اقامت طولانی در فضا چه تاثیری بر مغز، چشم و روده فضانوردان می‌گذارد؟

اقامت طولانی در فضا چه تاثیری بر مغز، چشم و روده فضانوردان می‌گذارد؟ رکورد طولانی‌ترین سفر به فضا تاکنون ۴۳۷ روز است، اما اقامت طولانی در مدار زمین می‌تواند بدن یک فضانورد را به شکل‌های شگفت‌آوری تغییر دهد. اقامت می‌تواند از جمله بر عضلات، مغز و حتی باکتری‌های روده فضانورد تاثیر بگذارد. بدون کشش مداوم جاذبه بر اندام‌های ما، توده عضلانی و استخوانی به سرعت در فضا شروع به تحلیل رفتن می‌کند. عضلاتی که بیشترین تاثیر را می‌پذیرند، عضلاتی هستند که به حفظ وضعیت بدن کمک می‌کنند، مانند عضلات کمر، گردن، ساق پا و چهارسر ران. در شرایط بی‌وزنی، این عضلات دیگر نیازی به فعالیت شدید ندارند و شروع به تحلیل رفتن می‌کنند.


رکورد طولانی‌ترین سفر به فضا تاکنون ۴۳۷ روز است، اما اقامت طولانی در مدار زمین می‌تواند بدن یک فضانورد را به شکل‌های شگفت‌آوری تغییر دهد. اقامت می‌تواند از جمله بر عضلات، مغز و حتی باکتری‌های روده فضانورد تاثیر بگذارد.

سونیتا ویلیامز و بوچ ویلمور، فضانوردانی هستند که هرگز قصد نداشتند ۹ ماه در فضا بمانند. سفر اولیه آن‌ها به ایستگاه فضایی بین‌المللی با فضاپیمای استارلاینر شرکت بوئینگ در ژوئن ۲۰۲۴، قرار بود تنها هشت روز طول بکشد. اما مشکلات فنی باعث شد فضاپیما بدون آنها به زمین برگردد و اقامت آن‌ها در فضا طولانی‌تر از حد انتظار شود.

البته، این دو فضانورد با سختی‌های سفر فضایی بیگانه نبودند، چرا که هر دو از فضانوردان با تجربه ناسا هستند. اما هرگونه اقامت طولانی‌مدت در محیط عجیب و با جاذبه کم فضا، به احتمال زیاد بر بدن آن‌ها تاثیر گذاشته است. برای درک این تاثیرات، باید به فضانوردانی نگاه کنیم که مدت طولانی‌تری در فضا اقامت داشته‌اند.

طولانی‌ترین پرواز فضایی تاکنون توسط یک آمریکایی به نام فرانک روبیو، فضانورد ناسا، انجام شده که ۳۷۱ روز را در ایستگاه فضایی بین‌المللی، متشکل از مجموعه‌ بخش‌ها و پنل‌های خورشیدی به اندازه یک زمین فوتبال آمریکایی، سپری کرد.

مدت اقامت او که از رکورد قبلی آمریکا (۳۵۵ روز متوالی) عبور کرد، در مارس ۲۰۲۳ به دلیل نشت خنک‌کننده در فضاپیمایی که قرار بود او و هم‌تیمی‌هایش را به زمین بازگرداند، تمدید شد. روبیو در نهایت در اکتبر ۲۰۲۳ به زمین بازگشت. این مدت اضافی به او امکان داد تا ۵۹۶۳ بار به دور زمین بچرخد و مسافتی حدود ۲۵۳ میلیون کیلومتر را طی کند.

با این حال، او هنوز حدود دو ماه از رکورد طولانی‌ترین پرواز فضایی انسانی عقب‌تر بود - رکوردی که والری پولیاکوف، فضانورد روس با ۴۳۷ روز اقامت در ایستگاه فضایی میر در دهه ۱۹۹۰ به ثبت رساند.

در سپتامبر ۲۰۲۴ اولگ کونوننکو و نیکلای چوب دو فضانورد روس، رکورد طولانی‌ترین اقامت در ایستگاه فضایی بین‌المللی را شکستند و ۳۷۴ روز را در مدار زمین گذراندند. این دو به همراه تریسی دایسون، فضانورد آمریکایی که شش ماه در ایستگاه فضایی بود، با فضاپیمای سایوز ام‌اس-۲۵ به زمین بازگشتند.

کونوننکو با لبخندی بزرگ و نشان دادن علامت موفقیت با دستانش، از کپسول بازگشت به زمین که در جزقازغان در دشت‌های قزاقستان فرود آمده بود، خارج شد. او اکنون رکورد بیشترین زمان اقامت در فضا در طول حرفه خود را نیز دارد. او مجموعا ۱۱۱۱ روز در مدار زمین بوده است.

کونوننکو و چوب در طول این ماموریت، ۵۹۸۴ بار به دور زمین چرخیدند و بیش از ۲۵۴ میلیون کیلومتر را طی کردند. اما گذراندن این مدت طولانی در شرایط بی‌وزنی، اثراتی بر بدن آن‌ها گذاشت و در زمان فرود روی زمین آن‌ها مجبور بودند با کمک تیم‌های بازیابی از کپسول خارج شوند.

سفر طولانی‌مدت فرانک روبیو به فضا، اطلاعات ارزشمندی درباره این مسئله ارائه داد که انسان‌ها چگونه می‌توانند با پروازهای فضایی طولانی ‌مدت کنار بیایند و بهترین راه برای مقابله با مشکلات ناشی از آن چیست. فرانک روبیو اولین فضانوردی است که در مطالعه‌ای شرکت کرد که تاثیر ورزش با تجهیزات محدود ورزشی بر بدن انسان را بررسی می‌کند.

اگرچه نتایج این مطالعه هنوز منتشر نشده، اما اطلاعات به‌دست ‌آمده برای ماموریت‌های آینده انسان‌ها به اعماق منظومه شمسی بسیار حیاتی خواهد بود. به عنوان مثال، طبق برنامه‌های فعلی، سفر رفت و برگشت به مریخ حدود ۱۱۰۰ روز (کمی بیش از سه سال) طول خواهد کشید. فضاپیمایی که برای این ماموریت استفاده می‌شود، بسیار کوچک‌تر از ایستگاه فضایی بین‌المللی خواهد بود، به این معنا که تجهیزات ورزشی سبک‌تر و کوچک‌تری مورد نیاز خواهد بود.

اما جدای از چالش حفظ تناسب اندام، سفر فضایی واقعا چه تاثیری بر بدن انسان دارد؟

عضلات و استخوان‌ها

بدون کشش مداوم جاذبه بر اندام‌های ما، توده عضلانی و استخوانی به سرعت در فضا شروع به تحلیل رفتن می‌کند. عضلاتی که بیشترین تاثیر را می‌پذیرند، عضلاتی هستند که به حفظ وضعیت بدن کمک می‌کنند، مانند عضلات کمر، گردن، ساق پا و چهارسر ران. در شرایط بی‌وزنی، این عضلات دیگر نیازی به فعالیت شدید ندارند و شروع به تحلیل رفتن می‌کنند.

تنها پس از دو هفته، توده عضلانی می‌تواند تا ۲۰ درصد کاهش یابد و در ماموریت‌های طولانی‌تر، یعنی سه تا شش ماهه، این کاهش به ۳۰ درصد می‌رسد.

به همین شکل، از آنجا که اسکلت فضانوردان تحت فشار مکانیکی مشابه با جاذبه زمین قرار نمی‌گیرد، استخوان‌های آن‌ها نیز شروع به از دست دادن مواد معدنی و کاهش استحکام می‌کنند.

فضانوردان در هر ماه اقامت در فضا یک تا دو درصد از توده استخوانی خود را از دست می‌دهند و این میزان در طول یک دوره شش‌ماهه به ۱۰ درصد می‌رسد. در حالی که روی زمین، مردان و زنان مسن سالانه نیم تا یک درصد از توده استخوانی خود را از دست می‌دهند.

این کاهش تراکم استخوان، خطر شکستگی‌ها را افزایش می‌دهد و روند بهبود را کندتر می‌کند. بازگشت به حالت طبیعی استخوان‌ها پس از بازگشت به زمین ممکن است تا چهار سال طول بکشد.

برای مقابله با این مشکل، فضانوردان روزانه دو ساعت‌ و نیم تمرینات ورزشی و تمرینات شدید را در مدار و در ایستگاه فضایی بین‌المللی انجام می‌دهند. این تمرینات شامل مجموعه‌ای از اسکوات، ددلیفت، حرکات کششی و پرس سینه با استفاده از دستگاه تمرین مقاومتی نصب‌ شده در باشگاه ورزشی ایستگاه فضایی است. علاوه بر این، آن‌ها به طور منظم روی تردمیل (در حالی که به آن بسته شده‌اند) و دوچرخه ثابت تمرین می‌کنند. فضانوردان همچنین مکمل‌های غذایی مصرف می‌کنند تا استخوان‌های خود را تا حد ممکن سالم نگه دارند.

با این حال، مطالعه‌ای که اخیرا انجام شده، نشان داده است که حتی این برنامه ورزشی نیز برای جلوگیری از کاهش عملکرد و حجم عضلات کافی نیست. در این مطالعه توصیه شده است که آزمایش با وزنه‌های سنگین‌تر در تمرینات مقاومتی و تمرینات تناوبی با شدت بالا ممکن است به مقابله با این تحلیل عضلانی کمک کند.

عدم وجود نیروی جاذبه که بدن را به سمت پایین می‌کشد، همچنین باعث می‌شود که فضانوردان در طول اقامت خود در ایستگاه فضایی بین‌المللی کمی قد بکشند، زیرا ستون فقرات آن‌ها کمی کشیده می‌شود. این وضعیت می‌تواند منجر به مشکلاتی مانند کمردرد در مدت اقامت در فضا و بیرون‌زدگی دیسک کمر پس از بازگشت به زمین شود.

در جریان یک جلسه توجیهی در ایستگاه فضایی پیش از بازگشت به زمین، فرانک روبیو گفت که ستون فقراتش در حال کشیده شدن است و این ممکن است به او کمک کند از یک آسیب شایع در گردن جلوگیری کند که فضانوردان هنگام تلاش برای بیرون آمدن از صندلی و نگاه کردن به بیرون از فضاپیما در هنگام فرود دچار آن می‌شوند.

او گفت: «فکر می‌کنم ستون فقراتم به اندازه‌ای کشیده شده که به‌نوعی در پوشش صندلی‌ام گیر کرده‌ام، بنابراین بهتر است اصلا حرکت نکنم.»

کاهش وزن

در حالی که وزن در شرایط بی‌وزنی معنای چندانی ندارد - زیرا در محیط بی‌وزنی، همه‌چیز از جمله بدن انسان، به صورت معلق در هوا شناور است - حفظ وزن سالم در فضا چالش‌برانگیز است.

ناسا تلاش می‌کند تا فضانوردان را با رژیمی متنوع و مغذی تغذیه کند، از جمله کشت سبزیجاتی مانند برگ‌های سالاد در خود ایستگاه فضایی. با این حال، تاثیر فضا بر بدن همچنان مشهود است.

اسکات کلی، فضانورد ناسا که ۳۴۰ روز را در ایستگاه فضایی بین‌المللی سپری کرد، ۷ درصد از توده بدنی خود را در مدار زمین از دست داد.

بینایی

بر روی زمین، نیروی جاذبه به حرکت خون به سمت پایین کمک می‌کند و قلب وظیفه دارد خون را دوباره به سمت بالا پمپاژ کند. اما در فضا، این فرآیند مختل می‌شود و خون بیش از حد معمول در سر جمع می‌شود (اگرچه بدن تا حدی با آن سازگار می‌شود). بخشی از این مایع در پشت چشم و اطراف عصب بینایی جمع می‌شود و باعث ایجاد ورم (اِدم) می‌شود.

این وضعیت می‌تواند منجر به تغییرات بینایی، از جمله کاهش وضوح دید و تغییرات ساختاری در خود چشم شود. این تغییرات می‌توانند تنها پس از دو هفته حضور در فضا آغاز شود و با افزایش مدت اقامت، خطر بروز آن‌ها بیشتر می‌شود.

برخی از این تغییرات بینایی، طی حدود یک سال پس از بازگشت فضانوردان به زمین به حالت عادی بازمی‌گردد، اما برخی دیگر ممکن است دائمی باشد.

قرار گرفتن در معرض پرتوهای کیهانی و ذرات پرانرژی خورشیدی نیز می‌تواند مشکلات دیگری برای چشم ایجاد کند. جو زمین از ما در برابر این پرتوها محافظت می‌کند، اما در مدار زمین و در ایستگاه فضایی بین‌المللی، این محافظت از بین می‌رود.

در حالی که فضاپیماها می‌توانند با سپرهای حفاظتی از ورود پرتوهای اضافی جلوگیری کنند، فضانوردان ایستگاه فضایی گزارش داده‌اند که گاهی اوقات نورهای درخشانی را در چشم‌های خود می‌بینند، زیرا پرتوهای کیهانی و ذرات خورشیدی به شبکیه و اعصاب بینایی آن‌ها برخورد می‌کند.

تغییرات مغزی

پس از اقامت طولانی‌مدت اسکات کلی در ایستگاه فضایی بین‌المللی، مشخص شد که عملکرد شناختی او تقریبا بدون تغییر باقی مانده و مشابه عملکرد برادر دوقلویش روی زمین است.

با این حال، محققان متوجه شدند که سرعت و دقت عملکرد شناختی اسکات کلی، حدود شش ماه پس از بازگشت به زمین کاهش یافته است. این اتفاق احتمالا به دلیل تطبیق مجدد مغز با نیروی جاذبه زمین و سبک زندگی کاملا متفاوت روی زمین رخ داده است.

مطالعه‌ای روی یک فضانورد روس که در سال ۲۰۱۴ به مدت ۱۶۹ روز در ایستگاه فضایی بین‌المللی اقامت داشت، نشان داد که در طول اقامت در مدار، در ساختار مغز او نیز تغییراتی رخ می‌دهد. این مطالعه نشان داد که سطح اتصال عصبی در بخش‌هایی از مغز که به عملکرد حرکتی مربوط هستند، تغییر می‌کند.

همچنین تغییراتی در قشر دهلیزی مغز مشاهده شد که مسئول تعادل، جهت‌یابی و درک حرکت است. این تغییرات به دلیل ماهیت عجیب محیط بی‌وزنی چندان تعجب‌آور نیست، زیرا فضانوردان باید یاد بگیرند که چگونه بدون جاذبه به‌ شکل موثری حرکت کنند و خود را با فضایی که در آن بالا و پایین معنا ندارد تطبیق دهند.

یک مطالعه جدیدتر نگرانی‌هایی را در مورد سایر تغییراتی که ممکن است در سفرهای فضایی طولانی‌تر در ساختار مغز رخ دهد، ایجاد کرده است.

حفره‌هایی در مغز که به عنوان بطن جانبی راست و بطن سوم شناخته می‌شوند و مسئول ذخیره‌سازی مایع مغزی نخاعی و تامین مواد مغذی به مغز و دفع مواد زاید هستند، می‌توانند متورم شوند و تا سه سال طول خواهد کشید که به اندازه طبیعی بازگردند.

باکتری‌های مفید

تحقیقات اخیر نشان داده‌ است که ترکیب و تنوع میکروارگانیسم‌هایی که در بدن و روی بدن ما زندگی می‌کنند، نقش مهمی در سلامت ما ایفا می‌کند. آنها بر نحوه هضم غذا، میزان التهاب در بدن و حتی عملکرد مغز تاثیر می‌گذارند.

محققان با بررسی وضعیت اسکات کلی پس از سفرش به ایستگاه فضایی دریافتند که باکتری‌ها و قارچ‌های موجود در روده او نسبت به قبل از پرواز به فضا، تغییرات چشمگیری داشته‌اند.

این تغییرات تعجب‌آور نیستند و احتمالا به دلیل رژیم غذایی متفاوت، تماس با افراد جدید در محیط بسته ایستگاه فضایی - ما مقدار بسیار زیادی از میکرواورگانیسم‌های روده و دهان کسانی که در کنارشان زندگی می‌کنیم را از آنها می‌گیریم-، قرار گرفتن در معرض پرتوهای کیهانی و استفاده از آب بازیافتی بوده است. تغییر در فعالیت بدنی نیز ممکن است در این تغییرات نقش داشته باشد.

پوست

با اینکه پنج فضانورد ناسا تاکنون بیش از ۳۰۰ روز را در فضا گذرانده‌اند، اما ما مدیون اسکات کلی هستیم که اطلاعات ارزشمندی درباره تاثیر محیط فضا بر پوست ارائه داد.

پس از بازگشت از ایستگاه فضایی، پوست او حدود شش روز حساسیت بیشتری پیدا کرد و دچار التهاب و جوش‌های پوستی شد. پژوهشگران حدس می‌زنند که کمبود تحریک فیزیکی پوست در طول ماموریت ممکن است این مشکل پوستی را ایجاد کرده باشد.

محیط بی‌وزن ایستگاه بین‌المللی فضایی می‌تواند تاثیر زیادی بر بدن انسان داشته باشد و می‌تواند چالشی برای انسان‌هایی باشد که به کاوش در منظومه شمسی می‌پردازند

ژن‌ها

یکی از مهم‌ترین یافته‌ها در سفر طولانی‌مدت اسکات کلی به فضا، تاثیر آن بر دی‌ان‌ای او بود.

در انتهای هر رشته دی‌ان‌ای، ساختارهایی به نام تلومر وجود دارند که از ژن‌ها در برابر آسیب محافظت می‌کنند. با افزایش سن، این تلومرها کوتاه‌تر می‌شوند. اما تحقیقات نشان داد که در طول اقامت کلی و دیگر فضانوردان در فضا، طول تلومرهای آنها بلندتر شدند.

سوزان بیلی، استاد سلامت محیطی و رادیولوژی در دانشگاه ایالتی کلرادو و عضو تیم تحقیقاتی که روی کلی و برادرش تحقیق کردند، می‌گوید: «یافته‌ای که بیش از همه ما را شگفت‌زده کرد، افزایش قابل توجه طول تلومرها در طی پرواز فضایی بود.»

او تحقیقات جداگانه‌ای روی ۱۰ فضانورد دیگر انجام داده است که سفرهایی به مدت ۶ ماه به فضا داشتند.

سوزان بیلی گفت: «همچنین به طرز غیر منتظره‌ای طول تلومرهای فضانوردان و خدمه بعد از بازگشت به زمین به سرعت کاهش پیدا کرد.»

او افزود: «با توجه به ارتباط مشخص اقامت طولانی در فضا و مسیر افزایش سن، فضانوردان در کل در مقایسه با قبل از سفر فضایی، تلومرهای کوتاه‌تری داشتند.»

او می‌گوید دلیل اینکه این اتفاق دقیقا چرا افتاده، هنوز مشخص نیست.

او اضافه می‌کند: «ما سرنخ‌هایی داریم، اما تحقیق بر روی بعضی از خدمه که زمان طولانی‌تری را در فضا سپری کرده‌اند، مانند روبیو که یک سال در فضا بوده، برای درک کامل این واکنش و تاثیرات آن بر سلامت لازم است.»

یک دلیل می‌تواند قرار گرفتن در معرض تشعشع در فضا باشد.

سوزان بیلی می‌گوید در دی‌ان‌ای فضانوردانی که در مدار زمین به مدت طولانی مانده‌اند نشانه‌هایی از آسیب دیده می‌شود.

در مورد اسکات کلی همچنین تغییراتی در بیان ژن‌ها مشاهده شد؛ فرایندی که در آن سلول‌ها با استفاده از اطلاعات موجود در دی‌ان‌ای پروتئین‌های مورد نیاز خود را تولید می‌کنند. این تغییر ممکن است به سفر او به فضا مربوط باشد. برخی از این تغییرات به واکنش بدن به آسیب دی‌ان‌ای، تشکیل استخوان و پاسخ سیستم ایمنی به استرس مربوط بودند. با این حال بیشتر این تغییرات تا حدود شش ماه پس از بازگشت او به زمین به حالت طبیعی برگشت.

در ژوئن ۲۰۲۴، یک تحقیق جدید تفاوت‌های احتمالی بین نحوه واکنش سیستم ایمنی مردان و زنان فضانورد به سفر فضایی را بررسی کرد. در این تحقیق، با استفاده از داده‌های بیان ژن از نمونه‌هایی که از خدمه ماموریت «اسپیس ایکس اینسپیریشن ۴» گرفته شد که در پاییز ۲۰۲۱ کمتر از سه روز در مدار بودند. این تحقیق تغییرات در ۱۸ پروتئین مربوط به سیستم ایمنی، پیری و رشد عضلات را شناسایی کرد.

با مقایسه فعالیت ژنی آنها با ۶۴ فضانورد دیگر در ماموریت‌های قبلی، این مطالعه تغییراتی در بیان سه پروتئین پیدا کرد که در التهاب نقش دارند. مردان حساسیت بیشتری به سفر فضایی داشتند؛ فعالیت ژنی آنها اختلال بیشتری پیدا کرده بود و زمان بیشتری برای بازگشت به حالت طبیعی پس از بازگشت به زمین برای آنها لازم بود.

محققان به طور ویژه دریافتند که فعالیت ژنی دو پروتئین به نام‌های اینترلوکین ۶، که به کنترل سطح التهاب در بدن کمک می‌کند، و اینترلوکین ۸، که برای هدایت سلول‌های ایمنی به محل‌های عفونت تولید می‌شود، در مردان بیشتر از زنان تحت تاثیر قرار گرفت. یک پروتئین دیگر به نام فیبرینوژن، که در لخته شدن خون نقش دارد نیز در فضانوردان مرد بیشتر تحت‌تاثیر قرار گرفت.

اما پژوهشگران می‌گویند که هنوز باید علت حساسیت کمتر زنان به این تاثیرات خاص پرواز فضایی را کشف کنند، هرچند این موضوع ممکن است به نحوه واکنش آن‌ها به استرس مرتبط باشد.

سیستم ایمنی

اسکات کلی قبل، حین و بعد از سفر فضایی، چندین واکسن دریافت کرد و سیستم ایمنی او واکنش طبیعی نشان داد.

با این حال، تحقیقات نشان داده است که تعداد گلبول‌های سفید خون فضانوردان در فضا کاهش می‌یابد و این کاهش مستقیما با میزان پرتوی کیهانی که آن‌ها در مدار دریافت می‌کنند، ارتباط دارد.

هنوز سوالات زیادی درباره تاثیر پرواز فضایی بر بدن انسان - به‌ عنوان یک گونه‌ دوپا با مغزی بزرگ که برای زندگی روی زمین تکامل یافته - وجود دارد.

دانشمندان امیدوارند که با بررسی آزمایش‌های پزشکی، نمونه‌های خون و اسکن‌های بدن فرانک روبیو پس از ۳۷۱ روز اقامت در فضا، بتوانند به درک بهتری از تاثیرات پرواز فضایی بر بدن انسان دست یابند.

منبع: بی بی سی