Co dzieje się z mięśniami w kosmosie? Naukowcy wysłali 24 myszy na orbitę

Za tym dość niepozornym eksperymentem stoi bardzo przyziemne pytanie: czy ludzkie ciało wytrzyma miesiące lub lata poza Ziemią, na przykład w drodze na Marsa i podczas pobytu na jego powierzchni?

Dlaczego mięśnie tak źle znoszą kosmos

Organizm człowieka przez miliony lat przyzwyczaił się do stałej grawitacji 1 g. Każdy krok, podniesienie ręki czy wejście po schodach to lekki, ale ciągły trening. Na orbicie ten „naturalny siłowniany” efekt nagle znika. Astronauci z misji na ISS od dawna skarżą się na utratę siły i szybkie męczenie się po powrocie na Ziemię.

Najnowsze badania z udziałem myszy, prowadzone przez NASA i japońską agencję JAXA, dorzucają do tego obrazu bardzo precyzyjną liczbę: pokazują, przy jakim poziomie grawitacji mięśnie zaczynają tracić sprawność, nawet jeśli ich rozmiar wydaje się niezmieniony.

Naukowcy pokazali, że mięśnie mogą wyglądać „normalnie” pod mikroskopem, a mimo to działać gorzej i słabnąć przy zbyt niskiej grawitacji.

24 myszy, cztery różne grawitacje

W eksperymencie na pokład ISS trafiło 24 myszy podzielone na grupy żyjące w odmiennych warunkach grawitacyjnych. Do tego celu wykorzystano specjalne wirówki i moduły badawcze, które pozwoliły symulować różne poziomy przyciągania.

Przeczytaj również: Lekarze biją na alarm: viralny „sleep hack” z taśmą na usta może być groźny

Kluczowym obiektem badań był mięsień płaszczkowaty (soleus) – to ta część łydki, która bardzo mocno reaguje na obciążenie grawitacyjne i odpowiada m.in. za stanie i chodzenie. Jeśli coś ma się „posypać” w warunkach niskiej grawitacji, właśnie ten mięsień zwykle jest pierwszy.

Kiedy mięśnie zaczynają tracić siłę

Najciekawszy wniosek: przy 0,33 g, czyli około jednej trzeciej ziemskiego przyciągania, mięśnie myszy nie kurczyły się znacząco, ale ich siła mierzona chwytem wyraźnie spadała. Organ pod względem objętości wyglądał niemal normalnie, natomiast praktyczna sprawność – to, jak mocno zwierzę jest w stanie ścisnąć podłoże – pogarszała się.

Przeczytaj również: 3 proste nawyki, które naturalnie podkręcą twoje zdrowie po 50.

Inaczej było przy 0,67 g. W tej konfiguracji myszy zachowywały siłę porównywalną z grupą żyjącą przy pełnej ziemskiej grawitacji. To sugeruje, że gdzieś w okolicach dwóch trzecich 1 g przebiega próg, poniżej którego mięśnie zaczynają mieć problem z prawidłową pracą.

Granica około 0,67 g wygląda jak minimalny poziom grawitacji, który pozwala mięśniom funkcjonować zbliżenie do warunków ziemskich.

Co wyniki z myszy mówią o ludziach

Badanie dotyczyło oczywiście niewielkich gryzoni, a nie astronautów. Naukowcy podkreślają, że biologii człowieka nie można jeden do jednego zrównać z mysią. Mimo to takie eksperymenty są dla agencji kosmicznych bezcenne, bo trudno byłoby od razu „testować” skrajne warunki na ludziach.

Przeczytaj również: 10-minutowy trening na dół brzucha w domu: plan krok po kroku

Eksperci zakładają, że ogólna zasada będzie podobna: poniżej pewnego poziomu grawitacji mięśnie człowieka zaczną słabnąć nawet wtedy, gdy treningi na bieżni czy rowerze na ISS częściowo je pobudzają. Do pełnego obrazu dochodzą różnice w gospodarce hormonalnej, stylu życia i długości misji, ale kierunek zmian prawdopodobnie się nie zmieni.

• myszy reagują na niską grawitację spadkiem siły przy pozornie niezmienionym rozmiarze mięśni,
• człowiek już dziś na ISS traci masę i siłę mięśni mimo regularnych ćwiczeń,
• różne tkanki (mięśnie, kości, narządy wewnętrzne) mogą mieć różne „progi wrażliwości”.

Zespół badawczy zapowiada, że kolejne analizy będą dotyczyły kości oraz narządów, takich jak serce czy wątroba. Utrata gęstości kostnej to już dobrze znany problem astronautów, ale połączenie tego z danymi o mięśniach pozwoli lepiej zaplanować długie loty, np. w kierunku Marsa.

Mars pod lupą: 38% ziemskiej grawitacji to za mało

Mars ma grawitację na poziomie około 0,38 g, czyli zaledwie 38% ziemskiego przyciągania. To wyraźnie mniej niż 0,67 g wskazane w eksperymencie jako próg względnego bezpieczeństwa dla mięśni myszy. Dla planistów misji to bardzo czytelny sygnał ostrzegawczy.

Badacze szacują, że sama marsjańska grawitacja raczej nie zapewni astronautom wystarczającego „naturalnego treningu”. Osoby spędzające tam miesiące lub lata mogłyby systematycznie słabnąć, jeśli nie otrzymają dodatkowego wsparcia w postaci ćwiczeń, sztucznej grawitacji albo innych rozwiązań medycznych.

Grawitacja na Marsie może być zbyt niska, aby w dłuższej perspektywie utrzymać mięśnie astronautów w formie zbliżonej do tej, którą znają z Ziemi.

Jest też druga strona medalu: na planecie o niższym przyciąganiu do codziennych czynności potrzeba mniejszej siły. W praktyce oznacza to, że mieszkaniec Marsa może subiektywnie czuć się dość sprawny, choć jego mięśnie obiektywnie są słabsze niż przed wylotem z Ziemi. Problem pojawi się dopiero przy powrocie na 1 g – wtedy ciało dostanie bolesne przypomnienie, że przez długi czas pracowało na „łatwym poziomie trudności”.

Jak można bronić mięśnie poza Ziemią

Dane z eksperymentu z myszami wskazują, że sama aktywność fizyczna może nie wystarczyć, jeśli grawitacja spadnie poniżej pewnego progu. Agencje kosmiczne już teraz rozważają kilka równoległych strategii ochrony mięśni w kosmosie:

• bardziej wymagające treningi na ISS – z większym obciążeniem i personalizacją programu dla każdego astronauty,
• moduły ze sztuczną grawitacją – np. obracające się habitaty wytwarzające siłę odśrodkową zbliżoną do 1 g,
• farmakologia – leki ograniczające zanik mięśni lub modulujące hormony odpowiedzialne za ich budowę,
• kombinezony obciążające – stroje, które mechanicznie „udają” grawitację, ciągnąc ciało w dół sprężynami i gumami.

Eksperyment z myszami dostarcza twardych liczb, które pomagają projektować takie rozwiązania. Jeśli celem będzie pobyt człowieka na Marsie przez rok, można wyliczyć, jaka siła grawitacji w wirującym module czy jaka dawka ćwiczeń będzie potrzebna, by nie zejść poniżej krytycznego progu utraty siły.

Dlaczego mięsień może być duży, a słaby

Jedno z najbardziej nieintuicyjnych spostrzeżeń z badań to rozjazd między wielkością mięśnia a jego praktyczną sprawnością. W normalnych warunkach większy mięsień zwykle oznacza większą siłę. Na orbicie ta zależność przestaje być tak prosta.

W grę wchodzą m.in. zmiany w typach włókien mięśniowych (przewaga tych „szybkich”, ale mniej wytrzymałych), zaburzenia pracy mitochondriów odpowiedzialnych za produkcję energii oraz inny sposób, w jaki mięśnie są pobudzane przez układ nerwowy w warunkach mikrograwitacji. To sprawia, że mięsień może zachować swoją objętość, a jednocześnie tracić zdolność do mocnego i długotrwałego skurczu.

Takie zjawisko nie dotyczy wyłącznie astronautów. Z podobnym problemem mierzą się osoby długo unieruchomione w łóżku czy seniorzy, u których na zdjęciach mięśnie nie wyglądają dramatycznie, ale realna siła i kontrola ruchu są dużo gorsze niż u młodszych osób.

Co te badania mówią o zwykłym życiu na Ziemi

Choć wszystko kręci się tu wokół kosmosu, wnioski da się przełożyć na codzienność. Organizm potrzebuje stałego, realnego obciążenia, a nie tylko ładnie wyglądającego mięśnia na zdjęciu. Liczy się siła i funkcja, nie sama objętość.

Dla zwykłego czytelnika oznacza to prostą lekcję: jeśli ciało dostaje coraz mniej wyzwań, sprawność będzie spadać, nawet jeśli waga na siłowni się nie zmienia. Regularny ruch, ćwiczenia z obciążeniem i dbanie o kości oraz mięśnie jest tym, czym dla astronauty są treningi na ISS. Różnica polega tylko na tym, że my mamy „wbudowaną” grawitację, którą kosmonauci muszą na orbicie i w drodze na Marsa sprytnie symulować.