Aan het begin van maart 2016 keerde astronaut Scott Kelly terug naar de aarde na het verbreken van het Amerikaanse record voor een ononderbroken verblijf in de ruimte – 340 dagen. Het doel van zijn missie naar het internationale ruimtestation was om beter te begrijpen hoe het menselijk lichaam reageert en zich aanpast aan de barre ruimteomgeving. De studie hoopt dergelijke risico’s te verminderen ter voorbereiding van bemande onderzoeksmissies naar de maan, mogelijk naar asteroïden en uiteindelijk missies naar Mars. Hier bespreken we hoe het lichaam reageert op de ruimteomgeving, welke problemen zich daarin voordoen en hoe we daarmee om kunnen gaan.
De gezondheidsimplicaties van ruimtereizen
Zanger David Bowie schreef “Space Oddity” waarin hij de ervaringen van de astronaut Major Tom beschreef: “I am floating in a most peculiar way”. Het belangrijkste verschil tussen de ruimte en de aarde is inderdaad dat er in de ruimte bijna geen zwaartekracht is, wat een gevoel van gewichtloosheid veroorzaakt, waardoor het ruimteschip of ruimtestation waarin de astronaut zich bevindt, in vrije val is in de richting van het middelpunt van de aarde. Vrije val is de beweging van een lichaam waar de zwaartekracht de enige kracht is die erop werkt. Aangezien de shuttle of het ruimtestation rond de Aarde beweegt met alleen zwaartekracht erop uitgeoefend (er is geen luchtweerstand in de ruimte), kan worden gezegd dat zij zich in een staat van vrije val bevinden. De reden dat zij niet werkelijk “vallen” maar zich in een cirkelvormige baan voortbewegen, is dat de zwaartekracht verticaal staat ten opzichte van de richting van de beginsnelheid, zodat zij alleen de richting van de snelheid beïnvloedt, maar niet de grootte ervan.
Astronauten worden op de omstandigheden getraind door te oefenen in een vliegtuig met verminderde zwaartekracht dat in een speciale parabolische route vliegt. De training helpt hen te functioneren in de ruimte, maar voorkomt niet de schadelijke effecten van nul zwaartekracht op de gezondheid. Studies bij mensen die lange tijd op ruimtestations waren, hebben aangetoond dat sommige effecten tijdelijk zijn, terwijl andere meer langdurig zijn.
Korte blootstelling aan gewichtloosheid veroorzaakt ruimteaanpassingssyndroom (SAS) of “ruimteziekte”, wat het meest voorkomende probleem is in ruimtereizen. Gewichtloosheid beïnvloedt onze oriëntatie in de ruimte en vereist dat we veel van onze fysiologische processen aanpassen aan de nieuwe omstandigheden – voornamelijk processen die verband houden met ons evenwichtssysteem. Wanneer de aanpassing niet volledig is, leidt dit tot misselijkheid, duizeligheid, braken, hoofdpijn, vermoeidheid, algehele malaise, visuele hallucinaties en desoriëntatie in de ruimte.
De eerste melding van dergelijke symptomen kwam van de Sovjet-kosmonaut Gherman Titov, die eind 1961 zijn vlucht voltooide als de vierde persoon ooit in de ruimte en de tweede, na Joeri Gagarin, die een volledige omwenteling van de aarde voltooide. Uit de tot nu toe verzamelde gegevens blijkt dat ongeveer 45 procent van de ruimtereizigers last heeft van ruimteziekte. Maar die duurt zelden langer dan drie dagen, wanneer het lichaam zich aanpast aan de nieuwe omgeving.
Lange blootstelling aan de nulzwaartekracht veroorzaakt meerdere gezondheidsproblemen, waaronder herverdeling van vloeistoffen en verlies van bot- en spiermassa. Na verloop van tijd kunnen deze effecten de prestaties van astronauten in gevaar brengen, waardoor het risico dat ze gewond raken toeneemt, evenals hun vermogen om zuurstof op te nemen, waardoor hun cardiovasculaire activiteit vertraagt.
Herdistributie van vloeistoffen
Vloeistoffen, die ongeveer 60 procent van het menselijke lichaamsgewicht uitmaken, hebben de neiging zich op te hopen in het onderste deel van het lichaam wanneer we onder invloed van de zwaartekracht zijn, en in de loop van de evolutie hebben we systemen ontwikkeld die de bloedstroom naar het hart en de hersenen in evenwicht houden terwijl we staan. Deze systemen blijven ook werken als er geen zwaartekracht is, waardoor zich vocht boven in het lichaam ophoopt. Dit is de reden waarom astronauten gezwollen gezichten hebben. De ophoping van vocht in het oog vertroebelt ook hun gezichtsvermogen gedurende enkele dagen, totdat de hersenen leren compenseren en het beeld corrigeren.
De verandering in de vochtverdeling komt ook tot uiting in evenwichtsproblemen, evenals een verlies van smaak- en reukzin. Belangrijker nog, het stuurt een reeks systemische effecten aan die bedoeld zijn om het lichaam aan te passen aan de nieuwe omgeving, maar die gevaarlijke gevolgen hebben bij de terugkeer op aarde. Een daarvan is “orthostatische intolerantie”, dat wil zeggen het onvermogen om zonder hulp langer dan tien minuten achtereen te staan zonder flauw te vallen.
Het verschijnsel is gedeeltelijk het gevolg van veranderingen in de regeling van de bloeddruk door het autonome zenuwstelsel en het verlies van ongeveer 20% van het volume van de bloedvloeistof – omdat het onder omstandigheden van microzwaartekracht niet nodig is voor systemen om de bloeddruk op peil te houden omdat de lichaamsvloeistof zich gelijkmatiger door het lichaam verspreidt. Dit effect wordt versterkt naarmate men langer in de ruimte is, maar is binnen enkele weken na terugkeer op aarde weer genormaliseerd.
Het hart degenereert ook geleidelijk als gevolg van het feit dat het minder bloed moet pompen. Een zwakkere hartspier veroorzaakt een daling van de bloeddruk en kan de zuurstoftoevoer naar de hersenen belemmeren.
Reguliere weerstandstraining is essentieel voor het behoud van bot- en spiermassa in zero gravity | Foto: NASA
Spieratrofie en osteoporose
Een van de belangrijkste gevolgen van gewichtloosheid op langere termijn is het verlies van spier- en botmassa. Bij afwezigheid van zwaartekracht is er geen gewichtsbelasting op de rug- en beenspieren, zodat deze beginnen te verzwakken en te krimpen. In sommige spieren gaat de degeneratie snel, en zonder regelmatige lichaamsbeweging kunnen astronauten binnen 5-11 dagen tot 20% van hun spiermassa verliezen.
Door het ontbreken van mechanische druk op het bot gaat in een omgeving zonder zwaartekracht in slechts één maand anderhalf procent van de botmassa verloren, vergeleken met ongeveer drie procent per tien jaar bij een gezond persoon in een normale omgeving. Het massaverlies treft vooral de onderste wervels van de wervelkolom, het heupgewricht en het dijbeen. Door de snelle verandering in dichtheid kunnen botten broos worden en symptomen vertonen die lijken op die van osteoporose.
Zelfs de vernietigings- en opbouwprocessen van botten veranderen als ze in de ruimte zijn. Op aarde worden botten regelmatig vernietigd en vernieuwd met behulp van een goed uitgebalanceerd systeem van botvernietigende cellen en botopbouwende cellen. Telkens wanneer een deel van het botweefsel wordt vernietigd, komen er nieuwe lagen voor in de plaats; deze twee processen zijn aan elkaar gekoppeld. In de ruimte echter neemt de activiteit van botvernietigende cellen toe, door het gebrek aan zwaartekracht, en de botten vallen uiteen in mineralen die in het lichaam worden opgenomen.
Studies op muizen hebben aangetoond dat er na 16 dagen in nulzwaartekracht een toename is van het aantal botvernietigende cellen en een afname van het aantal botopbouwende cellen, alsmede een afname van de concentratie van groeifactoren die bekend staan om hun vermogen nieuw bot te helpen aanmaken. De toename van het calciumgehalte in het bloed als gevolg van het uiteenvallende bot veroorzaakt een gevaarlijke verkalking van zacht weefsel en verhoogt de kans op de vorming van nierstenen.
Astronauten vertonen een toename van de activiteit van botvernietigende cellen, vooral in het bekkengebied, dat gewoonlijk de meeste belasting draagt onder normale omstandigheden van zwaartekracht. Maar in tegenstelling tot patiënten met osteoporose krijgen astronauten die drie tot vier maanden in de ruimte verbleven, hun normale botdichtheid terug na een periode van twee tot drie jaar terug op aarde.
Het hoofd bieden aan de effecten van nul zwaartekracht
De beste manier om de effecten van nul zwaartekracht te vermijden, is het creëren van kunstmatige zwaartekracht. Tot dusver zijn wetenschappers er alleen in geslaagd zwaartekracht te creëren onder laboratoriumomstandigheden, met behulp van sterke magnetische velden boven de toegestane veiligheidsniveaus, wat natuurlijk niet praktisch is in de ruimtevaart. In sciencefiction wordt echter vaak gebruik gemaakt van kunstmatige zwaartekracht. In de film “The Martian” bijvoorbeeld heeft het ruimteschip dat naar Mars reist een roterende cirkelvormige structuur met een zwaartekracht aan de omtrek die gelijk is aan 40 procent van wat er op de Aarde zou zijn, wat vergelijkbaar is met de zwaartekracht op de Rode Planeet.
Drugs die worden gebruikt om zeeziekte te behandelen, wat ook een gevolg is van bewegingspatronen waaraan het lichaam niet gewend is, kunnen ook helpen om ruimteziekte te behandelen, maar worden zelden gebruikt omdat het natuurlijke aanpassingsverloop tijdens de eerste twee dagen van de ruimtereis de voorkeur krijgt boven de slaperigheid en andere bijwerkingen die door de drugs worden veroorzaakt.
Wanneer de astronauten echter een ruimtepak dragen, hebben ze antimisselijkheidspleisters omdat overgeven in het pak fataal kan zijn. Ruimtepakken worden meestal gedragen tijdens de lancering en de landing, en natuurlijk bij alle activiteiten buiten het ruimtevaartuig (ruimtewandelingen). Om het team in staat te stellen zich aan te passen aan de omstandigheden in de ruimte, worden activiteiten buiten het ruimtevaartuig of ruimtestation meestal niet gepland in de eerste dagen van de missie. Dit voorkomt het gevaar van braken in het pak en de pleisters zijn meestal alleen voor rugdekking.
Om sommige negatieve effecten van het gebrek aan zwaartekracht op de spieren, vooral de hartspier, te verminderen en te vermijden, is het internationale ruimtestation uitgerust met sporttoestellen die worden gebruikt voor weerstandstraining. Elke astronaut is verplicht ten minste twee uur per dag aan lichaamsbeweging te doen, waaronder joggen op een loopband (waaraan zij zich met elastieken vastmaken om niet weg te drijven), fietsen op een stationaire fiets en gewichten heffen, uiteraard tegen veren in. Astronauten op bijzonder lange missies dragen een broek die druk uitoefent op de botten van de benen om het verlies van botdichtheid te beperken.
NASA gebruikt geavanceerde rekenhulpmiddelen om te begrijpen hoe de degeneratie van spieren en botten het best kan worden tegengehouden voor astronauten die in de ruimte verblijven in de zwaartekrachtloze toestand. Computersimulaties worden voornamelijk gebruikt om de effecten van lichaamsbeweging op de torsie (draaimomenten) van botgewrichten te evalueren, om de optimale trainingsregimes voor astronauten aan te bevelen.
Hopelijk zal de informatie die Scott Kelly tijdens zijn lange verblijf in de ruimte heeft verzameld, meer licht werpen op de effecten van nulzwaartekracht op de menselijke gezondheid, en veel van de problemen kunnen helpen voorkomen die astronauten bij hun terugkeer naar de aarde tegenkomen. Zijn missie was uniek in zijn lengte, die het mogelijk maakt om de effecten van meer lange termijn effecten van de ruimtevaart te onderzoeken dan eerder werd getest.
Een aangename herinnering: David Bowie, Space Oddity