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Mikrogravitation schwächt Knochen und Muskeln. Die Wirkungen sind miteinander verbunden, da die Schwächung der Muskeln die Schwächung der Knochen beschleunigt. Dies kann bei Astronauten zu einem langfristigen Muskel- und Knochenverlust führen. Die Auswirkungen der Mikrogravitation auf die Knochen und Muskeln der Astronauten zu verstehen und hoffentlich zu bekämpfen, ist eine entscheidende Herausforderung für die Raumfahrt.
Muskelkraft
Die Schwerelosigkeit schwächt die Muskeln auf verschiedene Weise, die in einer Studie der Universität von Udine in Italien aus dem Jahr 2003 untersucht wurden. Nach ungefähr 240 Tagen im Weltraum sinkt die Gesamtstärke der Astronauten auf ungefähr 70 Prozent ihrer Anfangsstärke. Menschliche Muskeln haben zwei Arten von Muskelfasern, die leicht unterschiedlich betroffen sind, obwohl beide geschwächt sind. Die langsam zuckenden Fasern schwächen ungefähr so schnell wie die Gesamtfestigkeit. Schnell zuckende Muskelfasern verkümmern jedoch noch schneller und haben nach etwa sechs Monaten etwa 45 Prozent ihrer Ausgangsstärke. Dadurch werden die Muskeln der Astronauten stark geschwächt. Seltsamerweise scheint der Muskelschwund im Oberkörper am radikalsten zu sein, während der Knochenschwund im Unterkörper die schwerwiegendsten Auswirkungen hat.
Knochenschwund
Die Mikrogravitation verursacht Osteopenie, den Verlust der Knochendichte, eine Erkrankung im Zusammenhang mit Osteoporose. Laut Dr. Jay Shapiro, dem Teamleiter für Knochenstudien am National Space Biomedical Research Institute, "hat das Ausmaß dieses Problems die NASA veranlasst, den Knochenverlust als inhärentes Risiko für ausgedehnte Weltraumflüge zu betrachten." Eine Hauptkomponente in diesem Problem ergibt sich aus der Aktivität auf zellularer Ebene. Unter normalen Bedingungen brechen eine Reihe von Zellen, die Osteoklasten genannt werden, den Knochen auseinander, während eine andere Art von Knochenzellen, die Osteoblasten, gleichzeitig neuen Knochen bilden. Osteoblasten reagieren jedoch auf Stress und bauen Knochen dort auf, wo der Körper darauf drückt. Im Weltraum fühlen sich Knochen sehr wenig belastet, da die Schwerkraft nicht an den Knochen zieht und geschwächte Muskeln die Knochen weniger belasten. Dies führt dazu, dass der Prozess des Abrisses alter Knochen und des Aufbaus neuer Knochen aus der Synchronisation gerät, was zu geschwächten Knochen führt. Aber auch andere Faktoren scheinen zu diesem Problem beizutragen. Beispielsweise neigt der Körper dazu, in der Schwerelosigkeit missgebildete Kollagenfasern zu produzieren, was zu einer Verschlechterung der Knochengesundheit beiträgt.
Symptome der Schwerelosigkeit
Auf klinischer Ebene bereiten diese Veränderungen an Knochen und Muskeln den Astronauten viele Probleme. Der Knochenverlust ist in der unteren Körperhälfte am stärksten ausgeprägt, wo ein Astronaut 1 bis 2 Prozent seiner Knochenmasse pro Monat verlieren kann, obwohl er sich in den längsten Raumflügen bei etwa 20 Prozent des Knochenverlusts auszugleichen scheint. Die Schwächung von Knochen und Muskeln ähnelt letztendlich den Auswirkungen längerer Bettruhezeiten. Astronauten brauchen Zeit, um ihre Muskeln an die Schwerkraft der Erde anzupassen. Darüber hinaus reichert sich Kalzium im Blut an, während Knochen an Masse verlieren. Dies fördert Nierensteine bei Astronauten.
Gegen gesundheitliche Probleme
Die NASA verfügt über verschiedene Methoden, um diesen Zuständen entgegenzuwirken. Erstens hilft Bewegung im Weltraum dabei, Knochenschwund und Muskelschwäche zu verringern. Das Hinzufügen von "explosiven" Übungen mit plötzlichen Bewegungen kann den Vorteil des Trainings beim Abwehren der schlimmsten Auswirkungen der Schwerelosigkeit weiter erhöhen. In ähnlicher Weise kann das Trainieren in einer Zentrifuge die langfristigen Auswirkungen der Schwerelosigkeit weiter verringern und die Muskeln des Herzens stärken. Darüber hinaus haben sich Änderungen der Astronauten-Ernährung als vielversprechend erwiesen, um die Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf Knochen und Muskeln zu verringern. Schließlich hat die NASA begonnen, mit der Verwendung von Medikamenten zur Bekämpfung von Knochenschwund zu experimentieren. Insbesondere hat die NASA damit begonnen, Astronauten-Bisphosphonat, ein Medikament zur Behandlung und Vorbeugung von Osteoporose auf der Erde, auszugeben. Wissenschaftler hoffen, dass das Verständnis des Schwerelosigkeits-Knochenschwunds zu einer besseren Behandlung von Menschen auf der Erde mit Knochenstörungen wie Osteoporose führen kann.