Na początku marca 2016 roku astronauta Scott Kelly powrócił na Ziemię po pobiciu amerykańskiego rekordu nieprzerwanego pobytu w kosmosie – 340 dni. Celem jego misji na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej było lepsze zrozumienie, jak ludzki organizm reaguje i przystosowuje się do surowego środowiska kosmicznego. Badanie ma nadzieję zmniejszyć takie ryzyko, aby przygotować się do załogowych misji badawczych na Księżyc, być może na asteroidy, a w końcu misji na Marsa. Tutaj omawiamy, jak ciało reaguje na środowisko kosmiczne, jakie problemy w nim powstają i jak możemy sobie z nimi poradzić.
Konsekwencje zdrowotne podróży kosmicznych
Piosenkarz David Bowie napisał „Space Oddity” opisując doświadczenia astronauty Majora Toma: „I am floating in a most peculiar way” („Unoszę się w najbardziej osobliwy sposób”). Rzeczywiście, główna różnica między przestrzenią kosmiczną a Ziemią polega na tym, że w przestrzeni kosmicznej prawie nie ma grawitacji, co powoduje uczucie nieważkości, w wyniku czego statek kosmiczny lub stacja kosmiczna, w której znajduje się astronauta, znajduje się w swobodnym spadku w kierunku środka Ziemi. Swobodne spadanie to ruch ciała, w którym jedyną działającą na nie siłą jest grawitacja. Ponieważ wahadłowiec lub stacja kosmiczna porusza się wokół Ziemi, na którą działa tylko siła grawitacji (w przestrzeni kosmicznej nie ma oporu powietrza), można powiedzieć, że znajdują się one w stanie swobodnego spadania. Powodem, dla którego w rzeczywistości nie „spadają”, ale raczej poruszają się po ścieżce kołowej, jest to, że siła grawitacji jest pionowa w stosunku do kierunku jej prędkości początkowej, tak że wpływa tylko na kierunek prędkości, ale nie na jej wielkość.
Astronauci są szkoleni do warunków poprzez ćwiczenia w samolocie o zmniejszonej grawitacji, który leci po specjalnej trasie parabolicznej. Szkolenie pomaga im funkcjonować w przestrzeni kosmicznej, ale nie zapobiega szkodliwemu wpływowi zerowej grawitacji na zdrowie. Badania na ludziach, którzy przebywali na stacjach kosmicznych przez dłuższy czas, wykazały, że niektóre z efektów są tymczasowe, podczas gdy inne są bardziej długotrwałe.
Krótka ekspozycja na nieważkość powoduje zespół adaptacji kosmicznej (SAS) lub „chorobę kosmiczną”, która jest najczęstszym problemem w podróżach kosmicznych. Nieważkość wpływa na naszą orientację w przestrzeni i wymaga od nas przystosowania wielu procesów fizjologicznych do nowych warunków – głównie procesów związanych z układem równowagi. Gdy przystosowanie nie jest pełne, skutkuje to nudnościami, zawrotami głowy, wymiotami, bólami głowy, zmęczeniem, ogólnym złym samopoczuciem, halucynacjami wzrokowymi i dezorientacją w przestrzeni.
Pierwsze doniesienie o takich objawach pochodzi od radzieckiego kosmonauty Ghermana Titowa, który zakończył swój lot pod koniec 1961 roku jako czwarta osoba w historii w kosmosie i druga, po Juriju Gagarinie, która wykonała pełny obrót Ziemi. Z zebranych do tej pory danych wynika, że około 45 procent podróżujących w kosmos cierpi na chorobę kosmiczną. Ale rzadko trwa ona dłużej niż trzy dni, kiedy organizm przystosowuje się do nowego środowiska.
Długotrwała ekspozycja na zerową grawitację powoduje wiele problemów zdrowotnych, w tym redystrybucję płynów i utratę masy kostnej i mięśniowej. Z czasem efekty te mogą pogorszyć wydajność astronautów, co może zwiększyć ryzyko, że zostaną oni poszkodowani, jak również zmniejszyć ich zdolność do absorpcji tlenu, co spowalnia ich aktywność sercowo-naczyniową.
Redystrybucja płynów
Płyny, które stanowią około 60 procent masy ciała człowieka, mają tendencję do gromadzenia się w dolnej części ciała, gdy znajdują się pod wpływem grawitacji, a w toku ewolucji opracowaliśmy systemy, które równoważą przepływ krwi do serca i mózgu, gdy stoimy. Systemy te kontynuują pracę nawet przy braku grawitacji, powodując gromadzenie się płynu w górnej części ciała. To właśnie dlatego astronauci mają opuchnięte twarze. Nagromadzenie płynu w oku również zamazuje ich wizję na kilka dni, dopóki mózg nie nauczy się kompensować i korygować obraz.
Zmiana w dystrybucji płynu jest również odzwierciedlona w problemach z równowagą, a także utratą zmysłu smaku i węchu. Co ważniejsze, to napędza serię efektów systemowych mających na celu dostosowanie organizmu do nowego środowiska, ale mają one niebezpieczne konsekwencje po powrocie na Ziemię. Jednym z nich jest „nietolerancja ortostatyczna”, która jest niezdolność do stania bez pomocy przez ponad dziesięć minut na raz bez zemdlenia.
Zjawisko to wynika częściowo ze zmian w regulacji ciśnienia krwi przez autonomiczny układ nerwowy i utraty około 20 procent objętości płynu krwi – ponieważ w warunkach mikrograwitacji nie jest konieczne dla systemów do utrzymania ciśnienia krwi, jak płyn ciała rozprzestrzenia się bardziej równomiernie w całym organizmie. Efekt ten jest tym większy, im dłużej przebywa się w przestrzeni kosmicznej, ale normalizuje się w ciągu kilku tygodni od powrotu na Ziemię.
Serce również ulega stopniowej degeneracji w wyniku tego, że musi pompować mniej krwi. Słabszy mięsień sercowy powoduje spadek ciśnienia krwi i może utrudniać przepływ tlenu do mózgu.
Regularny trening oporowy jest niezbędny do utrzymania masy kostnej i mięśniowej w zerowej grawitacji | Fot: NASA
Zanik mięśni i osteoporoza
Jednym z głównych skutków nieważkości, który jest bardziej długotrwały, jest utrata masy mięśniowej i kostnej. Przy braku grawitacji nie ma obciążenia na mięśnie pleców i nóg, więc zaczynają one słabnąć i kurczyć się. W niektórych mięśniach degeneracja jest szybka, a bez regularnych ćwiczeń astronauci mogą stracić do 20 procent masy mięśniowej w ciągu 5-11 dni.
Z powodu braku mechanicznego nacisku na kości, masa kostna jest tracona w tempie półtora procenta w ciągu zaledwie jednego miesiąca w środowisku zerowej grawitacji, w porównaniu do około trzech procent na dekadę u zdrowej osoby w normalnym środowisku. Utrata masy dotyczy głównie dolnych kręgów kręgosłupa, stawu biodrowego i kości udowej. Ze względu na szybką zmianę gęstości, kości mogą stać się kruche i wykazywać objawy podobne do objawów osteoporozy.
Nawet procesy niszczenia i budowy kości zmieniają się podczas pobytu w przestrzeni kosmicznej. Na Ziemi kości są niszczone i odnawiane regularnie przy użyciu dobrze zbalansowanego systemu komórek niszczących kości i komórek budujących kości. Za każdym razem, gdy jakaś tkanka kostna ulega zniszczeniu, nowe warstwy zajmują jej miejsce; te dwa procesy są ze sobą sprzężone. W przestrzeni kosmicznej obserwuje się jednak wzrost aktywności komórek niszczących kości, ze względu na brak grawitacji, a kości rozkładają się na minerały, które są wchłaniane do organizmu.
Badania na myszach wykazały, że po 16 dniach przebywania w zerowej grawitacji następuje wzrost liczby komórek niszczących kości i spadek liczby komórek budujących kości, a także spadek stężenia czynników wzrostu znanych ze swojej zdolności do wspomagania tworzenia nowych kości. Wzrost poziomu wapnia we krwi z rozpadającej się kości powoduje niebezpieczne zwapnienie tkanek miękkich i zwiększa potencjał tworzenia kamieni nerkowych.
Astronauci wykazują wzrost aktywności komórek niszczących kości, szczególnie w obszarze miednicy, która zwykle przenosi większość obciążenia w normalnych warunkach grawitacji. Jednakże, w przeciwieństwie do pacjentów z osteoporozą, astronauci, którzy pozostawali w przestrzeni kosmicznej przez trzy do czterech miesięcy, odzyskują normalną gęstość kości po okresie dwóch do trzech lat z powrotem na Ziemi.
Zwalczanie skutków zerowej grawitacji
Najlepszym sposobem uniknięcia skutków zerowej grawitacji jest stworzenie sztucznej grawitacji. Do tej pory naukowcom udało się stworzyć grawitację tylko w warunkach laboratoryjnych, wykorzystując silne pola magnetyczne powyżej dopuszczalnych poziomów bezpieczeństwa, co oczywiście nie jest praktyczne w podróżach kosmicznych. Jednak w fantastyce naukowej często wykorzystuje się sztuczną grawitację. Na przykład w filmie „Marsjanin” statek kosmiczny, który podróżuje na Marsa, ma obracającą się okrągłą strukturę, która ma grawitację na swoim obwodzie równą 40 procent tego, co byłoby na powierzchni Ziemi, co jest podobne do grawitacji na Czerwonej Planecie.
Leki stosowane w leczeniu choroby morskiej, która jest również wynikiem wzorców ruchu, do których ciało nie jest przyzwyczajone, mogą również pomóc w leczeniu choroby kosmicznej, ale są rzadko stosowane, ponieważ naturalny przebieg adaptacji podczas pierwszych dwóch dni podróży kosmicznej jest preferowany w stosunku do senności i innych skutków ubocznych spowodowanych przez leki.
Jednakże, gdy astronauci noszą skafander kosmiczny oni plastry przeciw nudnościom, ponieważ wymioty w skafandrze mogą być śmiertelne. Skafandry kosmiczne są noszone głównie podczas startu i lądowania, i oczywiście w każdej aktywności poza statkiem kosmicznym (spacery kosmiczne). Aby umożliwić zespołowi przystosowanie się do warunków panujących w przestrzeni kosmicznej, działania poza statkiem kosmicznym lub stacją kosmiczną nie są zazwyczaj planowane w pierwszych dniach misji. Zapobiega to niebezpieczeństwu wymiotów w skafandrze, a plastry służą zwykle tylko jako wsparcie.
Aby zmniejszyć i uniknąć niektórych negatywnych skutków braku grawitacji na mięśnie, zwłaszcza mięsień sercowy, Międzynarodowa Stacja Kosmiczna jest wyposażona w aparaturę sportową służącą do treningu oporowego. Każdy astronauta jest zobowiązany do co najmniej dwóch godzin aktywności fizycznej dziennie, w tym joggingu na bieżni (przyczepiają się do niej gumkami, aby nie odpłynąć), jazdy na rowerze stacjonarnym i podnoszenia ciężarów, oczywiście wbrew sprężynom. Astronauci na szczególnie długich misjach noszą spodnie, które wywierają nacisk na kości nóg, aby zmniejszyć utratę gęstości kości.
NASA wykorzystuje zaawansowane narzędzia obliczeniowe, aby zrozumieć, jak najlepiej powstrzymać degenerację mięśni i kości astronautów przebywających w przestrzeni kosmicznej w zerowej grawitacji. Symulacje obliczeniowe są głównie wykorzystywane do oceny wpływu ćwiczeń na skręcanie (momenty obrotowe) stawów kostnych, aby zalecić optymalne reżimy ćwiczeń dla astronautów.
Mając nadzieję, że informacje zebrane przez Scotta Kelly’ego podczas jego długiego pobytu w kosmosie rzucą więcej światła na wpływ zerowej grawitacji na zdrowie człowieka i mogą pomóc w zapobieganiu wielu problemom, które astronauci napotykają po powrocie na Ziemię. Jego misja była wyjątkowa pod względem długości, co pozwala na zbadanie skutków bardziej długoterminowych skutków podróży kosmicznych, niż było to wcześniej testowane.
Miłe wspomnienie: David Bowie, Space Oddity
Przyjemne wspomnienie.