Десятилетия исследований на борту Международной космической станции (МКС) и других космических кораблей на низкой околоземной орбите (НОО) показали, что длительное пребывание в условиях микрогравитации отрицательно сказывается на физиологии человека. Среди наиболее заметных эффектов — атрофия мышц и потеря плотности костей, а также влияние на зрение, кровоток и сердечно-сосудистую систему. Однако, как показали исследования, подобные исследованию близнецов НАСА, последствия распространяются на функцию органов, психологические эффекты и экспрессию генов. Смягчение этих последствий жизненно важно для будущих миссий на Луну, Марс и другие места в дальнем космосе.
Чтобы уменьшить воздействие микрогравитации, астронавты на борту МКС полагаются на строгие тренировки с отягощениями, правильное питание и сердечно-сосудистые упражнения, чтобы задействовать мышцы, кости и другие соединительные ткани, составляющие их опорно-двигательную систему. К сожалению, машины на борту МКС слишком велики и тяжелы, чтобы их можно было брать на борт космических кораблей для длительных космических полетов, где требования к пространству и массе ограничены. Чтобы решить эту проблему, НАСА изучает, могут ли режимы тренировок, основанные на минимальном оборудовании или вообще на нем, обеспечить адекватную физическую активность.
За каждый месяц пребывания в космосе несущие вес кости космонавтов становятся примерно на 1% менее плотными, если они не принимают меры предосторожности, чтобы компенсировать эту потерю, а мышцы атрофируются из-за резкого снижения нагрузок. На Земле эти симптомы связаны с процессом старения, малоподвижным образом жизни и дегенеративными заболеваниями. Это имеет серьезные последствия для здоровья астронавтов, поскольку полеты в глубокий космос требуют, чтобы астронавты подвергались воздействию микрогравитации в течение нескольких месяцев. Ожидается, что по прибытии они проведут наземные операции, требующие от них быть здоровыми и бодрыми. В противном случае они могут получить серьезные травмы.
Давняя традиция
На протяжении десятилетий астронавты использовали велотренажеры и беговые дорожки для тренировок. В рамках советской программы «Салют», действовавшей с 1971 по 1986 год, проводились многочисленные исследования здоровья космонавтов. Для проверки возможных «контрмер» эти станции включали в себя беговую дорожку, костюм для длительного ношения гравитации, велосипед с эргометром, лекарства и антигравитационный костюм, который нужно было надеть сразу после полета. Полки учений были разделены на две смены по одному часу: утром и днем между рабочими циклами.
На советско-российской космической станции «Мир» было две беговые дорожки (с эластичными шнурами для крепления космонавтов) и велотренажер. Каждый космонавт должен был проехать на велосипеде 10 километров (6,2 мили) и пробежать 5 километров (3,1 мили) в день. НАСА придерживалось аналогичного режима: астронавты на борту «Скайлэба» должны были выполнять 90 минут упражнений в день, используя оборудование, включающее в себя велотренажер и устройство, похожее на беговую дорожку, а астронавты обнаружили, что могут бегать трусцой вокруг резервуара с водой.
После того, как МКС была введена в эксплуатацию в 2001 году, одной из первых поставленных систем упражнений была беговая дорожка с системой стабилизации виброизоляции (TVIS), в которой используются ремни безопасности, позволяющие привязывать пользователей к тренажеру, одновременно добавляя дополнительное сопротивление. Существует также велоэргометр с системой виброизоляции и стабилизации (CERVIS), велотренажер, предоставленный Danish Aerospace. У астронавтов также есть усовершенствованное резистивное устройство для упражнений (ARED), в котором для создания сопротивления используются вакуумные цилиндры и поршни, что позволяет астронавтам имитировать тяжелую атлетику в условиях микрогравитации.
Мышечная атрофия
Хотя медицинская наука понимает широкие причины атрофии, исследователи продолжают исследовать фундаментальные механизмы и факторы, способствующие поиску решений проблемы атрофии, вызванной микрогравитацией. Большая часть этих исследований сосредоточена на определении правильного сочетания диеты, физических упражнений и лекарств, чтобы сохранить здоровье астронавтов в космосе и во время миссий на Луну или Марс, а также помочь им в переходном периоде, когда они вернутся на Землю. Например, в эксперименте Zero T2 астронавты не используют беговую дорожку и вместо этого сосредотачиваются на аэробных упражнениях и упражнениях с отягощениями.
Кредит: НАСА
После завершения эксперимента исследовательские группы сравнит производительность и восстановление мышц участников с показателями их товарищей по команде, которые использовали беговую дорожку. Другой эксперимент, VR for Physical, направлен на создание захватывающей среды виртуальной реальности, которой астронавты могли бы наслаждаться, используя велотренажер станции. Также проводятся исследования, в которых используются «тканевые чипы» — небольшие устройства, имитирующие сложные функции определенных тканей и органов.
В одном из таких экспериментов, Human Muscle-on-Chip, использовалась 3D-модель мышечных волокон, созданная из мышечных клеток, взятых у молодых и пожилых людей. Эксперимент заключался в подаче электрических импульсов к тканям, чтобы заставить их сокращаться, и поиске изменений в функциях, связанных с микрогравитацией. Исследователи обнаружили, что в мышечных клетках, подвергающихся воздействию микрогравитации, с возрастом снижается экспрессия генов, связанных с ростом мышц и метаболизмом.
Скелетное здоровье
Помимо тестирования различных режимов упражнений, исследователи также изучают, как вся опорно-двигательная система испытывает нагрузки в условиях микрогравитации. Это цель эксперимента по физиологии человека ARED Kinematics, поддерживаемого Итальянским космическим агентством (ASI) и ЕКА. Целью этой системы является количественная оценка крутящего момента суставов, мышечных сил и костных напряжений, возникающих во время упражнений в условиях микрогравитации, а также адаптаций производительности, которые могут произойти с течением времени.
Чтобы решить проблему потери плотности костей, был проведен эксперимент Vertebral Strength, в ходе которого было проведено детальное сканирование космонавтов до и после их полета в космос. В ходе сканирования были исследованы кости и мышцы, поддерживающие позвоночник, что дало исследователям информацию о том, как космический полет влияет на общую силу скелетно-мышечной системы. Это и другие исследования потери плотности костной ткани и здоровья опорно-двигательного аппарата совпадают с исследованиями остеопороза здесь, на Земле, и могут привести к взаимовыгодному применению.
Точно так же препараты, относящиеся к классу ингибиторов миостатина, имеют доказанную эффективность на Земле в лечении остеопороза. Эти препараты подавляют миостатин, фактор роста человека, который предотвращает чрезмерный рост мышц, что помогает уменьшить потерю плотности костной ткани и предотвратить переломы у пациентов. Эксперимент Rodent Research 19 (RR-19) недавно проверил этот препарат на группе мышей во время космического полета, что показало, что препарат может быть эффективным средством лечения астронавтов и людей с дегенеративными заболеваниями здесь, на Земле.
Психологическое здоровье
Конечно, ни одно исследование влияния микрогравитации на здоровье человека не будет полным без учета психологических последствий, которые могут иметь длительные периоды пребывания в космосе. Это цель Дополнения интегрированных протоколов исследований человека (CIPHER), интегрированного эксперимента, который прибыл на МКС в начале этого года. В рамках этого эксперимента астронавты примут участие в 14 исследованиях, спонсируемых НАСА и международными партнерами, которые будут измерять физиологические и психологические изменения членов экипажа во время миссий продолжительностью от нескольких недель, от 3,5 до 8 месяцев или до одного года в космосе.
Эти исследования будут следить за здоровьем астронавтов до, во время и после их миссий. Проводя одни и те же исследования в рамках миссий разной продолжительности, ученые могут экстраполировать результаты для многолетних миссий, таких как трехлетнее путешествие на Марс. Как объяснила ученый проекта CIPHER Чери Обре:
«CIPHER — это первое исследование, объединяющее множество физиологических и психологических показателей, что дает нам возможность оценить всю реакцию человека на время, проведенное в космосе. Поскольку все больше астронавтов отправляются в космос посредством «Артемиды» и других программ, мы надеемся узнать больше о том, как различные системы тела, такие как сердце, мышцы, кости и глаза, адаптируются к длительному космическому полету».
Понимание последствий длительного воздействия микрогравитации и разработка контрмер особенно важны, поскольку НАСА планирует будущие миссии, которые выведут астронавтов далеко за пределы НОО. В ходе длительных миссий на Луну, Марс и за их пределы астронавты будут проводить продолжительные периоды времени в условиях микрогравитации или низкой гравитации. По прибытии им, возможно, придется выполнять напряженную деятельность и быть в оптимальном состоянии здоровья. Возможные решения, которые в настоящее время изучаются, включают физические упражнения, диету и лекарства, а также моделирование гравитации с помощью вращающихся модулей.
По всей вероятности, астронавты, направляющиеся на Марс или в другие места в дальнем космосе в будущем, будут полагаться на «все вышеперечисленное».
Дополнительная литература: НАСА
