Каждую секунду нашей жизни организм незаметно взаимодействует с силой тяжести. Когда мы стоим, ходим, поднимаемся по лестнице или просто сохраняем равновесие, мышцы, кости и клетки постоянно получают механические сигналы, позволяющие поддерживать здоровье тканей. Но стоит человеку оказаться на орбите, как этот привычный «диалог» с гравитацией практически прекращается.
Именно этот процесс стал предметом нового исследования, посвящённого тому, как длительное пребывание в условиях микрогравитации влияет на человеческий организм. Учёные стремятся понять, почему мышцы начинают быстро терять массу и силу в космосе, а также каким образом можно предотвратить эти изменения во время будущих полётов к Луне, Марсу и более далёким объектам Солнечной системы.
Почему гравитация необходима организму
На Земле мышцы работают постоянно, даже когда человек находится в состоянии покоя.
Чтобы удерживать тело в вертикальном положении, организм непрерывно преодолевает земное притяжение. Благодаря этому:
- поддерживается мышечная масса;
- сохраняется прочность костей;
- обновляются клетки тканей;
- работают сложные механизмы обмена веществ;
- регулируется взаимодействие между различными системами организма.
Мы настолько привыкли к этим процессам, что практически не замечаем их существования.
Однако в космосе условия становятся совершенно другими.
Что происходит после выхода на орбиту
На борту космической станции человек оказывается в состоянии микрогравитации.
Это не означает полного отсутствия гравитации — Международная космическая станция продолжает находиться под действием земного притяжения. Однако станция и всё, что находится внутри неё, постоянно находятся в состоянии свободного падения вокруг Земли. Именно поэтому возникает ощущение невесомости.
Для мышц это означает резкое снижение нагрузки.
Если на Земле ноги и спина ежедневно удерживают массу тела, то на орбите подобная работа почти исчезает.
Организм быстро начинает перестраиваться.
Почему мышцы начинают уменьшаться
Любая ткань организма постоянно адаптируется к условиям окружающей среды.
Если мышцы регулярно испытывают нагрузку, организм поддерживает их объём и силу.
Если же нагрузка исчезает, тело начинает экономить ресурсы.
В результате:
- уменьшается объём мышечных волокон;
- снижается сила сокращений;
- замедляется образование новых белков;
- ускоряется разрушение мышечной ткани;
- ухудшается координация движений после возвращения на Землю.
Этот процесс называется мышечной атрофией.
Даже при интенсивных тренировках астронавты во время длительных экспедиций всё равно теряют часть мышечной массы.
Исследования выходят на клеточный уровень
Современная наука уже не ограничивается наблюдением внешних изменений организма.
Теперь исследователи изучают процессы, происходящие внутри отдельных клеток.
Особое внимание уделяется тому, каким образом клетки ощущают механическую нагрузку и передают информацию друг другу.
Одним из ключевых направлений является исследование механотрансдукции — сложного биологического механизма, благодаря которому клетки способны воспринимать физическое воздействие и изменять свою работу в ответ на него. Именно нарушение этих процессов считается одной из главных причин развития мышечной атрофии в космосе.
Как воспроизводят невесомость на Земле
Проводить полноценные космические эксперименты крайне сложно и дорого.
Поэтому учёные создают специальные модели, позволяющие воспроизводить некоторые эффекты микрогравитации в лабораторных условиях.
Одним из таких методов является модель разгрузки задних конечностей у лабораторных животных.
При этом мышцы перестают испытывать привычную нагрузку, что позволяет исследователям наблюдать изменения практически так же, как во время космического полёта.
Подобные эксперименты помогают:
- изучать работу отдельных клеток;
- проверять новые методы лечения;
- искать лекарственные препараты;
- исследовать молекулярные механизмы атрофии.
На первый взгляд может показаться, что подобные работы интересны исключительно для подготовки астронавтов.
На самом деле их значение значительно шире.
Многие процессы, происходящие в невесомости, напоминают изменения, наблюдаемые у людей на Земле.
Например:
- возрастное уменьшение мышечной массы;
- длительная неподвижность после операций;
- продолжительный постельный режим;
- некоторые наследственные заболевания мышц.
Во всех этих случаях организм сталкивается со сходными механизмами разрушения мышечной ткани.
Поэтому открытия, сделанные в космической медицине, могут найти применение и в обычной клинической практике.
Какие молекулы ищут исследователи
Одной из главных задач является поиск биологических маркеров, которые позволят заранее определить начало неблагоприятных изменений.
Особый интерес представляют:
- сигнальные молекулы;
- белки, реагирующие на механическую нагрузку;
- внеклеточные везикулы;
- соединения, связанные с окислительным стрессом.
Если удастся обнаружить надёжные биомаркеры, врачи смогут контролировать состояние организма астронавтов практически в режиме реального времени.
Почему Марс станет ещё более серьёзным испытанием
Полёты на Международную космическую станцию продолжаются несколько месяцев.
Экспедиция к Марсу займёт значительно больше времени.
За этот период мышцы человека будут находиться в условиях пониженной нагрузки многие месяцы подряд.
Даже после прибытия ситуация полностью не нормализуется.
Марсианская гравитация составляет лишь около 38% земной.
Это означает, что мышцам всё равно придётся работать в необычных условиях.
Поэтому разработка новых способов защиты организма становится одной из важнейших задач современной космической медицины.
Одних физических упражнений уже недостаточно
Сегодня астронавты ежедневно проводят на тренажёрах около двух часов.
Используются:
- беговые дорожки;
- велотренажёры;
- силовые установки с сопротивлением.
Такие занятия значительно уменьшают потерю мышечной массы, однако полностью проблему не решают.
Именно поэтому исследователи ищут дополнительные способы защиты организма.
В перспективе это могут быть:
- новые лекарственные препараты;
- специальные методы стимуляции тканей;
- индивидуальные программы тренировок;
- биологические технологии, воздействующие непосредственно на клеточные механизмы.
Как организм «общается» с гравитацией
Авторы исследования образно сравнивают взаимодействие мышц и силы тяжести с непрерывным разговором.
Каждый день клетки получают информацию о том, какую нагрузку испытывает тело.
Эти сигналы регулируют рост тканей, обмен веществ и работу множества биологических процессов.
Когда человек оказывается в невесомости, привычный поток сигналов практически исчезает.
Клетки начинают работать по-другому, а организм постепенно перестраивается под новые условия.
Понимание этого процесса становится ключом к разработке будущих методов защиты здоровья космонавтов.
Значение исследования для будущих экспедиций
В ближайшие десятилетия человечество планирует длительное освоение Луны и подготовку первых пилотируемых полётов к Марсу. Такие миссии потребуют от экипажей сохранять высокую работоспособность на протяжении многих месяцев, а затем выполнять сложные задачи после посадки на поверхность другого небесного тела.
Именно поэтому изучение влияния микрогравитации на мышцы выходит далеко за рамки фундаментальной биологии. Чем лучше учёные поймут, каким образом клетки реагируют на исчезновение привычной механической нагрузки, тем эффективнее удастся защитить здоровье будущих исследователей космоса. Одновременно эти открытия могут привести к появлению новых методов лечения возрастной потери мышечной массы, последствий длительной неподвижности и тяжёлых заболеваний опорно-двигательной системы на Земле.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
