Як впливає на тіло довготривале перебування у космосі
Кількома рукостисканнями, короткою фотосесією та помахом руки астронавт NASA Френк Рубіо попрощався з набором модулів та сонячних панелей розміром із поле для американського футболу, які були його домівкою протягом останніх 371 дня. Його відліт з Міжнародної космічної станції (МКС) та повернення на Землю знаменує собою кінець найтривалішого на сьогоднішній день одиночного космічного польоту американця.
Час його перебування на орбіті, що перевершив попередній рекорд США в 355 днів поспіль, був продовжений понад заплановані терміни у березні 2023 року після того, як на космічному кораблі, яким він і його колеги мали летіти додому, стався витік охолоджуючої рідини. Додаткові місяці в космосі дозволили Рубіо зробити 5963 витки навколо Землі, і подолати відстань у 253,3 мільйона кілометрів. Але це все ще приблизно на два місяці менше за рекорд найтривалішого космічного польоту людини в історії, що належить російському космонавту Валерію Полякову, який пробув 437 днів на борту космічної станції «Мир» у середині 1990-х років.
Френк Рубіо, з широкою посмішкою на обличчі, був перенесений з космічного корабля «Союз МС-23» після успішного повернення на Землю у хмарі пилу неподалік міста Жезказган у казахстанському степу. Перебування протягом тривалого часу в умовах низької гравітації на МКС позначилося на його м’язах, і рятувальникам довелося самим витягувати його з капсули.
Однак його тривала подорож у космос дозволить отримати цінну інформацію про те, як люди можуть впоратися з тривалим космічним польотом та як найкраще запобігти проблемам, які можуть бути його наслідком. Рубіо став першим астронавтом, який взяв участь у дослідженні того, як фізичні тренування з обмеженою кількістю тренажерів можуть вплинути на організм людини.
Ця інформація стане критично важливою, коли людство буде готове відправити пілотовані місії у глибини Сонячної системи. Згідно з розрахунками, шлях «туди і назад» на Марс триватиме близько 1100 днів (трохи більше трьох років). Космічний корабель, яким вони подорожуватимуть, буде значно менше за МКС, а це означає, що знадобляться менші за розміром і більш легкі тренажери.
Але якщо залишити осторонь питання підтримки фізичної форми, то як космічний політ впливає на людське тіло?
М’язи та кістки
Без постійного впливу сили тяжіння на наші кінцівки м’язова та кісткова маса починає швидко зменшуватись. Найбільше страждають ті м’язи, які допомагають підтримувати поставу: спина, шия, ікри та квадрицепси – в умовах мікрогравітації їм більше не потрібно працювати так сильно, і вони починають атрофуватися. Вже за два тижні м’язова маса може впасти на цілих 20%, а за більш тривалих місій тривалістю від трьох до шести місяців – аж на 30%.
Також, оскільки скелет не отримує механічного навантаження такої сили, як під впливом земної гравітації, кістки починають демінералізуватися і втрачати міцність.Космонавти можуть втрачати 1-2% своєї кісткової маси кожного місяця, проведеного у космосі, тобто до 10% за шестимісячний період (на Землі люди похилого віку втрачають кісткову масу зі швидкістю 0,5-1% щороку).Це може збільшити ризик переломів і подовжити час, необхідний на зростання кісток.Може знадобитися до чотирьох років, щоб кісткова маса набула норми після повернення на Землю.
Аби запобігти цьому, космонавти щодня до 2,5 години на день займаються інтенсивними фізичними тренуваннями під час перебування на МКС.До вправ належать присідання, станова тяга, проста тяга, віджимання лежачи з використанням резистивного (з опором) тренажера, встановленого в «тренажерному залі» МКС, а також регулярні заняття на біговій доріжці та велотренажері.Також вони приймають харчові добавки для підтримки здорового стану кісток.
Однак новітні дані показують, що навіть такого режиму вправ недостатньо для запобігання втраті сили та розміру м’язів. Подальші дослідження мають перевірити, чи можуть більші навантаження у вправах з обтяженнями та інтенсивні інтервальні тренування протидіяти втраті м’язової маси.
Оскільки відсутність гравітації знімає звичне земне навантаження з хребта, він має тенденцію подовжуватися, і космонавти виявляють, що під час перебування на МКС стали трішки вищими зростом. Це може призвести до таких проблем, як біль у спині під час перебування в космосі та зміщення дисків після повернення на Землю. Під час брифінгу на борту МКС перед поверненням на Землю Рубіо відмітив, що у нього росте хребет, і сказав, що це, можливо, допоможе йому уникнути поширеної серед космонавтів травми шиї, яка відбувається, коли космонавт під час доволі жорсткого торкання кораблем поверхні землі при посадці піднімає голову і роздивляється навколо.
“Я думаю, що мій хребет розтягнувся настільки, що я ніби затиснувся щільно у підкладку сидіння, тому мені взагалі не варто багато рухатися”, – сказав він.
Втрата ваги
Хоча вага на орбіті не має великого значення (майже відсутність гравітації означає, що все не прикріплене до стін може вільно плавати приміщеннями МКС, так само як і людські тіла), підтримання нормальної ваги тіла на орбіті є непростим завданням. Хоча NASA забезпечує своїх астронавтів різноманітною поживною їжею, включаючи свіжу зелень, вирощену прямо на борту космічної станції, знаходження поза звичного земного тяжіння істотно впливає на організм людини.
Скотт Келлі, астронавт NASA, який брав участь у грунтовному дослідженні наслідків тривалого космічного польоту разом з братом-близнюком, який залишався на Землі, після перебування на борту МКС протягом 340 днів втратив 7% маси свого тіла.
Зір
На Землі гравітація змушує кров у нашому організмі рухатися вниз, тоді як серце знову накачує її вгору. Однак у космосі в умовах відсутності або критичного зменшення гравітації цей процес порушується (хоча тіло має певні адаптивні механізми), і крові у голові може бути більше, ніж зазвичай. Деяка частина її може накопичуватися в задній частині ока і навколо зорового нерва, що призводить до набряку, якийможе призвести до таких змін у зорі, як зниження його гостроти та структурні зміни в самому оці.Ці зміни можуть почати відбуватися вже за два тижні перебування у космосі, але з часом ризик подальших порушень зростає. Деякі дисфункцї зору починають відчуватися приблизно за рік після повернення астронавтів на Землю, і певна їх частина може бути незворотнього характеру.
Вплив галактичних космічних променів та заряджених сонячних частинок також може призвести до проблем із зором. Атмосфера Землі допомагає захистити нас від них, але на орбіті, де знаходиться МКС, цей захист вже сильно знижується. Хоча космічні кораблі мають певний захист від надмірної радіації, космонавти на борту МКС повідомляють, що бачать спалахи світла в очах, коли космічні промені та іонізовані частки потрапляють на їхню сітківку ока та оптичні нерви.
Зміни у мозку
Після тривалого перебування на МКС когнітивні здібності Келлі мало змінилися і залишилися такими ж, як у його брата на Землі. Однак, дослідники помітили, що після його повернення швидкість і точність когнітивних функцій Келлі були знижені приблизно протягом шести місяців, можливо тому, що його мозок адаптувався до гравітації Землі і іншого способу життя.
Дослідження щодо російського космонавта, який провів 169 днів на МКС у 2014 році, також виявило деякі зміни у самому мозку, які, вірогідно, відбулися під час його перебування на орбіті Землі. Були виявлені зміни нейронних зв’язків у частинах мозку, пов’язаних із руховими функціями, а також у вестибулярній корі, яка відіграє важливу роль у орієнтації, рівновазі та сприйнятті нашого власного руху.Можливо, ці зміни є наслідком пристосування мозку до невагомості у космосі; космонавтам доводиться вчитися рухатися без гравітації, прив’язуватися до чогось, відштовхуватися від чогось, і пристосовуватися до світу, де немає ні верху, ні низу.
Свіже нещодавнє дослідження викликало занепокоєння щодо інших змін у структурі мозку, які можуть статися під час тривалих космічних польотів. Порожнини в мозку, відомі як правий бічний і третій шлуночок (що відповідають за зберігання спинномозкової рідини, постачання мозку поживними речовинами та видалення відходів), можуть набухати, і для повернення до нормального розміру може потребуватися до трьох років.
Корисні бактерії
Дослідження останніх років показують, що важливим ключем до нашого здоров’я є склад та різноманітність мікроорганізмів, які живуть у нашому організмі та на поверхні шкіри.Ця мікробіота впливає на те, як ми перетравлюємо їжу, вона повязана з можливими запаленнями в нашому тілі, та навіть має здатність впливати на роботу нашого мозку.
Обстеження Келлі після його перебування на МКС виявило, що стан бактерій та грибків у його кишківнику відчутно змінився порівняно з тим, який був до його польоту у космос.Можливо, серед причин цього – вімінна від земної їжа, яку він споживав, і близьке тривале перебування з певними людьми у спільному просторі (згідно досліджень, ми обмінюємося великою кількістю різних мікроорганізмів з людьми, з якими живемо поряд).Також свою роль тут могли зіграти такі фактори, як вплив радіації, циклічне використання води на станції, і зміна рівня фізичної активності астронавта.
Шкіра
Хоча на даний момент вже п’ять астронавтів NASA мають стаж перебування на орбіті понад 300 днів поспіль, ми повинні ще раз подякувати Келлі за розуміння того, що відбувається з людською шкірою під час космічного польоту. Було виявлено, що його шкіра мала підвищену чутливість і очаги висипу протягом приблизно шести днів після повернення з космічної станції. Згідно припущень, причиною проблем зі шкірою могла бути відсутність звичної тактильної її стимуляції під час місії.
Гени
Одним з найбільш важливих результатів тривалої подорожі Келлі у космосі стало розуміння того, як вона вплинула на його ДНК. Наприкінцікожної нитки ДНК є структури, відомі як теломери, які, як вважається, допомагають захистити наші гени від пошкоджень. З віком вони стають коротшими, але дослідження Келлі та інших астронавтів показали, що і космічні подорожі, схоже, змінюють довжину цих теломер.
«Однак найдивовижнішим було виявлення значно довших за норму теломер під час космічного польоту», — каже Сьюзен Бейлі, професорка екологічного та радіологічного здоров’я в Університеті штату Колорадо, яка була у команді вчених, що вивчали Келлі та його брата.Бейлі дослідила ще 10 астронавтів, не пов’язаних між собою, які брали участь у більш коротких місіях тривалістю близько шести місяців.«Також несподіваним було те, що довжина теломер швидко скорочувалася після повернення на Землю у всіх членів екіпажу. Після тривалого космічного польоту астронавти загалом мали набагато більше коротких теломер, ніж раніше, що може мати вплив на здоров’я у довгій перспективі і тривалість життя», – розповідає дослідниця.За її словами, причини цього явища досі незрозумілі.«У нас є деякі ідеї, але остаточні висновки щодо розуміння цієї реакції організму та її потенційних наслідків для здоров’я можна буде зробити після подальших спостережень таких, як Рубіо, який провів рік на МКС».
Однією з можливих причин може бути комплексний вплив різних типів радіації у космосі. За її словами, у астронавтів, які зазнають тривалого її впливу під час перебування на орбіті, спостерігаються ознаки пошкодження ДНК.
Також у Келлі були помічені деякі зміни у процесі експресії генів – механізмі, що зчитує ДНК для синтезу білків у клітинах – що, можливо, є наслідком його довготривалої подорожі у космос. Деякі з цих змін є реакцією організму на пошкодження ДНК, інші пов’язані з процесами у кістках або є реакцією імунної системи на стрес. Однак більшість цих змін повернулися до показників норми протягом шести місяців після його повернення на Землю.
Імунна система
Келлі отримав серію вакцин до, під час і після польоту в космос, і його імунна система відреагувала нормально. Але дослідження Бейлі показало певне зниження кількості лейкоцитів у астронавтів, що відповідає дозам радіації, які вони отримують на орбіті.
Однак потрібно буде відповісти ще на значну кількість питань щодо того, як космічні подорожі можуть вплинути на двоногих істот з великим мозком, які еволюціонували на Землі, і пристосовані, щоб жити на ній.
Поки Рубіо відновлюється після 371 дня в космосі, дослідники вивчатимуть і далі його медичні аналізи, зразки крові та скани тіла, щоб побачити, що ще вони зможуть дізнатися.