon abhalten würde, zum Mars zu fliegen“, sagte er gegenüber space.com.
„Sicherlich gibt es einige Dinge, die man weiter untersuchen wird – Genexpression, Telomere, andere Probleme, die Astronauten mit ihrer Sehkraft haben“, fuhr er fort. Aber die Studie hat "keine Hindernisse" aufgedeckt, die Menschen davon abhalten würden, zum Mars zu fliegen.
Die NASA wird mit zukünftigen Experimenten fortfahren
Aufgrund des Erfolgs des Zwillingsexperiments hat die NASA weitere Studien mit zukünftigen Astronauten geplant. Laut einer Pressemitteilung der Colorado State University hat die NASA "zehn Astronauten für Ein-Jahres-Missionen, zehn für Sechs-Monats-Missionen und zehn für Reisen von jeweils zwei bis drei Monaten vorgesehen."
Genau wie beim Zwillingsexperiment werden diese Studien auch andere Astronauten verfolgen, die auf der Erde bleiben. Die Forscherinnen und Forscher werden auch analysieren, wie viel Bettruhe die Astronauten nach ihrer Rückkehr brauchen.
Künftige Raumfahrt könnte künstliche Schwerkraft erfordern
In einem Interview mit Scientific American sagte Scott Kelly, dass wir mit künstlicher Schwerkraft experimentieren müssen, wenn die Menschheit den Mars verlassen will. Künstliche Schwerkraft wird verwendet, um Astronauten für die extremen Bedingungen im Weltraum zu trainieren.
„Ich bin sieben, 13, 154 und dann 340 Tage im Weltraum geflogen“, sagte Scott. „Je länger man dort ist, desto stärker sind die Symptome, wenn man zurückkommt. Ich könnte mir nicht vorstellen, nach vielen Jahren im Weltraum auf die Erde zurückzukehren.“
Wo sind die Kelly-Zwillinge jetzt?
Scott Kelly schied 2016 aus der NASA aus, um in den Ruhestand zu gehen. Im selben Jahr wurde er zum Champion der Vereinten Nationen für den Weltraum ernannt. Er schrieb auch einen Roman über sein Leben im Weltraum mit dem Titel Endurance: A Year in Space, a Lifetime of Discovery.
Mark Kelly ist seit 2011 im Ruhestand. Er hat mehrere Bücher geschrieben, die gemeinnützige Organisation Americans for Responsible Solutions (Amerikaner für verantwortungsvolle Lösungen) gegründet und war Mitbegründer des Unternehmens World View Enterprises, das sich mit der Erforschung des Weltraums beschäftigt. Im Jahr 2020 wurde er Senator von Arizona. Beide Brüder werden für den Rest ihres Lebens weiter mit NASA-Forschern zusammenarbeiten.
