Powodzenie i przebieg lotu kosmicznego oraz stopień wpływu lotu na organizm ludzki zależą przede wszystkim od pięciu zagrożeń, na które narażeni są astronauci. Mówi się nawet o teorii „5 zagrożeń w kosmosie” . Oprócz zmienionej grawitacji i promieniowania kosmicznego, izolacja jest uważana za ważne zagrożenie wpływające na profil behawioralny i samopoczucie członków załogi. Dwa pozostałe zagrożenia: zależność od statku kosmicznego i odległość od Ziemi wymagają intensywnych badań w celu zapewnienia bezpieczeństwa misji kosmicznych.
- Zwiększone zainteresowanie podróżami kosmicznymi wymaga ciągłych badań nad ich wpływem na ludzi. Podbój kosmosu jest wielkim i trudnym wyzwaniem, ale nie brakuje ochotników chętnych do jego podjęcia, pomimo wielu udokumentowanych zagrożeń. Z wielką determinacją dążą oni do zbadania przestrzeni kosmicznej jako miejsca, w którym ludzie mogliby się osiedlić, a także miejsca pozyskiwania nowych surowców. Dlatego też w ostatnich latach eksploracja kosmosu stała się bardzo modna wśród międzynarodowych i prywatnych inwestorów - mówi dr hab. n. med. i n. o zdr. Marcin Tomsia Adiunkt badawczo-dydaktyczny, Katedra i Zakład Medycyny Sądowej i Toksykologii Sądowo-Lekarskiej, Śląskiego Uniwersytetu Medycznego, który wraz ze studentami z Koła Naukowego przy Katedrze i Zakładzie Medycyny Sądowej i Toksykologii Sądowo-Lekarskiej SUM napisali artykuł jak na organizm człowieka wpływają loty w kosmos. Zwłaszcza te długotrwałe. Sławosz Uznański - Wiśniewski, nasz drugi po Mirosławie Hermaszewskim kosmonauta w przestrzeni kosmicznej będzie przebywał dwa tygodnie i, mamy nadzieję, ominą go zdrowotne problemy.
Ale zdaniem autorów niezbędne jest stworzenie kompleksowych, zindywidualizowanych strategii żywieniowych i schematów ćwiczeń dla astronautów, aby chronić ich przed szkodliwymi zmianami metabolicznymi, zwłaszcza, że podróże w Kosmos, będą coraz częstsze.
Naukowcy podkreślają, że osiągnięcie pełnego zrozumienia wpływu przebywania w przestrzeni kosmicznej na ludzi będzie wymagało przeprowadzenia szeregu eksperymentów i szeroko zakrojonej współpracy naukowej, badawczej i inżynieryjnej w specjalnie utworzonych ośrodkach szkoleniowych i szpitalach medycyny kosmicznej. Jednocześnie większa dostępność podróży pozaziemskich sprawi, że grupa badawcza znacznie się powiększy. Zanim jednak do tego dojdzie, należy położyć duży nacisk na badania przesiewowe w celu wyeliminowania znanych nam obecnie zagrożeń.
Głównymi czynnikami zmieniającymi funkcjonowanie ludzkiego organizmu w przestrzeni kosmicznej są mikrograwitacja (rozumiana jako warunki z minimalnym przyspieszeniem grawitacyjnym) oraz ekspozycja na promieniowanie kosmiczne.
W związku z szybkim postępem inżynierii i technologii kosmicznej oraz rosnącą popularnością komercyjnych lotów kosmicznych, kluczowe wydaje się dokładne zbadanie wpływu środowiska kosmicznego na organizm człowieka. Wiedza na temat rodzaju adaptacji poszczególnych tkanek i narządów do środowiska kosmicznego pozwoliłaby na opracowanie metod zapobiegających negatywnym skutkom długotrwałego przebywania w przestrzeni kosmicznej, co jest niezbędne dla przyszłego postępu technologii kosmicznych. Potrzeba badania wpływu długotrwałych lotów kosmicznych na organizm ludzki jest silna, ponieważ opracowywane są nowe środki zaradcze w celu radzenia sobie z niekorzystnymi zdarzeniami zdrowotnymi występującymi podczas i po misji kosmicznej. Niekorzystny wpływ środowiska kosmicznego na układ sercowo-naczyniowy polega głównie na zmniejszonej tolerancji wysiłku i sprawności fizycznej. Jednak największymi zagrożeniami dla ludzkiego organizmu są nietolerancja ortostatyczna (spadek ciśnienia krwi ) i zmieniony rytm elektryczny serca wynikający ze zmienionego pola grawitacyjnego. Podczas lotu kosmicznego objętość krążącej krwi znacznie się zmniejsza, co skutkuje zmniejszoną objętością wyrzutową i ciśnieniem krwi oraz kompensacyjnym wzrostem częstości akcji serca. Szacuje się, że tolerancja wysiłku astronauty jest równa wydajności osoby prowadzącej siedzący tryb życia.
Analiza częstości akcji serca i ciśnienia krwi podczas lotów kosmicznych i stanu nieważkości wskazuje, że układ naczyniowy dostosowuje się do tych warunków poprzez rozluźnienie. Przebywanie w przestrzeni kosmicznej przez okres do 6 miesięcy powoduje spadek częstości akcji serca, ciśnienia tętniczego i ciśnienia tętna, a zmiany te mają charakter progresywny. W przypadku astronauty przebywającego w przestrzeni kosmicznej częstość akcji serca zmniejszyła się o 176 ms, co przełożyło się na 20% spadek akcji serca. Zmiany te mają kluczowe znaczenie dla osób powracających z kosmosu do warunków ziemskich, które po powrocie doświadczają nietolerancji ortostatycznej.
Zmienność rytmu serca podczas długotrwałego pobytu w przestrzeni kosmicznej jest cennym wskaźnikiem adaptacji ludzkiego organizmu do długotrwałego przebywania w stanie mikrograwitacji. Długotrwały pobyt w przestrzeni kosmicznej wywołuje zmienność rytmu snu i czuwania oraz zmiany w aktywności układu autonomicznego. Podczas czuwania wzrasta aktywność przywspółczulnego układu nerwowego, co znajduje odzwierciedlenie w obniżonym średniej liczbie uderzeń serca na minutę. Zmiana struktury i przebudowa mięśnia sercowego jest kolejnym klinicznie ważnym skutkiem przebywania w warunkach mikrograwitacji. Przebudowa serca po lotach kosmicznych skutkuje zaburzeniami rytmu i różnego rodzaju zaburzeniami pracy serca, prowadząc nawet do nagłego zatrzymania krążenia.
Zmniejszona grawitacja może powodować gromadzenie się płynów w płucach, prowadząc do zmniejszenia pojemności płuc i trudności w oddychaniu. Zmiany ciśnienia atmosferycznego prowadzą do powstawania pęcherzyków powietrza w płucach, powodując ból i trudności w oddychaniu. Badania nad wpływem podróży kosmicznych na płuca wskazują, że płuca dobrze przystosowują się do zmienionego środowiska. Choroba dekompresyjna (DCS) jest główną przeszkodą w prawidłowym funkcjonowaniu układu oddechowego w przestrzeni kosmicznej. DCS jest wskazywana jako jedno z najważniejszych zagrożeń dla ludzi w kosmosie, wynikające z zamkniętego środowiska i architektury pojazdu kosmicznego.
Jednym z głównych problemów w kontekście długotrwałej ekspozycji na promieniowanie kosmiczne jest rak płuc. Badania na myszach wykazały związek między ekspozycją na promieniowanie kosmiczne, a rozwojem raka płuc.
Ważną kwestią dla płuc funkcjonujących na powierzchni pozaziemskiej jest długotrwała ekspozycja na pył i różne wdychane cząsteczki. Na Księżycu cząsteczki pyłu mogą być uwalniane w wyniku naturalnych procesów, takich jak uderzenia meteoroidów i wynoszenie elektrostatyczne, lub mogą być wzniecane przez ludzkie wysiłki eksploracyjne. „Spacery” po powierzchni Księżyca, wiążą się z zaburzeniami układu przedsionkowego. Astronauci na początkowych etapach misji kosmicznej mają standardowe mechanizmy ucha wewnętrznego.
Problemy z synchronizacją ruchów obserwowane wśród członków załogi podczas aktywności mogą sugerować zmiany w strukturze i funkcji móżdżku odpowiedzialnej za koordynację i kontrolę ruchów precyzyjnych. Prowadzi to do zawrotów głowy, dezorientacji przestrzennej i niestabilności postawy.
Kosmiczna choroba lokomocyjna (SMS) jest jednym z najbardziej niepokojących zjawisk dla astronautów i przyszłych turystów kosmicznych. Może objawiać się sennością, wymiotami, nudnościami oraz wyczerpaniem psychicznym i fizycznym. Nasilenie tych niepożądanych objawów najprawdopodobniej w pewnym stopniu zależy od predyspozycji genetycznych i różnic międzyosobniczych uczestników lotu. Zespół neuro-okulistyczny związany z lotem kosmicznym reprezentuje kombinacje zmian neuro-okulistycznych spowodowanych zwiększonym ciśnieniem wewnątrzczaszkowym i wewnątrzgałkowym. Zmiany te najczęściej obejmują obrzęk tarczy nerwu wzrokowego, spłaszczenie gałki ocznej, pojawienie się fałdów naczyniówki i siatkówki oraz ogniska zmian niedokrwiennych siatkówki. Zaburzenia widzenia bliskiego pola zaobserwowano również jako część zespołu nerwowo-ocznego związanego z lotami kosmicznymi.
Po wejściu do środowiska mikrograwitacji zmysł wzroku początkowo przejmuje kontrolę. Prowadzi to do błędnego określania orientacji przestrzennej, wielkości obiektów i złudzeń optycznych. Niektórzy astronauci zgłaszają oscylopsję (iluzoryczny ruch pola widzenia) podczas ruchu, podobną do objawów wad.
Promieniowanie kosmiczne jest jednym z największych zagrożeń dla ludzkiego układu nerwowego w przestrzeni kosmicznej. Ekspozycja na naładowane cząstki o wysokiej energii pochodzące z galaktycznych promieni kosmicznych może zwiększać ryzyko chorób neurodegeneracyjnych i przedwczesnego starzenia się. Astronauci i przyszli turyści kosmiczni, zwłaszcza z bardziej podatnych grup, takich jak dzieci i kobiety w ciąży, są bardziej narażeni na rozwój złośliwych guzów mózgu. Szacuje się, że promieniowanie kosmiczne ma znacznie większe właściwości jonizujące niż promieniowanie jonizujące stosowane w medycynie do leczenia raka. Bardzo wysokie dawki promieniowania (o wartościach wyższych niż te, na które astronauci są obecnie narażeni) wywołują martwicę istoty białej.
Ponieważ astronauci rekrutują się z różnych kultur i narodowości, ekstremalne sytuacje podczas misji kosmicznych mogą prowadzić do konfliktów interpersonalnych i negatywnie wpływać na zdrowie i samopoczucie członków załogi. Astronauci często doświadczają zaburzeń rytmu okołodobowego, zaburzeń snu i czuwania lub bezsenności, co skutkuje zaburzeniami nastroju, drażliwością i zwiększonym poziomem stresu związanym z obciążeniem pracą. Wszechobecna deprywacja snu jest główną przyczyną farmakoterapii uczestników misji. Odpowiednia długość i jakość snu jest niezbędna do utrzymania dobrego samopoczucia i maksymalnej wydajności astronautów. Zaburzenia behawioralne obserwowane podczas misji kosmicznych i ich naziemnych odpowiedników (np. pobyt na stacji badawczej na Antarktydzie) mogą również obejmować zaburzenia depresyjne, zaburzenia związane z traumą (np. zespół stresu pourazowego), zaburzenia związane z narkotykami, spektrum schizofrenii i inne zaburzenia psychotyczne. Ogólnie rzecz biorąc, stan psychiczny członków misji kosmicznej ma kluczowe znaczenie dla przebiegu i powodzenia całej misji kosmicznej.
Podróże kosmiczne wiążą się z pogorszeniem, a nawet ryzykiem całkowitej utraty słuchu, ponieważ środowisko grawitacyjne zmienia sposób funkcjonowania obwodowego układu słuchowego oraz transmisji i propagacji sygnałów dźwiękowych. Wiele czynników może przyczyniać się do pogorszenia funkcji słuchu: przewlekła ekspozycja na hałas i wibracje, zmiany w dystrybucji płynów w warunkach mikrograwitacji lub zmiany poziomu gazów na stacji kosmicznej, takie jak podwyższony poziom dwutlenku węgla, a także czynniki indywidualne, takie jak predyspozycje genetyczne, wiek i płeć. Co więcej, podwyższony poziom dwutlenku węgla zwiększa ryzyko niedotlenienia, które wpływa na funkcjonowanie innych narządów. Co więcej, intensywna ekspozycja na dwutlenek węgla i utrata słuchu to dwa poważne zagrożenia wskazane w „wielkiej piątce zagrożeń w kosmosie” jako wynikające ze specyfiki lotów kosmicznych i konstrukcji statków kosmicznych. Testy słuchu u członków załogi wykazują różnice w progach słuchu między mężczyznami i kobietami, przy czym kobiety prezentują lepsze wyniki. Ponieważ zmysł węchu odpowiada aż za 75%-95% percepcji smaku żywności, zmiany w percepcji zapachu mają znaczący wpływ na wrażenia sensoryczne związane z szeroko pojętym „smakiem”. Warunki panujące w przestrzeni kosmicznej mogą wpływać na postrzegany smak żywności. Ponieważ dieta astronautów i przetwarzanie żywności na potrzeby lotów kosmicznych są wysoce specyficzne, niedobory zapachu i smaku mogą prowadzić do niewystarczającego spożycia żywności i rozwoju tak zwanej „anoreksji kosmicznej”, ale ze względu na małą próbę badawczą i niedobór badań hipoteza ta wymaga dalszej oceny. Co ciekawe, hałas i ciśnienie atmosferyczne mogą również wpływać na percepcję smaku. Badania wykazały, że biały szum na poziomie 75-85 dB pogarsza percepcję słodyczy i solanek, podczas gdy niskie ciśnienie atmosferyczne zwiększa progi smaku i zapachu.
Układ mięśniowo-szkieletowy jest jednym z najszerzej badanych układów ludzkiego ciała w kontekście lotów kosmicznych. Według „5 dużych zagrożeń w kosmosie”, zmienione pole grawitacyjne jest ściśle związane zarówno ze zwiększonym ryzykiem złamań kości, jak i spadkiem masy i siły mięśni . Spadek wytrzymałości astronautów jest powiązany z długością misji, indywidualną reakcją na zmienioną grawitację, skutecznością środków zaradczych i stanem przed misją. Mikrograwitacja, promieniowanie kosmiczne, nieważkość i inne elementy środowiska kosmicznego również miałyby duży wpływ na prawidłowe funkcjonowanie układu pokarmowego podczas długoterminowych misji kosmicznych. Np. wyliczona częstość występowania chorób i urazów układu pokarmowego podczas 180-dniowych i 1000-dniowych misji na Marsa wynosi 0,05 na osobo-rok. Jednak zaburzenia trawienia wynikające z przebywania w przestrzeni kosmicznej mogą powodować długotrwałe skutki zagrażające zdrowiu i życiu astronautów. Możemy między innymi zaobserwować zmiany w morfologii wątroby prowadzące do wczesnego wystąpienia niealkoholowej stłuszczeniowej choroby wątroby lub nowotworów spowodowanych promieniowaniem. Ponieważ warunki panujące w przestrzeni kosmicznej wpływają na funkcjonowanie każdego narządu przewodu pokarmowego, konieczne jest zwrócenie szczególnej uwagi na zapewnienie metod zapobiegania i leczenia zaburzeń żołądkowo-jelitowych spowodowanych ekspozycją na przestrzeń kosmiczną. Niektóre z najbardziej priorytetowych zagrożeń dla ludzi w kosmosie w Programie Badań nad Ludźmi NASA obejmują ryzyko zachorowania na raka i niewłaściwe odżywianie, które są ściśle związane z funkcjonowaniem układu pokarmowego podczas długotrwałych lotów kosmicznych.
Kolejnym ważnym aspektem w kontekście zdrowia i funkcjonowania astronautów w warunkach długotrwałych misji kosmicznych jest ekspozycja na promieniowanie kosmiczne, powodujące mutacje genetyczne i nowotwory. Badania na modelach mysich wykazały, że ekspozycja na promieniowanie o wysokich i niskich dawkach energetycznie ciężkich jonów znacząco zwiększa częstość występowania nowotworów przewodu pokarmowego i ich stopień zaawansowania. Co więcej, częstość występowania i wielkość guza nie korelują z dawką, co wskazuje, że energetycznie ciężkie jony zachowują potencjał onkogenny niezależnie od mocy dawki. Promieniowanie o wysokim liniowym transferze energii, na które narażeni są astronauci, powoduje również zaburzenia metaboliczne i uszkodzenia popromienne układu pokarmowego.
Badania wykazały też, że astronauci mają zmniejszoną liczbę komórek odpornościowych, zwiększony stan zapalny i zmniejszoną zdolność do zwalczania infekcji. Dodatkowo, astronauci mogą doświadczać zwiększonego poziomu stresu oksydacyjnego, co prowadzi do dalszych dysfunkcji układu odpornościowego. Zmiany te można przypisać zmienionej grawitacji, ekspozycji na promieniowanie, stresowi i innym czynnikom związanym z lotami kosmicznymi.
Ostatnie badania pokazują, że warunki mikrograwitacji wywołują spadek poziomu hormonu wzrostu, hormonu adrenokortykotropowego i noradrenaliny. Szkodliwe skutki promieniowania galaktycznego wiążą się również ze zwiększonym ryzykiem nieprawidłowości w męskim i żeńskim układzie rozrodczym. Komórki rozrodcze wydzielane w jajnikach i jądrach są niezwykle podatne na promieniowanie i procesy mutacyjne.
- Niewątpliwie „podbój” Kosmosu jest faktem. Musimy jednak wprowadzić skuteczne zapobieganie chorobom wynikających z kosmicznych podróży - mówi dr hab. n. med. Marcin Tomsia
(tekst powstał na podstawie artykułu naukowców Śląskiego Uniwersytetu Medycznego, który ukazał się w prestiżowym czasopiśmie Frontiersin).
Tomsia M, Cieśla J, Śmieszek J, Florek S, Macionga A, Michalczyk K and Stygar D (2024) Long-term space missions’ effects on the human organism: what we do know and what requires further research. Front. Physiol. 15:1284644. doi: 10.3389/fphys.2024.1284644
https://www.frontiersin.org/journals/physiology/articles/10.3389/fphys.2024.1284644/full
Dane wysyłającego:
Agata Pustułka
