H. Hinghofer-Szalkay. IAP институт Грац
Космическа физиология Грац в космоса/септември 2008 г. H. Hinghofer-Szalkay IAP Institute Graz
Аспекти на физиологията на космическото пътуване Физиология (оптимални функции/здраве/благосъстояние) Йерархични нива (молекула . клетка . човек . биосфера) Интердисциплинарност (комуникация/дефиниция на термини) Общ ефект (разпознаване на всеобхватни взаимоотношения)
Продължителност Предишни космически полети срещу Мисия на Марс
Специфични проблеми 1. Ефекти от ускорението 2. Психофизиологични ефекти 3. Сензорни системи 4. Циркулация 5. Мускули и кости 6. Имунна система 7. Мозъчни функции/ориентация 8. Радиационна биология/дозиметрия 9. Въздух, храна, вода, храносмилане 10. Системи за поддържане на живота
1: Ускорение и оси на тялото + Gz: очни ябълки надолу + Gx: очни ябълки в + Gy: очни ябълки вляво -Gz: очни ябълки нагоре -Gx: очни ябълки навън -Gy: очни ябълки вдясно
Толеранс на ускорение (ос x) За показване е необходим декомпресор QuickTime TIFF (некомпресиран). + G x: „Очни ябълки“ >>> „Бяло навън“ -G x: „Очни ябълки навън“ >>> Ефект „зачервяване“ G x Запазване на зрението и съзнанието До 17 граници на толерантност Възможни 28-30 тъканни увреждания> 30-ти
Джон Пол Стап (1910-1999) „Проект за забавяне на човека (Muroc Army Air Field, сега военновъздушна база Едуардс, Калифорния) От 1947: Опити с ракетни шейни (610 м) - първи + G x, от 1949 -G x 10 декември 1954: От 0 до 1011 км/ч за 5 секунди -G x - Забавяне за 1,4 секунди 45 -G x Обратимо очно кървене
Толеранс на ускорение (ос z) + G z: ефект „Очни ябълки надолу“ + G z безтегловност 0 ръце трудно, ходене трудно 2 ходене невъзможно, пълзене трудно; Пълзенето с ограничено зрение е почти невъзможно; „Затъмнение“ започва 4 3 Ръката и главата могат да се движат трудно; Съзнанието е замъглено 5
Мозък, сърце и ускорение
2: Психофизиологични ефекти Стрес Усещане за екзистенциална опасност Натиск на очакване Монотонност Депресия/панически атаки Сън (светлина, шум, ежедневни ритми, неприкосновеност на личния живот) Лично пространство (Близнаци 1,3 m 3/p, ISS 200 m 3/p) Смесени мисии между половете/сексуалност Културни различия Взаимодействие с Членове на екипажа - съвместимост, лидерство, групово сливане vs. делене
СУБКОРТИЧЕН Таламус, хипокампус, хипоталамус, мозъчен ствол Мобилизиран за „борба с ситуации” (движение, транспорт, метаболитни и хормонални системи) ФРОНТАЛЕН МОЗЪК Върховен авторитет, „шеф” на личността Регулира планирането, оценката на ситуацията, преценките, решенията >> инхибирани от стрес> човек задвижвана центрофуга Ames Research Center Moffett Field, Калифорния
Гравитация (+ Gz) ЦЕНТРАЛНИ механизми Барорефлекс МЕСТНИ механизми Хенриксен рефлекс Системна регулация кардио-вагусна Сърдечно-съдова система симпатична Съдов тонус Периферна регулация Кръвно налягане Перфузия
Ортостатичен стрес до пресинкопа Автоматично отстраняване на смущението чрез колапс?
Пик сили Загуба на кост в µg Развитие на остеопороза върху носещи тегло кости 10 пъти по-бързо, отколкото в постменопаузата
Противодействие: Натоварване на костните мускули (бягаща пътека.) Вибрационна плоча (напр. 20 min/d 0,3 G при 30 Hz) Хранителни фактори (калций, фосфат ? магнезий?) Лекарства (бисфосфонати: етидронат, алендронат .) Изкуствена гравитация Helmut Hinghofer-Szalkay 2006 г.
Мускули/гравитация/безтегловност
Типове мускулни влакна: адаптация към безтегловност тип I (бавно потрепване - кръстен на тип I-MHC - тежки вериги на миозин): бавно развитие на силата, ниска умора; висок аеробен капацитет, много митохондрии, изобилен миоглобин. Напр. 35% в m. трицепс, 90% в m. космическо пътуване soleus: загуба на мускулна маса повече от очакваното от проучванията за почивка в леглото (диета? хормони? оксидативен стрес? психологически стрес?). Мускули по-слаби, но по-бързи контракции Тип II (бързо потрепване): Бързо развитие на силата, висока якост на умора. - бърз, устойчив на умора - бързо уморен (изключително зависим от гликолизата) В случай на обездвижване/бездействие: Тип I най-засегнат; >> Тип II
Противодействие: Мускул 1. Мускулно натоварване („тренировка“) Аеробно активиране (велоергометър) недостатъчно; упражнение за субмаксимална съпротива по-ефективно 2) костюм за пингвин 3) лекарства напр. Тестостерон, IGF . 4) LBNP 5) TENS 6) Изкуствена гравитация HPC Големи структури Helmut Hinghofer-Szalkay 2006 2008
6: Имунна система, микробиология, бактерии, гъбички, паразити Кожа: около 2 m 2 лигавици: 400 m 2 Пространство: микробна динамика в затворена система
Проблемни хигиенни пространства костюм на борда тоалетна "космическа храна" "космически спорт" Helmut Hinghofer-Szalkay 2007 2008
7: Мозъчна функция и ориентация Космическа болест Контрол на движението и погледа Внимание, способност за решаване на проблеми, умения за логическо мислене Мускулна слабост/умора Дълбочината чувствителност не може да компенсира съобщенията от вътрешното ухо Повишена важност на видяното Целевите доброволни движения се забавят (променено планиране на движението?) Способността да се концентрира намалява полета (седмици) и след полета възможно най-висока производителност на мозъка (напр. по време на мисии на Марс!)
Първична преориентация с потискане на информация от гравитационно обусловени улики - повторно калибриране Преизчисляване на сензомоторни модели Реинтерпретация на проприоцептивни стимули По-голям акцент върху визуалната информация Учене на модифицирани двигателни стратегии Helmut Hinghofer-Szalkay 2006
Настройка обратно към 1G до 0G Проблеми при ходене по права линия Проблеми при ходене по крива Халюцинации (самодвижение/движение на околната среда) Нистагъм Гадене, повръщане Хелмут Хингофер-Салкай 2006
8: Радиационна биология и дозиметрия Луис Харолд Грей, Лондон 1905-1965 Ролф Сиверт, Стокхолм 1896-1966 Погълната доза енергия, погълната от 1 кг облъчена материя 1Gy = 1 J/kg (причинява 5,10 3 увреждане на ДНК на клетка) Дозово еквивалентно умножение на Абсорбирана доза (сиво) с биологичен качествен фактор За β и γ радиация качественият фактор е 1 (1 Gy = 1 Sv) за протони 5, за бързи неутрони 10 за α радиация 20 (1 Gy = 20 Sv) Морско ниво: 0.3 ms/a Helmut Hinghofer-Szalkay 2006
Типична експозиция на дозата Активност/престой Тип радиация Доза 1 морско ниво смесена Температура до 30 Картофи, домати. нуждаят се от тъмни периоди Фитотрон произвежда до 2000 l O 2 на ден
Модул за изпитване на Biosphere 2 1985-1993 6,1 x 6,1 m, 360-480 m 3 Въздух: SBR = реактор на почвеното легло Вода: преработка на отпадъци 60 l/d Септември 1988 г. Затваряне на един човек до 3 седмици Скорост на изтичане 2 %/Месец 24-часови колебания на CO 2 до 1000 ppm
BPC: Камера за производство на биомаса Космически център Кенеди, Флорида 7,5 х 3,5 м 64 тави (вложки) - общо 16-20 м 2 16 л/мин вода/хранителен разтвор на тава 96 натриеви лампи по 400 W всяка
MELiSSA (Микроекологична алтернатива на системата за поддържане на живота) Ядливи растения ЕКИПАЖ Органични отпадъци (фекалии, тоалетна хартия, остатъци от растения) КАПЕРТАЦИЯ 4 Висши растения (4a) Цианобактерии (4b) КАПЕРТАЦИЯ 1 * ЛИКВИФИКАЦИЯ Анаеробни термофилни бактерии БЕЗ 3 Минерали Ядливи биологични минерали КОМПЛЕКТОВИ МАСИ Бактерии КАПЕРТАЦИЯ 2 Анаеробни фотосинтетични бактерии CO 2 O 2 NH 4 * 1: хидролиза, втечняване 2: по-нататъшна ферментация: H 2, ацетат, формиат (3: метаногенеза: предотвратява се с pH 6,5)
Мечтата за непокътнат свят Оракул, Аризона: Човешкият експеримент Затворен екологичен цикъл 12 000 м 2 площ на пода 190 000 м 3 обем Пълна материална изолация от околната среда 3000 растителни вида, 600 животински вида 6600 прозорци, 40 км стоманена рамка
Хелмут Хингхофер-Салкай 2006
1-ва мисия 1991-1993 (24 месеца) Табор Маккалъм Сали Силвърстоун Марк Ван Тило Марк Нелсън Джейн Пойнтер Линда Лий Абигейл Олинг Рой Уолфорд Снимка 1 преди мисията
Снимка 2: След една година в биосферата KG -14 (f)/- 21% (m) BMI 23> 19 kg/m 2 DBP 77> 58 mm Hg Gluc. 92> 68 mg/dl холестерол 190> 130 mg/dl
CRL = ограничение на калориите за дълголетие Плъховете на диета с намалено съдържание на калории/високо качество живеят по-дълго от контролите, хранени ad libitum (McCay, Crowell, Maynard. J Nutr 1935; 10: 63-79) Преминаване от репродуктивна към поддържаща живота метаболитна стратегия? Прием на калории 75, 45, 35% ad libitum >> продължителността на живота удължена с 19, 47, 54% (Weindruch et al. 1986) Колкото по-рано/по-дълго, толкова по-силен е ефектът. Близост до нервната анорексия. Висококачествено и редовно хранене от съществено значение за ефекта на CRL
Биосфера 2: прием на калории по четвърти
Диета: въглехидрати, протеини, мазнини Астронавти: съдържание на въглехидрати + 5% от усвоената енергия >> ниво на инсулин + >> конкуренция за усвояване на аминокиселини >> свободен триптофан + >> възможен ефект върху нивото на серотонин (хипоталамус) >> космическа анорексия? Намалени симптоми на стрес?
Тераформиране на перспектива: създаване на земни, съвместими с живота условия на околната среда върху извънземни небесни тела Helmut Hinghofer-Szalkay 2007 2008
Граници на обитаемост Параметър Граници Коментари Растения Общо налягане> 10 mbar H 2 O + O 2 + N 2 + CO 2 Въглероден диоксид> 0,15 mbar Долна граница на фотосинтезата; Няма ясна горна граница Азот> 1-10 mbar Фиксиране на азот Кислород> 1 mbar Дишане на растителна основа Хора Нормална въздушна смес> 500 mbar 300 mbar Буферен ефект Кислород> 130 mbar 2 H 2 O + CH 4 + топлина, на Ni или Co катализатор, 300-400 C BOSCH CO 2 + 2 H 2 -> C + H 2 O + топлина, на Fe катализатор, 530-730 C
Какво може да се промени на Марс? Разпределение на газообразни вещества Повърхностна температура и налягане Състав и прозрачност на атмосферата Albedo Валежи и влага в почвата Цел: Повишаване на температурата с 60 C За 1 бара ще са необходими 4 * 10 15 тона газ Марсианска почва силно окислява се при 2 bar. po 2 2,5 mbar (достатъчно за растенията) азот ? (необходими са няколко mbar) При 3 bar pco 2 +8 C би било постижимо (Южен полюс? Реголит?) CFC: CF 3 Br, C 2 F 6, CF 3 Cl, CF 2 Cl 2 . Елементи, присъстващи на Марс