Запор давно считается одной из распространённых проблем во время длительных космических полётов, однако причины этого явления оставались не до конца понятными. Новое исследование с участием 52 астронавтов Международной космической станции показало, что после выхода человека в микрогравитацию происходят заметные изменения в работе кишечника и активности кишечных бактерий.
Анализ крови астронавтов выявил признаки того, что уже в первые недели после прибытия на орбиту бактерии кишечника начинают значительно активнее перерабатывать белки. Такие изменения сохраняются в течение космической миссии, а после возвращения на Землю постепенно исчезают.
Полученные результаты указывают на вероятную связь между микрогравитацией, замедлением продвижения пищи по кишечнику и изменением метаболизма кишечной микробиоты. При этом исследователи подчёркивают: они непосредственно не измеряли скорость прохождения пищи по кишечнику. Вывод о замедлении основан на характерных изменениях метаболитов в крови.
Почему кишечник вообще реагирует на невесомость
Человеческая пищеварительная система рассчитана на работу в условиях земной гравитации, хотя само продвижение пищи по пищеварительному тракту происходит не только благодаря силе тяжести.
Важнейшую роль играет перистальтика — последовательные сокращения мышц стенок кишечника, которые перемещают его содержимое.
В условиях микрогравитации организм перестраивает работу многих систем. Изменяются распределение жидкостей, деятельность сердечно-сосудистой системы, мышечная нагрузка и работа органов пищеварения.
Исследователи предполагают, что отсутствие обычного гравитационного воздействия может способствовать более медленному продвижению содержимого кишечника. Чем дольше пища находится в кишечнике, тем больше времени получают микроорганизмы, обитающие там, для переработки различных компонентов пищи.
Именно этот процесс оказался в центре нового исследования.
Что происходит с пищей внутри кишечника
В нормальных условиях кишечные бактерии активно используют пищевые волокна и другие углеводы.
Волокна не перевариваются организмом человека полностью и становятся важным субстратом для микроорганизмов толстого кишечника. В результате их переработки образуются различные соединения, многие из которых участвуют в поддержании нормальной работы кишечника.
Но если содержимое кишечника перемещается медленнее, доступные углеводы и волокна могут расходоваться в большей степени.
Тогда бактерии переключаются на другие источники питательных веществ, в том числе белки.
Этот процесс называется белковой, или протеолитической, ферментацией.
Сам по себе он не является патологическим. Он происходит и у людей на Земле, в том числе при обычном прохождении пищи через кишечник. Проблема заключается в том, что при определённых условиях возрастает количество продуктов такого метаболизма.
Именно характерные продукты белковой ферментации исследователи обнаружили в крови астронавтов.
Что показал анализ крови
Учёные исследовали метаболиты — небольшие молекулы, присутствующие в крови и отражающие происходящие в организме биохимические процессы.
Метаболомика позволяет получить своеобразный химический снимок состояния организма.
По концентрации различных метаболитов можно судить о том, какие процессы происходят в тканях, как организм перерабатывает питательные вещества и какие изменения происходят в работе различных систем.
В новом исследовании анализ крови оказался особенно полезен потому, что напрямую исследовать кишечник человека во время длительного космического полёта значительно сложнее.
Исследователи обнаружили изменения примерно в 40 циркулирующих соединениях, связанных с космическим полётом. Среди них были метаболиты, которые образуются при переработке белков кишечными бактериями. Их содержание повышалось во время пребывания астронавтов на орбите.
Для работы использовали 488 образцов плазмы крови, полученных от 52 астронавтов.
Все участники совершали длительные полёты на Международную космическую станцию. Продолжительность их миссий составляла от двух до девяти месяцев, а образцы собирались до полёта, во время пребывания на орбите и после возвращения.
Это особенно важно для исследования.
Учёные смогли не просто сравнить группу астронавтов с людьми на Земле, а проследить изменения одного и того же организма на разных этапах космической миссии.
Такой продольный анализ позволяет лучше отделить последствия космического полёта от индивидуальных особенностей человека.
Изменения начинаются уже после прибытия на орбиту
Одним из наиболее интересных результатов стало время появления изменений.
Признаки усиления белковой ферментации обнаруживались уже в первые недели после прибытия астронавтов на Международную космическую станцию.
При этом изменения сохранялись до возвращения на Землю.
После завершения миссии показатели начинали возвращаться к исходному состоянию.
Такая динамика является важным аргументом в пользу связи наблюдаемого эффекта именно с условиями космического полёта.
Если бы изменения были обусловлены исключительно индивидуальным рационом или другими постоянными особенностями организма, было бы сложнее объяснить их появление после выхода на орбиту и исчезновение после возвращения.
Что происходит после возвращения на Землю
После приземления нормальная гравитация снова начинает воздействовать на организм.
Постепенно восстанавливаются многие физиологические процессы, изменившиеся во время космического полёта.
В случае кишечника исследователи также обнаружили обратимость этих метаболических изменений.
Повышенные показатели продуктов белковой ферментации уменьшались после возвращения астронавтов на Землю.
Это говорит о том, что обнаруженный процесс не является постоянным изменением организма, а связан с условиями пребывания в космосе.
Почему здесь важны кишечные бактерии
В кишечнике человека живёт огромное количество микроорганизмов.
Они участвуют в переработке компонентов пищи, которые человеческий организм самостоятельно переварить не может или переваривает лишь частично.
Кишечная микробиота способна изменять химический состав содержимого кишечника и производить большое количество метаболитов.
Часть этих соединений остаётся в кишечнике, а часть может всасываться и попадать в кровь.
Поэтому анализ крови позволяет косвенно оценить происходящие в кишечнике процессы.
Именно такой подход использовали исследователи.
Они не утверждают, что обнаружили прямое доказательство изменения скорости работы кишечника. Вместо этого полученные метаболические данные показывают, что среда, в которой работают кишечные бактерии, во время космического полёта меняется.
Откуда берутся продукты белковой ферментации
Если кишечные микроорганизмы используют белки в качестве субстрата, образуется целый ряд соединений.
Некоторые из них являются нормальными продуктами деятельности бактерий, однако повышенная белковая ферментация может приводить к накоплению веществ, которые при определённых концентрациях связывают с неблагоприятными последствиями для организма.
Исследователи обращают внимание на такие потенциальные эффекты, как влияние на работу почек, настроение и способность концентрироваться.
При этом речь не идёт о доказанном развитии этих заболеваний у астронавтов вследствие обнаруженных изменений.
Исследование показывает прежде всего наличие метаболических сдвигов, а вопрос о долгосрочных последствиях требует отдельного изучения.
Запор может быть только видимой частью проблемы
Сам по себе запор кажется относительно незначительной проблемой по сравнению с более очевидными последствиями космического полёта — потерей костной массы, атрофией мышц, изменениями сердечно-сосудистой системы или воздействием радиации.
Однако работа кишечника тесно связана с общим состоянием организма.
Пищеварительная система обеспечивает поступление энергии и питательных веществ, а кишечная микробиота участвует в большом количестве обменных процессов.
Если условия космического полёта изменяют скорость прохождения пищи и состав продуктов бактериального метаболизма, последствия потенциально могут выходить за рамки обычного дискомфорта.
Именно поэтому исследователи рассматривают кишечник как одну из систем, которую необходимо учитывать при подготовке длительных космических экспедиций.
Почему диета не объясняет все изменения
Рацион астронавта существенно отличается от обычного питания на Земле.
Космическая пища должна быть безопасной, храниться длительное время, иметь относительно небольшую массу и объём и при этом обеспечивать организм необходимыми питательными веществами.
Поэтому исследователи отдельно проверяли, какую роль могли сыграть различия в питании.
Оказалось, что рацион действительно влиял на некоторые метаболические показатели, однако особенности питания объясняли менее трети наблюдавшихся изменений.
Следовательно, одного изменения диеты недостаточно, чтобы объяснить весь обнаруженный эффект.
Оставшаяся часть изменений связана с другими факторами космического полёта, среди которых исследователи выделяют микрогравитацию и возможное замедление прохождения пищи по кишечнику.
Почему отсутствие гравитации может иметь значение
На Земле гравитация влияет на движение жидкостей и содержимого организма.
В микрогравитации привычное распределение жидкостей меняется.
У астронавтов жидкость перемещается из нижней части тела в сторону грудной клетки и головы. Организм воспринимает это как изменение объёма крови и перестраивает работу ряда физиологических систем.
Однако влияние микрогравитации на пищеварительный тракт изучено значительно хуже.
Именно поэтому новое исследование представляет интерес: оно предоставляет биохимические признаки того, что условия космического полёта действительно меняют внутреннюю среду кишечника.
При этом учёные пока не могут точно определить, какой именно механизм является главным.
Микрогравитация не «выключает» перистальтику
Важно не понимать результаты исследования как утверждение, что в космосе кишечник перестаёт сокращаться.
Перистальтика продолжает работать.
Человеческая пищеварительная система способна перемещать пищу и жидкости даже при отсутствии обычной земной гравитации.
Однако скорость и характер движения содержимого могут изменяться.
Именно возможное замедление транзита пищи является одной из основных гипотез, объясняющих наблюдаемую усиленную белковую ферментацию.
Для окончательного подтверждения этого механизма необходимы дополнительные исследования.
Кишечник связан не только с пищеварением
Исследователи отдельно обращают внимание на связь кишечника с другими системами организма.
Метаболиты, образующиеся в кишечнике, могут попадать в кровоток и распространяться по организму.
Некоторые соединения способны взаимодействовать с органами и тканями, поэтому состояние кишечника может иметь более широкое физиологическое значение.
Особенно интересна потенциальная связь кишечной микробиоты с мозгом.
Кишечник и центральная нервная система взаимодействуют через нервные, иммунные и метаболические механизмы. Поэтому изменения в кишечном метаболизме рассматриваются как один из факторов, потенциально влияющих на общее состояние человека.
Но в рамках нового исследования непосредственное влияние обнаруженных изменений на мозг астронавтов не изучалось. Поэтому делать вывод о том, что усиленная белковая ферментация непосредственно ухудшала их настроение или концентрацию, пока нельзя.
Почему это важно для полётов к Луне и Марсу
Полёт на Международную космическую станцию обычно длится несколько месяцев.
Будущие экспедиции могут продолжаться значительно дольше.
Перелёт экипажа к Марсу займёт месяцы в одну сторону, а пребывание на поверхности планеты и обратная дорога ещё больше увеличат продолжительность миссии.
При таких сроках даже умеренные физиологические изменения становятся более значимыми.
Если определённый процесс продолжается месяцами, его последствия могут постепенно накапливаться.
Поэтому исследователи считают необходимым заранее разработать способы поддержания нормальной работы кишечника во время длительных миссий.
Клетчатка может стать одним из способов профилактики
Один из наиболее очевидных вариантов — увеличение количества пищевых волокон в рационе.
Логика здесь связана непосредственно с механизмом, обнаруженным в исследовании.
Если кишечные бактерии получают достаточно доступных углеводов и волокон, необходимость использовать белки в качестве основного субстрата уменьшается.
Это потенциально может снизить образование продуктов белковой ферментации.
Однако речь пока идёт о возможной контрмере, а не о доказанном способе устранения запора у астронавтов.
Необходимы отдельные исследования, которые покажут, какое количество и какие типы пищевых волокон оптимальны в условиях микрогравитации.
Возможны и пребиотики
Другой вариант — использование пребиотиков.
Пребиотики представляют собой компоненты пищи, которые не перевариваются человеком, но используются определёнными полезными микроорганизмами кишечника.
Изменяя доступность питательных веществ для микробиоты, можно теоретически изменить и состав производимых метаболитов.
Исследователи рассматривают пребиотики как один из возможных инструментов поддержания нормальной работы кишечника во время длительных космических полётов.
Но и здесь необходимы дополнительные исследования в реальных условиях космического полёта.
Ещё один вариант — воздействовать на перистальтику
Если дальнейшие исследования подтвердят, что одним из ключевых факторов является замедление прохождения содержимого кишечника, потенциальной целью станет сама моторика кишечника.
Исследователи указывают на возможность использования методов, которые способствуют перистальтике и сокращают время прохождения пищи через кишечник.
Это может снизить продолжительность контакта кишечной микробиоты с содержимым и, соответственно, уменьшить интенсивность белковой ферментации.
Какие именно средства окажутся безопасными и эффективными для астронавтов, пока не определено.
Почему это может быть полезно и на Земле
Космическая медицина часто даёт результаты, которые имеют значение не только для астронавтики.
Организм астронавта оказывается в необычной среде, где резко меняется механическая нагрузка, распределение жидкостей и режим активности.
Некоторые изменения напоминают процессы, которые происходят у людей с ограниченной подвижностью.
Один из таких примеров — длительное пребывание в постели.
У лежачих пациентов также часто возникает запор, а физическая активность резко снижается.
Исследователи считают, что изучение кишечника астронавтов может помочь лучше понять механизмы подобных нарушений у людей на Земле.
Параллель с лежачими пациентами
У человека, который долгое время находится в постели, меняется двигательная активность, режим питания и работа различных систем организма.
Запор в таких условиях является распространённой проблемой.
Если замедление кишечного транзита действительно способствует усилению белковой ферментации, аналогичный механизм может иметь значение и для некоторых пациентов на Земле.
Таким образом, астронавты становятся своеобразной моделью для изучения того, как изменение физической активности и условий существования влияет на кишечную микробиоту.
Это одно из практических направлений применения результатов космической медицины.
Исследование показывает, насколько тесно связаны физиология и микробиота
Космический полёт меняет организм не только на уровне отдельных органов. Изменяется среда, в которой существуют триллионы микроорганизмов кишечника. Эти микроорганизмы, в свою очередь, производят химические соединения, которые могут поступать в организм человека.
Получается сложная цепочка:
- микрогравитация и условия космического полёта могут изменять работу кишечника;
- изменяется время прохождения пищи;
- меняется доступность различных питательных веществ для бактерий;
- изменяется характер микробного метаболизма;
- меняется состав метаболитов, поступающих в кровь.
Именно такую последовательность событий позволяют предположить результаты нового исследования.
Почему кровь оказалась хорошим источником информации
Кровь постоянно циркулирует по организму и содержит огромное количество растворённых веществ. Изменения концентрации небольших молекул могут отражать работу различных органов и тканей. Для космической медицины это особенно важно.
Получение образца крови относительно просто по сравнению с непосредственным исследованием внутренних органов во время орбитального полёта. Поэтому метаболомика может стать одним из важных инструментов мониторинга здоровья экипажей будущих дальних экспедиций.
Вместо того чтобы ждать появления выраженных симптомов, исследователи потенциально смогут обнаруживать изменения по биохимическим маркерам.
Чем новое исследование отличается от простого наблюдения за симптомами
Ранее было известно, что астронавты часто сталкиваются с нарушениями работы кишечника.
Но наблюдение симптома отвечает на вопрос «что происходит», а не обязательно на вопрос «почему».
Новая работа позволяет перейти на следующий уровень.
Исследователи обнаружили характерный биохимический след в крови, который соответствует усилению определённого типа микробного метаболизма.
Этот след появляется во время пребывания в космосе и уменьшается после возвращения на Землю.
Так появляется возможная механистическая связь между условиями полёта и нарушением работы кишечника.
Но причинно-следственная связь ещё требует проверки
Несмотря на убедительную картину, исследование не доказывает все этапы предполагаемого механизма.
Учёные не измеряли непосредственно скорость прохождения пищи через кишечник у каждого астронавта.
Поэтому утверждение должно формулироваться осторожно: полученные данные согласуются с гипотезой о замедлении кишечного транзита в микрогравитации.
Кроме того, на организм астронавтов воздействуют не только отсутствие обычной гравитации.
Есть изменения режима сна, физической активности, питания, стресс, особенности условий проживания и другие факторы.
Часть этих факторов также может влиять на пищеварение и микробиоту.
Именно поэтому дальнейшие исследования необходимы для определения относительного вклада каждого из них.
Что произойдёт во время более длительного полёта
Пока неизвестно, будет ли усиленная белковая ферментация продолжать увеличиваться при многолетнем пребывании в космосе или достигнет определённого уровня и стабилизируется.
Это один из важных вопросов для будущих исследований.
Экспедиция на Марс будет существенно отличаться от пребывания на Международной космической станции.
На орбите Земли экипаж относительно быстро получает помощь с Земли, а многие медицинские ресурсы можно регулярно доставлять грузовыми кораблями.
Во время межпланетного перелёта возможности пополнения запасов будут ограничены.
Поэтому любые физиологические нарушения необходимо будет предотвращать или контролировать автономно.
Питание станет частью системы жизнеобеспечения
Для длительной экспедиции еда — это не просто источник калорий.
Рацион должен одновременно обеспечивать организм энергией, белком, витаминами, минералами и пищевыми волокнами.
При этом продукты должны сохраняться длительное время и занимать минимум массы и объёма.
Если выяснится, что определённый состав рациона снижает нарушения кишечного транзита и уменьшает нежелательную белковую ферментацию, питание может стать одной из ключевых профилактических мер.
Это делает исследования микробиоты непосредственно связанными с разработкой будущих космических рационов.
Возможно, космическая еда должна учитывать микробиоту
Традиционный подход к космическому питанию в первую очередь ориентируется на энергетическую ценность, безопасность и сохранность продуктов.
Однако исследования последних лет показывают, что состав рациона влияет не только на самого человека, но и на микроорганизмы его кишечника.
Для длительных миссий может оказаться важным учитывать, какие именно бактерии получают преимущество при определённом питании и какие метаболиты они производят.
Таким образом, будущий рацион астронавта может проектироваться не только с точки зрения физиологии человека, но и с учётом его микробиома.
Космическая медицина изучает не только космос
Подобные исследования показывают одну из особенностей космической биологии.
Орбитальный полёт создаёт экстремальные условия, в которых некоторые процессы становятся заметнее, чем на Земле.
Если удаётся определить механизм изменения, его затем можно исследовать в отношении земных заболеваний и состояний.
Так уже происходило с исследованиями костей, мышц, сердечно-сосудистой системы и других органов.
Кишечник становится ещё одним примером системы, где космические условия помогают обнаруживать фундаментальные связи между физической средой, обменом веществ и микробиотой.
Что теперь предстоит выяснить
Следующий этап исследований должен определить, насколько непосредственно обнаруженные изменения связаны с симптомами запора.
Нужно установить, какие именно компоненты питания сильнее всего влияют на белковую ферментацию в космосе.
Необходимо выяснить, способны ли увеличение пищевых волокон или применение пребиотиков реально уменьшить выраженность проблемы.
Также важно понять, какие изменения происходят в составе самой кишечной микробиоты и насколько они устойчивы при длительном пребывании в микрогравитации.
Наконец, потребуется определить, имеют ли обнаруженные метаболиты долгосрочные последствия для здоровья.
Человек привык считать гравитацию постоянной частью окружающей среды.
На Земле мы практически не замечаем её влияния на большинство физиологических процессов.
Но достаточно вывести организм на орбиту, чтобы многие привычные механизмы начали работать иначе.
Новое исследование показывает, что это касается даже такого базового процесса, как продвижение пищи по кишечнику.
Изменения проявляются не только в виде неприятного симптома. Они оставляют измеримый химический след в крови.
Именно этот след позволил учёным связать космический полёт с усилением белковой ферментации кишечными бактериями.
Значение для будущих полётов
Для экспедиций к Луне и Марсу здоровье кишечника может оказаться гораздо более важным вопросом, чем кажется на первый взгляд.
Запор сам по себе редко представляет серьёзную угрозу, однако постоянное изменение работы кишечника может быть связано с более глубокими метаболическими процессами.
Если организм длительное время находится в условиях микрогравитации, любые хронические изменения требуют контроля.
Поэтому будущие системы медицинского сопровождения экипажа, вероятно, будут отслеживать не только основные физиологические показатели, но и состояние кишечной микробиоты и метаболизма.
Главное открытие
Исследование 52 астронавтов показывает, что во время длительного пребывания на Международной космической станции в крови появляются устойчивые изменения, соответствующие усилению белковой ферментации кишечными бактериями. Эти изменения возникают после прибытия на орбиту и уменьшаются после возвращения на Землю.
Полученные данные согласуются с гипотезой, согласно которой микрогравитация может замедлять прохождение пищи через кишечник. При более длительном пребывании пищи в кишечнике бактерии могут в большей степени переходить от переработки пищевых волокон к переработке белков, изменяя набор образующихся метаболитов.
Пока это не является окончательным доказательством полного механизма возникновения запора в космосе. Однако исследование существенно уточняет картину происходящего и показывает, что проблема связана не только с неприятным симптомом, но и с измеримыми изменениями кишечного метаболизма.
Для будущих полётов к Луне и Марсу это означает необходимость рассматривать пищеварительную систему как полноценный объект космической медицины. Рацион с достаточным количеством пищевых волокон, пребиотики и другие методы поддержания нормальной моторики кишечника могут стать частью медицинских контрмер для длительных экспедиций. При этом эффективность таких методов ещё предстоит проверить непосредственно в условиях космического полёта.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
