Maaliskuun alussa 2016 astronautti Scott Kelly palasi Maahan rikottuaan amerikkalaisen ennätyksen jatkuvasta avaruudessa oleskelusta – 340 päivää. Hänen tehtävänsä kansainvälisellä avaruusasemalla tarkoituksena oli ymmärtää paremmin, miten ihmiskeho reagoi ja sopeutuu ankaraan avaruusympäristöön. Tutkimuksella pyritään vähentämään tällaisia riskejä, jotta voidaan valmistautua miehitettyihin tutkimuslentoihin kuuhun, mahdollisesti asteroideille ja lopulta Marsiin. Tässä keskustelemme siitä, miten elimistö reagoi avaruusympäristöön, mitä ongelmia siinä syntyy ja miten voimme käsitellä niitä.
Avaruusmatkailun terveysvaikutukset
Laulaja David Bowie kirjoitti kappaleen ”Space Oddity”, jossa hän kuvailee astronautti majuri Tomin kokemuksia: ”I am floating in a most peculiar way”. Suurin ero avaruuden ja Maan välillä on todellakin se, että avaruudessa ei ole lähes lainkaan painovoimaa, mikä aiheuttaa painottomuuden tunteen, jolloin avaruusalus tai avaruusasema, jossa astronautti on, on vapaassa pudotuksessa kohti Maan keskipistettä. Vapaa pudotus on kappaleen liike, jossa painovoima on ainoa siihen vaikuttava voima. Koska sukkula tai avaruusasema liikkuu maapallon ympäri siten, että siihen kohdistuu vain painovoima (avaruudessa ei ole ilmanvastusta), voidaan sanoa, että ne ovat vapaassa pudotuksessa. Syy siihen, että ne eivät varsinaisesti ”putoa” vaan liikkuvat ympyränmuotoisella radalla, on se, että painovoima on pystysuorassa sen lähtönopeuden suuntaan nähden, joten se vaikuttaa vain nopeuden suuntaan, mutta ei sen suuruuteen.
Astronautit koulutetaan olosuhteisiin harjoittelemalla pienennetyn painovoiman lentokoneessa, joka lentää erityisellä parabolisella reitillä. Harjoittelu auttaa heitä toimimaan avaruudessa, mutta ei estä painottomuuden terveydelle haitallisia vaikutuksia. Pitkään avaruusasemilla olleilla ihmisillä tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet, että osa vaikutuksista on tilapäisiä ja osa pitkäaikaisempia.
Lyhyt altistuminen painottomuudelle aiheuttaa avaruusadaptaatio-oireyhtymän (SAS, Space Adaptation Syndrome) eli ”avaruuspahoinvoinnin”, joka on yleisin avaruusmatkailussa esiintyvä ongelma. Painottomuus vaikuttaa suunnistukseemme avaruudessa ja vaatii meitä sopeuttamaan monia fysiologisia prosessejamme uusiin olosuhteisiin – pääasiassa tasapainojärjestelmäämme liittyviä prosesseja. Kun sopeutuminen ei ole täydellistä, se johtaa pahoinvointiin, huimaukseen, oksenteluun, päänsärkyyn, väsymykseen, yleiseen huonovointisuuteen, visuaalisiin hallusinaatioihin ja orientaatiohäiriöihin avaruudessa.
Ensimmäinen raportti tällaisista oireista tuli neuvostoliittolaiselta kosmonautilta Gherman Titovilta, joka suoritti avaruuslentonsa vuoden 1961 lopussa neljäntenä avaruudessa koskaan olleena ihmisenä ja toisena Juri Gagarinin jälkeen, joka suoritti täydellisen maapallon kierroksen. Tähän mennessä kerätyt tiedot ovat osoittaneet, että noin 45 prosenttia avaruusmatkustajista kärsii avaruussairaudesta. Se kestää kuitenkin harvoin kolmea päivää kauemmin, kun elimistö sopeutuu uuteen ympäristöön.
Pitkäkestoinen altistuminen painottomuudelle aiheuttaa useita terveysongelmia, kuten nesteiden uudelleen jakautumista sekä luu- ja lihasmassan menetystä. Ajan mittaan nämä vaikutukset voivat heikentää astronauttien suorituskykyä, mikä voi lisätä heidän vaaraansa loukkaantua, sekä heikentää heidän kykyään imeä happea, mikä hidastaa heidän sydän- ja verenkiertoelimistön toimintaansa.
Nesteiden uudelleenjakautuminen
Nesteet, jotka muodostavat noin 60 prosenttia ihmisen ruumiinpainosta, pyrkivät painovoiman vaikutuksen alaisena kerääntymään vartalon alempaan osaan, ja evoluution myötä olemme kehittäneet järjestelmiä, jotka tasapainottavat verenkiertoa sydämeen ja aivoihin seisoessamme. Nämä järjestelmät jatkavat toimintaansa myös ilman painovoimaa, minkä vuoksi nestettä kertyy kehon yläosaan. Tämän vuoksi astronauttien kasvot ovat turvonneet. Nesteen kertyminen silmään myös sumentaa heidän näkönsä muutamaksi päiväksi, kunnes aivot oppivat kompensoimaan ja korjaamaan kuvan.
Nesteen jakautumisen muutos näkyy myös tasapaino-ongelmina sekä maku- ja hajuaistin heikkenemisenä. Vielä tärkeämpää on, että se saa aikaan joukon systeemisiä vaikutuksia, joiden tarkoituksena on sopeuttaa keho uuteen ympäristöön, mutta niillä on vaarallisia seurauksia Maahan palattaessa. Yksi niistä on ”ortostaattinen intoleranssi”, joka tarkoittaa kyvyttömyyttä seistä ilman apua yli kymmenen minuuttia kerrallaan pyörtymättä.
Ilmiö johtuu osittain muutoksista verenpaineen säätelyssä autonomisen hermoston toimesta ja noin 20 prosentin verinesteen tilavuuden menetyksestä – koska mikropainovoiman olosuhteissa järjestelmien ei ole tarpeen ylläpitää verenpainetta, kun kehossa oleva neste levittäytyy tasaisemmin kaikkialle kehoon. Tämä vaikutus voimistuu, mitä kauemmin avaruudessa ollaan, mutta normalisoituu jälleen muutaman viikon kuluessa Maahan paluusta.
Sydän rappeutuu myös vähitellen, koska sen on pumpattava vähemmän verta. Heikompi sydänlihas aiheuttaa verenpaineen laskua ja voi haitata hapen kulkua aivoihin.
Säännöllinen kestävyysharjoittelu on välttämätöntä luu- ja lihasmassan ylläpitämiseksi painottomuudessa | Valokuva: NASA
Lihasten surkastuminen ja osteoporoosi
Yksi merkittävimmistä painottomuuden pitkäaikaisemmista vaikutuksista on lihas- ja luumassan menetys. Painovoiman puuttuessa selkä- ja jalkalihaksiin ei kohdistu painorasitusta, joten ne alkavat heikentyä ja kutistua. Joissakin lihaksissa rappeutuminen on nopeaa, ja ilman säännöllistä liikuntaa astronautit voivat menettää jopa 20 prosenttia lihasmassastaan 5-11 päivän kuluessa.
Luuhun kohdistuvan mekaanisen paineen puuttuessa luumassaa menetetään painottomassa ympäristössä puolentoista prosentin vauhtia kuukaudessa, kun taas terveellä ihmisellä normaalissa ympäristössä menetetään noin kolme prosenttia vuosikymmenessä. Massan menetys koskee pääasiassa selkärangan alempia nikamia, lonkkaniveltä ja reisiluuta. Nopean tiheysmuutoksen vuoksi luut voivat haurastua ja saada osteoporoosin kaltaisia oireita.
Jopa luiden tuhoutumis- ja rakentumisprosessit muuttuvat avaruudessa. Maassa luut tuhoutuvat ja uusiutuvat säännöllisesti käyttäen tasapainoista luun tuhoavien solujen ja luun rakentavien solujen järjestelmää. Aina kun osa luukudoksesta tuhoutuu, tilalle tulee uusia kerroksia; nämä kaksi prosessia ovat sidoksissa toisiinsa. Avaruudessa luuta tuhoavien solujen aktiivisuus kuitenkin lisääntyy painovoiman puuttuessa, ja luut hajoavat mineraaleiksi, jotka imeytyvät elimistöön.
Hiirillä tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet, että 16 päivän painovoimattomassa tilassa olon jälkeen luun tuhoavien solujen määrä lisääntyy ja luunrakentavien solujen määrä vähenee sekä sellaisten kasvutekijöiden konsentraatio laskee, jotka tunnetusti auttavat luomaan uutta luuta. Hajoavan luun aiheuttama kalsiumpitoisuuden nousu veressä aiheuttaa vaarallista pehmytkudosten kalkkeutumista ja lisää munuaiskivien muodostumisen mahdollisuutta.
Astronauttien luunmurtajasolujen aktiivisuus lisääntyy erityisesti lantion alueella, joka tavallisesti kantaa suurimman osan kuormituksesta normaalipainovoiman olosuhteissa. Toisin kuin osteoporoosipotilaat, astronautit, jotka olivat avaruudessa kolmesta neljään kuukautta, saavat kuitenkin takaisin normaalin luuntiheytensä kahden-kolmen vuoden kuluttua palattuaan takaisin Maahan.
Nollapainovoiman vaikutuksista selviytyminen
Parempi keino välttää nollapainovoiman vaikutukset on keinotekoisen painovoiman luominen. Tähän mennessä tutkijat ovat onnistuneet luomaan painovoimaa vain laboratorio-olosuhteissa käyttäen vahvoja magneettikenttiä, jotka ylittävät sallitut turvallisuustasot, mikä ei tietenkään ole käytännöllistä avaruusmatkailussa. Tieteiskirjallisuudessa käytetään kuitenkin usein keinotekoista painovoimaa. Esimerkiksi elokuvassa ”The Martian” Marsiin matkustavassa avaruusaluksessa on pyörivä pyöreä rakenne, jonka kehällä on painovoima, joka vastaa 40 prosenttia siitä, mitä olisi Maan pinnalla, mikä vastaa painovoimaa punaisella planeetalla.
Lääkkeet, joita käytetään meripahoinvoinnin hoitoon, joka johtuu myös liikemalleista, joihin elimistö ei ole tottunut, voivat auttaa myös avaruuspahoinvoinnin hoidossa, mutta niitä käytetään harvoin, koska luonnollista sopeutumiskulkua kahden ensimmäisen avaruusmatkapäivän aikana pidetään parempana kuin lääkkeiden aiheuttamaa uneliaisuutta ja muita sivuvaikutuksia.
Avaruuspukuun pukeutuneilla astronauteilla on kuitenkin pahoinvointia ehkäiseviä laastareita, koska oksentelu avaruuspuvun sisällä voi olla kohtalokasta. Avaruuspukuja käytetään lähinnä laukaisun ja laskeutumisen aikana sekä tietysti kaikessa avaruusaluksen ulkopuolella tapahtuvassa toiminnassa (avaruuskävelyt). Jotta tiimi voisi sopeutua avaruusolosuhteisiin, avaruusaluksen tai avaruusaseman ulkopuolista toimintaa ei yleensä suunnitella tehtävän alkupäivinä. Näin vältetään oksentamisen vaara puvussa, ja laastarit ovat yleensä vain taustatukea varten.
Vähentääkseen ja välttääkseen joitakin painovoiman puutteen kielteisiä vaikutuksia lihaksiin, erityisesti sydänlihakseen, Kansainvälinen avaruusasema on varustettu vastusharjoitteluun käytettävillä urheilulaitteilla. Jokaisen astronautin edellytetään harrastavan vähintään kaksi tuntia liikuntaa päivässä, mukaan lukien lenkkeilyä juoksumatolla (he kiinnittyvät siihen kuminauhoilla, jotteivät he leijuisi pois), liikkumattomalla polkupyörällä ajamista ja painojen nostamista, tietysti jousia vasten. Erityisen pitkillä matkoilla astronautit käyttävät housuja, jotka painavat jalkojen luita luuntiheyden heikkenemisen vähentämiseksi.
NASA käyttää kehittyneitä laskennallisia työkaluja ymmärtääkseen, miten parhaiten pysäytetään lihasten ja luiden rappeutuminen astronauttien oleskellessa avaruudessa painottomuudessa. Laskennallisia simulaatioita käytetään pääasiassa arvioitaessa liikunnan vaikutuksia luunivelten vääntöön (vääntömomentteihin), jotta astronauteille voidaan suositella optimaalisia liikuntaohjelmia.
Toivottavasti Scott Kellyn pitkän avaruusoleskelunsa aikana keräämät tiedot valaisevat lisää painottomuuden vaikutuksia ihmisen terveyteen ja voivat auttaa ehkäisemään monia niistä ongelmista, joita astronautit kohtaavat palattuaan Maahan. Hänen tehtävänsä oli ainutlaatuinen pituudeltaan, mikä mahdollistaa avaruusmatkailun pitkäaikaisempien vaikutusten tutkimisen kuin mitä aiemmin on testattu.
Mukava muisto: David Bowie, Space Oddity