Jak mikrograwitacja wpływa na kości i mięśnie astronautów?

Mikrograwitacja osłabia zarówno kości, jak i mięśnie. Efekty są ze sobą powiązane, ponieważ osłabienie mięśni przyspiesza osłabienie kości. Może to spowodować długotrwałą utratę mięśni i kości przez astronautów. Zrozumienie – i miejmy nadzieję – zwalczanie – wpływu mikrograwitacji na kości i mięśnie astronautów stanowi krytyczne wyzwanie dla podróży kosmicznych.

Mikrograwitacja osłabia mięśnie na kilka sposobów, które zostały zbadane w badaniu przeprowadzonym w 2003 roku przez Uniwersytet Udine we Włoszech. Po około 240 dniach w kosmosie całkowita siła astronautów spada do około 70 procent ich początkowej siły. Mięśnie ludzkie mają dwa rodzaje włókien mięśniowych, które są nieco inaczej zaatakowane, chociaż oba słabną. Włókna wolnokurczliwe słabną mniej więcej w takim samym tempie jak wytrzymałość całkowita. Jednak szybkokurczliwe włókna mięśniowe zanikają jeszcze szybciej, a po około sześciu miesiącach mają około 45 procent swojej wyjściowej siły. Powoduje to znaczne osłabienie mięśni astronautów. Co ciekawe, wydaje się, że utrata mięśni występuje najbardziej radykalnie w górnej części ciała, podczas gdy utrata kości powoduje najpoważniejsze skutki w dolnej części ciała.

Mikrograwitacja powoduje osteopenię, utratę gęstości kości, stan związany z osteoporozą. W rzeczywistości, zgodnie z dr Jay Shapiro, liderem zespołu ds. badań kości w National Space Biomedical Research Institute, „ogrom tego (problemu) doprowadziło NASA do uznania utraty kości za nieodłączne ryzyko długich lotów kosmicznych”. Główny składnik tego problemu wynika z aktywności komórek poziom. W normalnych warunkach zestaw komórek zwanych osteoklastami rozbija kość, podczas gdy inny rodzaj komórek kostnych, osteoblasty, jednocześnie tworzy nową kość. Jednak osteoblasty reagują na stres, budując kość tam, gdzie ciało na nie naciska. W kosmosie kości odczuwają bardzo mały nacisk, ponieważ grawitacja nie działa na kości, a osłabione mięśnie wywierają mniejszy nacisk na kości. Powoduje to, że proces niszczenia starej kości i budowania nowej kości nie jest zsynchronizowany, co skutkuje osłabieniem kości. Wydaje się jednak, że inne czynniki również przyczyniają się do tego problemu. Na przykład organizm ma tendencję do wytwarzania zniekształconych włókien kolagenowych w warunkach mikrograwitacji, co przyczynia się do pogorszenia zdrowia kości.

Na poziomie klinicznym te zmiany w kościach i mięśniach powodują wiele problemów dla astronautów. Utrata masy kostnej jest najbardziej widoczna w dolnej połowie ciała, gdzie astronauci mogą stracić od 1 do 2 procent ich masa kostna miesięcznie, choć wydaje się, że w najdłuższym czasie ustabilizuje się na poziomie około 20 procent utraty masy kostnej loty kosmiczne. Osłabienie kości i mięśni ostatecznie przypomina skutki długotrwałego leżenia w łóżku. Astronauci potrzebują czasu, aby ponownie dostosować swoje mięśnie do ziemskiej grawitacji. Co więcej, we krwi gromadzi się wapń, gdy kości tracą masę. To promuje kamienie nerkowe u astronautów.

NASA ma do dyspozycji kilka metod walki z tymi schorzeniami. Po pierwsze, ćwiczenia w kosmosie pomagają zmniejszyć utratę kości i osłabienie mięśni. Dodanie ćwiczeń typu „wybuchowego” z nagłymi ruchami może dodatkowo zwiększyć korzyści płynące z ćwiczeń w zapobieganiu najgorszym skutkom mikrograwitacji. Podobnie ćwiczenie na wirówce może jeszcze bardziej zmniejszyć długoterminowe skutki mikrograwitacji i wzmocnić mięśnie serca. Ponadto zmiany w diecie astronautów okazały się obiecujące w zmniejszaniu wpływu mikrograwitacji na kości i mięśnie. Wreszcie, NASA zaczęła eksperymentować z użyciem leków do zwalczania utraty masy kostnej. W szczególności NASA zaczęła wydawać astronautom bisfosfonian, lek stosowany w leczeniu i zapobieganiu osteoporozie na Ziemi. Naukowcy mają nadzieję, że zrozumienie mikrograwitacji utraty kości może przełożyć się na lepsze leczenie ludzi na Ziemi z chorobami kości, takimi jak osteoporoza.