U mikrogravitaciji, bez neprekidnog opterećenja Zemljine gravitacije, tkiva koja čine kosti se sama preoblikuju. Koštane ćelije prilagođavaju svoje ponašanje – ćelije koje grade novu kost usporavaju, dok ćelije koje razgrađuju staro ili oštećeno koštano tkivo nastavljaju da rade svojim normalnim tempom, tako da razgradnja nadmašuje rast, proizvodeći slabije i krhke kosti.
Za svaki mesec u svemiru, kosti astronauta koje nose težinu postaju otprilike 1% manje guste ako ne preduzmu mere predostrožnosti da se suprotstave ovom gubitku. Mišići, koji se obično aktiviraju jednostavnim kretanjem po Zemlji, takođe slabe jer više ne moraju da rade toliko naporno. Ovaj gubitak kostiju i mišića naziva se atrofija.
Atrofija ima ozbiljne implikacije na zdravlje astronauta. Na Zemlji, gubitak mišića i kostiju ili atrofija takođe se javlja usled normalnog starenja, sedentarnog načina života i bolesti. Ovo može izazvati ozbiljne zdravstvene probleme usled povreda usled padova, osteoporoze ili mnogih drugih zdravstvenih problema.
Dok istraživači razumeju široke uzroke atrofije, oni nastavljaju da istražuju osnovne mehanizme i faktore koji doprinose atrofiji mišića i kostiju izazvanoj mikrogravitacijom. Mnoga istraživanja se fokusiraju na određivanje prave kombinacije ishrane, vežbanja i lekova kako bi astronauti bili zdravi tokom misija i kada se vrate na Zemlju ili kroče na Mesec ili Mars.
Svaki astronaut na svemirskoj stanici angažuje mišiće, kosti i druga vezivna tkiva koja čine njihov mišićno-skeletni sistem koristeći režime vežbanja slične Zemlji. Posada vežba u proseku dva sata dnevno.
Astronauti su decenijama vozili bicikl na stacionarnim biciklima i trčali na trakama za trčanje u svemiru. Jedna od prvih misija na svemirskoj stanici je letela TVIS-om, trakom za trčanje sa uprtačem koji drži korisnika vezan za mašinu i dodaje neku silu nalik gravitaciji. Trenutni deo opreme pod nazivom ARED omogućava astronautima da imitiraju dizanje tegova u mikrogravitaciji. NASA-ini astronauti Bob Hines i Kjell Lindgren rade na naprednom uređaju za vežbanje otpora (ARED). Kredit: NASA
Nažalost, ove mašine su prevelike da bi se ukrcale u svemirsku letelicu za dugotrajan let u svemir gde je prostor na prvom mestu. Dakle, naučnici su radoznali: da li bi vežbe koje koriste minimalnu opremu ili nikakvu opremu mogle da obezbede adekvatnu fizičku aktivnost dok zauzimaju manje prostora?
Jedna studija posebno ima za cilj da otkrije. Za Zero T2 eksperiment, neki astronauti ne koriste traku za trčanje i umesto toga jednostavno izvode aerobne vežbe i vežbe otpora. Istraživači planiraju da uporede njihove mišićne performanse i oporavak sa svojim kolegama iz posade koji su koristili traku za trčanje.
Motivacija za vežbanje je velika prepreka i na Zemlji i na svemirskoj stanici. Dva sata ili više vežbanja dnevno je veliki deo vremena. VR for Ekercise se fokusira na razvoj okruženja virtuelne realnosti kroz koje astronauti mogu da pedaliraju dok su na stacionarnom biciklu za vežbanje. To je više nego samo drugačiji pogled — stvaranje impresivnog iskustva pomaže astronautima da uživaju u vremenu vežbanja.
Pored testiranja samog režima vežbanja, istraživači žele da razumeju kako telo doživljava vežbu u mikrogravitaciji. Vežbanje celog tela utiče na ceo mišićno-skeletni sistem. ARED Kinematics analizira kako naprezanje mišića, stres kostiju i drugi unutrašnji faktori utiču na telo dok vežbate u mikrogravitaciji.
Merenje tela tokom vežbi u svemiru može pomoći naučnicima da shvate kako astronauti treba da prilagode vežbe u mikrogravitaciji da bi sačuvali i optimizovali svoje zdravlje tokom dugotrajnih misija svemirskih letova. Istraživači su otkrili da vežbanje pre leta poboljšava performanse na stanici, baš kao što trening pred sezonu pomaže sportistima u kasnijim takmičenjima. Istraga ima za cilj utvrđivanje optimalnih programa vežbi za pripremu astronauta pre misije, ograničavanje efekata mikrogravitacije tokom misije i omogućavanje bezbednog i brzog oporavka posle leta.
Potraga za tretmanima za atrofiju kostiju u svemiru preklapa se sa istraživanjem gubitka kostiju povezanih sa osteoporozom na Zemlji. Neki eksperimenti, poput snage pršljenova, snimaju detaljne snimke kostiju i mišića astronauta koji podržavaju kičmeni stub pre i posle leta, pružajući istraživačima informacije o ukupnoj mišićno-skeletnoj snazi.
Lekovi koji se koriste za sprečavanje gubitka kostiju na Zemlji, kao što su inhibitori miostatina, takođe mogu uspešno sprečiti gubitak kostiju i mišića i kod astronauta i kod životinjskih modela u svemiru. Istraživanje glodara 19 (RR-19) testiralo je ovaj lek tokom svemirskog leta. Razvijanje lekova za lečenje gubitka koštane mase moglo bi da koristi ljudima na Zemlji, kao i da obezbedi kontramere za one koji su u dugotrajnim svemirskim misijama.
Čipovi tkiva su mali uređaji koji imitiraju složene funkcije određenih tkiva i organa. Umesto da donesu ceo organ na proučavanje u svemir, istraživači mogu da pošalju mali uzorak u ručnom uređaju. Jedan eksperiment sa čipom tkiva, Human Muscle-on-Chip, koristio je 3D model mišićnih vlakana stvorenih od mišićnih ćelija mladih i starijih odraslih osoba za proučavanje promena mišićne funkcije u mikrogravitaciji. Električni impulsi izazivaju kontrakciju tkiva, baš kao i mišići u našem telu kada ih koristimo.
Istraživači su otkrili smanjenu ekspresiju gena vezanih za rast mišića i metabolizam u mišićnim ćelijama izloženim svemiru, sa razlikama zasnovanim na starosti pojedinaca od kojih su uzorci tkiva došli. Rad je sada objavljen u časopisu npj Micrograviti.
Razumevanje kako sprečiti i lečiti atrofiju mišića i gubitak kostiju je posebno važno jer NASA planira misije na Mesec i Mars. Kada stignu, astronauti će možda morati da izvedu napornu aktivnost u delimičnoj gravitaciji nakon dugo vremena u skoro bestežinskom stanju.
CIPHER je integrisani eksperiment koji meri psihološke i fiziološke promene — uključujući gubitak kostiju i mišića — kod članova posade na misijama u trajanju od nekoliko nedelja do godinu dana. Kako NASA postavlja ciljeve ili duže misije dublje u svemir, naučnici žele da znaju: Da li duge misije menjaju fizička tela astronauta više od kraćih misija? Da li promene na određenim sistemima postaju plato nakon određenog vremena u svemiru? Da li neke promene utiču na različite biološke sisteme? NASA-i su potrebni takvi podaci da najbolje pripremi astronaute za postizanje ciljeva istraživanja agencije.
Preko CIPHER-a, NASA može da sprovede isto istraživanje u misijama različitog trajanja. Ovo omogućava naučnicima da ekstrapoliraju na višegodišnje misije, kao što je trogodišnji povratni put na Mars. Nalazi bi mogli biti ključni za razvoj zaštitnih strategija i zaštitu članova posade za istraživačke misije na Mesec i Mars.
Proučavanje gubitka kostiju i mišića na svemirskoj stanici unapređuje razvoj strategija koje čuvaju svemirske putnike bezbednim i tretmane za ljude na Zemlji sa atrofijom kostiju i mišića povezanih sa bolestima i godinama.
