Длительные космические полеты могут оказать глубокое воздействие на организм человека - от потери мышечной массы до повышения риска образования тромбов.
Люди надеются колонизировать Марс в ближайшем будущем. Но как повлияют на организм человека длительные космические полеты, необходимые для того, чтобы добраться туда?
Наш биологический вид эволюционировал, чтобы процветать на Земле, в пределах ее защитной атмосферы и гравитационного притяжения, а не для того, чтобы выживать в уникальных космических условиях за пределами нашей планеты. Некоторые ученые даже предположили, что для посещения других планет человечеству, возможно, потребуется изменить свою ДНК, чтобы повысить устойчивость к космическим полетам.
Многие аспекты освоения космоса вредны для здоровья человека. Одним из самых серьезных препятствий на пути к длительным космическим полетам является микрогравитация - состояние почти полной невесомости, в котором астронавты плавают и могут с легкостью перемещать тяжелые предметы по воздуху. Еще одной проблемой является космическая радиация, или частицы высокой энергии, которые перемещаются в космосе почти со скоростью света. Не говоря уже о многих рисках, которые могут возникнуть при длительной изоляции и в тесных помещениях космического корабля.
1. Потеря мышечной массы
Движения с отягощением необходимы для роста и поддержания мышц в тонусе. В условиях невесомости мышцы получают слишком мало стимулов и начинают быстро слабеть и изнашиваться. Астронавты могут потерять до 20% своей мышечной массы, проведя в условиях микрогравитации всего пять дней.
Потеря мышечной массы в космосе происходит в основном в частях тела, ответственных за ходьбу и поддержание осанки, таких как нижние конечности и туловище. Исследования показывают, что это явление является прямым результатом того, что мышечные клетки вырабатывают меньше белков, а не деградации существующих мышечных волокон.
2. Потеря костной массы
Человеческий скелет также зависит от упражнений с отягощениями для поддержания своей массы и плотности. Астронавты, проведя в космосе шесть и более месяцев, могут страдать от потери костной массы в течение десятилетий, что делает их более склонными к переломам костей и остеопорозу.
Интересно, что воздействие микрогравитации на конкретные кости может зависеть от их расположения в организме. Согласно метаанализу, кости нижних конечностей и поясничного отдела позвоночника могут терять до 1% массы в месяц, который человек проводит в космосе, в то время как плотность костей черепа может увеличиваться. Авторы мета-анализа отметили, что в космосе нет силы, притягивающей тело и его внутренние жидкости к Земле, что, в свою очередь, может повлиять на распределение факторов, контролирующих формирование костной ткани.
Согласно обзору 1995 года, опубликованному в журнале Acta Astronautica, поскольку костная ткань в космосе быстро разрушается, в кровь может поступать большое количество минералов, что повышает риск гиперкальциемии (избыточного уровня кальция), что, в свою очередь, может привести к образованию камней в почках.
3. Проблемы со зрением
Глаза, несомненно, являются одними из самых чувствительных и сложных органов в человеческом организме, поэтому неудивительно, что полет в космос может оказать вредное воздействие на наши глаза и зрение в целом. Например, нервы, которые отходят от задней части глаза, могут изменяться в условиях микрогравитации, а затем деформироваться при возвращении к земной гравитации.
На зрение также влияют несколько факторов, включая земное притяжение. Согласно обзору 2009 года, опубликованному в журнале Annals of the New York Academy of Sciences, гравитационные силы помогают удерживать глазные яблоки в правильном положении и позволяют им поворачиваться в глазницах. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Human Physiology в 2006 году, в условиях микрогравитации эти движения глаз могут нарушаться. Исследователи обследовали астронавтов, принимавших участие в длительных полетах на Международной космической станции, до и после их полетов. Они обнаружили, что длительные периоды пребывания в условиях микрогравитации приводят к значительному изменению точности и скорости вращения глаз, что, в свою очередь, может ухудшить способность астронавтов визуально отслеживать объекты, пишут авторы исследования.
Длительное воздействие микрогравитации также может привести к дегенеративному состоянию, называемому нервно-глазным синдромом, связанным с космическим полетом, симптомы которого включают уплощение глазного яблока, белые высыпания на внутреннем слое глаза, известные как "пятна ваты", и другие повреждения тканей в различных частях глаза.
4. Боль в спине
Астронавты часто жалуются на боли в спине после возвращения домой из длительных космических полетов. Причиной этих болей является микрогравитация и ее глубокое воздействие на позвоночник человека.
Земное притяжение удерживает позвоночный столб сжатым и в его типичной, слегка изогнутой форме. В условиях микрогравитации позвоночный столб удлиняется и несколько выпрямляется. Астронавты могут "вырасти" до трех дюймов (7,6 сантиметра) в условиях невесомости.
Позвоночник человека гибкий, поэтому кратковременные полеты в космос вряд ли могут привести к серьезным повреждениям. Однако длительное пребывание в условиях микрогравитации может ослабить мышцы, поддерживающие позвоночник. Кроме того, невесомость может привести к дегенерации их межпозвоночных дисков - амортизирующих подушек, расположенных между позвонками, говорится в обзоре за 2023 год, опубликованном в журнале Frontiers in Physiology.
Дегенерация межпозвонковых дисков в пространстве, по-видимому, вызвана потерей воды. При нормальной силе тяжести позвоночник сжимается, что приводит к оттоку воды из межпозвонковых дисков в течение дня. Во время сна в горизонтальном положении гравитационная нагрузка снижается, и диски могут восстанавливать гидратацию. Этот оборот позволяет диску поддерживать оптимальный уровень гидратации и, таким образом, сохранять свою структуру и функциональность. Однако в условиях микрогравитации эти суточные колебания теряются, пишут авторы обзора.
5. Снижение иммунитета
Космическая радиация, микрогравитация и общий физический и психический стресс, связанные с космическими путешествиями, могут ослабить иммунную систему астронавтов и, таким образом, сделать их более восприимчивыми к инфекциям и системным заболеваниям.
Длительное воздействие микрогравитации может уменьшить количество и функцию макрофагов, типа белых кровяных телец, которые убивают вредные микробы и регулируют действие других клеток иммунной системы. Невесомость оказывает глубокое влияние на метаболизм, рост и размножение макрофагов, а также на способы коммуникации между макрофагами и остальной иммунной системой организма.
Кроме того, исследование, опубликованное в журнале Frontiers in Immunology в 2023 году, предполагает, что активность генов лейкоцитов — иммунных клеток, которые патрулируют организм и вырабатывают антитела, — снижается у астронавтов на борту Международной космической станции. Примерно через месяц после возвращения на Землю активность генов клеток нормализуется.
Более того, все больше данных указывают на то, что в условиях невесомости различные виды микробов могут вызывать более тяжелые заболевания и становиться устойчивыми к лечению, хотя в основном это было показано в лабораторных исследованиях, согласно обзору за 2021 год, опубликованному в журнале Life.
6. Повышенный риск образования тромбов
Как и любая другая мышца, сердце, чтобы оставаться сильным и функциональным, полагается на постоянное воздействие земного притяжения. Гравитация притягивает кровь в организме вниз, к центру планеты, заставляя сердце сокращаться достаточно сильно, чтобы продвигать кровь вверх по телу. Воздействие микрогравитации приводит к тому, что со временем сердце астронавтов может стать меньше.
Но сокращение сердца - не единственное потенциальное воздействие длительных космических полетов на сердечно-сосудистую систему человека: появляется все больше доказательств того, что микрогравитация может также увеличить риск образования опасных тромбов.
Исследования показывают, что этот риск может возникнуть из-за того, что микрогравитация связана со снижением кровотока по всему телу и повышенным содержанием факторов свертывания крови. Кроме того, невесомость может вызвать дисфункцию в тканях, выстилающих кровеносные сосуды, что теоретически повышает риск образования тромбов во время космического полета, говорится в обзоре за 2021 год, опубликованном в журнале Experimental Physiology.
7. Повреждение ДНК
Астронавты сталкиваются с повышенным риском повреждения ДНК, главным образом из-за воздействия космической радиации и микрогравитации. Заряженные частицы космических лучей могут прямо или косвенно повреждать нити ДНК, вызывая образование свободных радикалов, типа нестабильных молекул. С другой стороны, микрогравитация может нарушать естественные процессы восстановления ДНК, что еще больше увеличивает риск генетических мутаций.
Уникальные условия на борту космического корабля, такие как частый контакт с токсичными химическими веществами (например, частицами пыли, покрывающими поверхность небесных объектов или определенных компонентов космического аппарата) и недостаток свежего воздуха, также могут усугубить это вредное воздействие. Таким образом, дальние космические полеты могут привести к накоплению генетических мутаций, увеличивая риск развития рака, муковисцидоза, серповидноклеточной анемии и других неблагоприятных последствий для здоровья.
8. Изменения в структуре и активности мозга
Длительные космические полеты могут "перестроить" мозг астронавтов. Движущей силой этого эффекта, вероятно, является микрогравитация.
Невесомость приводит к тому, что спинномозговая жидкость — водянистая субстанция, которая смягчает и обеспечивает питательными веществами головной и спинной мозг — перемещается. Это, в свою очередь, может изменить форму и вес белого и серого вещества мозга. Изменения в структуре и активности мозга могут сохраняться еще несколько месяцев после возвращения астронавтов на Землю. В то же время ученые точно не уверены, насколько пагубными эти изменения могут быть для здоровья человека.