Что происходит с человеческим организмом в космосе?

18 марта на Землю после девяти незапланированных месяцев, проведенных на МКС, вернулись американские астронавты Барри Уилмор и Сунита Уильямс. 

Появившиеся в СМИ фото и видео с 62-летним Уилмором и 59-летней Уильямс, а также фотографии «до» и «после» произвели на всех ошеломляющее впечатление — насколько постаревшими, похудевшими и изможденными выглядят эти опытные астронавты, как сильно отразились на их теле и, возможно, здоровье 286 дней, проведенных на орбите Земли.

Что же на данный момент науке известно о том, какое действие оказывает на органы и системы человеческого организма длительное пребывание в космосе?

1. Мышцы и кости

Без постоянного воздействия земной гравитации мышечная и костная масса быстро начинают уменьшаться. Больше всего страдают те мышцы, которые помогают поддерживать осанку — мышцы спины, шеи, икр и четырехглавые мышцы бедер. В условиях микрогравитации им уже не приходится работать так же усердно, как на Земле, и они начинают атрофироваться.

Аналогично, поскольку в космосе скелет не подвергается такой большой механической нагрузке, как под действием земной гравитации, начинается процесс деминерализации костной ткани (она теряет минералы и соли) и кости становятся хрупкими.

За каждый месяц, проведенный в космосе, человек может терять 1-2% своей костной массы, а за шесть месяцев этот показатель может достигнуть 10% (для сравнения, на Земле пожилые люди теряют костную массу со скоростью 0,5-1% в год). Хрупкость костей повышает риск переломов и продлевает время, необходимое для срастания костной ткани. После возвращения на Землю может потребоваться до четырех лет, чтобы костная масса вернулась к норме.

Чтобы бороться с этим, космонавты во время пребывания на МКС по 2,5 часа в день занимаются специальными упражнениями и интенсивными тренировками. Комплекс включает в себя серию приседаний, становых и других тяг, жимов лежа с использованием резистивного тренажера, установленного в «спортзале» МКС, наряду с регулярными занятиями на беговой дорожке и на велотренажере.

Однако, как показало недавнее исследование, даже этого режима тренировок недостаточно для предотвращения потери мышечной массы в условиях пребывания в космосе. Возможно, космонавтам необходимы более высокие нагрузки в силовых упражнениях и высокоинтенсивные интервальные тренировки.

Помимо проблем с мышцами и костями, отсутствие земной гравитации вызывает некоторое растяжение позвоночника. В результате у человека не только слегка увеличивается рост, но и появляются боли в спине во время пребывания в космосе и смещение межпозвоночных дисков по возвращении на Землю.

2. Потеря веса

Хотя в космосе вес не имеет большого значения — микрогравитационная среда означает, что все, что не привязано, может свободно плавать по обитаемому пространству МКС, включая человеческие тела — поддержание здорового веса является сложной задачей на орбите. Частая тошнота и потеря обоняния и вкуса из-за повышенного давления в носовых пазухах приводят к тому, что космонавты теряют аппетит.

Так, Скотт Келли, астронавт НАСА, который принял участие в самом обширном исследовании эффектов долгосрочного космического полета, пробыв на борту МКС 340 дней, потерял 7% массы тела.

3. Зрение

На Земле гравитация заставлять кровь в наших телах течь от головного мозга вниз, однако в космосе этот процесс нарушается (хотя тело к нему в некоторой степени адаптируется), и кровь может накапливаться в голове. Часть этой жидкости может скапливаться в задней части глаза и вокруг зрительного нерва. По мере того, как давление на глаза и зрительные нервы нарастает, развивается нейроокулярный синдром, связанный с космическим полетом (Spaceflight Associated Neuro-Ocular Syndrome, SANS).

SANS может приводить к отеку зрительного нерва, снижению остроты зрения, структурным изменениям в самом глазу, изменению формы глаза, уплощению задней его части, появлению складок на сетчатке. SANS вызывает размытое или нечеткое зрение примерно у 70 процентов космонавтов.

Эти процессы могут начать происходить всего через две недели пребывания в космосе, и чем дольше астронавты остаются в условиях микрогравитации, тем выше риск повреждения зрения. После возвращения на Землю в течение примерно года глаза космонавтов обычно возвращаются в нормальное состояние, но некоторые изменения остаются навсегда.

Помимо нарушения циркуляции жидкости в организме, к проблемам с глазами также могут привести воздействие космических лучей и заряженных солнечных частиц. На Земле нас защищает атмосфера, но на орбите эта защита исчезает. Космонавты на борту МКС сообщали о вспышках света в глазах, когда космические лучи и солнечные частицы поражают сетчатку и зрительные нервы.

4. Головной мозг

Было замечено, что у некоторых людей длительное пребывание в космосе приводит к ухудшению когнитивных способностей — на орбите они решают некоторые задачи значительно медленнее, чем на Земле, у них ухудшается рабочая память и способность к концентрации внимания, а также меняется восприятие рисков.

Такой эффект может быть связан с изменением давления жидкости в мозге, а также со стрессом и недостатком сна. Но кроме этого, как показывают исследования, некоторые изменения во время нахождения на орбите, по-видимому, происходят в самом мозге.

В частности, было обнаружено, что меняются нейронные связи в областях мозга, связанных с двигательной функцией, а также в вестибулярной коре, которая играет важную роль в ориентации, равновесии и восприятии нашего собственного движения. Это неудивительно, учитывая особую природу невесомости — космонавтам приходится учиться эффективно передвигаться без гравитации, приспосабливаться к миру, где нет верха и низа.

Результаты еще одного исследования вызвали опасения относительно других изменений в структуре мозга, которые могут возникать во время длительных космических миссий. Оказалось, что полости в мозге, известные как правый боковой и третий желудочки, отвечающие за хранение спинномозговой жидкости, снабжение мозга питательными веществами и утилизацию отходов, в условиях микрогравитации могут отекать и опухать.

5. Кишечные микробы

Результаты многочисленных современных исследований показывают, что от состава и разнообразия микроорганизмов, которые живут в нашем кишечнике, в огромной степени зависит состояние нашего здоровья. Эта микробиота может влиять на то, как мы перевариваем пищу, воздействовать на уровень воспаления в нашем организме и даже менять работу нашего мозга.

Медицинское обследование Скотта Келли после его возвращения с МКС показало, что состав бактерий и грибков, населяющих его кишечник, сильно изменился по сравнению с той картиной, что наблюдалась до его полета в космос. Это, конечно, может быть связано с изменением в питании и круге общения (известно, что мы получаем огромное количество кишечных и оральных микроорганизмов от людей, с которыми мы живем рядом). Но свою роль также могли сыграть воздействие радиации, использование переработанной воды и изменение в уровне физической активности.

6. Гены

Одним из самых важных открытий, сделанных по итогам длительного путешествия Скотта Келли в космос, стало воздействие, которое оно оказало на его ДНК. В конце каждой нити ДНК находятся структуры, известные как теломеры, которые, как считается, помогают защищать наши гены от повреждений. Они становятся короче с возрастом, по мере старения, поэтому их длину еще называют «счетчиком продолжительности жизни».

К изумлению ученых, оказалось, что после долгого пребывания в условиях микрогравитации теломеры становятся длиннее. Такой эффект был обнаружен сначала у Келли, а потом и у других астронавтов, которые принимали участие в более коротких миссиях, продолжительностью около шести месяцев.

Ученым пока не ясно ни почему это происходит, ни какие последствия может иметь для здоровья, траектории старения и продолжительности жизни астронавтов.

У Келли после полета также были обнаружены некоторые изменения в экспрессии генов — механизме, который считывает ДНК для производства белков в клетках. Некоторые из них касались реакции организма на повреждение ДНК, формирования костей и реакции иммунной системы на стресс. Однако большинство этих изменений вернулись к норме в течение шести месяцев после его возвращения на Землю.

В июне 2024 года новое исследование выявило некоторые потенциальные различия между тем, как иммунная система мужчин и женщин реагирует на космический полет. Используя данные об экспрессии генов из образцов, полученных от экипажа миссии SpaceX Inspiration 4, который провел на орбите чуть менее трех дней осенью 2021 года, ученые обнаружили изменения в 18 белках, связанных с иммунной системой, старением и ростом мышц.

Выяснилось, что мужчины более чувствительны к пребыванию в космосе, чем женщины, у них наблюдается большее нарушение активности генов, и им требуется больше времени, чтобы вернуться в нормальное состояние после возвращения на Землю.

В частности, исследователи обнаружили, что у мужчин по сравнению с женщинами после полета была больше затронута активность генов двух белков, известных как интерлейкин-6, который помогает контролировать уровень воспаления в организме, и интерлейкин-8, который вырабатывается для перемещения иммунных клеток к местам инфекции.

Активность гена, кодирующего другой белок, фибриноген, который участвует в свертывании крови, также была больше затронута у мужчин, чем у женщин. С чем именно связаны такие половые различия, пока тоже неясно.

7. «Синдром опухшего лица», «куриные ножки», «детские ступни»

Все эти проблемы, с которым сталкиваются космонавты во время и после космического полета, как и проблемы со зрением, связаны с перераспределением жидкости в теле, из которой оно состоит на 70 процентов. В условиях микрогравитации жидкость имеет тенденцию к резкому смещению, как если бы вы все время висели вверх ногами. К верхней части туловища может мигрировать более 5,6 л жидкости.

Кроме того, так как жидкость покидает нижнюю часть тела, ноги кажутся необычно маленькими и ослабленными. Это состояние в NASA называют «куриные ножки» и «детские ступни».

Это косметические осложнения исчезают примерно через три дня при возвращении в нормальную гравитацию, но смещение жидкости также может привести к серьезным проблемам со здоровьем, поскольку увеличивается риск образования тромбов.

8. Космическая радиация

Всего за одну неделю на МКС космонавты подвергаются воздействию жесткого излучения, эквивалентному дозе, которую можно получить на Земле за год. При этом тип радиации на орбите более опасен, чем тот, что излучают обычные источники радиации здесь, на Земле.

Космическая радиация состоит из атомов, у которых отрываются электроны, когда они ускоряются почти до скорости света. Человеческий организм подвергается воздействию частиц, выбрасываемыми солнцем во время вспышек, а также галактических космических лучей, насыщенных высокоэнергетическими протонами и тяжелыми ионами, прилетающими из-за пределов нашей Солнечной системы.

Когда эти частицы врезаются в человеческие тела, они разрушают цепочки ДНК в клетках и вызывают мутации, которые могут перерасти в рак. Кроме того, повреждение клеточной ДНК увеличивает риск не только рака, но и нарушения работы центральной нервной системы и развития сердечно-сосудистых заболеваний.

9. Сердце и сосуды

Эта система страдает не только от радиации, но и из-за низкой гравитации. Из-за того, что кровь и другие жидкости организма перемещаются вверх, к голове, сердечно-сосудистой системе не приходится работать так усердно, как на Земле, чтобы поддерживать приток крови к мозгу. Это может приводить к уменьшению объема крови и снижению функции сердца и кровеносных сосудов.

10. Проблемы с кожей

Исследования показали, что пребывание на МКС в течение шести месяцев наносит серьезный ущерб коже — в космосе эпидермис истончается почти на 20%. Возможно, это происходит из-за низкой гравитации, которая нарушает способность кожи к росту и самовосстановлению.

Кроме того, космонавты часто страдают от кожной сыпи, что может быть связано как с раздражителями или аллергенами внутри космической станции, так и с также ослабляющим действием низкой гравитации на иммунную систему. С этим же может быть связан тот факт, что в космосе дольше заживают различные повреждения кожи.