Медицинские проблемы космических полётов

Введение

Медицинские проблемы, связанные с космическими полетами, медицинские последствия космических полетов для человека.

Влияние космических полетов на человеческий организм сложно и в основном вредно как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе. Значительные негативные последствия длительной невесомости включают атрофию мышц и ухудшение состояния скелета (космическая остеопения). Другие значительные эффекты включают замедление функций сердечно-сосудистой системы, снижение выработки красных кровяных телец (космическая анемия), нарушения равновесия, нарушения зрения и изменения в иммунной системе. Дополнительные симптомы включают перераспределение жидкости (вызывающее характерную для астронавтов в невесомости "лунообразность" лица), потерю массы тела, заложенность носа, нарушения сна и повышенное газообразование. В целом, NASA использует аббревиатуру RIDGE для обозначения различных вредных эффектов космических полетов на человеческий организм (т.е. "космическое излучение, изоляция и замкнутое пространство, удаленность от Земли, гравитационные поля и враждебные замкнутые среды"). 12 апреля 2019 года NASA опубликовало медицинские результаты исследования близнецов-астронавтов, в рамках которого один из близнецов провел год в космосе на Международной космической станции, а другой – на Земле. Сравнение близнецов выявило несколько долгосрочных изменений, включая изменения в ДНК и когнитивных функциях. В ноябре 2019 года исследователи сообщили о серьезных проблемах с кровотоком и образованием тромбов у астронавтов во время пребывания на Международной космической станции, основываясь на шестимесячном исследовании 11 здоровых астронавтов. По мнению исследователей, эти результаты могут повлиять на планирование длительных космических полетов, включая миссию на Марс.

Физиологические эффекты

Многие условия окружающей среды, с которыми сталкиваются люди во время космических полётов, сильно отличаются от тех, в которых эволюционировал человек; однако, технологии, такие как космический корабль или скафандр, способны защитить людей от наиболее суровых условий. Непосредственная потребность в воздухе, пригодном для дыхания, и питьевой воде удовлетворяется системой жизнеобеспечения – комплексом устройств, позволяющих человеку выживать в открытом космосе. Система жизнеобеспечения обеспечивает воздухом, водой и пищей. Она также должна поддерживать температуру и давление в допустимых пределах и перерабатывать отходы жизнедеятельности организма. Необходима также защита от вредных внешних факторов, таких как радиация и микрометеориты. Некоторые опасности трудно смягчить, например, невесомость, также определяемая как среда микрогравитации. Жизнь в такой среде оказывает на организм три важных воздействия: потеря проприоцепции, изменения в распределении жидкости и ухудшение состояния опорно-двигательной системы. 2 ноября 2017 года учёные сообщили, что на основе исследований МРТ у астронавтов, совершивших космические полёты, обнаружены значительные изменения в положении и структуре мозга. У астронавтов, совершивших более длительные космические путешествия, наблюдались более выраженные изменения мозга. В октябре 2018 года исследователи, финансируемые НАСА, обнаружили, что длительные космические путешествия, включая полёты на планету Марс, могут существенно повредить ткани желудочно-кишечного тракта астронавтов. Эти исследования подтверждают более ранние данные, свидетельствующие о том, что подобные путешествия могут значительно повредить мозг астронавтов и ускорить процессы старения. В марте 2019 года НАСА сообщило, что латентные вирусы в организме человека могут активироваться во время космических миссий, что потенциально увеличивает риски для астронавтов в будущих дальних космических полётах.

Исследования

Космическая медицина – это развивающаяся область медицины, изучающая здоровье астронавтов в условиях космического пространства. Главная цель этого научного направления – определить, насколько хорошо и как долго человек способен выживать в экстремальных космических условиях, и как быстро он может восстановиться и адаптироваться к земной среде после возвращения. Космическая медицина также направлена на разработку профилактических и паллиативных мер для облегчения проблем, связанных с пребыванием человека в среде, к которой он недостаточно приспособлен.

Подъем и возвращение

Во время взлета и спуска космические путешественники могут испытывать многократные перегрузки. Неподготовленный человек обычно выдерживает около 3g, но может потерять сознание при 4–6g. Перегрузка в вертикальном направлении переносится тяжелее, чем сила, действующая перпендикулярно позвоночнику, поскольку кровь оттекает от мозга и глаз. Сначала человек испытывает временную потерю зрения, а затем, при более высоких перегрузках, теряет сознание. Тренировки по перенесению перегрузок и антигравитационный костюм, который сжимает тело для сохранения большего объема крови в голове, могут смягчить эти эффекты. Большинство космических аппаратов спроектированы так, чтобы поддерживать перегрузки в пределах комфортного диапазона.

Космическая среда

Космическая среда смертельна без надлежащей защиты: наибольшая угроза в вакууме космоса исходит от недостатка кислорода и давления, хотя температура и радиация также представляют опасность. Воздействие космической среды может привести к эбулизму, гипоксии, гипокапнии и декомпрессионной болезни. Помимо этого, происходит клеточная мутация и разрушение под воздействием фотонов высокой энергии и субатомных частиц, присутствующих в окружающей среде. Декомпрессия является серьезной проблемой во время внекорабельной деятельности (EVA) астронавтов. Современные конструкции скафандров (EMU) учитывают эти и другие факторы и эволюционировали с течением времени. Ключевой задачей является баланс между увеличением мобильности астронавтов (которая снижается при высоком давлении в EMU, подобно трудности деформации надутого шара по сравнению с сдутым) и минимизацией риска декомпрессии. Исследователи рассматривали возможность поддержания отдельного головного блока под давлением, равным нормальному давлению в кабине – 71 кПа (10,3 psi), в отличие от текущего давления всего скафандра. В такой конструкции давление на туловище можно было бы создавать механически, избегая снижения подвижности, связанного с пневматическим давлением. Воздействие вакуума в течение до 30 секунд вряд ли вызовет необратимые физические повреждения. Эксперименты на животных показывают, что быстрое и полное восстановление является нормой при воздействии менее 90 секунд, в то время как более длительное воздействие на все тело фатально, и реанимация никогда не проводилась успешно. Данных о несчастных случаях с участием людей немного, но они соответствуют данным, полученным на животных. Конечности могут подвергаться воздействию в течение более длительного времени, если дыхание не нарушено. В декабре 1966 года инженер-аэрокосмический инженер и испытуемый Джим ЛеБланк из NASA участвовал в испытании, чтобы оценить работоспособность прототипа скафандра под давлением в вакуумных условиях. Для имитации космических эффектов NASA построила огромную вакуумную камеру, из которой можно было откачивать весь воздух. В какой-то момент во время испытания шланг подачи давления ЛеБланка отсоединился от скафандра. Несмотря на то, что это привело к падению давления в скафандре до менее чем за 10 секунд, ЛеБланк оставался в сознании около 14 секунд, прежде чем потерять сознание из-за гипоксии; гораздо более низкое давление снаружи тела вызывает быстрое обескислоривание крови. "Когда я пошатнулся назад, я почувствовал, как слюна на языке начала пузыриться прямо перед тем, как я потерял сознание, и это последнее, что я помню", – вспоминает ЛеБланк. Коллега вошел в камеру в течение 25 секунд и подал ЛеБланку кислород. Камеру перепрессовали за 1 минуту вместо обычных 30 минут. ЛеБланк почти сразу же восстановился, с легкой болью в ухе и без каких-либо необратимых повреждений. Другим эффектом вакуума является состояние, называемое эбулизмом, которое возникает из-за образования пузырьков в жидкостях организма из-за снижения окружающего давления. Пары могут раздувать тело до двух раз больше нормального размера и замедлять кровообращение, но ткани достаточно эластичны и пористы, чтобы предотвратить разрыв. Технически, эбулизм считается начинающимся на высоте около или при давлении ниже 6,3 кПа (47 мм рт. ст.), известном как предел Армстронга. Опухание от эбулизма можно уменьшить, используя герметичный летный костюм, который необходим для предотвращения эбулизма на высоте более 19 км. Единственными людьми, которые, как известно, погибли от воздействия вакуума в космосе, были три члена экипажа космического корабля "Союз-11": Владислав Волков, Георгий Добровольский и Виктор Пацаев. Во время подготовки к возвращению с орбиты 30 июня 1971 года клапан выравнивания давления в спускаемом аппарате неожиданно открылся на высоте , что привело к быстрой декомпрессии и гибели всего экипажа.

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

В вакууме отсутствует среда для отвода тепла от тела посредством теплопроводности или конвекции. Потеря тепла происходит за счет излучения от температуры тела человека, равной 310 К, к 3 К температуры открытого космоса. Это медленный процесс, особенно если человек одет, поэтому не существует риска мгновенного замерзания. Быстрое испарение влаги с кожи в вакууме может привести к образованию инея, в частности во рту, но это не представляет серьезной опасности. Воздействие интенсивного излучения прямых, нефильтрованных солнечных лучей вызвало бы локальный нагрев, который, вероятно, был бы равномерно распределен теплопроводностью тела и кровообращением. Однако другие виды солнечного излучения, особенно ультрафиолетовые лучи, могут вызвать сильные солнечные ожоги.

Излучение

Без защиты земной атмосферы и магнитосферы астронавты подвергаются воздействию высоких уровней радиации. Высокие уровни радиации повреждают лимфоциты – клетки, играющие важную роль в поддержании иммунной системы; это повреждение способствует снижению иммунитета, наблюдаемому у астронавтов. Радиация также недавно была связана с повышенной частотой возникновения катаракты у астронавтов. За пределами защиты низкой околоземной орбиты галактические космические лучи представляют собой дополнительные проблемы для пилотируемых космических полетов, поскольку угроза здоровью, исходящая от космических лучей, значительно увеличивает риск развития рака при воздействии в течение десятилетия и более. Исследование, поддержанное NASA, показало, что радиация может нанести вред мозгу астронавтов и ускорить наступление болезни Альцгеймера. Солнечные вспышки (хотя и редкие) могут привести к смертельной дозе радиации за считанные минуты. Предполагается, что защитные экраны и лекарственные препараты в конечном итоге смогут снизить риски до приемлемого уровня. Экипаж Международной космической станции (МКС) частично защищен от космической среды магнитным полем Земли, поскольку магнитосфера отклоняет солнечный ветер вокруг Земли и МКС. Тем не менее, солнечные вспышки достаточно мощны, чтобы деформировать и проникать сквозь магнитную защиту, и поэтому по-прежнему представляют опасность для экипажа. В 2005 году экипаж экспедиции 10 в качестве меры предосторожности укрылся в более защищенной части станции, специально предназначенной для этой цели. Однако, помимо ограниченной защиты магнитосферы Земли, межпланетные пилотируемые миссии гораздо более уязвимы. Лоуренс Таунсенд из Университета Теннесси и другие исследователи изучили самую мощную солнечную вспышку, когда-либо зарегистрированную. Дозы радиации, которые астронавты получили бы от вспышки такой силы, могли бы вызвать острую лучевую болезнь и, возможно, даже смерть. Существует научная обеспокоенность тем, что длительные космические полеты могут замедлить способность организма защищаться от болезней. Радиация может проникать в живые ткани и вызывать как кратковременные, так и долгосрочные повреждения стволовых клеток костного мозга, которые создают кровь и иммунную систему. В частности, она вызывает «хромосомные аберрации» в лимфоцитах. Поскольку эти клетки играют центральную роль в иммунной системе, любое повреждение ослабляет иммунитет, что означает, что помимо повышенной восприимчивости к новым инфекциям, вирусы, уже присутствующие в организме – которые обычно подавляются – становятся активными. В космосе Т-клетки (форма лимфоцитов) менее способны к нормальному размножению, а Т-клетки, которые все же размножаются, менее способны бороться с инфекцией. Со временем иммунодефицит приводит к быстрому распространению инфекции среди членов экипажа, особенно в замкнутых пространствах космических аппаратов. 31 мая 2013 года ученые NASA сообщили, что потенциальная пилотируемая миссия на Марс может быть связана с высоким радиационным риском, основываясь на количестве энергетических частиц излучения, обнаруженных прибором RAD на борту марсохода Curiosity во время перелета с Земли на Марс в 2011–2012 годах.

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.

Безвесомость

После появления космических станций, пригодных для длительного пребывания, было установлено, что воздействие невесомости оказывает негативное влияние на здоровье человека. Человеческий организм хорошо адаптирован к физическим условиям на поверхности Земли, поэтому в ответ на невесомость различные физиологические системы начинают изменяться, а в некоторых случаях – атрофироваться. Хотя эти изменения обычно временные, некоторые из них могут иметь долгосрочные последствия для здоровья. Кратковременное воздействие микрогравитации вызывает космическую адаптацию, самоограничивающуюся тошноту, обусловленную нарушением работы вестибулярной системы. Длительное воздействие приводит к множеству проблем со здоровьем, наиболее значительной из которых является потеря костной и мышечной массы. Со временем эти эффекты декондиционирования могут снизить работоспособность астронавтов, повысить риск травм, уменьшить аэробные возможности и замедлить работу сердечно-сосудистой системы. Поскольку человеческое тело в основном состоит из жидкостей, гравитация стремится удерживать их в нижней части тела, и в организме существует множество систем для поддержания этого баланса. Освободившись от гравитационного притяжения, эти системы продолжают функционировать, вызывая общее перераспределение жидкости в верхнюю часть тела. Это является причиной округлости и припухлости лица, наблюдаемой у астронавтов. Перераспределение жидкости в организме само по себе может вызывать нарушения равновесия, искажение зрения, а также потерю вкуса и обоняния. Эксперимент на космическом шаттле в 2006 году показал, что Salmonella typhimurium, бактерия, вызывающая пищевые отравления, становится более вирулентной при культивировании в космосе. 29 апреля 2013 года ученые из Политехнического института Ренсселера, финансируемые НАСА, сообщили, что во время космических полетов на Международной космической станции микроорганизмы, по-видимому, адаптируются к космической среде способами, "не наблюдаемыми на Земле", и способами, которые "могут привести к увеличению роста и вирулентности". В 2017 году было установлено, что бактерии проявляют большую устойчивость к антибиотикам и активно размножаются в условиях близкой к невесомости космической среды. Микроорганизмы способны выживать в вакууме открытого космоса.

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.

Двигательная болезнь

Наиболее распространенная проблема, с которой сталкиваются люди в первые часы невесомости, известна как синдром адаптации к космосу, или SAS, обычно называемый космической болезнью. Он связан с морской болезнью и возникает по мере адаптации вестибулярной системы к невесомости. Симптомы SAS включают тошноту и рвоту, головокружение, головные боли, вялость и общее недомогание. Также меняются преобладающие типы мышечных волокон в мышцах. Медленные волокна, используемые для поддержания осанки, заменяются быстрыми волокнами, которые недостаточно эффективны для тяжелой работы. Достижения в области исследований физических упражнений, гормональных добавок и лекарств могут помочь поддерживать мышечную и общую массу тела. Метаболизм костей также претерпевает изменения. Обычно костная ткань формируется в направлении механического напряжения. Однако в условиях микрогравитации механическое напряжение минимально. Это приводит к потере костной ткани примерно на 1,5% в месяц, особенно в нижних позвонках, тазобедренных суставах и бедренной кости. Из-за микрогравитации и снижения нагрузки на кости происходит быстрое увеличение потери костной массы – от 3% кортикальной кости в десятилетие до примерно 1% ежемесячно при воздействии микрогравитации на организм здорового взрослого человека. Это резкое изменение плотности костей делает их хрупкими и вызывает симптомы, напоминающие остеопороз. На Земле кости постоянно разрушаются и регенерируются благодаря сбалансированной системе, включающей сигнализацию остеобластов и остеокластов. Эти системы взаимосвязаны: при разрушении кости ее место занимают новые слои, и ни один из этих процессов не должен происходить без другого у здорового взрослого человека. Однако в космосе микрогравитация приводит к увеличению активности остеокластов. Это проблема, поскольку остеокласты разрушают кости, высвобождая минералы, которые затем реабсорбируются организмом. Остеобласты не активируются последовательно с остеокластами, что приводит к постоянному уменьшению костной массы без восстановления. Увеличение активности остеокластов особенно заметно в области таза, поскольку именно эта область испытывает наибольшую нагрузку в условиях гравитации. Исследование показало, что у здоровых мышей количество остеокластов увеличилось на 197% в сопровождении снижения регуляции остеобластов и факторов роста, способствующих формированию новой кости, всего после шестнадцати дней воздействия микрогравитации. Повышенный уровень кальция в крови из-за потери костной ткани приводит к опасному отложению кальция в мягких тканях и потенциальному образованию камней в почках. Для тренировок используются беговая дорожка и велотренажер; каждый астронавт тратит не менее двух часов в день на занятия на этих тренажерах. Астронавты используют эластичные шнуры, чтобы закрепить себя на беговой дорожке. Астронавты, подвергающиеся длительному воздействию невесомости, носят брюки с эластичными лентами между поясом и манжетами для сжатия костей ног и уменьшения остеопении. Элемент противодействия рискам для здоровья человека в рамках Программы исследований человека поручил проекту «Цифровой астронавт» изучить конкретные вопросы, касающиеся режимов тренировок. НАСА сосредоточено на интеграции модели передового устройства для сопротивления при тренировках (ARED), находящегося на борту Международной космической станции, с мускулоскелетными моделями OpenSim, имитирующими упражнения с этим устройством. Цель этой работы – использовать обратную динамику для оценки крутящих моментов суставов и мышечных усилий, возникающих при использовании ARED, и, таким образом, более точно назначать режимы тренировок для астронавтов. Эти крутящие моменты суставов и мышечные усилия могут быть использованы в сочетании с более фундаментальными вычислительными моделями ремоделирования костей и адаптации мышц для более полного моделирования конечных эффектов этих контрмер и определения, будет ли предлагаемый режим тренировок достаточным для поддержания здоровья опорно-двигательного аппарата астронавтов.

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.

Перераспределение жидкости

В космосе астронавты теряют объем жидкости, включая до 22% объема крови. Поскольку сердцу требуется перекачивать меньший объем крови, оно атрофируется. Ослабленное сердце приводит к снижению артериального давления и может вызвать проблемы с "ортостатической толерантностью", то есть способностью организма обеспечивать достаточное поступление кислорода в мозг без потери сознания или головокружения у астронавта. "Под воздействием земной гравитации кровь и другие жидкости организма притягиваются к нижней части тела. При уменьшении или отсутствии гравитации во время космических полетов кровь стремится скапливаться в верхней части тела, что приводит к отекам лица и другим нежелательным побочным эффектам. По возвращении на Землю кровь снова начинает скапливаться в нижних конечностях, вызывая ортостатическую гипотензию."

Видение

В 2013 году НАСА опубликовало исследование, в котором были выявлены изменения в глазах и зрении обезьян после космических полетов продолжительностью более 6 месяцев. Отмечались такие изменения, как сплющивание глазного яблока и изменения сетчатки. Другой эффект известен как визуальные феномены, вызванные космическими лучами. Опрос НАСА среди 300 астронавтов (мужчин и женщин) показал, что около 23% астронавтов, совершивших короткие полеты, и 49% астронавтов, совершивших длительные полеты, сообщали о проблемах с зрением вблизи и вдаль во время своих миссий. При этом у некоторых проблемы со зрением сохранялись на протяжении многих лет после полета.

Длительные космические полеты также могут изменять движения глаз космонавтов (особенно вестибулоокулярный рефлекс).

Внутричерепное давление

Поскольку невесомость увеличивает объем жидкости в верхней части тела, астронавты испытывают повышение внутричерепного давления. Это, по всей видимости, увеличивает давление на заднюю поверхность глазных яблок, изменяя их форму и оказывая небольшое сдавливающее воздействие на зрительный нерв. Этот эффект был впервые отмечен в 2012 году в исследовании, основанном на МРТ-сканировании астронавтов, вернувшихся на Землю после пребывания в космосе не менее месяца. Подобные проблемы со зрением могут представлять серьезную угрозу для будущих дальних космических миссий, в том числе для пилотируемой экспедиции на Марс. Если повышение внутричерепного давления действительно является причиной, искусственная гравитация может стать одним из решений, равно как и для многих других рисков для здоровья человека в космосе. Однако эффективность таких систем искусственной гравитации еще предстоит подтвердить. Более того, даже при использовании сложной искусственной гравитации может сохраняться состояние относительной микрогравитации, последствия которого остаются неизученными.

Вкус

Одно из последствий невесомости для человека – изменение восприятия вкуса, о котором сообщают некоторые астронавты, находясь в космосе. Кому-то еда кажется пресной, другие отмечают, что любимые блюда теряют свой вкус (один из астронавтов, любивший кофе, настолько не переносил его вкус во время миссии, что перестал пить его даже после возвращения на Землю); некоторые астронавты начинают есть продукты, которые обычно не едят, а у других вкусовые ощущения не меняются вовсе. Многочисленные исследования не выявили точной причины этого явления, и было предложено несколько теорий, включая ухудшение качества продуктов и психологические факторы, такие как скука. Астронавты часто предпочитают пищу с выраженным вкусом, чтобы компенсировать снижение вкусовой чувствительности.

Дополнительные физиологические эффекты

В течение месяца человеческий скелет полностью растягивается в невесомости, что приводит к увеличению роста примерно на 2,5 сантиметра. Через два месяца мозоли на стопах отшелушиваются и опадают из-за отсутствия нагрузки, обнажая нежную новую кожу. В то же время верхняя часть стоп становится, напротив, раздраженной и болезненно чувствительной из-за трения о поручни, за которые астронавты цепляются для устойчивости. Во время плача слезы не текут, а собираются в шарик. В условиях микрогравитации запахи быстро распространяются по всему пространству, и в ходе испытаний NASA обнаружила, что запах крепленого хереса вызывает рвотный рефлекс. Различные физические неудобства, такие как боль в спине и в животе, часто возникают из-за перестройки организма к гравитации, поскольку в космосе мышцы могли свободно растягиваться из-за ее отсутствия. Это может быть частью синдрома астенизации, о котором сообщают космонавты при длительном пребывании в космосе, однако астронавты склонны считать эти проявления единичными случаями. Усталость, вялость и психосоматические тревоги также входят в симптомы этого синдрома. Данные остаются неубедительными, однако синдром, по всей видимости, существует как проявление внутреннего и внешнего стресса, с которым сталкиваются космические экипажи.

Исследования

Психологические последствия жизни в космосе изучены недостаточно, однако на Земле существуют схожие ситуации, например, арктические исследовательские станции и подводные лодки. Значительный стресс, испытываемый экипажем, в сочетании с адаптацией организма к изменениям окружающей среды, может вызывать тревожность, бессонницу и депрессию.

Стресс

Существует множество доказательств того, что психосоциальные стрессоры являются одними из наиболее значительных препятствий для поддержания оптимального морального духа и эффективности экипажа. Космонавт Валерий Рюмин, дважды Герой Советского Союза, приводит в своей автобиографической книге о миссии "Салют-6" следующую цитату из произведения О. Генри "Руководство для начинающих": "Если вы хотите спровоцировать убийство, просто закройте двух человек в каюте размером пять на шесть метров на месяц. Человеческая натура этого не выдержит". Интерес NASA к психологическому стрессу, вызванному космическими полетами, изначально проявлялся с началом пилотируемых миссий, но вновь усилился, когда астронавты стали работать вместе с космонавтами на российской космической станции "Мир". Типичными источниками стресса в первых американских миссиях были необходимость демонстрировать высокую производительность под пристальным вниманием общественности, а также изоляция от близких и коллег. На МКС последняя до сих пор часто является причиной стресса, например, когда мать астронавта NASA Дэниела Тани погибла в автомобильной аварии, и когда Майклу Финке пришлось пропустить рождение второго ребенка.

Продолжительность космического путешествия

Исследование самого длительного космического полета показало, что первые три недели – критический период, когда на внимание негативно влияет необходимость адаптации к резкой смене обстановки. В то время как три экипажа станции "Skylab" провели в космосе 1, 2 и 3 месяца соответственно, долгосрочные экипажи станций "Салют-6", "Салют-7" и МКС обычно находятся на орбите около 5–6 месяцев, а экспедиции на станцию "Мир" часто длились дольше. Рабочая среда на МКС характеризуется дополнительным стрессом, связанным с жизнью и работой в стесненных условиях с представителями разных культур, говорящими на разных языках. На космических станциях первого поколения экипажи говорили на одном языке, тогда как на станциях второго и третьего поколений работают экипажи, состоящие из представителей разных культур и говорящие на разных языках. МКС уникальна тем, что прибывающих не автоматически относят к категориям "хозяин" или "гость", как это было на предыдущих станциях и космических кораблях, и они могут не испытывать чувства изоляции в той же степени.

Будущее использование

В результате накопленного человеческого опыта, мы получили 58 солнечных лет пребывания в космосе и значительно лучше понимаем, как адаптируется человеческий организм. В будущем, индустриализация космоса и исследование внутренних и внешних планет потребуют от людей всё более длительного пребывания в космическом пространстве. Большинство имеющихся данных получены в ходе миссий короткой продолжительности, поэтому некоторые долгосрочные физиологические эффекты жизни в космосе остаются неизвестными. По оценкам, полет к Марсу и обратно с использованием современных технологий потребует не менее 18 месяцев только на перелет. Знание того, как человеческий организм реагирует на такие длительные периоды времени в космосе, является важнейшей частью подготовки к подобным путешествиям. Медицинское оборудование на борту должно быть достаточным для оказания помощи при любых травмах или чрезвычайных ситуациях, а также включать в себя широкий спектр диагностических и медицинских приборов для поддержания здоровья экипажа на протяжении длительного времени, поскольку это будут единственные доступные средства на борту космического корабля не только для лечения травм, но и для реагирования на адаптивные изменения человеческого организма в космосе. На сегодняшний день условия космического пространства испытывали лишь тщательно отобранные и подготовленные люди. Если когда-нибудь начнется внеземная колонизация, множество различных людей столкнутся с этими опасностями, а последствия для детей и младенцев остаются совершенно неизвестными. 29 октября 1998 года Джон Гленн, один из первоначальных "Меркурий 7", вернулся в космос в возрасте 77 лет. Его 9-дневный полет предоставил NASA ценную информацию о влиянии космических полетов на пожилых людей. Такие факторы, как потребности в питании и особенности физической среды, которые до сих пор не были достаточно изучены, приобретут важное значение. В целом, данных о многообразных последствиях жизни в космосе недостаточно, что затрудняет разработку мер по снижению рисков при длительном пребывании в космическом пространстве. В настоящее время для изучения некоторых из этих рисков используются испытательные стенды, такие как МКС. Космическая среда во многом остается неизведанной, и вероятно, существуют еще не выявленные опасности. В то же время, перспективные технологии, такие как искусственная гравитация и более сложные биорегенеративные системы жизнеобеспечения, в будущем могут помочь смягчить некоторые из этих рисков.

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.