All’inizio di marzo 2016 l’astronauta Scott Kelly è tornato sulla Terra dopo aver battuto il record americano di permanenza continua nello spazio – 340 giorni. Lo scopo della sua missione sulla Stazione Spaziale Internazionale era quello di capire meglio come il corpo umano reagisce e si adatta al duro ambiente spaziale. Lo studio spera di ridurre tali rischi al fine di preparare missioni di ricerca con equipaggio sulla luna, eventualmente sugli asteroidi ed eventualmente missioni su Marte. Qui discutiamo come il corpo risponde all’ambiente spaziale, quali problemi sorgono in esso e come possiamo affrontarli.
Le implicazioni per la salute dei viaggi nello spazio
Il cantante David Bowie ha scritto “Space Oddity” descrivendo le esperienze dell’astronauta Major Tom: “Sto galleggiando in un modo molto particolare”. Infatti, la differenza principale tra lo spazio e la Terra è che nello spazio non c’è quasi gravità, causando una sensazione di assenza di peso, con la conseguenza che la navicella o la stazione spaziale in cui si trova l’astronauta è in caduta libera verso il centro della Terra. La caduta libera è il moto di un corpo in cui la gravità è l’unica forza che agisce su di esso. Poiché la navetta o la stazione spaziale si muove intorno alla Terra con la sola forza di gravità esercitata su di essa (non c’è resistenza dell’aria nello spazio), si può dire che sono in uno stato di caduta libera. La ragione per cui non “cadono” realmente, ma piuttosto si muovono in un percorso circolare, è perché la forza di gravità è verticale rispetto alla direzione della sua velocità iniziale, in modo da influenzare solo la direzione della velocità ma non la sua dimensione.
Gli astronauti vengono addestrati per le condizioni facendo pratica in un aereo a gravità ridotta che vola in una speciale rotta parabolica. L’addestramento li aiuta a funzionare nello spazio ma non previene gli effetti nocivi della gravità zero sulla salute. Studi su persone che sono state sulle stazioni spaziali per lunghi periodi hanno dimostrato che alcuni degli effetti sono temporanei mentre altri sono più a lungo termine.
La breve esposizione all’assenza di peso causa la sindrome di adattamento allo spazio (SAS) o “mal di spazio”, che è il problema più comune nei viaggi nello spazio. L’assenza di peso influenza il nostro orientamento nello spazio e ci richiede di adattare molti dei nostri processi fisiologici alle nuove condizioni – principalmente i processi legati al nostro sistema di equilibrio. Quando l’adattamento non è completo, si manifestano nausea, vertigini, vomito, mal di testa, affaticamento, malessere generale, allucinazioni visive e disorientamento nello spazio.
Il primo rapporto di tali sintomi fu del cosmonauta sovietico Gherman Titov, che completò il suo volo alla fine del 1961 come quarta persona mai andata nello spazio e la seconda, dopo Yuri Gagarin, a completare una rotazione completa della Terra. I dati raccolti fino ad ora hanno dimostrato che circa il 45% dei viaggiatori spaziali soffre di mal di spazio. Ma raramente dura più di tre giorni, quando il corpo si adatta al nuovo ambiente.
L’esposizione a lungo termine alla gravità zero causa molteplici problemi di salute tra cui la ridistribuzione dei fluidi e la perdita di massa ossea e muscolare. Nel corso del tempo, questi effetti possono compromettere le prestazioni degli astronauti, il che può aumentare il rischio che si facciano male, oltre a ridurre la loro capacità di assorbire ossigeno, il che rallenta la loro attività cardiovascolare.
Ridistribuzione dei liquidi
I liquidi, che costituiscono circa il 60 per cento del peso del corpo umano, tendono ad accumularsi nella parte inferiore del corpo quando sono sotto l’influenza della gravità, e nel corso dell’evoluzione abbiamo sviluppato sistemi che equilibrano il flusso di sangue al cuore e al cervello mentre siamo in piedi. Questi sistemi continuano a funzionare anche in assenza di gravità, causando quindi l’accumulo di liquidi nella parte superiore del corpo. Questo è il motivo per cui gli astronauti hanno il viso gonfio. L’accumulo di fluido nell’occhio offusca anche la loro visione per alcuni giorni fino a quando il cervello impara a compensare e correggere l’immagine.
Il cambiamento nella distribuzione dei fluidi si riflette anche in problemi di equilibrio, così come una perdita del senso del gusto e dell’olfatto. Ancora più importante, guida una serie di effetti sistemici progettati per adattare il corpo al nuovo ambiente, ma hanno conseguenze pericolose al ritorno sulla Terra. Uno di questi è “l’intolleranza ortostatica”, che è l’incapacità di stare in piedi senza assistenza per più di dieci minuti alla volta senza svenire.
Il fenomeno deriva in parte dai cambiamenti nella regolazione della pressione sanguigna da parte del sistema nervoso autonomo e la perdita di circa il 20 per cento del volume di liquido del sangue – perché in condizioni di microgravità non è necessario per i sistemi per mantenere la pressione sanguigna come fluido corporeo si diffonde più uniformemente in tutto il corpo. Questo effetto è amplificato più a lungo uno è nello spazio, ma è normalizzato di nuovo entro poche settimane di ritorno sulla Terra.
Il cuore anche degenera gradualmente come risultato di dover pompare meno sangue. Un muscolo cardiaco più debole causa una diminuzione della pressione sanguigna e può ostacolare il flusso di ossigeno al cervello.
L’allenamento regolare della resistenza è essenziale per mantenere la massa ossea e muscolare in gravità zero | Foto: NASA
Atrofia muscolare e osteoporosi
Uno dei principali effetti a lungo termine dell’assenza di gravità è la perdita di massa muscolare e ossea. In assenza di gravità non c’è carico di peso sui muscoli della schiena e delle gambe, quindi iniziano a indebolirsi e a ridursi. In alcuni muscoli la degenerazione è rapida, e senza un regolare esercizio fisico gli astronauti possono perdere fino al 20 per cento della loro massa muscolare entro 5-11 giorni.
A causa della mancanza di pressione meccanica sull’osso, la massa ossea si perde ad un tasso di uno e mezzo per cento in un solo mese in un ambiente a gravità zero, rispetto a circa il tre per cento a decade in una persona sana in un ambiente normale. La perdita di massa colpisce principalmente le vertebre inferiori della colonna vertebrale, l’articolazione dell’anca e il femore. A causa del rapido cambiamento di densità, le ossa possono diventare fragili e mostrare sintomi simili a quelli dell’osteoporosi.
Anche i processi di distruzione e costruzione delle ossa cambiano quando si è nello spazio. Sulla Terra, le ossa vengono distrutte e rinnovate regolarmente utilizzando un sistema ben bilanciato di cellule distruttrici e di cellule costruttrici di ossa. Ogni volta che viene distrutto del tessuto osseo, nuovi strati prendono il loro posto; questi due processi sono accoppiati l’uno all’altro. Nello spazio, tuttavia, si osserva un aumento dell’attività delle cellule distruttrici delle ossa, a causa della mancanza di gravità, e le ossa si decompongono in minerali che vengono assorbiti nel corpo.
Studi sui topi hanno dimostrato che dopo 16 giorni in assenza di gravità c’è un aumento del numero di cellule distruttrici delle ossa e una diminuzione del numero di cellule costruttrici delle ossa, così come una diminuzione della concentrazione di fattori di crescita noti per la loro capacità di aiutare a creare nuove ossa. L’aumento dei livelli di calcio nel sangue a causa della disintegrazione dell’osso causa una pericolosa calcificazione dei tessuti molli e aumenta il potenziale di formazione di calcoli renali.
Gli astronauti mostrano un aumento dell’attività delle cellule distruttrici dell’osso, in particolare nella zona pelvica, che solitamente porta la maggior parte del carico in condizioni di gravità normale. Tuttavia, a differenza dei pazienti con osteoporosi, gli astronauti che sono rimasti nello spazio per tre o quattro mesi, riacquistano la loro normale densità ossea dopo un periodo di due o tre anni di ritorno sulla Terra.
Capire gli effetti della gravità zero
Il modo migliore per evitare gli effetti della gravità zero è creare gravità artificiale. Fino ad oggi, gli scienziati sono riusciti a creare la gravità solo in condizioni di laboratorio, utilizzando forti campi magnetici al di sopra dei livelli di sicurezza consentiti, che naturalmente non è pratico nei viaggi nello spazio. Tuttavia, la fantascienza usa spesso la gravità artificiale. Per esempio nel film “The Martian”, l’astronave che viaggia verso Marte ha una struttura circolare rotante che ha una gravità sul suo perimetro pari al 40% di quella che ci sarebbe sulla faccia della Terra, che è simile alla gravità sul pianeta rosso.
I farmaci usati per trattare il mal di mare, che è anche il risultato di schemi di movimento a cui il corpo non è abituato, possono anche aiutare a trattare il mal di spazio, ma sono raramente usati perché il corso di adattamento naturale durante i primi due giorni di viaggio nello spazio è preferito alla sonnolenza e altri effetti collaterali causati dai farmaci.
Tuttavia, quando gli astronauti indossano una tuta spaziale indossano cerotti anti-nausea perché il vomito nella tuta può essere mortale. Le tute spaziali sono indossate soprattutto durante il lancio e l’atterraggio, e naturalmente in qualsiasi attività al di fuori del veicolo spaziale (passeggiate spaziali). Per permettere al team di adattarsi alle condizioni nello spazio, le attività al di fuori della navicella o della stazione spaziale di solito non sono previste nei primi giorni della missione. Questo evita il pericolo di vomitare nella tuta e i cerotti sono di solito solo per il back up.
Per ridurre ed evitare alcuni degli effetti negativi della mancanza di gravità sui muscoli, in particolare il muscolo cardiaco, la Stazione Spaziale Internazionale è dotata di apparati sportivi utilizzati per l’allenamento della resistenza. Ogni astronauta è tenuto a svolgere almeno due ore di attività fisica al giorno, tra cui jogging su un tapis roulant (si attaccano ad esso con degli elastici per non galleggiare via), andare in bicicletta stazionaria e sollevare pesi, naturalmente contro le molle. Gli astronauti in missioni particolarmente lunghe indossano pantaloni che fanno pressione sulle ossa delle gambe per ridurre la perdita di densità ossea.
NASA utilizza strumenti di calcolo avanzati per capire come fermare al meglio la degenerazione dei muscoli e delle ossa per gli astronauti che rimangono nello spazio a gravità zero. Le simulazioni computazionali sono utilizzate principalmente per valutare gli effetti dell’esercizio sulla torsione (coppie) delle articolazioni ossee, per raccomandare i regimi di esercizio ottimale per gli astronauti.
Speriamo che le informazioni raccolte da Scott Kelly durante il suo lungo soggiorno nello spazio farà più luce sugli effetti della gravità zero sulla salute umana, e potrebbe aiutare a prevenire molti dei problemi che gli astronauti incontrano al loro ritorno sulla terra. La sua missione è stata unica per la sua lunghezza, che permette di indagare gli effetti di più effetti a lungo termine del viaggio nello spazio di quanto sia stato precedentemente testato.
Un ricordo piacevole: David Bowie, Space Oddity