H. Hinghofer-Szalkay. Institutul IAP Graz
Fiziologia spațiului Graz în spațiu/septembrie 2008 H. Hinghofer-Szalkay IAP Institute Graz
Aspecte ale fiziologiei călătoriilor spațiale Fiziologie (funcții optime/sănătate/bunăstare) Nivele ierarhice (moleculă . celulă . umană . biosferă) Interdisciplinaritate (comunicare/definirea termenilor) Efect de vedere generală (recunoașterea relațiilor globale)
Durata zborurilor spațiale anterioare vs. Misiunea Marte
Probleme specifice 1. Efectele accelerației 2. Efectele psihofiziologice 3. Sistemele senzoriale 4. Sistemul circulator 5. Mușchii și oasele 6. Sistemul imunitar 7. Funcțiile creierului/orientarea 8. Biologia radiațiilor/dozimetria 9. Aerul, alimentele, apa, digestia 10. Sistemele de susținere a vieții
1: Accelerarea și axele corpului + Gz: globi oculari în jos + Gx: globi oculari în + Gy: globi oculari stângi -Gz: globi oculari în sus -Gx: globi oculari în afara -Gy: globi oculari dreapta
Toleranță de accelerație (axa x) Decompresorul QuickTime TIFF (necomprimat) este necesar pentru afișare. + G x: „Globii oculari” >>> „White-out” -G x: „Globii oculari” >>> „Red-out” Efect G x Conservarea vederii și a conștiinței Până la 17 limită de toleranță 28-30 posibil deteriorarea țesutului> 30
John Paul Stapp (1910-1999) „Proiect de decelerare umană (câmpul aerian al armatei Muroc, acum baza forței aeriene Edwards, California) Din 1947: încercări de sanie cu rachete (610 m) - prima + G x, din 1949 -G x 10 decembrie 1954: în 5 secunde de la 0 la 1011 km/h -G x - Decelerare în 1,4 secunde 45 -G x Sângerări reversibile ale ochilor
Toleranță de accelerație (axa z) + G z: efect „Globii oculari în jos” + G z imponderabilitate 0 mâini dificile, mers dificil 2 mers imposibil, târâtoare dificil; Vederea restricționată târât aproape imposibil; Întreruperea începe 4 3 Mâna și capul pot fi mișcate cu dificultate; Conștiința este înnorată 5
Creierul, inima și accelerația
2: Efecte psihofiziologice Stres Sentiment de pericol existențial Presiune de așteptare Monotonie Depresie/atacuri de panică Somn (lumină, zgomot, ritmuri zilnice, intimitate.) Spațiu personal (Gemeni 1,3 m 3/p, ISS 200 m 3/p) Misiuni mixte de gen/sexualitate Diferențe culturale Interacțiune cu Membrii echipajului - compatibilitate, leadership, fuziune de grup vs. fisiune
Thalamus SUBCORTICAL, hipocamp, hipotalamus, trunchi cerebral Mobilizat pentru „situații de luptă” (mișcare, transport, sisteme metabolice și hormonale) CEREBLUL FRONTAL Autoritatea supremă, „șeful” personalității Reglează planificarea, evaluarea situației, judecata, deciziile >> inhibate de stres> uman centrifugă cu motor Ames Research Center Moffett Field, California
Gravitație (+ Gz) Mecanisme CENTRALE Baroreflex Mecanisme LOCALE reflex Henriksen Reglare sistemică cardio-vagală Sistem cardiovascular simpatic Ton vascular Reglare periferică Tensiune arterială Perfuzie
Stres ortostatic până la presincopă. Îndepărtarea automată a perturbării prin colaps?
Forțe maxime Pierderea osoasă în µg Dezvoltarea osteoporozei pe oasele purtătoare de greutate de 10 ori mai rapid decât în postmenopauză
Contramăsuri: Sarcina musculară osoasă (banda de alergare.) Placă de vibrații (de ex. 20 min/zi 0,3 G la 30 Hz) Factori nutriționali (calciu, fosfat ? magneziu?) Medicamente (bifosfonați: etidronat, alendronat .) Greutate artificială Helmut Hinghofer-Szalkay 2006
Muschii/gravitația/greutatea
Tipuri de fibre musculare: adaptare la greutatea de tip I (încetinire lentă - denumită după tipul I-MHC - lanțuri grele de miozină): dezvoltarea rezistenței încet, oboseală scăzută; capacitate aerobă mare, multe mitocondrii, mioglobină abundentă. De exemplu. 35% în m. triceps, 90% în m. călătoria spațială soleus: pierderea musculară mai mult decât se aștepta din studiile de repaus la pat (dietă? hormoni? stres oxidativ? stres psihologic?). Mușchii contracții mai slabe, dar mai rapide Tip II (contracție rapidă): Dezvoltare rapidă a rezistenței, rezistență ridicată la oboseală. - rapid, rezistent la oboseală - rapid fatigabil (extrem de dependent de glicoliză) În caz de imobilizare/inactivitate: tipul I cel mai afectat; >> Tipul II
Măsuri contrare: Musculare 1. Sarcina musculară („antrenament”) Activare aerobă (ergometru pentru bicicletă) insuficientă; exercițiu de rezistență submaximală mai eficient 2) costum de pinguin 3) medicamente de ex. Testosteron, IGF . 4) LBNP 5) TENS 6) Greutate artificială HPC Structuri mari Helmut Hinghofer-Szalkay 2006 2008
6: Sistem imunitar, microbiologie, bacterii, ciuperci, paraziți Piele: aproximativ 2 m 2 membrane mucoase: 400 m 2 Spațiu: dinamică microbiană într-un sistem închis
Problemă igienă costum spațial toaletă la bord „mâncare spațială” „sport spațial” Helmut Hinghofer-Szalkay 2007 2008
7: Funcția și orientarea creierului Boala spațială Mișcarea și controlul privirii Atenție, capacitate de rezolvare a problemelor, abilități de gândire logică Slăbiciune musculară/oboseală Sensibilitatea la adâncime nu poate compensa mesajele din urechea internă Creșterea importanței a ceea ce se vede Mișcările voluntare vizate au încetinit (modificarea planificării mișcării?) Capacitatea de concentrare reduce zborul (săptămâni) și post-zbor cea mai mare performanță posibilă a creierului (de exemplu, în misiunile de pe Marte!)
Reorientarea primară cu suprimarea informațiilor din indicii determinate de gravitație - recalibrare Recalcularea modelelor senzorimotorii Reinterpretarea stimulilor proprioceptivi Mai mare accent pe informațiile vizuale Învățarea strategiilor motorii modificate Helmut Hinghofer-Szalkay 2006
Reglare înapoi la 1G la 0G Probleme la mersul pe linie dreaptă Probleme la mersul pe o curbă Halucinații (auto-mișcare/mișcare a mediului) Nistagmus Greață, vărsături Helmut Hinghofer-Szalkay 2006
8: Biologia radiației și dozimetrie Louis Harold Gray, Londra 1905-1965 Rolf Sievert, Stockholm 1896-1966 Doza absorbită de energie absorbită de 1 kg de materie iradiată 1Gy = 1 J/kg (provoacă 5,10 3 daune ADN per celulă) Multiplicarea dozei echivalente a Doza absorbită (gri) cu factor de calitate biologică Pentru radiațiile β și γ factorul de calitate este 1 (1 Gy = 1 Sv) pentru protoni 5, pentru neutronii rapidi 10 pentru radiația α 20 (1 Gy = 20 Sv) Nivelul mării: 0,3 ms/a Helmut Hinghofer-Szalkay 2006
Expunere tipică la doză Activitate/ședere Tipul de radiație Doză 1 un nivel al mării mixt Temperatura până la 30 Cartofi, roșii. au nevoie de perioade întunecate Phytotron a produs până la 2000 l O 2 pe zi
Modulul de testare a biosferei 2 1985-1993 6,1x 6,1 m, 360-480 m 3 Aer: SBR = reactor cu pat de sol Apă: procesarea deșeurilor 60 l/zi septembrie 1988 Închiderea unei singure persoane până la 3 săptămâni Durată Scurgerea 2 %/Lună fluctuații de CO 2 pe 24 de ore până la 1000 ppm
BPC: Camera de producție a biomasei Kennedy Space Center, Florida 7,5 x 3,5 m 64 tăvi (inserții) - un total de 16-20 m 2 16 l/min apă/soluție nutritivă pe tavă 96 lămpi de sodiu de 400 W
MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative) Plante comestibile CREW Deșeuri organice (fecale, hârtie igienică, rămășițe vegetale) COMPARTIMENTUL 4 Plante superioare (4a) Cianobacterii (4b) COMPARTIMENTUL 1 * LICHIFICARE Bacterii termofile anaerobe NO 3 Minerale Biomasă comestibilă Acizi grași 3 Bacterii COMPARTIMENTUL 2 Bacterii fotosintetice anaerobe CO 2 O 2 NH 4 * 1: hidroliză, lichefiere 2: fermentare suplimentară: H2, acetat, formiat (3: metanogeneză: prevenită de pH 6,5)
Visul unei lumi intacte Oracle, Arizona: Experimentul uman Ciclu ecologic închis 12.000 m 2 suprafață etaj 190.000 m 3 volum Izolare completă a materialului din mediu 3000 de specii de plante, 600 de specii de animale 6600 de ferestre, 40 km cadru din oțel
Helmut Hinghofer-Szalkay 2006
Prima misiune 1991-1993 (24 luni) Tabor McCallum Sally Silverstone Mark Van Thillo Mark Nelson Jane Poynter Linda Leigh Abigail Alling Roy Walford Foto 1 înainte de misiune
Foto 2: După un an în biosferă KG -14 (f)/- 21% (m) IMC 23> 19 kg/m 2 DBP 77> 58 mm Hg Gluc. 92> 68 mg/dl colesterol 190> 130 mg/dl
CRL = restricție calorică pentru longevitate Șobolanii care urmează o dietă cu calorii reduse/de înaltă calitate trăiesc mai mult decât martorii hrăniți ad libitum (McCay, Crowell, Maynard. J Nutr 1935; 10: 63-79) Trecerea de la o strategie metabolică reproductivă la una care susține viața? Aportul de calorii 75, 45, 35% ad libitum >> durata de viață extinsă cu 19, 47, 54% (Weindruch și colab. 1986) Cu cât efectul este mai devreme/mai lung, cu atât este mai puternic efectul. Nutriția regulată de înaltă calitate este esențială pentru efectul CRL
Biosfera 2: aport de calorii pe sferturi
Dieta: carbohidrați, proteine, grăsimi Astronauți: conținut de carbohidrați + 5% din energia absorbită >> nivel de insulină + >> competiție pentru absorbția aminoacizilor >> triptofan liber + >> posibil efect asupra nivelului serotoninei (hipotalamus) >> anorexie spațială? Simptome de stres reduse?
Terraformare Outlook: crearea unor condiții de mediu similare pământului, compatibile cu viața, pe corpurile cerești extraterestre Helmut Hinghofer-Szalkay 2007 2008
Limite de habitabilitate Parametru Limite Comentarii Plante Presiune totală> 10 mbar H 2 O + O 2 + N 2 + CO 2 Dioxid de carbon> 0,15 mbar Limita inferioară a fotosintezei; fără limită superioară limpede azot> 1-10 mbar fixare azot oxigen> 1 mbar respirație pe bază de plante amestec normal de aer> 500 mbar 300 mbar oxigen efect tampon> 130 mbar 2 H 2 O + CH 4 + căldură, pe catalizator Ni sau Co, 300-400 C BOSCH CO 2 + 2 H 2 -> C + H 2 O + căldură, pe catalizator Fe, 530-730 C
Ce s-ar putea schimba pe Marte? Distribuția substanțelor gazoase Temperatura și presiunea suprafeței Compoziția și transparența atmosferei Albedo Precipitații și umiditatea solului Scop: Creșterea temperaturii cu 60 C Pentru 1 bar, ar fi necesare 4 * 10 15 tone de gaz Sol sol marțian puternic oxidat La 2 bar. po 2 2,5 mbar (suficient pentru plante) azot ? (sunt necesari câțiva mbar) La 3 bari pco 2 +8 C ar fi realizabil (Polul Sud? Regolit?) CFC: CF 3 Br, C 2 F 6, CF 3 Cl, CF 2 Cl 2 . Elemente prezente pe Marte