I början av mars 2016 återvände astronauten Scott Kelly till jorden efter att ha slagit det amerikanska rekordet för en kontinuerlig vistelse i rymden – 340 dagar. Syftet med hans uppdrag på den internationella rymdstationen var att bättre förstå hur människokroppen reagerar och anpassar sig till den hårda rymdmiljön. Genom studien hoppas man kunna minska sådana risker för att förbereda bemannade forskningsuppdrag till månen, eventuellt till asteroider och så småningom uppdrag till Mars. Här diskuterar vi hur kroppen reagerar på rymdmiljön, vilka problem som uppstår i den och hur vi kan hantera dem.
Rymdresors konsekvenser för hälsan
Sångaren David Bowie skrev ”Space Oddity” där han beskrev astronauten Major Toms upplevelser: ”Jag svävar på ett mycket märkligt sätt”. Den största skillnaden mellan rymden och jorden är att det i rymden nästan inte finns någon gravitation, vilket ger en känsla av tyngdlöshet, vilket leder till att rymdfarkosten eller rymdstationen som astronauten befinner sig i befinner sig i fritt fall mot jordens centrum. Fritt fall är rörelsen hos en kropp där gravitationen är den enda kraft som verkar på den. Eftersom rymdfärjan eller rymdstationen rör sig runt jorden med endast gravitationskraften utövad på den (det finns inget luftmotstånd i rymden) kan man säga att de befinner sig i ett tillstånd av fritt fall. Anledningen till att de faktiskt inte ”faller” utan snarare rör sig i en cirkulär bana är att gravitationskraften är vertikal i förhållande till riktningen för den ursprungliga hastigheten, så att den endast påverkar riktningen för hastigheten men inte dess storlek.
Astronauter tränas för förhållandena genom att öva i ett flygplan med reducerad gravitation som flyger i en särskild parabolisk rutt. Träningen hjälper dem att fungera i rymden men förhindrar inte de skadliga effekterna av tyngdlösheten på hälsan. Studier på personer som befunnit sig på rymdstationer under långa perioder har visat att vissa av effekterna är tillfälliga medan andra är mer långvariga.
Kort exponering för tyngdlöshet orsakar rymdanpassningssyndromet (SAS) eller ”rymdsjuka”, vilket är det vanligaste problemet vid rymdresor. Tyngdlöshet påverkar vår orientering i rymden och kräver att vi anpassar många av våra fysiologiska processer till de nya förhållandena – främst processer relaterade till vårt balanssystem. När anpassningen inte är fullständig resulterar det i illamående, yrsel, kräkningar, huvudvärk, trötthet, allmänt illamående, visuella hallucinationer och desorientering i rymden.
Den första rapporten om sådana symtom kom från den sovjetiska kosmonauten Gherman Titov, som avslutade sin flygning i slutet av 1961 som den fjärde personen som någonsin befunnit sig i rymden och den andra, efter Jurij Gagarin, som fullföljde en fullständig rotation runt jorden. De uppgifter som hittills samlats in har visat att cirka 45 procent av rymdresenärerna lider av rymdsjuka. Men det varar sällan mer än tre dagar, då kroppen anpassar sig till den nya miljön.
Långvarig exponering för tyngdlöshet orsakar flera hälsoproblem, bland annat omfördelning av vätskor och förlust av ben- och muskelmassa. Med tiden kan dessa effekter försämra astronauternas prestationer, vilket kan öka risken för att de skadas, samt minska deras förmåga att absorbera syre, vilket saktar ner deras kardiovaskulära aktivitet.
Omfördelning av vätskor
Vätskor, som utgör cirka 60 procent av människans kroppsvikt, tenderar att ansamlas i den nedre delen av kroppen när vi står under inflytande av gravitationen, och genom evolutionens gång har vi utvecklat system som balanserar blodflödet till hjärtat och hjärnan medan vi står. Dessa system fortsätter att fungera även i avsaknad av gravitation, vilket gör att vätska ansamlas i den övre delen av kroppen. Det är därför astronauter har svullna ansikten. Ansamling av vätska i ögat gör också deras syn suddig i några dagar tills hjärnan lär sig att kompensera och korrigera bilden.
Förändringen i vätskefördelningen återspeglas också i problem med balansen samt förlust av smak- och luktsinnet. Ännu viktigare är att den driver en rad systemeffekter som är utformade för att anpassa kroppen till den nya miljön, men de får farliga konsekvenser vid återkomsten till jorden. En av dem är ”ortostatisk intolerans”, vilket är oförmågan att stå utan hjälp i mer än tio minuter i taget utan att svimma.
Fenomenet härrör delvis från förändringar i regleringen av blodtrycket genom det autonoma nervsystemet och förlusten av cirka 20 procent av blodvätskans volym – eftersom det under förhållanden med mikrogravitation inte är nödvändigt att systemen upprätthåller blodtrycket, eftersom kroppsvätskan sprids jämnare i hela kroppen. Denna effekt förstärks ju längre man befinner sig i rymden, men normaliseras igen inom några veckor efter återkomsten till jorden.
Hjärtat degenererar också gradvis till följd av att det måste pumpa mindre blod. En svagare hjärtmuskel orsakar en minskning av blodtrycket och kan hindra syreflödet till hjärnan.
Regelbunden motståndsträning är viktigt för att bibehålla ben- och muskelmassan i tyngdlöshet | Fotografi: NASA
Muskelatrofi och osteoporos
En av de viktigaste effekterna av tyngdlöshet som är mer långsiktig är förlusten av muskel- och benmassa. I avsaknad av gravitation finns det ingen viktbelastning på rygg- och benmusklerna, så de börjar försvagas och krympa. I vissa muskler är degenerationen snabb, och utan regelbunden träning kan astronauter förlora upp till 20 procent av sin muskelmassa inom 5-11 dagar.
På grund av bristen på mekaniskt tryck på benen förloras benmassan med en hastighet av en och en halv procent på bara en månad i en tyngdlöshetsmiljö, jämfört med cirka tre procent per årtionde hos en frisk person i en normal miljö. Massförlusten drabbar främst de nedre kotorna i ryggraden, höftleden och lårbenet. På grund av den snabba förändringen i densitet kan benen bli sköra och uppvisa symtom som liknar symtom på osteoporos.
Även destruktions- och uppbyggnadsprocesser av ben förändras när de befinner sig i rymden. På jorden förstörs och förnyas benen regelbundet med hjälp av ett välbalanserat system av benförstörande celler och benuppbyggande celler. Närhelst viss benvävnad förstörs tar nya lager plats; dessa två processer är kopplade till varandra. I rymden ser man dock en ökad aktivitet hos de benförstörande cellerna på grund av bristen på gravitation, och benen sönderdelas till mineraler som absorberas i kroppen.
Studier på möss har visat att efter 16 dagar i tyngdlöshet ökar antalet benförstörande celler och minskar antalet benuppbyggande celler, samt att koncentrationen av tillväxtfaktorer som är kända för sin förmåga att hjälpa till att skapa nya ben minskar. Ökningen av kalciumnivåerna i blodet från det sönderfallande benet orsakar en farlig förkalkning av mjukvävnad och ökar risken för njurstensbildning.
Astronauter uppvisar en ökning av aktiviteten hos de benförstörande cellerna, särskilt i bäckenområdet, som vanligtvis bär den största delen av belastningen under normala gravitationsförhållanden. Men till skillnad från patienter med osteoporos återfår astronauter som vistats i rymden i tre till fyra månader sin normala bentäthet efter en period på två till tre år tillbaka på jorden.
Hantering av effekterna av tyngdlöshet
Det bästa sättet att undvika effekterna av tyngdlöshet är att skapa konstgjord gravitation. Hittills har forskare endast lyckats skapa gravitation under laboratorieförhållanden med hjälp av starka magnetfält över tillåtna säkerhetsnivåer, vilket naturligtvis inte är praktiskt möjligt vid rymdresor. I science fiction används dock ofta konstgjord gravitation. Till exempel i filmen ”The Martian” har rymdskeppet som reser till Mars en roterande cirkulär struktur som har en gravitation på sin omkrets som motsvarar 40 procent av vad som skulle finnas på jordens yta, vilket liknar gravitationen på den röda planeten.
Mediciner som används för att behandla sjösjuka, som också är ett resultat av rörelsemönster som kroppen inte är van vid, kan också hjälpa till att behandla rymdsjuka, men används sällan eftersom det naturliga anpassningsförloppet under de två första dagarna av rymdresan är att föredra framför dåsighet och andra biverkningar som orsakas av medicinerna.
När astronauterna har på sig rymddräkt har de dock antivätskeliknande plåster eftersom kräkningar i rymddräkten kan vara livsfarliga. Rymddräkterna bärs främst vid uppskjutning och landning, och naturligtvis vid alla aktiviteter utanför rymdfarkosten (rymdpromenader). För att teamet ska kunna anpassa sig till förhållandena i rymden planeras vanligtvis inga aktiviteter utanför rymdfarkosten eller rymdstationen under uppdragets första dagar. Detta förhindrar risken för kräkningar i dräkten och plåstren är vanligtvis bara till för att backa upp.
För att minska och undvika några av de negativa effekterna av bristen på gravitation på musklerna, särskilt hjärtmuskeln, är den internationella rymdstationen utrustad med idrottsapparater som används för motståndsträning. Varje astronaut måste utföra minst två timmars fysisk aktivitet per dag, bland annat jogga på ett löpband (de fäster sig vid det med elastiska band för att inte flyta iväg), cykla på en stationär cykel och lyfta vikter, mot fjädrar förstås. Astronauter på särskilt långa uppdrag bär byxor som sätter tryck på benens ben för att minska förlusten av bentäthet.
NASA använder avancerade beräkningsverktyg för att förstå hur man bäst stoppar degenerationen av muskler och ben för astronauter som vistas i rymden i tyngdlöshet. Beräkningssimuleringar används främst för att utvärdera effekterna av träning på benledens torsion (vridmoment), för att rekommendera optimala träningsregimer för astronauter.
Förhoppningsvis kommer den information som Scott Kelly samlat in under sin långa vistelse i rymden att kasta mer ljus över nollgravitationens effekter på människans hälsa och skulle kunna bidra till att förebygga många av de problem som astronauter stöter på när de återvänder till jorden. Hans uppdrag var unikt i sin längd, vilket gör det möjligt att undersöka effekterna av mer långsiktiga effekter av rymdresor än vad som tidigare testats.
Ett trevligt minne: David Bowie, Space Oddity