Подготовка к колонизации Марса требует решения множества проблем, среди которых наиболее острой является сохранение здоровья экипажа в условиях низкой гравитации. Скелетные мышцы составляют более 40% массы человеческого тела и крайне чувствительны к изменению нагрузки.
Как гравитация на Марсе повлияет на мышцы человека
Ученые Университета Цукубы, Япония исследовали влияние пониженной гравитации на скелетную мускулатуру. В ходе эксперимента на МКС с использованием японского модуля Kibo было установлено, какой уровень нагрузки необходим для предотвращения атрофии тканей у астронавтов во время длительных межпланетных миссий.
Марс. NASA
Биоэлектрический контроль. Для оценки состояния мышц грызунов ученые применили метод электрической импедансной миографии (ЭИМ). Суть этого метода заключается в измерении сопротивления мышечной ткани при прохождении через нее слабых электрических токов высокого напряжения. Это позволяет бесконтактно и очень точно фиксировать структурные изменения в волокнах, такие как уменьшение их размера или появление жировых прослоек, еще до того, как деградация станет заметна визуально. Применение ЭИМ в космосе дает возможность диагностировать атрофию на ранних стадиях, что критически важно для коррекции программы нагрузок.
Эксперименты с мышами, проведенные на борту МКС, показали, что в условиях пониженной гравитации можно смягчить и предотвратить мышечную атрофию. На снимке — модуль «Кибо» агентства JAXA, входящий в состав МКС.
На Марсе сила тяжести составляет лишь 38% от земной, что неизбежно ведет к потере мышечной массы и силы. Международная группа исследователей провела уникальный эксперимент на мышах, поместив их в специальную центрифугу на орбите. Животные находились под воздействием четырех уровней гравитации в течение двадцати восьми дней. Работа опубликована в журнале Science Advances.
Анализ показал, что даже частичная нагрузка способна замедлить негативные процессы в тканях, но для полной защиты организма требуется постоянный контроль целого набора показателей. Как отмечает соавтор работы, профессор Мари Мортре: «Мы были хорошо подготовлены к тому, чтобы увидеть, имеют ли наши наземные результаты точные аналоги при уменьшенной механической нагрузке на орбите».
Порог устойчивости организма
Эксперименты проводились с использованием установки для экспериментов по клеточной биологии JAXA, оснащенной центрифугой, создающей искусственную гравитацию.
Результаты детального изучения образцов тканей и плазмы крови позволили ученым выявить критический порог, необходимый для поддержания физической формы. Выяснилось, что уровня гравитации в 0,33 g (близкого к марсианскому) не хватает без дополнительных нагрузок, при такой гравитации мышцы начинают деградировать. Но при 0,67 g (на Венере даже больше — 0,9 g) мышечная производительность и объем тканей сохранялись практически полностью.
Исследование помогло определить 11 специфических метаболитов в крови, которые меняются в зависимости от уровня гравитации. Эти вещества могут стать биомаркерами для мониторинга состояния здоровья астронавтов в режиме реального времени.
Реконструкция. Космонавты работают на поверхности Марса.
Полученные данные лягут в основу разработки систем искусственной гравитации и специальных тренировочных комплексов. Это позволит участникам будущих экспедиций сохранять мобильность не только на поверхности Марса, но и успешно проходить реабилитацию после возвращения в земные условия, когда организму вновь придется адаптироваться к полной нагрузке.