Ғарыш сапарының адам денсаулығына әсері

Кіріспе

Ғарышқа ұшумен байланысты медициналық мәселелер, ғарышқа ұшудың адамдарға тигізетін медициналық салдары

Ғарышқа ұшудың адам ағзасына тигізетін әсері күрделі және қысқа және ұзақ мерзімді кезеңдерде көбінесе зиянды болады. Ұзақ уақыт бойы салмақсыздықтан туындайтын маңызды жағымсыз әсерлерге бұлшық ет атрофиясы және сүйек жүйесінің нашарлауы (ғарыш ұшу остеопениясы) жатады. Басқа да маңызды әсерлерге – қан айналымы жүйесінің жұмысын баяулау, қызыл қан клеткаларының өндірісінің азаюы (ғарыштық анемия), дененің тепе-теңдігінің бұзылуы, көру қабілетінің нашарлауы және иммундық жүйенің өзгеруі кіреді. Қосымша симптомдарға – сұйықтықтың қайта бөлінуі (астронавттардың салмақсыздық жағдайындағы суреттерінде көрінетін "ай беті" пішініне әкеледі), дене салмағының төмендеуі, мұрынның бітілуі, ұйқының бұзылуы және ішек газдарының артуы жатады. Жалпы алғанда, NASA ғарышқа ұшудың адам ағзасына тигізетін барлық зиянды әсерлерді RIDGE аббревиатурасымен белгілейді (яғни, "ғарыш радиациясы, оқшаулану және шектелу, Жерден алыстық, гравитациялық өрістер және қауіпті және жабық орта"). 2019 жылдың 12 сәуірінде NASA Astronaut Twin Study зерттеуінің медициналық нәтижелерін жариялады, онда бір астронавт егізі Халықаралық ғарыш станциясында бір жыл, ал екіншісі Жерде бір жыл өткізді. Салыстыру нәтижесінде ДНК және танымдық қабілеттердегі өзгерістер сияқты бірнеше ұзақ мерзімді өзгерістер анықталды. 2019 жылдың қарашасында зерттеушілер 11 сау астронавтқа жүргізілген алты айлық зерттеуге сүйене отырып, Халықаралық ғарыш станциясында болған кезде астронавттарда қан ағыны мен қан ұюына қатысты мәселелер туындағанын хабарлады. Зерттеушілердің пікірінше, бұл нәтижелер ұзақ мерзімді ғарышқа ұшуға, соның ішінде Марс планетасына жоспарланған миссияға әсер етуі мүмкін.

Физиологиялық әсерлері

Адамдар ғарышқа ұшу кезінде кездесетін көптеген қоршаған орта жағдайлары адамдар эволюциялаған жағдайлардан өте өзгеше; алайда, ғарыш кемесі немесе ғарыш костюмі сияқты технологиялар адамдарды ең қиын жағдайлардан қорғай алады. Тыныс алуға қажетті ауа мен ішуге жарамды су өмірді сақтау жүйесімен қамтамасыз етіледі, бұл ғарыш кеңістігінде адамдардың тірі қалуына мүмкіндік беретін құрылғылар жиынтығы. Өмірді сақтау жүйесі ауа, су және тағаммен қамтамасыз етеді. Ол сонымен қатар температура мен қысымды қалыпты шекте ұстап тұруы және организмнің қалдық өнімдерін жоюы керек. Радиация және микрометеориттер сияқты зиянды сыртқы факторлардан қорғану да қажет. Салмақсыздық, микрогравитациялық орта деп те аталатын, кейбір қауіптерді жеңілдету қиын. Мұндай ортада өмір сүру организмге үш маңызды жолмен әсер етеді: проприоцепцияның жоғалтылуы, сұйықтықтардың таралуындағы өзгерістер және бұлшықет-сүйек жүйесінің нашарлауы. 2017 жылдың 2 қарашасында ғалымдар МРТ зерттеулеріне сүйене отырып, ғарышқа сапар жасаған астронавттардың миының орналасуы мен құрылымында маңызды өзгерістер анықталғанын хабарлады. Ұзақ ғарыш сапарларына шыққан астронавттарда мидағы өзгерістер көбірек болды. 2018 жылдың қазан айында NASA қаржылаған зерттеушілер ғарышқа ұзақ сапарлар, соның ішінде Марс планетасына сапарлар, астронавттардың асқазан-ішек тіндеріне айтарлықтай зиян келтіруі мүмкін екенін анықтады. Бұл зерттеулер бұрынғы жұмыстарды растайды, олар мұндай сапарлар астронавттардың миына елеулі зақым келтіріп, оларды ертерек қартайтатынын көрсеткен. 2019 жылдың наурыз айында NASA адамдардағы жасырын вирустар ғарыш миссиялары кезінде белсендірілуі мүмкін екенін, бұл болашақ терең ғарыш миссияларында астронавттар үшін қосымша тәуекел тудыруы мүмкін екенін хабарлады.

Зерттеу

Ғарыш медицинасы – ғарыш кеңістігінде өмір сүретін астронавттардың денсаулығын зерттейтін, дамып келе жатқан медициналық сала. Осы ғылыми ізденістің басты мақсаты – адамдардың ғарыштағы қатал жағдайларда қаншалықты жақсы және қанша уақытқа дейін тірі қала алатынын, сондай-ақ ғарыштан қайтқаннан кейін Жерге қаншалықты жылдам бейімделе алатынын анықтау. Ғарыш медицинасы сонымен қатар адам ағзасының жақсы бейімделмеген ортада өмір сүруден туындаған ауыруларын жеңілдету үшін профилактикалық және паллиативтік шараларды әзірлеуге ұмтылады.

Көтерілу және қайта кіру

Ұшып көтерілу және қайта кіру кезінде ғарыш саяхатшылары қалыпты гравитациядан бірнеше есе көп күшті сезінуі мүмкін. Жаттығусыз адам әдетте 3g-ға төтеп бере алады, бірақ 4-тен 6g-ға дейін қараңғылыққа түсуі мүмкін. Г-күші тік бағытта, омыртқаға перпендикуляр күшке қарағанда көтере алмауға себеп болады, себебі қан ми мен көзге ағып кетеді. Бірінші кезде адам уақытша көру қабілетін жоғалтады, ал жоғары g күштерінде есінен айырылады. Г-күшіне жаттығу және денені қысып, қанды басқа бағытта ұстауға көмектесетін G-көкшегі бұл әсерді жеңілдетуге мүмкіндік береді. Көптеген ғарыш кемелері g күштерін қолайлы шекте ұстау үшін жасалған.

Ғарыш ортасы

Ғарыш ортасы тиісті қорғаныссыз қауіпті: ғарыш вакуумындағы ең үлкен қауіп – оттегі мен қысымның жетіспеуі, бірақ температура мен радиация да қауіп тудырады. Ғарышқа ұшыраудың салдары эбулизмге, гипоксияға, гипокапнияға және декомпрессиялық ауруға алып келуі мүмкін. Бұдан өзге, жоғары энергиялы фотондар мен айналадағы субатомдық бөлшектерден клеткалық мутация мен жойылу да болады. Астронавттардың аспаннан тыс қызметтері (EVA) кезінде декомпрессия маңызды мәселе болып табылады. Қазіргі Көлік құралынан тыс қозғалыс құрылғысының (EMU) дизайны осы және басқа да мәселелерді ескереді және уақыт өте келе дамып келеді. Басты қиындық – ғарышкерлердің қозғалыс мүмкіндігін арттыру (жоғары қысымды EMU бұл мүмкіндікті төмендетеді, сондай-ақ, құйылған және құйылмаған шарды деформациялаудың қиындығына ұқсас) және декомпрессия қаупін азайту. Зерттеушілер жеке бас бөлігін әдеттегі 71 кПа (10,3 пси) кабиналық қысымға дейін қысыммен қамтамасыз етуді қарастырды, ал қазіргі EMU-дың толық қысымын емес. Мұндай конструкцияда, дене бөлігін механикалық түрде қысыммен қамтамасыз етуге болады, бұл пневматикалық қысыммен байланысты қозғалыс мүмкіндігінің төмендеуінен аулақ болады. 30 секундқа дейін вакуумға ұшырау тұрақты физикалық зақымдануға әкелмейді. Жануарлармен жүргізілген тәжірибелер 90 секундтан кем уақытқа ұшырағанда тез және толық қалпына келу қалыпты екенін, ал ұзақ уақыт бойы толық денеге ұшырау өлімге алып келеді және қайта жандандыру ешқашан сәтті болған емес екенін көрсетті. Адамдардан алынған деректер шектеулі, бірақ олар жануарлардың деректерімен сәйкес келеді. Тыныс алу бұзылмаса, аяқ-қолдар ұзақ уақытқа дейін әсерге ұшырауы мүмкін. 1966 жылдың желтоқсан айында НАСА-ның аэроғарыш инженеры және сынаққа тартылған Джим ЛеБланк, қысымды ғарыш костюмінің прототипі вакуумда қаншалықты жақсы жұмыс істейтінін тексеру үшін сынаққа қатысты. Ғарыш әсерін имитациялау үшін НАСА барлық ауасы сорылатын үлкен вакуум камерасын құрды. Сынақ кезінде ЛеБланктың қысымды шлангісі ғарыш костюмінен ажырап кетті. Бұл оның костюмінің қысымын 10 секундтан кем уақыт ішінде төмендеткеніне қарамастан, ЛеБланк гипоксиядан есінен тануға дейін шамамен 14 секунд бойы есін сақтады; дене сыртындағы қысымның төмендеуі қанның тез деоксигенациясына әкеледі. "Мен артқа қарай құлағанда, тілімдегі сілекейдің көпіршіктенгенін сездім, содан кейін есімнен кеттім, міне, соңғы естелік", - деп еске алады ЛеБланк. Бір әріптесі 25 секунд ішінде камераға кіріп, ЛеБланкқа оттегі берді. Камера әдеттегі 30 минут емес, 1 минут ішінде қайта қысымға келтірілді. ЛеБланк бірден жазылып кетті, құлағы ауырды және тұрақты зақымдар болған жоқ. Вакуумның тағы бір салдары – эбулизм деп аталатын жағдай, ол айналадағы қысымның төмендеуіне байланысты дене сұйықтықтарында көпіршіктердің пайда болуынан туындайды. Бу денесін қалыпты көлемінен екі есеге дейін ісіріп, қан айналымын баяулатуы мүмкін, бірақ тіндер серпімді және жарылудың алдын алу үшін жеткілікті кеуекті. Техникалық тұрғыдан алғанда, эбулизм Армстронг шегі деп аталатын 6,3 кПа (47 мм.с.т.) төмен қысымда немесе шамамен биіктікте басталады деп саналады. Эбулизмнен туындаған ісінуді 19 км-ден жоғары биіктікте эбулизмнің алдын алу үшін қажетті ұшу костюмімен шектеуге болады. Ғарыш кеңістігінде вакуумға ұшырағаннан қайтыс болған жалғыз адамдар – «Союз-11» ғарыш кемесінің үш экипаж мүшесі: Владислав Волков, Георгий Добровольский және Виктор Пацаев. 1971 жылдың 30 маусымында орбитадан қайта кіруге дайындалу кезінде ғарыш кемесінің түсіру модуліндегі қысымды теңестіру клапаны күтпеген жерден ашылып, жылдам декомпрессияға және барлық экипаждың қазасына әкелді.

The environment of space is lethal without appropriate protection: the greatest threat in the vacuum of space derives from the lack of oxygen and pressure, although temperature and radiation also pose risks. The effects of space exposure can result in ebullism, hypoxia, hypocapnia, and decompression sickness. In addition to these, there is also cellular mutation and destruction from high energy photons and sub atomic particles that are present in the surroundings. Decompression is a serious concern during the extra vehicular activities (EVAs) of astronauts. Current Extravehicular Mobility Unit (EMU) designs take this and other issues into consideration, and have evolved over time. A key challenge has been the competing interests of increasing astronaut mobility (which is reduced by high pressure EMUs, analogous to the difficulty of deforming an inflated balloon relative to a deflated one) and minimising decompression risk. Investigators have considered pressurizing a separate head unit to the regular 71 kPa (10.3 psi) cabin pressure as opposed to the current whole EMU pressure of In such a design, pressurization of the torso could be achieved mechanically, avoiding mobility reduction associated with pneumatic pressurization. Exposure to vacuum for up to 30 seconds is unlikely to cause permanent physical damage. Animal experiments show that rapid and complete recovery is normal for exposures shorter than 90 seconds, while longer full body exposures are fatal and resuscitation has never been successful. There is only a limited amount of data available from human accidents, but it is consistent with animal data. Limbs may be exposed for much longer if breathing is not impaired. In December 1966, aerospace engineer and test subject Jim LeBlanc of NASA was participating in a test to see how well a pressurized space suit prototype would perform in vacuum conditions. To simulate the effects of space, NASA constructed a massive vacuum chamber from which all air could be pumped. At some point during the test, LeBlanc's pressurization hose became detached from the space suit. Even though this caused his suit pressure to drop from to in less than 10 seconds, LeBlanc remained conscious for about 14 seconds before losing consciousness due to hypoxia; the much lower pressure outside the body causes rapid de oxygenation of the blood. "As I stumbled backwards, I could feel the saliva on my tongue starting to bubble just before I went unconscious and that's the last thing I remember", recalls LeBlanc. A colleague entered the chamber within 25 seconds and gave LeBlanc oxygen. The chamber was repressurized in 1 minute instead of the normal 30 minutes. LeBlanc recovered almost immediately with just an earache and no permanent damage. Another effect from a vacuum is a condition called ebullism which results from the formation of bubbles in body fluids due to reduced ambient pressure. The steam may bloat the body up to twice its normal size and slow down circulation, but tissues are elastic and porous enough to prevent rupture. Technically, ebullism is considered to begin at an elevation of around or pressures less than 6.3 kPa (47 mm Hg), known as the Armstrong limit. Swelling from ebullism can be reduced by containment in a flight suit which are necessary to prevent ebullism above 19 km. The only humans known to have died of exposure to vacuum in space are the three crew members of the Soyuz 11 spacecraft; Vladislav Volkov, Georgi Dobrovolski, and Viktor Patsayev. During preparations for re entry from orbit on June 30, 1971, a pressure equalisation valve in the spacecraft's descent module unexpectedly opened at an altitude of , causing rapid depressurisation and the subsequent death of the entire crew.

Температура

Вакуумда денеден жылуды өткізгіштік немесе конвекция арқылы кетіруге ешқандай орта жоқ. Жылудың жоғалуы адамның 310 К температурасынан сыртқы кеңістіктің 3 К температурасына сәулелену арқылы жүреді. Бұл процесс, әсіресе киім киген адам үшін, баяу болады, сондықтан бірден қатып қалу қаупі жоқ. Вакуумда тері ылғалының жылдам булануы салдарынан суыну, әсіресе ауызда мұз пайда болуы мүмкін, бірақ бұл елеулі қауіп емес. Тікелей, сүзгіленбеген күн сәулесінің күшті сәулеленуіне ұшырау жергілікті қызуға алып келеді, бірақ дененің өткізгіштігі және қан айналымы арқылы бұл жылу тез таратылады. Дегенмен, күн сәулесінің басқа түрлері, әсіресе ультракүлгін сәулелері, күйікке шалдықтыруы мүмкін.

Сәулелену

Жердің атмосферасы мен магнитосферасының қорғауы болмаса, ғарышкерлер жоғары деңгейдегі сәулеленуге ұшырайды. Сәулеленудің жоғары деңгейі лимфоциттерге – иммундық жүйенің жұмысын қамтамасыз ететін маңызды жасушаларға – зақым келтіреді; бұл зақым ғарышкерлердің иммунитетінің төмендеуіне себеп болады. Соңғы кезде сәулелену ғарышкерлерде катарактаның жиі кездесуімен байланысты екені анықталды. Жердің төменгі орбитасынан тыс жерде галактикалық ғарыш сәулелері адамның ғарышқа сапары үшін қосымша қиындықтар туғызады, себебі ғарыш сәулелерінің денсаулыққа қаупі он жыл немесе одан да көп уақыт бойы қатерлі ісікке шалдығу ықтималдығын едәуір арттырады. NASA қолдаған зерттеулер сәулелену ғарышкерлердің миына зиян келтіріп, Альцгеймер ауруының басталуын үдетуі мүмкін екенін көрсетті. Күндегі жарқын шығарулар (сирек болғанымен) бірнеше минуттың ішінде өлімге әкелетін сәулелену дозасын тудыруы мүмкін. Қорғаныш қалқандары мен дәрі-дәрмектер қауіпті деңгейге дейін төмендетуге көмектеседі деп есептеледі. Халықаралық ғарыш станциясында (ХҒС) тұратын экипаж Жердің магнит өрісі арқасында ғарыш ортасынан жартылай қорғалған, себебі магнитосфера Жер мен ХҒС маңындағы күн желдерін бұрап жібереді. Дегенмен, күндегі жарқын шығарулар магниттік қорғанысты бұзып, оны тесіп өтуге жеткілікті күшті, сондықтан экипаж үшін қауіпті болып қалады. 2005 жылы 10-шы экспедиция экипажы сақтық шарасы ретінде осы мақсатқа арналған станцияның күшті қорғалған бөлігіне жасырынып, паналады. Алайда, Жердің магнитосферасының шектеулі қорғауынан тыс, планетааралық миссиялар әлдеқайда осал. Теннесси университетінің профессоры Лоуренс Таунсенд және басқалар ең күшті күндегі жарқын шығаруды зерттеді. Астронавттар мұндай жарқын шығарудан алатын сәулелену дозасы ауыр сәулелену ауруына және тіпті өлімге әкелуі мүмкін. Ғылыми тұрғыдан алғанда, ұзақ ғарыш сапары денедің ауруларға қарсы тұру қабілетін әлсіретуі мүмкін деген алаңдаушылық бар. Сәулелену тірі тіндерге еніп, қан мен иммундық жүйені құратын сүйек миының жасушаларына қысқа және ұзақ мерзімді зақым келтіреді. Әсіресе, лимфоциттерде "хромосомалық аберрациялар" тудырады. Бұл жасушалар иммундық жүйенің орталық бөлігі болғандықтан, кез келген зақым иммундық жүйені әлсіретеді, яғни жаңа инфекцияларға сезімталдық артады және әдетте басылып тұратын вирустар белсенді болады. Ғарыш кеңістігінде Т-жасушалар (лимфоциттердің бір түрі) дұрыс көбейе алмайды, ал көбейген Т-жасушалардың инфекциямен күресу қабілеті төмендейді. Уақыт өте келе иммуножетіспеулік экипаж мүшелері арасында, әсіресе ғарыш ұшу жүйелерінің шектеулі аймақтарында инфекцияның жылдам таралуына әкеледі. 2013 жылдың 31 мамырында NASA ғалымдары Марсқа адаммен жіберілетін миссияның 2011-2012 жылдары Жерден Марсқа сапар шегу кезінде Марс ғылыми зертханасындағы RAD құрылғысымен тіркелген энергетикалық бөлшектердің сәулелену деңгейіне байланысты үлкен сәулелену қаупі болуы мүмкін екенін хабарлады.

Without the protection of Earth's atmosphere and magnetosphere astronauts are exposed to high levels of radiation. High levels of radiation damage lymphocytes, cells heavily involved in maintaining the immune system; this damage contributes to the lowered immunity experienced by astronauts. Radiation has also recently been linked to a higher incidence of cataracts in astronauts. Outside the protection of low Earth orbit, galactic cosmic rays present further challenges to human spaceflight, as the health threat from cosmic rays significantly increases the chances of cancer over a decade or more of exposure. A NASA supported study reported that radiation may harm the brain of astronauts and accelerate the onset of Alzheimer's disease. Solar flare events (though rare) can give a fatal radiation dose in minutes. It is thought that protective shielding and protective drugs may ultimately lower the risks to an acceptable level. Crew living on the International Space Station (ISS) are partially protected from the space environment by Earth's magnetic field, as the magnetosphere deflects solar wind around the Earth and the ISS. Nevertheless, solar flares are powerful enough to warp and penetrate the magnetic defences, and so are still a hazard to the crew. The crew of Expedition 10 took shelter as a precaution in 2005 in a more heavily shielded part of the station designed for this purpose. However, beyond the limited protection of Earth's magnetosphere, interplanetary human missions are much more vulnerable. Lawrence Townsend of the University of Tennessee and others have studied the most powerful solar flare ever recorded. Radiation doses astronauts would receive from a flare of this magnitude could cause acute radiation sickness and possibly even death. There is scientific concern that extended spaceflight might slow down the body's ability to protect itself against diseases. Radiation can penetrate living tissue and cause both short and long term damage to the bone marrow stem cells which create the blood and immune systems. In particular, it causes 'chromosomal aberrations' in lymphocytes. As these cells are central to the immune system, any damage weakens the immune system, which means that in addition to increased vulnerability to new exposures, viruses already present in the body—which would normally be suppressed—become active. In space, T cells (a form of lymphocyte) are less able to reproduce properly, and the T cells that do reproduce are less able to fight off infection. Over time immunodeficiency results in the rapid spread of infection among crew members, especially in the confined areas of space flight systems. On 31 May 2013, NASA scientists reported that a possible human mission to Mars may involve a great radiation risk based on the amount of energetic particle radiation detected by the RAD on the Mars Science Laboratory while traveling from the Earth to Mars in 2011–2012.

Салмақтылығы жоқ

Ұзақ уақыт бойы адамдар тұруға арналған ғарыш станцияларының пайда болуынан кейін, салмақсыздыққа ұшырау адам денсаулығына зиянды әсер ететіні дәлелденді. Адамдар Жер бетіндегі физикалық жағдайларға жақсы бейімделген, сондықтан салмақсыздыққа жауап ретінде әртүрлі физиологиялық жүйелер өзгере бастайды, ал кейбір жағдайларда қатаяды. Бұл өзгерістер көбінесе уақытша болғанымен, кейбіреулері адам денсаулығына ұзақ мерзімді әсер етеді. Микрогравитацияға қысқа мерзімдік әсер ғарышқа бейімделу синдромын тудырады – вестибулярлық жүйенің бұзылуынан туындайтын және өзінен-өзі шектелетін ауру сезімі. Ұзақ мерзімдік әсер денсаулыққа көптеген проблемаларды келтіреді, олардың ең маңыздысы сүйек және бұлшық ет массасының жоғалуы. Уақыт өте келе, бұл әсерлер астронавттардың жұмысын нашарлатуы, жарақат алу қаупін арттыруы, аэробтық қабілетін төмендетуі және жүрек-қан тамыр жүйесін баяулатуы мүмкін. Адам денесінің көп бөлігі сұйықтықтан тұратындықтан, гравитация оларды дененің төменгі жартысына жинақтайды, ал біздің денеде бұл жағдайды теңестіруге арналған көптеген жүйелер бар. Гравитацияның әсерінен босаған кезде, бұл жүйелер жұмысын жалғастырады, нәтижесінде сұйықтықтар дененің жоғарғы жартысына қайта бөлінеді. Осының салдарынан астронавттардың беті дөңгелек болып, ісіп кетеді. Денедегі сұйықтықтың қайта бөлінуі тепе-теңдіктің бұзылуына, көрудің бұрмалануына және дәм мен иіс сезу қабілетінің жоғалуына әкеледі. 2006 жылғы ғарыш кемесіндегі тәжірибе көрсеткендей, тамақ улануына себеп болатын Salmonella typhimurium бактериясы ғарышта өсірілгенде одан да қауіпті болады. 2013 жылдың 29 сәуірінде НАСА қаржылаған Ренсселэр политехникалық институтының ғалымдары Халықаралық ғарыш станциясындағы ғарыш сапарында микроорганизмдердің ғарыш ортасына «Жерде байқалмаған» және «өсу мен қауіптіліктің артуына әкелетін» жолдармен бейімделгенін хабарлады. 2017 жылы бактериялар антибиотиктерге жоғары төзімділік танытып, ғарышқа жақын салмақсыз жағдайда жақсы өседі деген қорытындыға келді. Микроорганизмдердің ғарыш кеңістігінің вакуумында тірі қала алатыны байқалды.

Following the advent of space stations that can be inhabited for long periods of time, exposure to weightlessness has been demonstrated to have some deleterious effects on human health. Humans are well adapted to the physical conditions at the surface of the Earth, and so in response to weightlessness, various physiological systems begin to change, and in some cases, atrophy. Though these changes are usually temporary, some do have a long term impact on human health. Short term exposure to microgravity causes space adaptation syndrome, self limiting nausea caused by derangement of the vestibular system. Long term exposure causes multiple health problems, one of the most significant being loss of bone and muscle mass. Over time these deconditioning effects can impair astronauts' performance, increase their risk of injury, reduce their aerobic capacity, and slow down their cardiovascular system. As the human body consists mostly of fluids, gravity tends to force them into the lower half of the body, and our bodies have many systems to balance this situation. When released from the pull of gravity, these systems continue to work, causing a general redistribution of fluids into the upper half of the body. This is the cause of the round faced 'puffiness' seen in astronauts, Redistributing fluids around the body itself causes balance disorders, distorted vision, and a loss of taste and smell. A 2006 Space Shuttle experiment found that Salmonella typhimurium, a bacterium that can cause food poisoning, became more virulent when cultivated in space. On April 29, 2013, scientists in Rensselaer Polytechnic Institute, funded by NASA, reported that, during spaceflight on the International Space Station, microbes seem to adapt to the space environment in ways "not observed on Earth" and in ways that "can lead to increases in growth and virulence". In 2017, bacteria were found to be more resistant to antibiotics and to thrive in the near weightlessness of space. Microorganisms have been observed to survive the vacuum of outer space.

Қозғалыс ауруы

Адамдар ауырлықсыздықтың алғашқы сағаттарында ең көп кездесетін проблема ғарышқа бейімделу синдромы немесе SAS деп аталады, көбінесе ғарыш ауруы деп те айтылады. Ол қозғалыс ауруымен байланысты және вестибулярлық жүйе ауырлықсыздыққа бейімделген кезде пайда болады. SAS симптомдары: жүрек ауруы, құсу, бас айналу, бас ауруы, шаршаңқылық және жалпы нашарлық. Бұлшық еттерде басым бұлшық талшықтарының түрлері де өзгереді. Дене күйін сақтау үшін қолданылатын баяу қозғалатын төзімділік талшықтары, ауыр жұмысқа жеткіліксіз келетін жылдам қозғалатын талшықтармен алмастырылады. Дене шынықтыру, гормондық қосымшалар мен дәрі-дәрмектер зерттеулері бұлшық еттер мен дене салмағын сақтауға көмектеседі. Сүйек метаболизмі де өзгереді. Әдетте, сүйек механикалық күш бағытында қалыптасады. Дегенмен, микрогравитация ортасында механикалық күш өте аз болады. Бұл ай сайын шамамен 1,5% сүйек тінінің жоғалуына әкеледі, әсіресе төменгі омыртқалар, жамбас және сан сүйектерінен. Микрогравитация және сүйектерге түсетін жүктеменің азаюына байланысты сүйек жоғалу жылдамдығы артады – он жыл сайын 3% сүйек жоғалудан, денеде микрогравитацияға ұшыраған әр ай сайын шамамен 1% жоғалуға дейін (сау ересек адамдар үшін). Бұл сүйек тығыздығының күрт өзгеруіне алып келеді, сүйектер нашарлайды және остеопорозға ұқсас симптомдар пайда болады. Жерде сүйектер үнемі жаңару және жоғалу процесінен өтеді, бұл остеобластар мен остеокластардың белсенділігімен байланысты. Бұл жүйелер байланысқан, сондықтан сүйек бұзылғанда жаңа қабаттар оның орнын басады – сау ересек адамда екеуі де бірдей қадаммен жүруі керек. Алайда, ғарышта микрогравитация салдарынан остеокласттардың белсенділігі артады. Бұл мәселе, себебі остеокластар сүйекті минералдарға ыдыратып, денеге қайта сіңіріледі. Остеобластар остеокластармен бірдей белсенділікте жұмыс істемейді, нәтижесінде сүйек үнемі жоғалып, қалпына келтірілмейді. Остеокластардың белсенділігінің артуы жамбас аймағында ерекше байқалады, себебі осы аймақ ауырлық күші болғанда ең көп жүктемені көтереді. Зерттеу көрсеткендей, сау тышқандарда микрогравитацияға он алты күннен кейін остеокластардың саны 197% артқан, сонымен қатар жаңа сүйек қалыптасуына көмектесетін остеобластар мен өсу факторларының төмендеуі байқалған. Жоғалған сүйектен қандағы кальций деңгейінің артуы жұмсақ тіндердің қауіпті кальцификациясына және бүйрек тастарының пайда болуына әкеледі. Жабдықтарға: жүгіру жолға және стационарлық велосипедке; әрбір астронавт жабдықтарда күніне кем дегенде екі сағат жаттығумен айналысады. Астронавттар жүгіру жолға бекіну үшін банжи арқандарын пайдаланады. Ұзақ уақыт салмақсыздыққа ұшыраған астронавттар, аяқ сүйектерін қысып, остеопенияны азайту үшін белдік пен білезік арасында иілгіш таспалары бар шалбар киеді. Адам зерттеу бағдарламасының Адам денсаулығына бағытталған қарсы шаралар бөлімі, жаттығудың қарсы шараларына қатысты мақсатты сұрақтарды зерттеу үшін «Цифрлық астронавт» жобасын тапсырды. НАСА қазіргі уақытта Халықаралық ғарыш станциясында орналасқан АРЕД (Advanced Resistive Exercise Device) құрылғысының моделін, құрылғымен жаттығу жасап жатқан адамдардың OpenSim бұлшық-сүйек жүйесінің моделімен біріктіруге баса назар аударуда. Бұл жұмыстың мақсаты – кері динамиканы пайдаланып, АРЕД-ті пайдаланудан туындайтын буынның айналу күштерін және бұлшықет күштерін бағалау, соның арқасында астронавттарға жаттығу режимдерін дәлірек тағайындау. Бұл буын айналу моменттері мен бұлшықет күштері сүйек қайта құрылуы мен бұлшықет бейімделуінің негізгі есептеулік симуляцияларымен бірге, мұндай қарсы шаралардың соңғы әсерін толыққанды модельдеу үшін және ұсынылған жаттығу режимі астронавттың бұлшық-сүйек жүйесінің денсаулығын сақтау үшін жеткілікті болатынын анықтау үшін қолданылуы мүмкін.

The most common problem experienced by humans in the initial hours of weightlessness is known as space adaptation syndrome or SAS, commonly referred to as space sickness. It is related to motion sickness, and arises as the vestibular system adapts to weightlessness. Symptoms of SAS include nausea and vomiting, vertigo, headaches, lethargy, and overall malaise. The types of muscle fibre prominent in muscles also change. Slow twitch endurance fibres used to maintain posture are replaced by fast twitch rapidly contracting fibres that are insufficient for any heavy labour. Advances in research on exercise, hormone supplements, and medication may help maintain muscle and body mass. Bone metabolism also changes. Normally, bone is laid down in the direction of mechanical stress. However, in a microgravity environment, there is very little mechanical stress. This results in a loss of bone tissue approximately 1.5% per month especially from the lower vertebrae, hip, and femur. Due to microgravity and the decreased load on the bones, there is a rapid increase in bone loss, from 3% cortical bone loss per decade to about 1% every month the body is exposed to microgravity, for an otherwise healthy adult. The rapid change in bone density is dramatic, making bones frail and resulting in symptoms that resemble those of osteoporosis. On Earth, the bones are constantly being shed and regenerated through a well balanced system which involves signaling of osteoblasts and osteoclasts. These systems are coupled, so that whenever bone is broken down, newly formed layers take its place—neither should happen without the other, in a healthy adult. In space, however, there is an increase in osteoclast activity due to microgravity. This is a problem because osteoclasts break down the bones into minerals that are reabsorbed by the body. Osteoblasts are not consecutively active with the osteoclasts, causing the bone to be constantly diminished with no recovery. This increase in osteoclasts activity has been seen particularly in the pelvic region because this is the region that carries the biggest load with gravity present. A study demonstrated that in healthy mice, osteoclasts appearance increased by 197%, accompanied by a down regulation of osteoblasts and growth factors that are known to help with the formation of new bone, after only sixteen days of exposure to microgravity. Elevated blood calcium levels from the lost bone result in dangerous calcification of soft tissues and potential kidney stone formation. and a stationary bicycle; each astronaut spends at least two hours per day exercising on the equipment. Astronauts use bungee cords to strap themselves to the treadmill. Astronauts subject to long periods of weightlessness wear pants with elastic bands attached between waistband and cuffs to compress the leg bones and reduce osteopenia. The Human Research Program's Human Health Countermeasures Element chartered the Digital Astronaut Project to investigate targeted questions about exercise countermeasure regimes. NASA is focusing on integrating a model of the advanced Resistive Exercise Device (ARED) currently on board the International Space Station with OpenSim musculoskeletal models of humans exercising with the device. The goal of this work is to use inverse dynamics to estimate joint torques and muscle forces resulting from using the ARED, and thus more accurately prescribe exercise regimens for the astronauts. These joint torques and muscle forces could be used in conjunction with more fundamental computational simulations of bone remodeling and muscle adaptation in order to more completely model the end effects of such countermeasures, and determine whether a proposed exercise regime would be sufficient to sustain astronaut musculoskeletal health.

Сұйықтықты қайта бөлу

Ғарышта ғарышкерлер дене сұйықтығын жоғалтады, оның ішінде қанның көлемі 22%-ға дейін азаяды. Қанды айдау үшін аз қан болғандықтан, жүрек әлсірейді (атрофияға ұшырайды). Жүректің әлсіреуі қан қысымын төмендетіп, "ортостатикалық төзімділік" деген проблеманы тудыруы мүмкін, яғни ағзаның астронавт есіктенбай немесе бас айналып құламастан миға жеткілікті мөлшерде оттегі жеткізу қабілеті. "Жердің гравитациясының әсерінен қан мен басқа дене сұйықтықтары төменгі жағына жиналады. Ғарыш зерттеулері кезінде гравитация жойылғанда немесе азайтылғанда, қан дене жоғарғы бөлігінде жиналады, бұл бетке ісіну және басқа да жағымсыз әсерлерге алып келеді. Жерге қайтқаннан кейін қан қайтадан төменгі аяқ-қолдарда жинала бастайды, нәтижесінде ортостатикалық гипотензия пайда болады."

Көрініс

2013 жылы NASA 6 айдан астам ғарышқа ұшқан маймылдардың көздері мен көру қабілетіндегі өзгерістерді анықтаған зерттеуді жариялады. Байқалған өзгерістерге көздің шар пішінінің жазықталуы және торлық қабаттағы өзгерістер кірді. Тағы бір құбылыс – ғарыш сәулелерінен туындайтын көру эффектілері деп аталады. NASA 300 ер және әйел астронавт арасында жүргізген сауалнамада, қысқа мерзімді ғарыш сапарларынан өткендердің 23 пайызы, ал ұзақ мерзімді сапарларға ұшқандардың 49 пайызы миссиялары барысында жақын және алысқа көруде мәселелер туындағанын хабарлады. Кейбір адамдарда көру қабілетінің бұзылуы сапардан кейін де бірнеше жыл бойы сақталды. Ұзақ ғарыш сапарлары ғарыш саяхатшысының көз қозғалысын (әсіресе вестибулярлық-көз рефлексін) өзгертуі мүмкін.

Бас сүйек ішіндегі қысым

Ауырлықсыздық денедегі сұйықтықтың жоғарғы бөлігінің көлемін арттыратындықтан, астронавттарда бас сүйегі ішіндегі қысымның артуы байқалады. Бұл көз шарларының артқы бөлігіне қысымды күшейтіп, олардың пішінін өзгертеді және көру нервін сәл қысады. Бұл әсер 2012 жылы, кемінде бір ай ғарышта болған астронавттардың МРТ (магнитно-резонанстық томография) суреттерін пайдалана отырып жүргізілген зерттеуде анықталды. Мұндай көру проблемалары болашақтағы терең ғарышқа ұшу миссиялары үшін, соның ішінде Марс планетіне адамдарды жіберу үшін маңызды мәселе болуы мүмкін. Егер бас сүйегі ішіндегі қысымның артуы осының себебі болса, жасанды гравитация бір шешім болуы мүмкін, себебі ол ғарыштағы адам денсаулығына қатысты көптеген тәуекелдерді азайтуға көмектеседі. Дегенмен, мұндай жасанды гравитациялық жүйелер әлі толыққанды дәлелденбеді. Сонымен қатар, тіпті жетілдірілген жасанды гравитация болған жағдайда да, салыстырмалы микрогравитация күйі сақталуы мүмкін, ал оның тәуекелдері әлі белгісіз.

Дәмділігі

Ауырлықсыздық адам организміне әсер ететін факторлардың бірі – кейбір ғарышкерлер ғарышқа шыққанда дәм сезу қабілеттерінің өзгергенін хабарлайды. Кейбір астронавттар тағамдарының дәмсіз болып сезінеді, ал енді біреулері әдетте ұнататын тағамдарының дәмі бұрынғыдай болмайды (мысалы, кофеге құмар болған адам бір миссияда оның дәмін соншалықты ұнатпаған, Жерге оралғаннан кейін оны ішуді тоқтатқан). Ал кейбір астронавттар бұрын жемейтін тағамдарды жеуді ұнатады, ал енді біреулері ешқандай өзгеріс байқамайды. Көптеген зерттеулер осы құбылыстың себебін анықтамады, сондай-ақ тамақтың сапасының төмендеуі және жалықтыру сияқты психологиялық өзгерістер де теория ретінде қарастырылуда. Ғарышкерлер дәмді сезіну қабілеті төмендеген кезде оны толықтыру үшін күшті дәмді тағамдарды таңдайды.

Қосымша физиологиялық әсерлер

Бір ай ішінде адам сүйегі салмақсыздық жағдайында толыққандай созылып, бойы бір дюймға артады. Екі айдан кейін, аяқ табанындағы қалың тері пайдаланылмағандықтан түсіп, жұмсақ жаңа тері қалдырады. Аяқ үсті, керісінше, шикі және қатты ауыра бастайды, себебі олар тұрақтандыру үшін аяқтары тірелетін тұтқаларға тиеді. Көз жасы шығарғанда, жас тамшыламай, бір-біріне жабысып, шар сияқты болып қалады. Микрогравитацияда иіс тез тарап, NASA жүргізген тестте қаймақ шерридің иісі құсыту рефлексін тудырды. Ауыртпалық күші жоқ ғарышта бұл бұлшық еттер еркін созыла алатындықтан, ауырлық күшіне қайта бейімделу кезінде арқа мен іштің ауыруы сияқты түрлі физикалық дискомфорттар жиі кездеседі. Бұл ұзақ мерзімді ғарышқа ұшқан космонавттарда байқалған астенизация синдромының бір бөлігі болуы мүмкін, бірақ ғарышкерлер бұл туралы әңгіме ретінде қарастырады. Шаршаңқылық, әлсіздік және психосоматикалық алаңдаушылықтар да осы синдромның құрамында. Деректер нақты емес, алайда синдром ғарыш экипажының ішкі және сыртқы стрессінің көрінісі ретінде бар болып көрінеді.

Зерттеу

Ғарышта өмір сүрудің психологиялық әсерлері толыққанды талданбаған, бірақ Жерде Арктика ғылыми станциялары мен суасты кемелері сияқты ұқсас жағдайлар бар. Ұжымға түсетін зор күш, сонымен қатар организмнің басқа ортаға бейімделуі салдарынан, мазасыздық, ұйқысыздық және депрессия туындауы мүмкін.

Стресс

Психологиялық стресс факторлары экипаждың моральдық жағдайы мен жұмыстың сапасына кедергі келтіретін маңызды факторлардың бірі екеніне көптеген дәлелдер бар. Екі рет Кеңес Одағының Батыры атанған ғарышкер Валерий Рюмин Салют-6 миссиясы туралы автобиографиялық кітабында О. Генридің "Гимндер нұсқаулығы" кітабынан мына өлең жолдарын келтіреді: "Егер сіз адам өлтіруді қаласаңыз, екі адамды он сегізден жиырма футтық кабинаға бір айға жабыңыз. Адамның жаны бұған шыдамайды". NASA ғарышқа ұшумен байланысты психологиялық стресске қызығушылық танытты, бұл қызығушылық алғашқы ғарышкерлік миссиялар басталғанда зерттелді, бірақ ресейлік "Мир" ғарыш станциясында американдық ғарышкерлер кеңестік ғарышкерлермен бірге жұмыс істегенде қайта жанданды. Ертедегі американдық миссиялардағы стрестің негізгі себептері – қоғамның назарында жоғары деңгейде жұмыс істеу қажеттілігі, сондай-ақ достар мен отбасыдан алыс болу еді. Халықаралық ғарыш станциясында (ISS) соңғысы әлі де стреске себеп болып тұр, мысалы, NASA ғарышкері Дэниел Танидің анасы автокөлік апатында қаза болғанда, ал Майкл Финке екінші баласының дүниеге келуін қасынан өткізе алмағанда.

Ғарышқа ұшу ұзақтығы

Ең ұзақ ғарыш сапары туралы зерттеу, алғашқы үш аптаның қоршаған ортаның күрт өзгеруіне бейімделу қажеттілігінен назарға кері әсер ететін маңызды кезең екенін көрсетті. Skylab-тың үш экипажы 1, 2 және 3 айдан ғарышта болса, Salyut 6, Salyut 7 және ХҒС-тің (ISS) ұзақ мерзімді экипаждары шамамен 5–6 айдан, ал MIR экспедициялары көбінесе одан да ұзаққа созылды. ХҒС-тің (ISS) жұмыс ортасында әртүрлі мәдениеттерден және тілдерден адамдармен тығыз жағдайда бірге өмір сүру мен жұмыс істеуден туындайтын қосымша стресс бар. Бірінші буын ғарыш станцияларында бір тілде сөйлейтін экипаждар болды, ал екінші және үшінші буын станцияларында көп мәдениетті, көп тілді экипаждар жұмыс істейді. ХҒС-тің (ISS) ерекшелігі – бұрынғы станциялар мен ғарыш кемелеріндегідей келушілер автоматты түрде "қабылдаушы" немесе "қонақ" санаттарына жіктелмейді және олар оқшаулық сезіміне ұшырамауы мүмкін.

Болашақтағы пайдалану

Адамның жинақтаған тәжірибесі ғарышқа 58 жылдық циклда шығуға және адам организмінің бейімделуін жақсырақ түсінуге мүмкіндік берді. Болашақта ғарыштың индустриялық өндіріске енгізілуі және ішкі және сыртқы планеталарды зерттеу үшін адамдар ғарышта ұзақ уақыт бойы болуға мәжбүр болады. Қазіргі қолдағы деректердің көп бөлігі қысқа мерзімді миссиялардан алынған, сондықтан ғарышта өмір сүрудің ұзақ мерзімді физиологиялық салдары әлі толыққанды белгілі емес. Қазіргі технологиялармен Марсқа барып-қайту үшін кем дегенде 18 ай уақыт кетеді деп есептеледі. Адам организмінің мұндай уақыт аралығында ғарышта қалай реакция жасайтынын білу, мұндай сапарларға дайындалудың өте маңызды бөлігі болып табылады. Борттағы медициналық жабдықтар кез келген жарақат немесе төтенше жағдаймен күресу үшін жеткілікті болуы керек, сонымен қатар ұзақ мерзімді сапар кезінде экипаждың денсаулығын сақтау үшін диагностикалық және медициналық құралдардың кең ассортиментін қамтуы тиіс, себебі бұл ғарыш кемесінде жарақаттармен ғана емес, сонымен қатар адам организмінің ғарышқа бейімделу реакцияларымен күресу үшін қол жетімді жалғыз жабдықтар болады. Қазіргі уақытқа дейін ғарыш жағдайларын тек қатаң сынақтан өткен адамдар ғана бастан өткерді. Егер бір күні жерден тысқары елді мекендер құру басталса, көптеген түрлі адамдар осы қауіптерге ұшырауы мүмкін, ал ең жас буынға тигізетін әсері мүлдем белгісіз. 1998 жылдың 29 қазанында, Mercury 7 тобының алғашқы мүшелерінің бірі Джон Гленн 77 жасында ғарышқа қайта оралды. Оның 9 күнге созылған ғарыш сапары NASA-ға егде жастағы адамдарға ғарыш сапарларының әсері туралы маңызды ақпарат берді. Бұған дейін зерттелмеген тамақтану талаптары және физикалық орта сияқты факторлар маңызды бола бастайды. Жалпы алғанда, ғарышта өмір сүрудің көптеген әсерлері туралы деректер жеткіліксіз, бұл ұзақ мерзімді ғарыш сапарлары кезінде тәуекелдерді азайтуға жасалатын әрекеттерді қиындатады. Қазіргі уақытта ISS сияқты сынақ алаңдары осы тәуекелдердің кейбірін зерттеу үшін пайдаланылуда. Ғарыш ортасы әлі көбінесе белгісіз болып қала береді, және әлі анықталмаған қауіп-қатерлер де болуы мүмкін. Ал болашақта жасанды гравитация және күрделі биорегенеративті өмірді қолдау жүйелері сияқты технологиялар кейбір тәуекелдерді азайтуға қабілетті болуы мүмкін.

The sum of human experience has resulted in the accumulation of 58 solar years in space and a much better understanding of how the human body adapts. In the future, industrialisation of space and exploration of inner and outer planets will require humans to endure longer and longer periods in space. The majority of current data comes from missions of short duration and so some of the long term physiological effects of living in space are still unknown. A round trip to Mars with current technology is estimated to involve at least 18 months in transit alone. Knowing how the human body reacts to such time periods in space is a vital part of the preparation for such journeys. On board medical facilities need to be adequate for coping with any type of trauma or emergency as well as contain a huge variety of diagnostic and medical instruments in order to keep a crew healthy over a long period of time, as these will be the only facilities available on board a spacecraft for coping not only with trauma but also with the adaptive responses of the human body in space. At the moment only rigorously tested humans have experienced the conditions of space. If off world colonization someday begins, many types of people will be exposed to these dangers, and the effects on the very young are completely unknown. On October 29, 1998, John Glenn, one of the original Mercury 7, returned to space at the age of 77. His space flight, which lasted 9 days, provided NASA with important information about the effects of space flight on older people. Factors such as nutritional requirements and physical environments which have so far not been examined will become important. Overall, there is little data on the manifold effects of living in space, and this makes attempts toward mitigating the risks during a lengthy space habitation difficult. Testbeds such as the ISS are currently being utilized to research some of these risks. The environment of space is still largely unknown, and there will likely be as yet unknown hazards. Meanwhile, future technologies such as artificial gravity and more complex bioregenerative life support systems may someday be capable of mitigating some risks.