Как космонавты поддерживают работоспособность тела с минимальным количеством оборудования
Астронавты НАСА Боб Хайнс и Кьелл Линдгрен занимаются на тренажёре Advanced Resistive Exercise Device (ARED)
Десятилетия исследований, проведённых на борту Международной космической станции (МКС) и других космических кораблей, расположенных на низкой околоземной орбите (НОО), показали, что длительное пребывание в условиях микрогравитации негативно сказывается на физиологии человека. Среди наиболее заметных последствий — атрофия мышц и потеря плотности костей, а также влияние на зрение, кровообращение и сердечно-сосудистую систему. Однако, как показали исследования NASA Twin Study, последствия могут распространяться на функции органов, психологическое воздействие и экспрессию генов. Смягчение этих последствий жизненно важно для будущих полётов на Луну, Марс и в другие места глубокого космоса.
Чтобы уменьшить воздействие микрогравитации, астронавты на борту МКС используют строгий режим тренировок на сопротивление, правильное питание и сердечно-сосудистые упражнения, чтобы задействовать мышцы, кости и другие соединительные ткани, составляющие их опорно-двигательную систему. К сожалению, тренажёры на борту МКС слишком большие и тяжёлые, чтобы брать их на борт космических кораблей для длительных космических полётов, где требования к пространству и массе ограничены. Чтобы решить эту проблему, НАСА изучает вопрос о том, могут ли режимы упражнений, основанные на минимальном количестве оборудования или вообще без него, обеспечить адекватную физическую нагрузку.
За каждый месяц пребывания в космосе плотность костей космонавтов снижается примерно на 1%, а мышцы атрофируются из-за резко сниженных нагрузок — если не принимать мер предосторожности, чтобы противостоять этой потере. На Земле эти симптомы связаны с процессом старения, малоподвижным образом жизни и дегенеративными заболеваниями. Это имеет серьёзные последствия для здоровья астронавтов, поскольку полёты в дальний космос требуют, чтобы астронавты в течение нескольких месяцев находились в условиях микрогравитации. По прибытии на Землю они должны будут проводить операции на поверхности, которые потребуют от них бодрости. В противном случае они могут получить серьёзные травмы.
Давняя традиция
На протяжении десятилетий космонавты использовали стационарные велосипеды и беговые дорожки для физических упражнений. В рамках советской программы «Салют», действовавшей с 1971 по 1986 год, проводились многочисленные исследования здоровья космонавтов. Для проверки возможных «контрмер» эти станции включали беговую дорожку, гравитационный костюм для длительного ношения, велосипед с велоэргометром, лекарства и антигравитационный костюм, который надевали сразу после полёта. Тренировки были разделены на две часовые смены утром и днём между рабочими циклами.
На советской/российской космической станции «Мир» были две беговые дорожки (с резинками для фиксации космонавтов) и стационарный велосипед. Каждый космонавт должен был проехать на велосипеде 10 километров и пробежать 5 километров в день. Аналогичного режима придерживалось и НАСА: астронавты на борту «Скайлэба» должны были выполнять 90 минут упражнений в день, используя оборудование, включающее стационарный велосипед и беговую дорожку, а астронавты обнаружили, что могут совершать пробежки вокруг бака с водой.
После ввода МКС в эксплуатацию в 2001 году одним из первых тренажёров стала беговая дорожка с системой виброизоляции и стабилизации (TVIS), которая с помощью ремней безопасности удерживает пользователя на тренажёре, добавляя ему дополнительное сопротивление. Также имеется велоэргометр с системой виброизоляции и стабилизации (CERVIS) — велотренажёр, предоставленный компанией Danish Aerospace. В распоряжении астронавтов также есть усовершенствованное устройство для резистивных упражнений (ARED), которое использует вакуумные цилиндры и поршни для создания сопротивления, позволяя астронавтам имитировать тяжёлую атлетику в условиях микрогравитации.
Мышечная атрофия
Хотя медицинская наука понимает основные причины атрофии, исследователи продолжают изучать фундаментальные механизмы и факторы, способствующие её развитию, чтобы найти решение проблемы атрофии, вызванной микрогравитацией. Большая часть этих исследований направлена на определение правильного сочетания диеты, физических упражнений и лекарств для поддержания здоровья астронавтов в космосе и во время полётов на Луну или Марс, а также для помощи в переходе после их возвращения на Землю. Например, эксперимент Zero T2 предполагает отказ астронавтов от использования беговой дорожки и сосредоточение на аэробных упражнениях и упражнениях на сопротивление.
Астронавт ЕКА Александр Герст тренируется на тренажёре Advanced Resistive Exercise Device (ARED)
По завершении эксперимента исследовательские группы сравнят мышечные показатели участников и их восстановление с показателями их товарищей по экипажу, которые занимались на беговой дорожке. Другой эксперимент, VR for Exercise, направлен на создание захватывающей среды виртуальной реальности, которой астронавты смогут наслаждаться во время использования велотренажёра на станции. Также проводятся исследования с использованием «тканевых чипов» — небольших устройств, имитирующих сложные функции определённых 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 на ткани, чтобы заставить их сокращаться, а также в поиске изменений в функциях, связанных с микрогравитацией. Исследователи обнаружили, что в мышечных клетках, подвергшихся воздействию микрогравитации, наблюдалось снижение экспрессии генов, связанных с ростом мышц и метаболизмом в зависимости от возраста.
Здоровье скелета
Помимо тестирования различных режимов тренировок, исследователи изучают, как вся опорно-двигательная система воспринимает физические нагрузки в условиях микрогравитации. Этой цели служит эксперимент по физиологии человека ARED Kinematics, проводимый при поддержке Итальянского космического агентства (ASI) и ЕКА. Эта система призвана количественно оценить крутящий момент в суставах, мышечные усилия и нагрузки на кости, возникающие во время физических упражнений в условиях микрогравитации, а также адаптации в работе, которые могут происходить с течением времени.
В рамках эксперимента Vertebral Strength, посвящённого потере плотности костной ткани, были сделаны подробные снимки астронавтов до и после полёта в космос. В ходе сканирования изучались кости и мышцы, поддерживающие позвоночный столб, что позволило исследователям получить информацию о том, как космический полёт влияет на общую прочность опорно-двигательного аппарата. Эти и другие исследования потери плотности костей и здоровья опорно-двигательного аппарата перекликаются с исследованиями остеопороза на Земле и могут привести к взаимовыгодному применению.
Препараты, относящиеся к классу ингибиторов миостатина, также хорошо зарекомендовали себя на Земле при лечении остеопороза. Эти препараты подавляют миостатин, человеческий фактор роста, который предотвращает чрезмерный рост мышц, что помогает уменьшить потерю плотности костной ткани и предотвратить переломы у пациентов. В рамках эксперимента Rodent Research 19 (RR-19) недавно было проведено испытание этого препарата на группе мышей во время космического полёта, которое показало, что препарат может стать эффективным средством лечения для астронавтов и людей с дегенеративными заболеваниями здесь, на Земле.
Психологическое здоровье
Конечно, ни одно исследование влияния микрогравитации на здоровье человека не будет полным без учёта психологического воздействия, которое может оказать длительное пребывание в космосе. Именно с этой целью на МКС в начале этого года стартовал комплексный эксперимент Complement of Integrated Protocols for Human Exploration Research (CIPHER). В рамках этого эксперимента астронавты примут участие в 14 исследованиях, спонсируемых НАСА и международными партнёрами, которые измерят физиологические и психологические изменения в членах экипажа во время миссий, длящихся несколько недель, 3,5–8 месяцев или до одного года в космосе.
Эти исследования будут следить за состоянием здоровья астронавтов до, во время и после миссий. Проводя одни и те же исследования во время миссий разной продолжительности, учёные смогут экстраполировать результаты на многолетние миссии — например, трёхлетний полёт на Марс. Как пояснила научный сотрудник проекта CIPHER Шери Обре:
«CIPHER — это первое исследование, в котором объединены многочисленные физиологические и психологические показатели, что даёт нам возможность оценить всю реакцию человека на время, проведённое в космосе». По мере того как всё больше астронавтов отправляются в космос в рамках программы Artemis и других программ, мы надеемся узнать больше о том, как различные системы организма, такие как сердце, мышцы, кости и глаза, адаптируются к длительным космическим полётам».
Понимание последствий длительного воздействия микрогравитации и разработка мер противодействия особенно важны, поскольку НАСА планирует будущие миссии, в которых астронавты будут находиться далеко за пределами НОО. Во время длительных полётов на Луну, Марс и другие планеты астронавты будут проводить длительные периоды времени в условиях микрогравитации или низкой гравитации. После прибытия на Землю им, возможно, потребуется выполнять напряжённую работу и быть в оптимальном состоянии здоровья. В настоящее время изучаются такие возможные решения, как физические упражнения, диета, лекарства и имитация гравитации с помощью вращающихся модулей.
По всей вероятности, в будущем астронавты, отправляющиеся на Марс или в другие районы дальнего космоса, будут полагаться на всё вышеперечисленное.
