Х. Гінгофер-Салкай. Інститут IAP Грац
Космічна фізіологія Грац у космосі/вересень 2008 р. Інститут IAP Х. Гінгофер-Салкай Грац
Аспекти фізіології космічних подорожей Фізіологія (оптимальні функції/здоров'я/благополуччя) Ієрархічні рівні (молекула . клітина . людина . біосфера) Інтердисциплінарність (спілкування/визначення термінів) Оглядний ефект (визнання всеохоплюючих відносин)
Тривалість Попередні космічні польоти проти місії на Марс
Конкретні проблеми 1. Ефекти прискорення 2. Психофізіологічні ефекти 3. Сенсорні системи 4. Кровоносна система 5. М’язи та кістки 6. Імунна система 7. Функції мозку/орієнтація 8. Радіаційна біологія/дозиметрія 9. Повітря, їжа, вода, травлення 10. Системи життєзабезпечення
1: Прискорення та осі тіла + Gz: очні яблука вниз + Gx: очні яблука в + Gy: очні яблука ліворуч -Gz: очні яблука вгору -Gx: очні яблука поза -Gy: очні яблука праворуч
Допуск на розгін (вісь x) Для відображення необхідний декомпресор QuickTime TIFF (нестиснутий). + G x: `` Очні яблука '' >>> `` Білий вихід '' -G x: `` Очні яблука - вихід '' >>> Ефект "червоного" G x Збереження зору та свідомості До 17 меж толерантності Можливе пошкодження тканин 28-30> 30-й
Джон Пол Степп (1910-1999) 'Проект уповільнення людського руху (авіаційне поле Muroc Army Air Force, тепер ВПС Едвардс, Каліфорнія) З 1947 року: спроби ракетних санок (610 м) - перший + G x, з 1949 -G x 10 грудня 1954: від 0 до 1011 км/год за 5 секунд -G x - уповільнення за 1,4 секунди 45 -G x оборотна очна кровотеча
Толерантність до прискорення (вісь z) + G z: ефект "очних яблук вниз" + G z невагомість 0 рук важко, важко ходити 2 неможливо ходити, повзати важко; Зір обмежене повзання майже неможливо; «Затемнення» починається 4 3 Рукою та головою можна важко рухатись; Свідомість помутніла 5
Мозок, серце та прискорення
2: Психофізіологічні ефекти Стрес Відчуття екзистенціальної небезпеки Тиск очікування Монотонність Депресія/напади паніки Сон (світло, шум, щоденні ритми, конфіденційність.) Особистий простір (Близнюки 1,3 м 3/п, МКС 200 м 3/п) Змішані гендерні місії/сексуальність Культурні відмінності Взаємодія з Члени екіпажу - сумісність, лідерство, групове злиття проти поділу
ПІДКОРТИЧНИЙ Таламус, гіпокамп, гіпоталамус, стовбур мозку Мобілізований для "бойових ситуацій" (руху, транспорту, метаболічної та гормональної систем) ФРОНТАЛЬНИЙ МОЗК Верховна влада, "начальник" особистості Регулює планування, оцінку ситуації, судження, рішення >> стримується стресом> людина центрифуга на базі Еймса Дослідницький центр Моффетт-Філд, Каліфорнія
Гравітація (+ Гц) ЦЕНТРАЛЬНІ механізми Барорефлекс МІСЦЕВІ механізми Рефлекс Генріксена Системна регуляція серцево-вагусна Серцево-судинна система симпатична Судинний тонус Периферична регуляція Артеріальний тиск Перфузія
Ортостатичний стрес до пресинкопа. Автоматичне усунення порушення через колапс?
Пік зумовлює втрату кісток у мкг розвиток остеопорозу на кістках, що несуть вагу, в 10 разів швидше, ніж у постменопаузі
Контрзаходи: Навантаження на кісткові м’язи (бігова доріжка) Вібраційна пластина (наприклад, 20 хв/день 0,3 Г при 30 Гц) Харчові фактори (кальцій, фосфат ? магній?) Лікарські засоби (біфосфонати: етидронат, алендронат .) Штучне тяжіння Гельмут Хінгофер-Салкай 2006 рік
М'язи/гравітація/невагомість
Типи м’язових волокон: адаптація до невагомості типу I (повільне смикання - названо на честь типу I-MHC - важкі ланцюги міозину): повільний розвиток сили, низька стомлюваність; висока аеробна здатність, багато мітохондрій, рясний міоглобін. Наприклад, 35% у м. Трицепс, 90% у м. Солеус. Простір: втрата м’язів більша, ніж очікувалося від досліджень постільного режиму (дієта? Гормони? Окислювальний стрес? Психологічний стрес?). М'язи слабкіші, але швидше скорочення Тип II (швидке посмикування): Швидкий розвиток сили, висока втомна сила. - швидкий, стійкий до втоми - швидко втомлюється (надзвичайно залежить від гліколізу) У разі знерухомлення/бездіяльності: тип I, який найбільше постраждав; >> Тип II
Контрзаходи: М'язи 1. М'язове навантаження ("тренування") Аеробна активація (велоергометр) недостатня; вправа субмаксимального опору ефективніше 2) костюм пінгвіна 3) ліки, наприклад Тестостерон, IGF . 4) LBNP 5) TENS 6) Штучна гравітація HPC Великі конструкції Гельмут Хінгофер-Салкай 2006 2008
6: Імунна система, мікробіологія, бактерії, гриби, паразити Шкіра: приблизно 2 м 2 слизові оболонки: 400 м 2 Простір: мікробна динаміка в закритій системі
Проблема гігієни простір костюм бортовий туалет 'космічна їжа' 'космічний спорт' Гельмут Хінгофер-Салкай 2007 2008
7: Функція та орієнтація мозку Космічна хвороба Контроль руху та погляду Увага, здатність вирішувати проблеми, навички логічного мислення М’язова слабкість/втома Глибинна чутливість не може компенсувати повідомлення з внутрішнього вуха Збільшення важливості того, що бачиться. можливі найвищі показники роботи мозку (наприклад, на місіях Марса!)
Первинна переорієнтація з придушенням інформації, яка визначається силою тяжіння - перекалібрування Перерахунок сенсомоторних моделей Переінтерпретація пропріоцептивних стимулів Більший акцент на візуальній інформації Вивчення модифікованих рухових стратегій Гельмут Хінгофер-Салкай 2006
Повернення до 1G до 0G Проблеми при ходьбі по прямій Проблеми при ходьбі по кривій Галюцинації (саморух/рух навколишнього середовища) Ністагм Нудота, блювота Гельмут Хінгофер-Салкай 2006
8: Радіаційна біологія та дозиметрія Луїс Гарольд Грей, Лондон 1905-1965 Рольф Сіверт, Стокгольм 1896-1966 Поглинена доза енергії, поглинута 1 кг опроміненої речовини 1Gy = 1 Дж/кг (викликає 5,10 3 пошкодження ДНК на клітину) Доза, еквівалентна множенню Поглинена доза (сіра) з біологічним фактором якості Для β та γ-випромінювання коефіцієнт якості становить 1 (1 Гр = 1 Зв) для протонів 5, для швидких нейтронів 10 для α-випромінювання 20 (1 Гр = 20 Зв) Рівень моря: 0,3 ms/a Гельмут Хінгофер-Салкай 2006
Типова доза впливу Діяльність/перебування Тип опромінення Доза 1 рівень моря змішаний Температура до 30 Картопля, помідори. потрібні темні періоди Фітотрон виробляє до 2000 л O 2 на добу
Модуль випробовування біосфери 2 1985-1993 6,1x 6,1 м, 360-480 м 3 Повітря: SBR = реактор грунтового шару Вода: переробка відходів 60 л/день вересень 1988 р. Закриття однієї людини до 3 тижнів Швидкість витоку 2 %/Місячний 24-годинний коливання СО 2 до 1000 ppm
BPC: Камера виробництва біомаси Кеннеді Космічний центр, Флорида 7,5 х 3,5 м 64 лотки (вставки) - загалом 16-20 м 2 16 л/хв. Вода/поживний розчин на лоток 96 натрієвих ламп по 400 Вт кожна
MELiSSA (Мікроекологічна система життєзабезпечення Альтернатива) Їстівні рослини ЕКОНОМІЧНІ органічні відходи (фекалії, туалетний папір, залишки рослин) Відсік 4 Вищі рослини (4a) Ціанобактерії (4b) КАПЕРЕЦІЯ 1 * ЛІКВИФІКАЦІЯ Бактерії ВІДДІЛЕННЯ 2 Анаеробні фотосинтезуючі бактерії CO 2 O 2 NH 4 * 1: гідроліз, розрідження 2: подальше бродіння: H 2, ацетат, форміат (3: метаногенез: запобігання pH 6,5)
Мрія про цілий світ Оракул, штат Арізона: Експеримент над людьми Закритий екологічний цикл 12000 м 2 площа підлоги 190 000 м 3 обсяг Повна матеріальна ізоляція від навколишнього середовища 3000 видів рослин, 600 видів тварин 6600 вікон, 40 км сталевий каркас
Гельмут Хінгофер-Салкай 2006
1-а місія 1991-1993 (24 місяці) Табор Маккаллум Саллі Сільверстоун Марк Ван Тілло Марк Нельсон Джейн Пойнтер Лінда Лі Ебігейл Оллінг Рой Уолфорд Фото 1 перед місією
Фото 2: Через рік у біосфері KG -14 (f)/- 21% (м) ІМТ 23> 19 кг/м 2 DBP 77> 58 мм рт.ст. Глюк. 92> 68 мг/дл холестерину 190> 130 мг/дл
CRL = обмеження калорій для довголіття Щури на дієті зі зниженою калорійністю/якісною їжею живуть довше, ніж контролі, які харчуються вільно (McCay, Crowell, Maynard. J Nutr 1935; 10: 63-79) Перехід від репродуктивної до метаболічної стратегії, що підтримує життя? Вживання калорій 75, 45, 35% ad libitum >> тривалість життя продовжена на 19, 47, 54% (Weindruch et al. 1986) Чим раніше/довше, тим сильніший ефект. Близькість до нервової анорексії. Якісне регулярне харчування має важливе значення для ефекту CRL
Біосфера 2: споживання калорій на чверті
Дієта: вуглеводи, білки, жири Астронавти: вміст вуглеводів + 5% споживаної енергії >> рівень інсуліну + >> конкуренція за споживання амінокислот >> вільний триптофан + >> можливий вплив на рівень серотоніну (гіпоталамус) >> космічна анорексія? Зменшені симптоми стресу?
Перспективне тераформування: Створення наземних, сумісних з життям середовищних умов на неземних небесних тілах Гельмут Хінгофер-Салкай 2007 2008
Межі середовища проживання Параметр Межі Коментарі Рослини Загальний тиск> 10 мбар H 2 O + O 2 + N 2 + CO 2 Вуглекислий газ> 0,15 мбар Нижня межа фотосинтезу; відсутність чіткої верхньої межі азоту> 1-10 мбар кисню для фіксації азоту> 1 мбар дихання на рослинній основі люди нормальна повітряна суміш> 500 мбар 300 мбар буферний ефект кисню> 130 мбар 2 H 2 O + CH 4 + нагрівання, на каталізаторі Ni або Co, 300-400 C BOSCH CO 2 + 2 H 2 -> C + H 2 O + нагрівання, на каталізаторі Fe, 530-730 C
Що можна змінити на Марсі? Розподіл газоподібних речовин Поверхнева температура та тиск Склад і прозорість атмосфери Альбедо Опади та вологість ґрунту Ціль: Підвищити температуру на 60 С Для 1 бару знадобиться 4 * 10 15 т газу. Марсіанський ґрунт сильно окислюється при 2 барах. po 2 2,5 мбар (достатньо для рослин) азоту ? (потрібно кілька мбар) При 3 бар pco 2 +8 C було б досяжно (Південний полюс? Реголіт?) ХФУ: CF 3 Br, C 2 F 6, CF 3 Cl, CF 2 Cl 2 . Елементи, присутні на Марсі