Waarom Major Tom werd onthoofd

Het was iets voor 7 uur in de ochtend toen Major Tom de dampkring weer binnenvloog. Hij keerde terug naar onze planeet en haar zwaartekracht na 30 dagen in de ruimte en 477 toertjes rond de aarde. Hij had geen raampje waardoor hij de aarde kon zien naderen. Toch kon hij voelen dat hij weer naar de aarde kwam toen de remmotoren werden geactiveerd en de capsule zich losmaakte van de rest van het ruimtevaartuig.

Major Tom smakte tegen het plafond toen de lucht de capsule afremde en de zwaartekracht haar werk deed. De buitentemperatuur liep op tot 2.000 graden Celsius. Op 9 kilometer van de aarde ging een parachute open en om 7.11 uur landde het ruimtevaartuig op de weide van een Russische boerderij.

Tien minuten na de landing arriveerde Alexander Andrejev-Andrejevski in een militaire helikopter. De dertigjarige bioloog was de hele nacht opgebleven in het nabijgelegen stadje Orenburg om de laatste informatie van het ruimtevaartuig te bestuderen. ‘Ik was erg ongerust omdat ik niet wist hoe de muizen het stelden. Toen ik aankwam, moest ik nog eens 40 minuten wachten voor de capsule ontmanteld was.’

Major Tom was een van de 45 muizen die in 2013 naar een lage baan om de aarde werden geschoten. Uit informatie die de maand ervoor naar de aarde was gestuurd, bleek dat ten minste de helft van de muizen was gestorven. Toch was het mogelijk dat de computer onjuiste data had doorgestuurd of dat de overblijvende bemanning was gestorven tijdens de terugtocht. Toen Alexander een van de muizen zag bewegen in haar kooi, was hij ontroerd. ‘Ik was blij, ook al was er geen tijd voor emotie. Er lag te veel werk op de plank.’

Zodra de muizen uit de capsule waren gehaald, verhuisden hun kooien naar een oranje tent die dienst deed als laboratorium. Daar nam Alexander de muizen met een pincet een voor een aan hun staart vast om ze in een schoon hokje te stoppen en ze te tellen. Van de 45 dieren hadden er 16 de tocht overleefd. Een daarvan was Major Tom.

Al sinds de mens naar Europa, Azië of later per boot naar Amerika immigreerde, gebeurde dat in het ongewilde gezelschap van muizen. Hun talent om snel te rennen, zich in kleine ruimtes te wringen en bijna alles te eten, maakte van hen een van de meest succesvolle zoogdiersoorten. Ook bij de verkenning van de ruimte vormen muizen de voorhoede. Het verhaal gaat zeker terug tot in 1900.

De gewezen schooljuf Abbie Lathrop begon toen knaagdieren te kweken op haar boerderij in Massachusetts. Ze wilde hen verkopen als exotische huisdieren, maar werd al snel een leverancier voor wetenschappers. Biologen werkten voort op de erfelijkheidswetten van Mendel. Die had vastgesteld dat kenmerken van erwtenplanten worden bepaald door genen die van de ene generatie op de andere worden overgedragen. Biologen wilden die wetten ook toepassen op zoogdieren.

In Harvard droeg professor William Castle zijn student Clarence Cook Little op om de wetten van Mendel te testen op muizen. Hij begon in 1907 met dieren van Lathrop. Zijn eerste taak bestond erin inteelt te bestuderen. Het was bekend dat je door herhaald te kweken met broers en zussen, kenmerken kon vastleggen als grootte, gewicht en kleur. Daarna kon je de overerving van die eigenschappen bestuderen.

De meeste dieren kunnen niet tegen inteelt. Ratten krijgen gezondheidsproblemen als ze drie jaar paren met verwante dieren. Muizen hebben geen last van inteeltdepressie – de verminderde genetische variatie van populaties – vermoedelijk omdat ze in groepen leven die in het wild al aan inteelt deden. Tegen 1911 had Little het eerste inteeltras ontwikkeld. Twintig jaar later richtte hij het Jackson laboratorium op. Het kweekt jaarlijks 3 miljoen muizen.

Vrijwel elke Nobelprijs Geneeskunde vergde offers van dieren. Duiven werden gebruikt voor het onderzoek naar malaria, katten om de hersenen in kaart te brengen, koeien voor orgaantransplantaties. Muizen veroverden een plek op de Olympusberg van de geneeskunde, en dan vooral de black 6-muizen. Ze dronken alcohol, snoven cocaïne en slikten viagra. Sommige werden te vroeg weggehaald bij hun moeder, andere werden gedwongen zwaarlijvig. Ze hielpen het onderzoek naar diabetes, hartziekten en botproblemen vooruit. In het Massachusetts Institute of Technology werden ze getest terwijl ze een symfonie van Beethoven te horen kregen, en dat leken ze te appreciëren.

In de jaren tachtig werden black 6-muizen belangrijk toen wetenschappers DNA begonnen te wijzigen. Met deze technologie bestuderen ze de oorzaken van genetische ziekten. Om ze te genezen, hebben wetenschappers nood aan een stabiel diermodel waarin elk individu dezelfde genetische eigenschappen heeft.

Er volgde een explosie aan muizen. Nieuwe methodes voor genetische modificatie leidden tot nieuwe vragen die met nieuwe muizen werden opgelost. Wetenschappers vonden muizen met bloedarmoede uit, muizen met menselijk DNA, muizen die oplichtten in het donker, autistische muizen en muizen die vatbaar waren voor kanker.

Bij al deze nieuwe muizensoorten was er geen enkele zo succesvol als de black 6. Deze soort heeft aanleg om doof, obees, blind en oud te worden, en is klein en goedkoop. Bovendien ontstond een sneeuwbaleffect. Hoe meer de black 6-muizen werden gebruikt, hoe meer gegevens ze genereerden en hoe beter de wetenschappelijke resultaten.

In een paar jaar werd de kleine zwarte black 6-muis hét proefdier voor klinische studies. Het zorgde voor medische vooruitgang in de behandeling van diabetes en atherosclerose. De Nobelprijzen van 1989 (retrovirale oncogenen), 1997 (prionen) en 2008 (hiv) waren het resultaat van proeven met de black 6-muis. De soort is goed voor 47 procent van de meer dan 7.500 rassen die het Jackson Laboratorium verkoopt. Ook Major Tom was een black 6-muis.

Major Tom werd geboren en grootgebracht in het Instituut voor Bio-organische Chemie in Moskou. Toen hij op zijn drie maanden als volwassen werd beschouwd, vertrok hij met 299 van zijn broertjes en zusjes naar een dierenverblijf van de staatsuniversiteit van Moskou. Daar leerde hij Alexander kennen, die hem in 51 dagen klaarstoomde voor zijn spannende ruimtereis.

Alexander Andrejev-Andrejevski is een specialist in knaagdieren en werkt als wetenschapper voor het Instituut voor Biomedische Problemen (IBMP), Ruslands grootste agentschap voor de menselijke ruimtevaart. In 2006 was hij aan het IBMP begonnen, net voor de aankondiging dat het Bion Space Project nieuw leven werd ingeblazen. Tussen 1973 en 1997 hadden het IBMP en het agentschap voor rakettenontwerp Roscosmos elf Bion-satellieten naar de ruimte gelanceerd, met zoogdieren, vissen, reptielen, insecten, bacteriën en schimmels aan boord. Daarna braken zestien jaar met beperkte financiële middelen aan. In 2013 mochten voor het eerst weer muizen mee. Alexander leidde hun training.

Major Tom heette toen nog Muis 50 en werd de dag na zijn aankomst gewogen en onderzocht. Vervolgens kreeg hij onder de huid van zijn rug een microchip ingeplant. Net als 29 andere willekeurig gekozen muizen onderging hij hartchirurgie om een katheter te plaatsen om zijn bloeddruk te controleren. ‘De operatie gebeurde onder volledige verdoving en duurde 15 tot 20 minuten’, vertelt Alexander. Ongeveer een week later was de muis hersteld van de operatie.

De muizen werden 45 dagen voor de lancering willekeurig verdeeld in honderd groepjes van drie. Al deze groepjes werden geobserveerd en vervangen als ze zich slecht aanpasten. ‘Mannelijke black 6-muizen doen het meestal goed als ze jong zijn, maar worden agressiever als ze ouder worden’, vertelt Alexander. ‘De ruimte is een compleet ongebruikelijke omgeving en daar hebben we de rustigste muizen nodig.’ Muis 50 kreeg het gezelschap van muis 51 en muis 173. Ze konden het goed met elkaar vinden.

Twee weken later begon de lichamelijke training. Elke muis kreeg als onderkomen een bak van 60 centimeter breed, zodat de wetenschappers hun bewegingen en gedrag konden analyseren. Vervolgens testten ze het evenwicht van de knaagdieren op een tredmolen, een draaiende staaf waarop de muizen als een koorddanser moesten balanceren. Later stopten ze hen een week in een hoogtechnologische kooi met een loopwiel waarop ze hun bewegingen registreerden.

Alexander en zijn collega’s voerden ook intelligentietesten uit op de dieren. Eerst kregen ze twee lichtjes te zien die op hetzelfde moment op een van de muren van de kooi oplichten. De lichten hadden een andere kleur en betekenis. Als de muizen voor het rode licht kozen, werden ze beloond met melkpoeder. Gingen ze voor het groene licht, dan gebeurde er niets. Zodra de muizen dit door hadden, draaiden de wetenschappers de rollen van de lichten om en bekeken ze hoe snel de muizen de verandering doorhadden. Ten slotte moesten ze zich aanpassen aan een pastadieet, het voedsel dat ze in de ruimte zouden krijgen.

Een week voor de lancering zaten er tussen de honderd trio’s 53 potentiële kosmonauten. Daaruit kozen de wetenschappers er 35 voor controle-experimenten, 12 andere dankten ze af omwille van fysieke, intellectuele of sociale problemen. ‘We bekeken of de muizen gemakkelijk konden samenleven, of hun implantaten correct werkten, of ze over goede leervaardigheden beschikten en hoe goed ze konden rennen.’ Een muis die een indrukwekkende 11 kilometer kon afleggen in een dag, kozen ze niet. ‘We selecteerden alleen de muizen met middelmatige resultaten omdat we normale muizen wilden, geen extremen. Het waren geen Olympische Spelen.’.

Vervolgens plaatsten de wetenschapper de 35 trio’s in kleine plastic containers en brachten hen met de auto naar een luchthaven in Moskou. Van daaruit ging het rechtstreeks naar de kosmodroom van Bajkonoer, een lanceerbasis in de woestijn van Kazachstan, even groot als een kwart van België. De trip duurde ongeveer 24 uur.

In Bajkonoer voerden ingenieurs van Roscosmos de laatste aanpassingen uit aan een Sojoez-2-raket, die zes kleine satellieten en een Bion M-1-module aan boord kreeg. Wetenschappers van het IBMP brachten ook de extra bemanning van de Bion aan boord, die bestond uit acht woestijnratten, vijftien gekko’s, twintig slakken en een heel assortiment aan vissen, planten, algen, bacteriën, schimmels en microben.

Drie dagen voor de lancering bracht Alexander zijn muizen onder in de capsule. Pas toen selecteerde hij de vijftien trio’s en kreeg Muis 50 een naam. ‘Vijf van de uitverkoren muizen hadden een hartkatheter. We noemden ze alle vijf naar een nummer van David Bowie, omdat we toen vaak naar zijn muziek luisterden.’

Op 16 april kregen Major Tom, Space Invader, Space Boy, Spider from Mars en Ziggy Stardust samen met de andere leden van hun trio een nieuwe woonplaats: vijf cilindrische hokjes, zo groot als een grote colafles. In elk hokje was er een videocamera, een voedselverdeler, een lamp om daglicht te simuleren en een filter om afval op te vangen die een constante luchtstroom wegvoerde. De muizen gingen in hun nieuwe huisje op elkaar liggen om warm te blijven.

Een kraan hees de kooitjes omhoog en plaatste ze in de biosatelliet. Op een video van de IBMP zie je hoe tientallen journalisten, ingenieurs en wetenschappers zich rond de hokjes verzamelden, terwijl Alexander en zijn assistent Anfisa Popova met gekruiste armen toekeken. Beiden waren de daaropvolgende dagen niet weg te slaan van een beeldscherm waarop ze de muizen konden volgen.

Op 19 april stond Alexander op een open veld, een kilometer van de lanceerbasis, en filmde hoe de vijf motoren van de Sojoez-2 startten. Toen het toestel van 300 ton de hoogte in schoot, liet hij zijn camera vallen en nam hij de volgende minuut niet meer op. Op de beelden zie je de dorre Kazachse vegetatie, hoor je Russische stemmen en het geluid van de verdwijnende raket. ‘Het was een heel emotioneel moment, toch kon ik niet huilen. Ik had al drie nachten niet geslapen omdat ik te opgewonden was.’

In de lucht mochten Alexanders 45 ruimtemuizen tonen waarom ze waren uitverkoren uit 300 kandidaten om deel te nemen aan een ruimtemissie van 100 miljoen dollar, met wetenschappers uit zes landen. De muizen moesten bewijzen dat ze in staat waren te overleven in een habitat met een minimale bescherming tegen straling, zonder nest, zonder beschutting, zonder loopwiel, zonder zonlicht, zonder droge voeding, zonder water, zonder medische hulp en vooral zonder zwaartekracht.

Het was niet de eerste keer dat muizen in de ruimte vertoefden. In 2009 werden zes muizen met vreemd DNA en enkele andere met eigen DNA voor drie maanden naar het Internationaal Ruimtestation ISS gestuurd. De helft stierf en ging de koelkast in tot ze terugvlogen. In 2011 hadden zes vrouwelijke black 6-muizen de eer aan boord te gaan van Atlantis voor de laatste missie van de shuttle. Vijf uur  na de landing werden ze gedood.

Nooit eerder was er zoveel voorbereidingstijd geweest, hadden de muizen zo hoog rond de aarde gevlogen of waren er zoveel muizen en mensen betrokken bij geweest.

Van 1973 tot 1997 hebben de Russen elf Bion-missies gelanceerd en 212 ratten en twaalf resusapen in de ruimte gebracht, samen met insecten, amfibieën, reptielen en menselijke cellen. De missies leverden informatie op over het bewegingsapparaat, het hart, de evenwichtsfunctie en de stress­reactie. Achteraf konden mensen langer in de ruimte blijven. ‘Het belangrijkste resultaat was dat een kosmonaut anderhalf jaar in gewichtloosheid kon blijven’, zegt Vladimir Sychev, adjunct-directeur van het IBMP.

Maar er viel nog veel te leren. ‘Er zijn nog processen die we niet begrijpen. Met deze vlucht kregen we de middelen om de effecten op het moleculaire niveau te begrijpen.’ Het genoom van de black 6-muis is in kaart gebracht, bepaalde genen zijn uitgeschakeld en de moleculaire paden zijn bestudeerd. Daarom was het een van de best mogelijke dieren om zulke inzichten te verwerven.

‘Voor eenvoudige zaken werkt weefsel erg goed’, vult Alexander aan. ‘Maar genetische effecten ontstaan altijd door een wisselwerking van systemen, dus we hadden een echt dier nodig. De microzwaartekracht en de straling beïnvloeden de muis zodra ze de atmosfeer verlaat. De fysieke effecten worden pas veel later duidelijk.’
De atmosfeer en het magnetisch veld van de aarde beschermen de mens voor 99,9 procent tegen de straling van de zon. Bij een trip naar Mars brengen de astronauten zes tot acht maanden zonder dit schild door in de ruimte. Het risico op genetische mutaties en de fysieke gevolgen daarvan nemen dan enorm toe.

‘Straling is wellicht de boosdoener, tenzij we de astronauten kunnen beschermen’, verklaart Boyle. De genen van Major Tom en zijn soortgenoten kunnen inzicht geven hoe we het voor mensen in de ruimte veilig kunnen houden. Black 6-muizen leven niet langer dan drie jaar. De 30 dagen die Major Tom in de ruimte doorbracht, komen overeen met twee mensenjaren. In 2019 staat de missie van Bion M-2 gepland. Het ruimtevaartuig vliegt dan op een hoogte van 1.000 kilometer, waar de straling bijna 30 keer hoger ligt.

Tien minuten na de lancering verliet Major Tom de aardse atmosfeer. De motoren van de raket vielen uit, de effecten van de microzwaartekracht werkten door, waardoor de muis begon te zweven en tegen zijn kooigenoten botste. Het ruimtevaartuig steeg zacht en stil verder op, passeerde brokstukken van satellieten en kruiste de baan van het ISS, tot het een hoogte van 575 kilometer bereikte. De rust keerde weer toen de binnentemperatuur stabiliseerde op 22 graden Celsius.

Op de tweede dag van de missie vielen er twee doden. De wetenschappers vermoeden dat ze stierven nadat hun staart was vastgeraakt in de voedselverdeler. ‘We vonden op geen enkel videobeeld sporen van vechtpartijen, beten of conflicten. Daarom geloven we niet dat de verwondingen te wijten zijn aan agressie tussen de mannetjes’, schreef Alexander later met twaalf collega’s in het wetenschappelijk vakblad PLoS ONE.

Op de negende dag van de missie viel er nog een dode om dezelfde reden. De tiende dag raakte in vijf kooien het voedselsysteem beschadigd, waardoor nog eens vijftien muizen stierven. Tegen het einde van de trip zouden er nog elf sterven, ook Muis 51 uit het team van Major Tom. ‘Als een muis sterft in een kooi eten de andere muizen die op’, legt Alexander uit. ‘Net als de meeste dieren beginnen ze met de hersenen en de ingewanden. Dat is ook wat ze doen als ze elkaar doden in een gevecht.’

De missie bracht nog meer ontgoochelingen met zich mee. Door een defect in de zuurstoftoevoer stierven alle woestijnratten tegen het einde van de eerste week. Toen de lichten van de aquaria het begaven, stopte de fotosynthese van de algen en stierven alle vissen en schaaldieren. De vijftien gekko’s en de twintig slakken overleefden. De wormen stierven omdat ze werden opgegeten door de gekko’s, zoals verwacht.

Tijdens de missie van Major Tom bracht Alexander veel tijd door in Bajkonoer. Hij bestudeerde de muizen die hij later met de ruimtemuizen zou vergelijken. Hij analyseerde ook de weinige informatie die het ruimtevaartuig doorstuurde. ‘De meeste gegevens kwamen van de vijf muizen met een hartimplantaat. Uit het zuurstofverbruik konden we min of meer afleiden of de andere nog in leven waren.’

Terug op aarde waren Major Tom en drie vierde van de andere muizen dikker dan toen ze vertrokken. Dat kwam door de vele pasta op het menu, en door een gebrek aan zwaartekracht en beweging. Ook het verorberen van de hersenen en de ingewanden van Muis 51 speelde een rol.

Loomheid na de vlucht is een ander vaak voorkomend probleem. ‘Toen we de muizen direct na de landing onderzochten, zagen we een grote achteruitgang van de motorische functie’, schreef Alexander in zijn studie. ‘De muizen konden zich niet meer rechthouden. Hun voor- en achterpoten zaten meer aan de zijkant van hun lichaam dan recht onder hun romp. Ze bewogen nauwelijks, ook niet als ze werden gepord.’ De activiteit van de muizen herbegon pas zes uur later.

Herstel was niet echt wat de wetenschappers wilden. Elke minuut die de dieren in normale zwaartekracht doorbrachten, was een minuut minder informatie over de schadelijke gezondheidseffecten van hun ervaringen in de ruimte. Zodra Alexander de overlevende muizen had gemeten en de eerste fysieke tests afnam, vloog hij met de muizen terug naar de kosmodroom van Bajkonoer.

Daarna ging het snel. Vanuit Orenburg namen Alexander en zijn muizen een militair vliegtuig naar Moskou. Daar vertrokken ze in een ziekenwagen met loeiende sirenes om de files te snel af te zijn. ‘Het was net een Hollywoodfilm’, herinnert Alexander zich. Vervolgens werden de muizen van elkaar gescheiden. Elf werden achtergelaten in het IBMP om gedood te worden voor een lijkschouwing. Major Tom en vijf andere muizen bleven in de ziekenwagen om samen met Alexander terug te keren naar hun kooitjes in het Kurchatov Instituut. Onderzoekers analyseerden er hun dagelijkse bewegingen.

Na een week moesten Major Tom en zijn vriendjes terug naar het IBMP en ondergingen ze hetzelfde lot als de andere kosmonauten. Op zondag 26 mei 2013 werd de nek van Major Tom gebroken door cervicale dislocatie, de verplaatsing van wervels in de nek. Daarna werd hij onthoofd.

Het ogenblik waarop zo’n muis sterft, is het moment waarop wetenschappelijke kennis wordt geboren. De organen van Major Tom gingen naar specialisten uit zes landen en dat resulteerde in 70 studies. De wetenschappers verdeelden zijn hersenen in kleinere stukken – de frontale cortex, de visuele cortex, de hypothalamus, de hippocampus, het striatum en de zwarte kern – waarvan er enkele naar Vladimir Naumenko werden gestuurd, een senior onderzoeker aan het Russische Instituut voor Cytologie en Genetica.

In een studie van juli 2014 concludeerde hij dat ‘een ruimtereis de expressie verminderde van cruciale genen die betrokken zijn bij de opname van dopamine’. Zo’n vermindering kan niet alleen de spierspanning ontregelen, maar ook het risico op ziektes verhogen zoals parkinson, alzheimer, depressie en schizofrenie. Daarom moeten Marsreizigers wellicht antidepressiva slikken om hun dopamineniveau onder controle te houden en ziektes te voorkomen.

De wetenschappers besteedden ook aandacht aan de effecten van microzwaartekracht op beenmerg, insulinereceptoren en spermacellen. Spermacellen bewegen sneller nadat ze aan de ruimte zijn blootgesteld, al is nog niet duidelijk waarom. De wetenschappers zagen dat de slagaders in de hersenen van de muizen minder vaak samentrokken en uitzetten. Dat kan verklaren waarom astronauten last hebben van een verminderd zicht als ze terugkeren uit de ruimte. Deze resultaten hangen af van genetische analyses. Die waren niet mogelijk geweest als het muizengenoom niet in kaart was gebracht.

De andere dieren van de missie leverden andere resultaten op. Slakken, die een eenvoudig en nauwkeurig bestudeerd zenuwstelsel hebben, stelden wetenschappers in staat de aanpassing na een ruimtereis te bestuderen van het evenwichtsorgaan aan normale zwaartekracht. Dat kan op zijn beurt helpen te verklaren wat er gebeurt in menselijke hersenen in de 24 uur na een ruimtevlucht. Gekko’s brachten inzicht in het spiersysteem, wat kan leiden tot de ontwikkeling van kledij om spierverlies te voorkomen door de stimuli van de tastzin te imiteren.

Alexander was niet aanwezig bij de laatste experimenten op Major Tom. Hij bestudeerde de controlemuizen die sinds het vertrek van hun soortgenoot op zijn terugkeer wachtten. Hij koos 45 knaagdieren, verdeelde ze in trio’s en stopte ze in dezelfde hokjes die voor de ruimtemissie waren gebruikt. De daaropvolgende maand zagen deze muizen geen zonlicht, geen loopwiel en kregen ze geen droog voer. Alexander simuleerde de omstandigheden waaraan de ruimtemuizen waren blootgesteld, maar bij normale zwaartekracht.

De dood van de muizen betekende het einde van een belangwekkend traject. In de zes maanden van hun leven ondergingen Major Tom en de andere ruimtemuizen hartchirurgie, ze doorstonden een fysieke training, ze pasten zich aan een pastadieet aan, ze leerden zweven en ze kwamen terug uit de ruimte om met hun lichaam te vertellen hoe hard het leven daar is.

Alexander stelde nog voor om enkele muizen in leven te houden, maar zijn collega’s ketsten het voorstel af. Zelf was hij niet bij hun dood aanwezig. ‘Toekijken zag ik niet zitten’, vertelt hij. ‘Ik was te nauw betrokken bij de beestjes.’