24 myszy na orbicie. Naukowcy sprawdzili, ile grawitacji potrzebują nasze mięśnie

Naukowcy powiązani z NASA i japońską agencją JAXA krok po kroku sprawdzili, przy jakim poziomie grawitacji zaczyna spadać siła mięśni. Wyniki tej pracy mogą zdecydować o tym, jak będą wyglądać treningi astronautów lecących na Marsa i czy ich organizm wytrzyma miesiące w kosmosie.

Co dokładnie badano na ISS

Na Międzynarodową Stację Kosmiczną wysłano 24 myszy. Każda trafiła do specjalnego modułu, w którym można było ustawić różne „poziomy” grawitacji. Chodziło o warunki zbliżone do tych, jakie panują:

• w mikrograwitacji na orbicie,
• przy słabszej grawitacji zbliżonej do księżycowej,
• przy wartości pośredniej,
• oraz przy grawitacji odpowiadającej tej na Ziemi.

Badacze skupili się głównie na mięśniu płaszczkowatym (soleus) w łydce. U ludzi ten mięsień pomaga utrzymać pozycję stojącą i odpowiada za stabilny chód. Jest wyjątkowo wrażliwy na brak obciążenia – właśnie on bardzo szybko „leniwieje”, gdy długo leżymy lub gdy organizm przestaje mierzyć się z grawitacją.

Kluczowe pytanie brzmiało: czy istnieje minimalny poziom grawitacji, który wystarczy, aby mięśnie zachowały siłę, nawet jeśli przestają być intensywnie obciążane?

Jak różne poziomy grawitacji wpływały na mięśnie myszy

Myszy podzielono na cztery grupy, które przebywały w innych warunkach grawitacyjnych:

Najciekawszy wniosek dotyczy progu 0,67 g. Poniżej tej wartości – szczególnie przy 0,33 g – mięśnie zaczynały tracić sprawność, mimo że ich rozmiar w obrazie mikroskopowym nie malał dramatycznie. Innymi słowy: na pierwszy rzut oka mięsień wyglądał „normalnie”, ale działał już gorzej.

Badanie pokazało, że funkcja mięśnia może siadać szybciej niż jego objętość – osłabienie siły nie zawsze widać gołym okiem.

Przy poziomie 0,67 g sytuacja wyglądała lepiej. Myszy utrzymywały uścisk na poziomie zbliżonym do tego, jaki mierzy się przy pełnej grawitacji ziemskiej. To sugeruje, że istnieje pewien „próg bezpieczeństwa”, przy którym mięśnie nadal radzą sobie całkiem nieźle.

Co z tego wynika dla ludzi

Eksperyment dotyczył gryzoni, ale badacze wprost mówią: celem jest lepsze zrozumienie, jak zareaguje człowiek podczas długiej misji kosmicznej. Astronauci na ISS już dziś korzystają z intensywnych treningów, bieżni i specjalnych urządzeń siłowych, żeby nie tracić mięśni i masy kostnej.

Teraz pojawiły się twardsze dane, które pozwalają oszacować, przy jakiej grawitacji ludzki organizm mógłby funkcjonować bez tak drastycznych strat. Naukowcy podkreślają, że potrzebne są kolejne badania, obejmujące nie tylko mięśnie, ale też:

• kości – ich gęstość szybko spada przy braku obciążenia,
• narządy wewnętrzne – m.in. serce, które w kosmosie inaczej pompuje krew,
• układ nerwowy i równowagę,
• przemianę materii i sposób, w jaki organizm zużywa energię.

Wstępne pomiary sugerują, że w różnych tkankach zachodzą wyraźne zmiany metaboliczne w zależności od poziomu grawitacji. Może się okazać, że mięśnie szybciej adaptują się do mniejszego obciążenia, a na przykład kości potrzebują jeszcze wyższego „progu” grawitacyjnego, aby nie traciły gęstości.

Mars na celowniku: czy 38% ziemskiej grawitacji wystarczy?

Na Marsie grawitacja to około 0,38 g, czyli 38% tego, co odczuwamy na Ziemi. To wartość wyraźnie niższa niż próg 0,67 g, przy którym myszy zachowywały normalną siłę mięśni.

Z perspektywy lekarzy i inżynierów planujących misje na Czerwoną Planetę to poważny sygnał ostrzegawczy. Jeśli u gryzoni poniżej 0,67 g pojawia się spadek siły, człowiek spędzający miesiące na Marsie może doświadczać podobnych problemów – słabszych nóg, gorszej koordynacji, trudności z wykonywaniem cięższych prac terenowych.

Same warunki marsjańskie raczej nie utrzymają mięśni w takiej formie, jakiej oczekuje się od załogi misji, która musi pracować fizycznie, naprawiać sprzęt i ewentualnie ewakuować się w sytuacji kryzysowej.

Jest też druga strona medalu. Niższa grawitacja sprawia, że do poruszania się potrzeba mniej siły, więc organizm nie musi utrzymywać aż tak dużej masy mięśniowej jak na Ziemi. Część ubytku mocy może więc okazać się „do zaakceptowania” w praktyce, jeśli astronauci będą odpowiednio przeszkoleni i zabezpieczeni.

Jak można chronić mięśnie w kosmosie

W oparciu o wyniki tego typu badań specjaliści myślą o kilku strategiach zabezpieczenia załóg długotrwałych misji:

• rozbudowane programy ćwiczeń – jeszcze intensywniejsze niż obecnie na ISS, z naciskiem na mięśnie nóg i tułowia,
• sztuczna grawitacja – na przykład obrotowe moduły statków kosmicznych, w których siła odśrodkowa naśladuje ciężar ciała,
• kombinezony wspomagające obciążenie – stroje, które mechanicznie dociskają ciało, zmuszając mięśnie do większej pracy,
• interwencje farmakologiczne – leki lub suplementy spowalniające degradację mięśni i kości,
• dokładne planowanie czasu misji – tak, aby ograniczyć okresy spędzone w warunkach skrajnie niskiej grawitacji.

W praktyce najpewniej trzeba będzie połączyć kilka z tych rozwiązań. O ile lot na orbitę okołoziemską trwa zaledwie kilkanaście minut, o tyle podróż na Marsa szacuje się na kilka miesięcy w jedną stronę. Sam pobyt na powierzchni planety mógłby zająć kolejne miesiące, a powrót – powtórkę stresu dla organizmu.

Dlaczego myszy mówią tak dużo o ludzkim zdrowiu

Myszy od lat stanowią podstawowy model badawczy w medycynie. Ich organizm reaguje na wiele bodźców w sposób podobny do ludzkiego, a jednocześnie pozwala na szybkie i powtarzalne eksperymenty. W kosmosie jest to szczególnie ważne – trudno wysłać od razu dużą grupę ludzi, zmieniać im po kolei warunki grawitacyjne i czekać na efekty.

Badania na gryzoniach pokazują między innymi:

• jak szybko przepada wypracowana siła mięśniowa,
• w jakiej kolejności osłabiają się różne partie ciała,
• które ścieżki metaboliczne w komórkach reagują najmocniej na brak grawitacji,
• czy organizm potrafi się częściowo zaadaptować do nowego poziomu obciążenia.

Takie dane to paliwo dla inżynierów, lekarzy i projektantów sprzętu sportowego dla astronautów. Na ich podstawie można modelować ryzyko kontuzji, złamań, zawałów czy zaburzeń równowagi po powrocie na Ziemię.

Codzienny ruch na Ziemi a kosmiczne wnioski

Wnioski z badań kosmicznych uderzają też w coś bardzo przyziemnego: siedzący tryb życia. Gdy organizm nie dostaje regularnego obciążenia, dzieje się z nim coś zaskakująco podobnego jak w przestrzeni kosmicznej – mięśnie słabną, kości tracą gęstość, równowaga się pogarsza.

Różnica polega na tym, że na Ziemi mamy pełną grawitację, ale dobrowolnie z niej nie korzystamy. Z punktu widzenia mięśni dzień spędzony między fotelem a samochodem przypomina niewielką stację kosmiczną bez bieżni i hantli. Organizm reaguje na to całkiem logicznie: skoro nie musi dźwigać, odpuszcza inwestowanie energii w utrzymywanie mocnych włókien mięśniowych.

Praktyczna lekcja dla zwykłego czytelnika jest zaskakująco prosta: jeśli nawet astronauci w środku technologicznego cudu, jakim jest ISS, muszą codziennie ćwiczyć, żeby „dogadać się” z grawitacją, to nam tym bardziej przyda się kilka świadomych sesji ruchu tygodniowo. Mięśnie – niezależnie, czy na orbicie, Marsie, czy w salonie przed telewizorem – reagują na to samo: obciążenie lub jego brak.