Jak ćwiczyć w kosmosie?
Przyszłe misje na Księżyc i Marsa muszą sprostać wielu wyzwaniom, w tym zapobiec utracie tkanki kostnej i mięśniowej u astronautów. Badania prowadzone na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) pomagają zrozumieć jak ważne są ćwiczenia w kosmosie.
Jak tłumaczą naukowcy z NASA, bez ziemskiej grawitacji zarówno kości, jak i mięśnie zanikają lub stają się mniejsze i słabsze. Badacze wcześnie zdali sobie sprawę, że ćwiczenia są kluczowym elementem utrzymania zdrowia i sprawności w kosmosie, podobnie jak na Ziemi. W raz z kolejnymi misjami, sprzęt do ćwiczeń stawał się coraz bardziej zaawansowany. Obecne urządzenia obejmują system podnoszenia ciężarów Advanced Resistive Exercise Device (ARED), bieżnię drugiej generacji o nazwie T2 oraz urządzenie rowerowe Cycle Ergometer with Vibration Isolation and Stabilization System (CEVIS). Prowadzone testy nadal udoskonalają sprzęt, poprawiana jest również intensywność i czas korzystania z niego przez astronautów. Astronauci ćwiczą średnio dwie godziny dziennie.
Zainstalowany na ISS w 2008 roku ARED wykorzystuje tłok i koło zamachowe, aby zapewnić obciążenie, które zdaniem naukowców, naśladuje podnoszenie ciężarów w stanie nieważkości. Badanie Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA), ARED Kinematics analizowało wpływ tego typu ćwiczeń na ciało w warunkach mikrograwitacji, aby pomóc w określeniu optymalnych programów treningowych przed, w trakcie i po locie kosmicznym. Wyniki wykazały, że trening przed lotem poprawia wydajność danej osoby podczas przebywania w przestrzeni kosmicznej.
W latach 2001-2011 członkowie załogi stacji kosmicznej korzystali z urządzenia IRED (Interim Resistive Exercise Device), które można było skonfigurować do co najmniej 18 różnych ćwiczeń wykorzystujących mięśnie górnej i dolnej części ciała z siłą oporu do 135 kilogramów. Zdaniem badaczy analiza wykazała pewną korelację między siłą przed lotem a zmianami po locie. Zdaniem naukowców wskazywało to, że urządzenie oporowe, które zapewnia większe obciążenia i lepsze zalecenia dotyczące ćwiczeń, mogą zapewnić znaczące korzyści.
CEVIS, zainstalowany w 2001 roku i zmodernizowany w 2023 roku, wykorzystuje tarcie i opór oraz jest sterowany komputerowo w celu utrzymania dokładnego obciążenia. System jak tłumaczą inżynierowie NASA, wyświetla parametry, takie jak prędkość jazdy na rowerze, tętno, upływający czas i szczegóły dotyczące zaleceń treningowych. W badaniu wykorzystującym dane zebrane przez CEVIS, naukowcy stwierdzili, że nawet 17 proc. astronautów może doświadczyć utraty wydajności mięśni, zdrowia kości i sprawności sercowo-oddechowej, jeśli przyszłe misje będą nadal wykorzystywać obecne środki zaradcze dotyczące ćwiczeń. Badacze wskazują, że podkreśla to potrzebę dalszego udoskonalania obecnych schematów, dodawania innych rodzajów aktywności lub poprawy kondycji przed lotem.
Zdaniem naukowców, ważny jest odpowiedni sprzęt, ale także sposób jego użytkowania. Wczesne ćwiczenia obejmowały bieganie na bieżni z niską prędkością i wykonywanie ruchów oporowych z niskim obciążeniem przez długi czas. Pomimo spędzania do 10 godzin tygodniowo na ćwiczeniach, astronauci nadal tracili masę mięśniową i gęstość kości. Coraz więcej dowodów wskazywało na to, że ćwiczenia o wysokiej intensywności i małej objętości były bardziej skuteczne w utrzymaniu sprawności fizycznej na Ziemi. W badaniu Integrated Resistance and Aerobic Training Study (Sprint) porównano wyniki treningów o niskiej intensywności i dużej objętości z treningami o wysokiej intensywności i małej objętości w warunkach mikrograwitacji.
Wyniki były podobne, ale krótsze treningi oszczędzały czas załogi – cenny zasób podczas misji oraz zmniejszały zużycie sprzętu do ćwiczeń. 4 Przyszłe misje, jak wskazuje NASA, mogą być ograniczone do jednego urządzenia do ćwiczeń aerobowych i oporowych, co wymaga krótszych treningów, aby każdy członek załogi mógł z niego skorzystać. Ćwiczenia o wyższej intensywności mogłyby zrekompensować te ograniczenia.
Badanie o nazwie VO2max udokumentowało zmiany w maksymalnym poborze tlenu, który jak wskazują naukowcy, jest uważany za standardową miarę wydolności tlenowej i fizycznej danej osoby. Długotrwałe loty kosmiczne spowodowały znaczny spadek maksymalnego poboru tlenu i wydolności aerobowej. Wyniki te mają są niezwykle ważne dla przyszłych długotrwałych misji kosmicznych, wskazując na to, że obecne środki zaradcze mogą nie być wystarczające.
Muscle Biopsy, badanie przeprowadzone przez ESA, przeanalizowało zmiany molekularne w mięśniach szkieletowych przed i po locie kosmicznym, zidentyfikowano w nim produkt enzymatyczny, który może być wykorzystany jako potencjalny wskaźnik zdrowia mięśni. Zdaniem badaczy, wyniki sugerowały, że obecne ćwiczenia są skuteczne w zapobieganiu tracenia kondycji przez mięśnie oraz wspierają poprawę środków zaradczych w celu ochrony zdrowia i wydajności załogi podczas przyszłych misji eksploracji kosmosu.
Obecne programy ćwiczeń wydają się łagodzić zmiany w układzie mięśniowo-szkieletowym, choć indywidualne wyniki różnią się. Ponadto obecne schematy, jak twierdzą naukowcy, prawdopodobnie nie mogłyby być bezpośrednio przeniesione na dłuższe misje eksploracyjne ze względu na ograniczenia przestrzenne, kwestie środowiskowe, takie jak usuwanie ciepła i wilgoci, potrzeby związane z konserwacją i naprawą urządzeń, a także wyzwania związane ze znalezieniem czasu na ćwiczenia i uniknięciem kolidowania z pracą innych członków załogi.
Planowane misje eksploracji Księżyca i głębokiej przestrzeni kosmicznej mogą trwać do trzech lat. Badania nadal zmierzają do połączenia diety, ćwiczeń i leków, które mogłyby utrzymać astronautów w zdrowiu podczas tak długiego lotu kosmicznego. Ponieważ starzenie się, siedzący tryb życia i choroby powodują utratę kości i mięśni, badania te mogą również przynieść korzyści ludziom na Ziemi.
Emil Gołoś
