Porozmawiajmy o grawitacji. Jako człowiek z nadwagą mam z nią relację dość osobistą: ta niewidzialna cholera daje mi się we znaki trochę bardziej niż innym. Tym razem jednak nie będzie o grawitacji jako takiej. Na jej temat mam osobny artykuł, zaspojleruję: jest długi i niewiele wyjaśnia — bo o grawitacji nadal wiemy mniej, niż byśmy chcieli.
Dziś będzie o eksperymencie, który zadaje pozornie proste pytanie: ile grawitacji potrzebuje ciało, żeby nie zacząć się powoli sypać?
Bo kiedy mówimy o podróżach na Marsa, zwykle myślimy o rakietach, promieniowaniu, zapasach jedzenia albo o tym, kto pierwszy zbuduje tam szklarnię i obsadzi ją ziemniakami. Rzadziej myślimy (to znaczy my, bo te śmieszne ludziki w fartuchach myślą o tym całkiem często ) o czymś dużo bardziej podstawowym: czy ludzki organizm, i nie tylko ludzki, w ogóle uzna marsjańską grawitację za „wystarczającą”?
Pamiętacie bajkę „Moto Myszy z Marsa”? No to teraz dowiecie się, gdzie powstały. Hihihi.
Naukowcy z JAXA i NASA, pracujący na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, wsadzili MARSa do Kibo. A tak naprawdę przeprowadzili eksperyment w japońskim module Kibo za pomocą urządzenia o nazwie MARS, czyli Multiple Artificial-gravity Research System. To ustrojstwo w sobie tylko znany sposób symuluje różne poziomy grawitacji. No dobra, tak naprawdę to jest to cholernie skomplikowana wirówka z klatkami wirującymi z różnymi prędkościami. Tak ogólnie. Na oko. Po „mojemu”.
Oficjalnie JAXA opisuje MARS jako system pozwalający hodować myszy w sztucznej grawitacji od mikrograwitacji do 1 g, w module Kibo na ISS.
Więcej o wirówce dla myszy: w Scientific reports lub Mitsubishi Heavy Industries
Naukowcy umieścili myszy na około miesiąc w tej maszynce i testowali kilka poziomów grawitacji: mikrograwitację, około 0,33 g, czyli okolice grawitacji marsjańskiej, 0,67 g, czyli coś pomiędzy Marsem a Ziemią, oraz ziemskie 1 g. W eksperymencie wykorzystano 24 myszy po 6 w każdej grupie. Potem zwierzęta wróciły żywe na Ziemię do dalszych badań.
Wyjaśnię Wam przy okazji, dlaczego mówi się, a właściwie pisze, mikrograwitacja.
Bo bardzo często słyszy się: „w kosmosie nie ma grawitacji”. I to jest jedno z tych zdań, które brzmią dobrze, dopóki nie pojawi się fizyk z kubkiem kawy i nie zacznie wszystkiego psuć. Grawitacja na orbicie jak najbardziej istnieje. Na wysokości Międzynarodowej Stacji Kosmicznej nadal działa większość ziemskiej grawitacji. Astronauci nie unoszą się dlatego, że Ziemia przestała ich przyciągać, tylko dlatego, że oni, stacja i wszystko w środku są w ciągłym spadaniu.
Różnica polega na tym, że stacja ma ogromną prędkość „w bok”. Spada więc ku Ziemi, ale jednocześnie porusza się tak szybko do przodu, że powierzchnia planety cały czas jej „ucieka”. Zamiast spaść na Ziemię, ISS nieustannie spada wokół niej. To właśnie orbita: bardzo elegancki sposób bycia w wiecznym spadaniu bez spektakularnego finału.
Nie jest to idealne porównanie, ale za to widowiskowe: możecie to sobie porównać do kręcenia wiadrem z wodą nad głową. Z zastrzeżeniem, że żadna analogia nie jest tu idealna. Woda nie wypada, bo porusza się po zakrzywionym torze, a wiadro cały czas zmusza ją do zmiany kierunku ruchu. W przypadku stacji kosmicznej rolę „zakrzywiacza toru” pełni sama grawitacja Ziemi. To ona nie pozwala ISS polecieć prosto w kosmos, tylko zawija jej ruch wokół planety.
Dlatego poprawniej mówi się mikrograwitacja, a nie „brak grawitacji”. To stan, w którym ciało prawie nie czuje ciężaru, bo wszystko wokół: astronauta, stacja, laptop, kanapka i eksperymentalna mysz, spada razem. Nie ma podłogi, która naciskałaby na stopy tak jak na Ziemi, więc organizm dostaje sygnał: „halo, coś tu waży podejrzanie mało”. NASA opisuje mikrograwitację właśnie jako stan, w którym ludzie i przedmioty wydają się nieważkie, choć grawitacja nadal działa.
I to „podejrzanie mało” jest problemem, bo ciało jest leniwe jak student po sesji. Jeśli mięśnie i kości nie muszą codziennie walczyć z ciężarem, zaczynają oszczędzać. A w biologii „oszczędzać” często znaczy: rozbierać to, co nie jest pilnie potrzebne.
Wróćmy więc do naszych Moto Myszy z Marsa i wirówki (oby nie blendera). Myszy przez około miesiąc mieszkały pojedynczo w specjalnych klatkach, z automatycznym karmieniem, pojeniem, wentylacją i monitoringiem. Czyli mniej „wirówka śmierci”, a bardziej bardzo drogi hotel kapsułowy, tylko że dla gryzoni i na orbicie.
Intuicja mogłaby podpowiadać coś prostego: im mniej grawitacji, tym gorzej; im więcej, tym lepiej. Przy niskiej grawitacji zflaczejemy, przy wyższej staniemy się kosmicznymi Pudzianami. No niestety, biologia zrobiła to po swojemu.
Naukowcy zauważyli, że 0,33 g pomagało ograniczyć zanik mięśni, ale nie wystarczało, żeby zachować ich pełną funkcję. Innymi słowy: mięsień mógł wyglądać jeszcze całkiem nieźle, ale już nie działał tak, jak powinien. To jest trochę jak z człowiekiem po długiej chorobie albo po miesiącu leżenia na kanapie: niby noga nadal jest nogą, niby wszystko na miejscu, ale przy pierwszych schodach organizm zgłasza reklamację.
Najważniejszy okazał się próg 0,67 g. Przy tym poziomie grawitacji myszy lepiej zachowywały nie tylko masę mięśni, ale też ich funkcję oraz typ włókien mięśniowych. JAXA podkreśla, że różne cechy mięśni mają różne „progi grawitacyjne”: jedno minimum wystarcza, żeby ograniczyć zanik, ale większe jest potrzebne, żeby mięsień nadal zachowywał się jak mięsień, a nie jak smutna biologiczna dekoracja.
Przypomnę Wam tylko, co to znaczy „typ włókien mięśniowych”.
Mięśnie nie są zrobione z jednego magicznego mięśniowego makaronu. Biolodzy i lekarze pewnie mnie teraz zlinczują, ale w dużym uproszczeniu mamy włókna wolnokurczliwe i szybkokurczliwe. Te pierwsze, zwane też „wolnymi”, są od roboty długodystansowej: utrzymywania postawy, spokojnego wysiłku, maratonu przez życie. To takie mięśniowe woły robocze. Nie robią efektownego wejścia, ale można na nich polegać.
Te drugie, szybkie, są od nagłych zrywów: sprintu, skoku, panicznego podbiegu do autobusu, kiedy kierowca już zamyka drzwi, ale Wy jeszcze macie złudzenia. Naukowcy opisują to podobnie: wolne włókna są związane m.in. z utrzymywaniem postawy i wytrzymałością, a szybkie z krótkim, mocnym wysiłkiem.
Na Ziemi grawitacja cały czas każe naszym mięśniom pracować. Nawet kiedy stoicie i nic nie robicie, ciało nieustannie wykonuje mikropracę, żeby nie złożyć się jak źle rozstawiony statyw. Szczególnie ważne są tu mięśnie posturalne, czyli te od utrzymywania pozycji ciała. W mikrograwitacji część tej codziennej roboty znika. Organizm patrzy na sytuację i mówi: „skoro nie trzeba tyle dźwigać, to po co utrzymywać kosztowną infrastrukturę?”. I zaczyna przebudowę.
W badaniu szczególnie ważny był mięsień płaszczkowaty taki cichy bohater łydki, bardzo wrażliwy na odciążenie. Na Ziemi pomaga nam stać i chodzić, więc grawitacja jest dla niego czymś w rodzaju codziennego trenera personalnego. W kosmosie ten trener nagle znika. To trochę jak w pracy: jak szefa nie ma, to… wiadomo.
Z badań wynika, że w mikrograwitacji i przy 0,33 g mięśnie zaczynały przesuwać się w stronę bardziej „szybkiego” profilu, natomiast przy 0,67 g ta zmiana była w dużej mierze powstrzymana. JAXA pisze wprost, że do ograniczenia zaniku mięśni wystarczało 0,33 g, ale do utrzymania typu włókien i funkcji mięśni potrzebne było 0,67 g.
Jeśli grawitacji jest za mało, trzeba będzie ją czymś zastąpić albo uzupełnić. Ćwiczeniami. Specjalnymi kombinezonami oporowymi. Lekami. Dietą. Może wirującymi modułami dającymi sztuczną grawitację. Czyli, mówiąc po ludzku: przyszła baza marsjańska może potrzebować nie tylko laboratoriów, paneli słonecznych i drukarki 3D, ale też bardzo dobrze zaprojektowanej siłowni. Takiej, do której nie da się nie chodzić, bo inaczej własne łydki zaczną wypowiadać umowę o współpracy.
Co ważne, mięsień to nie tylko „masa”. Masa mięśniowa może wyglądać jeszcze przyzwoicie, a funkcja już zaczyna mówić: „ja przepraszam, ale nie dowożę”. Mięśnie nie są jednolitą masą biologicznego makaronu. To raczej plecionka różnych typów włókien: szybszych, wolniejszych, silniejszych, bardziej wytrzymałych i wyspecjalizowanych do różnych zadań.
Rzucicie okiem na niewielkiego PDFa >>> jaxa_MousePamphlet_E_0310.pdf
Intrygującym pobocznym odkryciem było znalezienie 11 kandydatów na biomarkery we krwi, czyli takich chemicznych „kontrolek” pokazujących, jak organizm reaguje na różne poziomy grawitacji. To może być bardzo przydatne, bo pobranie krwi jest znacznie prostsze niż rozbieranie astronauty na części pierwsze, czego (jak sądzę) związki zawodowe astronautów mogłyby nie poprzeć. Według JAXA takie wskaźniki mogą w przyszłości pomóc oceniać wpływ grawitacji na organizm za pomocą stosunkowo mało inwazyjnego badania krwi.
Najciekawsze jest jednak to, że ten eksperyment nie mówi tylko o kosmosie. Naukowcy zwracają uwagę, że wyniki mogą pomóc również na Ziemi: na przykład w badaniach nad spadkiem siły mięśniowej u osób starszych, w rehabilitacji albo w chorobach prowadzących do osłabienia mięśni, takich jak miopatie czy dystrofie mięśniowe. Kosmos znów robi tu za ekstremalne laboratorium: wysyłamy organizm w warunki, które przyspieszają pewne procesy, a potem próbujemy zrozumieć, jak działa ciało także tutaj, na dole. JAXA wskazuje, że dalsze badania mają pomóc w opracowaniu metod zapobiegania atrofii i spadkowi funkcji mięśni, zarówno w misjach kosmicznych, jak i w problemach związanych ze starzeniem oraz chorobami.
Kiedy ten sygnał słabnie, ciało nie panikuje. Ono optymalizuje. A że optymalizuje w sposób, który dla przyszłych astronautów jest dość kłopotliwy, nikt nie obiecywał, że podbój kosmosu będzie ergonomiczny.
„Myszy z Marsa” pokazały nam więc coś bardzo prostego i trochę niepokojącego: żeby polecieć daleko, nie wystarczy zbudować świetnej rakiety. Trzeba jeszcze zabrać ze sobą ciało, które nie uzna po drodze, że połowa mięśni to zbędny luksus.
I zanim człowiek naprawdę rozgości się na Księżycu albo Marsie, będzie musiał dogadać się nie tylko z technologią, promieniowaniem i zapasami jedzenia, ale też z własnymi łydkami. Bo organizm, ten miękki mundur z białek, w którym chodzimy na co dzień, ma swoje wymagania. A jeśli grawitacja jest zbyt słaba, zaczyna ciąć koszty.
Trochę jeszcze krwi przez mięśnie popłynie, zanim dobrze zrozumiemy ten problem i nauczymy się ograniczać skutki niskiej grawitacji. A przecież nie tylko mięśnie się zmieniają — kości też potrafią się obrazić na kosmos. Ale to już materiał na inny artykuł.
Do następnego artykułu
Aleksander Marcin Sanetra
Artykuł powstał w oparciu o:
JAXA / University of Tsukuba — komunikat o wspólnej misji JAXA–NASA dotyczącej częściowej grawitacji i reakcji biologicznych.
JAXA Human Spaceflight Technology Directorate — opis eksperymentu JPG-RR / MHU-8, liczby myszy, warunków grawitacyjnych i procedury.
NASA — wyjaśnienie pojęcia mikrograwitacji.
Mitsubishi Heavy Industries — opis urządzenia CBEF (Cell Biology Experiment Facility)