В условиях отсутствия гравитации одним из основных вызовов для людей остается ускоренное ухудшение состояния тканей, что может препятствовать физической активности, включая даже обычную ходьбу – например, хрящевой ткани в коленных и тазобедренных суставах. Исследователи разработали метод, позволяющий значительно улучшить эту проблему с минимальными временными затратами.
В перспективе ближайших лет человечество вновь отправится на Луну, а в течение примерно двенадцати лет будет предпринята попытка высадки на Марс. Если перспективы возвращения на Луну достаточно ясны и, основываясь на опыте 1960-х годов, представляются вполне достижимыми, то касательно Марса ситуация более сложная. Ряд научных работ показали, у астронавтов, находящихся на Международной космической станции, наблюдается ускоренная деградация хрящевой ткани, покрывающей суставы костей в области коленей. В условиях земного притяжения подобное истончение хряща приводит к развитию остеоартрита и нередко становится причиной сильной боли, существенно ограничивающей подвижность.
На Международной космической станции наблюдается истончение хрящей из-за отсутствия гравитации, а на Марсе сила тяжести составляет 0,38 от земной. Однако, остаются вопросы. Возможны ли затруднения с передвижением для астронавта после трехмесячного перелета к Красной планете (такая траектория полета запланирована компанией SpaceX) вследствие снижения толщины хрящевой ткани в колене?
Чтобы предотвратить подобные сценарии, ученые из Университета Джонса Хопкинса (США) провели девятинедельный эксперимент с использованием лабораторных мышей. Результаты этого исследования они описали в журнале npj Microgravity.
Исследователи разделили мышей на три группы: первая была ограничена в движении – заднюю часть тела животных подвесили таким образом, чтобы они не могли опираться задними лапами на поверхность. Вторую группу поместили в специальное устройство (изображено на фотографии), где мыши выполняли прыжки с постепенно возрастающей сложностью. Третья группа служила контрольной.
Для стимулирования активности грызунов ученые научили их реагировать на мигание зеленого светодиода прыжком. Этот процесс осуществлялся путем подачи тока на пол в специальном устройстве после моргания светодиода – сначала слабой, затем достигавшей 175 вольт. В результате животные быстро осознали необходимость совершать прыжок вверх (на платформу с другим полом, где отсутствует электрический ток) по сигналу светодиода, еще до начала подачи тока.
Девять недель, затраченные в ходе эксперимента, соответствуют приблизительно пяти годам человеческой жизни. К моменту завершения исследования, толщина хрящей в суставах ног у группы, находившейся в условиях подвешивания, сократилась на 14% по сравнению с контрольной группой. В то же время, у группы, выполнявшей прыжки, она увеличилась на 26%.
В ходе эксперимента, который не ставился изначально, у группы, выполнявшей прыжки, наблюдалось значительное укрепление костной ткани: показатели минеральной насыщенности большеберцовых костей были на 15% выше, чем у контрольной группы. Губчатая костная ткань на концах лап стала заметно толще и прочнее по сравнению с контрольной группой. Эта ткань выполняет функцию амортизации при ударных нагрузках, возникающих во время прыжков и бега.
Заметно, что тренировочный объем в данной работе весьма ограничен. Мыши выполняли прыжки в количестве десяти раз за тренировку (высота прыжка составляла 15 сантиметров), и это происходило всего трижды в неделю. К завершению эксперимента число прыжков увеличилось до пятнадцати (высота прыжка – 20 сантиметров), однако тренировки по-прежнему проводились лишь три раза в неделю. У человека в условиях космического полета (и не только) на занятия обычно требуется значительно больше времени. Например, космонавты на МКС используют тренажер не менее двух часов в день, поскольку в противном случае быстро начнет снижаться мышечная и костная масса. Тогда по возвращении на Землю они будут, как космонавты миссии «Союз-9», которые, проведя 18 суток в стесненных условиях космического корабля (без возможности использовать тренажеры), не смогли самостоятельно добраться до автобуса.
В результате проведенного эксперимента ученые пришли к заключению о необходимости разработки адаптированных прыжковых тренировок для астронавтов. Начать такую программу рекомендуется за несколько месяцев до запланированных космических полетов. Для проведения тренировок в условиях невесомости предлагается создать компактное устройство, специально предназначенное для космоса. По мнению исследователей, использование такого устройства может сократить общее время, необходимое астронавтам для подготовки. Это особенно важно для миссий на Луну и Марс, где время участников полета будет строго ограничено. Авторы исследования также полагают, что аналогичные тренировки, но с измененной структурой, могут оказаться полезными для людей, страдающих остеоартритом на начальной стадии развития.