Co dzieje się z mięśniami w kosmosie? Myszki NASA zdradzają granicę bezpieczeństwa

Brak grawitacji to nie tylko swobodne unoszenie się w powietrzu – to także stopniowa degradacja ludzkiego ciała od środka. Naukowcy z NASA i japońskiej agencji JAXA postanowili precyzyjnie określić, ile siły ciążenia potrzebują nasze mięśnie, aby nie tracić sprawności. Eksperyment z 24 myszami na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej dostarczył zaskakująco konkretnych odpowiedzi, które mogą mieć kluczowe znaczenie dla przyszłych podróży na Marsa.

Brak grawitacji nie tylko unosi astronautów w powietrzu, ale stopniowo zmienia ich ciało od środka – przede wszystkim mięśnie.

NASA razem z japońską agencją kosmiczną JAXA wysłały na orbitę 24 myszy, aby sprawdzić, przy jakiej sile ciążenia mięśnie zaczynają słabnąć. Wyniki eksperymentu mogą przesądzić o tym, jak będziemy planować podróże na Marsa i długie misje na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

Dlaczego mięśnie tak cierpią na orbicie

Na Ziemi grawitacja działa na nas bez przerwy. Każdy krok, podnoszenie zakupów czy wchodzenie po schodach to ciągły trening mięśni. W kosmosie ten „naturalny siłowniany” efekt znika. Astronauci w stanie nieważkości unoszą się swobodnie, więc mięśnie nóg i tułowia mają znacznie mniej pracy.

Od dawna wiadomo, że podczas długich pobytów na orbicie mięśnie zanikają, a siła spada. Brakowało jednak jasnej odpowiedzi na jedno pytanie: ile grawitacji wystarczy, żeby mięśnie nadal działały jak trzeba ? Czy potrzebna jest pełna ziemska siła ciążenia, czy wystarczy jej część?

24 myszy na ISS i cztery różne poziomy grawitacji

Na to pytanie próbował odpowiedzieć zespół naukowców, których wyniki opisano w czasopiśmie Science Advances . Do eksperymentu trafiły 24 myszy, które umieszczono na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej w specjalnych modułach z kontrolowaną „sztuczną grawitacją”.

Badacze zastosowali cztery warunki:

• mikrograwitacja – praktycznie stan nieważkości, typowy dla ISS,
• 0,33 g – około jedna trzecia ziemskiej grawitacji,
• 0,67 g – około dwie trzecie ziemskiej grawitacji,
• 1 g – czyli warunki zbliżone do tych na Ziemi.

Takie środowisko uzyskano dzięki specjalnym wirówkom, które obracały klatki z gryzoniami. Ruch obrotowy tworzył siłę odśrodkową imitującą grawitację. To rozwiązanie od lat pojawia się w futurystycznych wizjach statków kosmicznych z obracającymi się modułami mieszkalnymi.

Najważniejszy wniosek badań: po zejściu poniżej 0,67 g mięśnie badanych gryzoni wyraźnie traciły siłę, chociaż ich rozmiar pozostawał bardzo zbliżony do tego z Ziemi.

Mięsień, który „słyszy” grawitację

Naukowcy skupili się przede wszystkim na mięśniu płaszczkowatym w łydce (soleus). U ludzi i zwierząt odpowiada on głównie za utrzymywanie pozycji stojącej i chodzenie. Jest szczególnie wrażliwy na zmiany obciążenia, a więc świetnie pokazuje, jak ciało reaguje na inne warunki ciążenia.

Wyniki okazały się zaskakująco precyzyjne. Przy 0,33 g masa badanego mięśnia u myszy prawie się nie zmieniała, ale testy chwytu wskazywały wyraźny spadek siły. Gryzonie po prostu radziły sobie gorzej z trzymaniem się uchwytów.

Przy 0,67 g sytuacja wyglądała zupełnie inaczej. Myszy utrzymywały siłę porównywalną z tą, którą notowano przy pełnej ziemskiej grawitacji. Oznacza to, że co najmniej dwie trzecie ziemskiej grawitacji wystarczy, by mięśnie – przynajmniej tego typu – nadal funkcjonowały na przyzwoitym poziomie .

Granica około 0,67 g może być praktycznym punktem odniesienia przy projektowaniu przyszłych statków i baz kosmicznych z elementami sztucznej grawitacji.

Co z tego wynika dla ludzi w kosmosie

Choć badanie dotyczyło myszy, jego znaczenie wykracza daleko poza laboratorium. Astronauci na ISS już teraz ćwiczą po kilkadziesiąt minut dziennie na specjalnych bieżniach i ergometrach, aby spowolnić utratę masy mięśniowej i osłabienie kości. Mimo to po powrocie na Ziemię często potrzebują rehabilitacji.

Naukowcy zwracają uwagę, że:

• podstawowe procesy biologiczne w mięśniach myszy i ludzi są podobne,
• badanie wskazuje na istnienie progu grawitacji, poniżej którego sama masa mięśniowa przestaje mówić prawdę o ich sprawności,
• siła mięśni może spadać, nawet jeśli struktura włókien na pierwszy rzut oka wygląda w porządku.

To ważny sygnał dla planistów misji, lekarzy lotniczych i inżynierów, którzy opracowują sprzęt do ćwiczeń w kosmosie. Same pomiary objętości mięśni mogą nie wystarczyć – potrzebne są testy sprawności i dokładne analizy przemian metabolicznych.

Mars – czy 38% ziemskiej grawitacji wystarczy?

Na tym tle najbardziej elektryzuje pytanie o Marsa. Czerwona Planeta ma około 38% ziemskiej grawitacji, czyli mniej więcej 0,38 g. To zdecydowanie poniżej poziomu 0,67 g, który w eksperymencie okazał się bezpieczną granicą dla siły mięśni u myszy.

W praktyce oznacza to, że sam pobyt na Marsie raczej nie ochroni mięśni astronautów . Mimo że będą chodzić, dźwigać sprzęt i wykonywać zadania terenowe, ich ciało będzie obciążone słabiej niż na Ziemi. W dłuższej perspektywie może to prowadzić do osłabienia mięśni, problemów z równowagą i większego ryzyka urazów po powrocie.

Badacze sugerują, że przyszłe bazy marsjańskie będą musiały zapewniać bardziej intensywny trening fizyczny, a nawet segmenty z wyższą sztuczną grawitacją – na przykład w obracających się modułach mieszkalnych.

Jest też druga strona medalu. W niższej grawitacji codzienne czynności wymagają mniejszej siły, więc częściowy spadek możliwości mięśniowych może nie przeszkadzać tak bardzo w pracy na powierzchni planety. Problem zacznie się w momencie powrotu do pełnego 1 g na Ziemi.

Co naukowcy planują zbadać dalej

Mięśnie to tylko jeden z elementów układanki. Brak lub niedobór grawitacji wpływa też na:

• układ kostny – kości tracą gęstość, rośnie ryzyko złamań,
• układ krążenia – zmienia się rozkład płynów w ciele, pojawia się obrzęk twarzy,
• narządy wewnętrzne – inaczej pracują m.in. nerki, wątroba i układ trawienny,
• układ nerwowy – mogą występować kłopoty z orientacją, zawroty głowy, zmiany w funkcjonowaniu mózgu.

Zespół zaangażowany w badanie sugeruje, aby kolejne misje biologiczne na ISS objęły już nie tylko mięśnie, lecz także kości i kluczowe narządy. Dopiero wtedy powstanie pełniejszy obraz tego, jak długotrwały pobyt w innych warunkach grawitacyjnych wpływa na zdrowie.

Sztuczna grawitacja, farmakologia i nowe typy treningu

Wyniki eksperymentu z myszami na nowo rozgrzewają dyskusję o tym, jak technicznie zabezpieczyć ludzi przed utratą sprawności w kosmosie. Na stole leży kilka rozwiązań:

Eksperyment z 24 myszami dostarcza bardzo konkretnych danych, jaką wartość grawitacji warto brać za cel przy projektowaniu takich systemów. Jeśli 0,67 g wystarcza, futurystyczne obracające się moduły statków nie muszą generować pełnego 1 g, co upraszcza ich konstrukcję.

Co to wszystko mówi zwykłemu czytelnikowi na Ziemi

Historia „myszek astronautek” dobrze pokazuje, jak wrażliwe na brak obciążenia są nasze mięśnie. Ta sama zasada działa zresztą również na Ziemi. Długie leżenie po chorobie, praca wyłącznie przy biurku, zbyt mała aktywność – to wszystko do pewnego stopnia przypomina życie w zmniejszonej grawitacji.

Mięśnie reagują bardzo szybko: kiedy nie muszą pracować, zaczynają tracić siłę, nawet jeśli na pierwszy rzut oka noga czy ręka wygląda tak samo. Czasem dopiero próba wejścia po schodach albo dłuższy spacer uświadamiają, jak mocno forma spadła.

W praktyce wniosek jest prosty: regularne obciążanie mięśni jest dla nich tak samo ważne, jak tlen i pożywienie . Dla astronautów oznacza to wyszukane programy treningowe i zaawansowaną technologię. Dla reszty z nas – po prostu ruch w codziennym życiu: chodzenie, bieganie, ćwiczenia siłowe z własnym ciężarem ciała.

Badanie sfinansowane przez NASA i JAXA dotyczy przyszłych lotów na Marsa, ale rzuca światło na coś dużo bliższego: jak działa nasze ciało, kiedy przestajemy dawać mu odpowiedni wysiłek. Niezależnie od tego, czy kiedykolwiek polecimy w kosmos, nasze mięśnie podlegają tym samym regułom fizjologii, które zaskoczyły naukowców na orbicie.