Астронавт НАСА Фрэнк Рубио выполняет техническое обслуживание беговой дорожки космической станции. Кредит: НАСА
В условиях микрогравитации, без постоянной нагрузки земной гравитации, ткани, из которых состоят кости, изменяют свою форму. Костные клетки перестраивают свое поведение: клетки, которые строят новую кость, замедляются, в то время как клетки, которые разрушают старую или поврежденную костную ткань, продолжают работать в обычном темпе, так что разрушение опережает рост, создавая более слабые и хрупкие кости.
За каждый месяц пребывания в космосе несущие вес кости астронавтов становятся примерно на 1% менее плотными, если они не принимают меры предосторожности, чтобы восполнить эту потерю. Мышцы, которые обычно активируются при простом передвижении по Земле, также ослабевают, потому что им больше не нужно так усердно работать. Такая потеря костей и мышц называется атрофией.
Атрофия имеет серьезные последствия для здоровья космонавтов. На Земле потеря или атрофия мышц и костей также происходит в результате нормального старения, малоподвижного образа жизни и болезней. Это может вызвать серьезные проблемы со здоровьем из-за травм в результате падения, остеопороза или многих других медицинских проблем.
Хотя исследователи понимают общие причины атрофии, они продолжают исследовать фундаментальные механизмы и факторы, способствующие атрофии мышц и костей, вызванной микрогравитацией. Многие исследования сосредоточены на определении правильного сочетания диеты, физических упражнений и лекарств, чтобы сохранить здоровье космонавтов во время миссий и когда они вернутся на Землю или ступят на Луну или Марс.
Упражнения и силы
Каждый астронавт на борту космической станции задействует мышцы, кости и другие соединительные ткани, составляющие его опорно-двигательную систему, используя режимы упражнений, подобные земным. Экипажи тренируются в среднем два часа в день.
Астронавты десятилетиями катались на велотренажерах и бегали на беговых дорожках в космосе. В одной из первых миссий на космической станции использовался TVIS — беговая дорожка с ремнями безопасности, которые удерживали пользователя привязанным к машине и добавляли некоторую силу гравитации. Современное оборудование под названием ARED позволяет астронавтам имитировать тяжелую атлетику в условиях микрогравитации.
К сожалению, эти машины слишком велики, чтобы их можно было взять на борт космического корабля для длительного космического полета, где место ограничено. Поэтому ученым любопытно: могут ли упражнения с использованием минимального оборудования или вообще без него обеспечить адекватную физическую активность, занимая при этом меньше места?
Одно исследование, в частности, направлено на то, чтобы выяснить это. В эксперименте Zero T2 некоторые астронавты не используют беговую дорожку, а вместо этого просто выполняют аэробные упражнения и упражнения с отягощениями. Исследователи планируют сравнить их мышечную производительность и восстановление с показателями их товарищей по команде, которые использовали беговую дорожку.
Мотивация к физическим упражнениям является серьезным препятствием как на Земле, так и на космической станции. Два часа или более упражнений в день — это большой отрезок времени. VR for Training фокусируется на разработке среды виртуальной реальности, в которой астронавты могут крутить педали, катаясь на велотренажёре станции. Это больше, чем просто другой взгляд: создание захватывающего опыта помогает астронавтам получать удовольствие от тренировок.
Помимо тестирования самого режима упражнений, исследователи хотят понять, как организм воспринимает упражнения в условиях микрогравитации. Упражнения для всего тела воздействуют на всю опорно-двигательную систему. ARED Kinematics анализирует, как напряжение мышц, напряжение костей и другие внутренние факторы влияют на организм во время тренировок в условиях микрогравитации.
Измерения тела во время космических тренировок могут помочь ученым понять, как астронавтам необходимо адаптировать упражнения в условиях микрогравитации, чтобы сохранить и оптимизировать свое здоровье во время длительных космических полетов. Исследователи обнаружили, что подготовка к полету улучшает результаты на станции, точно так же, как предсезонная подготовка помогает спортсменам в последующих соревнованиях. Целью исследования является определение оптимальных программ упражнений для подготовки астронавтов перед миссией, ограничения воздействия микрогравитации во время миссии и обеспечения безопасного и быстрого восстановления после полета.
Поиск методов лечения атрофии костей в космосе пересекается с исследованиями потери костной массы, связанной с остеопорозом на Земле. Некоторые эксперименты, такие как «Сила позвоночника», фиксируют детальное сканирование костей и мышц астронавтов, поддерживающих позвоночник до и после полета, предоставляя исследователям информацию об общей силе скелетно-мышечной системы.
Лекарства, используемые для предотвращения потери костной массы на Земле, такие как ингибиторы миостатина, также могут успешно предотвращать потерю костной и мышечной массы как у астронавтов, так и у животных-моделей в космосе. Rodent Research 19 (RR-19) тестировал этот препарат во время космического полета. Разработка лекарств для лечения потери костной массы может принести пользу людям на Земле, а также обеспечить контрмеры для тех, кто находится в длительных космических полетах.
Астронавт НАСА Джессика Меир устанавливает костный денситометр для эксперимента Rodent Research 19. Кредит: НАСА
Тканевые чипы — это небольшие устройства, имитирующие сложные функции определенных тканей и органов. Вместо того, чтобы отправлять целый орган для изучения в космос, исследователи могут отправить небольшой образец на портативном устройстве. В одном эксперименте с тканевым чипом, Human Muscle-on-Chip, использовалась 3D-модель мышечных волокон, созданных из мышечных клеток молодых и пожилых людей, для изучения изменений функций мышц в условиях микрогравитации. Электрические импульсы заставляют ткани сокращаться точно так же, как мышцы нашего тела, когда мы их используем.
Исследователи обнаружили снижение экспрессии генов, связанных с ростом мышц и обменом веществ в мышечных клетках, подвергающихся воздействию космоса, причем различия зависят от возраста людей, от которых были взяты образцы тканей. Работа теперь опубликована в журнале npj Microgravity.
Понимание того, как предотвратить и лечить мышечную атрофию и потерю костной массы, особенно важно, поскольку НАСА планирует миссии на Луну и Марс. По прибытии астронавтам, возможно, придется выполнять напряженную деятельность в условиях частичной гравитации после длительного пребывания в почти невесомости.
CIPHER — это комплексный эксперимент по измерению психологических и физиологических изменений, включая потерю костей и мышц, у членов экипажа в миссиях продолжительностью от нескольких недель до одного года. Поскольку НАСА ставит цели или проводит более длительные миссии в глубокий космос, ученые хотят знать: меняют ли длинные миссии физические тела астронавтов больше, чем более короткие миссии? Застаиваются ли изменения в некоторых системах после определенного периода времени в космосе? Влияют ли какие-либо изменения на различные биологические системы? НАСА нужны такие данные, чтобы лучше подготовить астронавтов к достижению исследовательских целей агентства.
С помощью CIPHER НАСА может проводить одни и те же исследования в рамках миссий разной продолжительности. Это позволяет ученым экстраполировать результаты на многолетние миссии, такие как трехлетнее путешествие на Марс. Результаты могут стать ключом к разработке защитных стратегий и обеспечению безопасности членов экипажа во время исследовательских миссий на Луну и Марс.
Изучение потери костей и мышц на борту космической станции способствует разработке стратегий, которые обеспечат безопасность космических путешественников и лечение людей на Земле с связанной с болезнями и возрастной атрофией костей и мышц.
