H. Hinghofer-Szalkay. IAP Institute Graz

Fyziológia vesmíru Graz vo vesmíre/september 2008 H. Hinghofer-Szalkay IAP Institute Graz

Aspekty fyziológie cestovania vesmírom Fyziológia (optimálne funkcie/zdravie/blahobyt) Hierarchické úrovne (molekula . bunka . človek . biosféra) Interdisciplinarita (komunikácia/definícia pojmov) Celkový efekt (uznanie všeobecných vzťahov)

Trvanie Predchádzajúce vesmírne lety vs. misia na Marse

Špecifické problémy 1. Účinky zrýchlenia 2. Psychofyziologické účinky 3. Senzorické systémy 4. Obehový systém 5. Svaly a kosti 6. Imunitný systém 7. Funkcie/orientácia mozgu 8. Radiačná biológia/dozimetria 9. Vzduch, jedlo, voda, trávenie 10. Systémy na podporu života

1: Zrýchlenie a osi tela + Gz: očné buľvy dole + Gx: očné buľvy dovnútra + Gy: očné buľvy doľava -Gz: očné buľvy hore -Gx: očné gule von -Gy: pravé očné gule

Tolerancia zrýchlenia (os x) Na zobrazenie je potrebný dekompresor TIFF QuickTime (nekomprimovaný). + G x: „Eyeballs-in“ >>> „White-out“ -G x: „Eyeballs-out“ >>> „Red-out“ Efekt G x Zachovanie zraku a vedomia Až do 17 tolerančného limitu Možné poškodenie 28-30> 30

John Paul Stapp (1910-1999) 'Projekt spomalenia ľudstva (Muroc Army Air Field, teraz Edwards Air Force Base, Kalifornia) Od roku 1947: Pokusy o raketové sane (610 m) - prvé + G x, od 1949 -G x 10. decembra 1954: za 5 sekúnd z 0 na 1011 km/h -G x - spomalenie za 1,4 sekundy 45 -G x reverzibilné krvácanie z očí

Tolerancia zrýchlenia (os z) + G z: Efekt „Očné buľvy dole“ + G z beztiažnosť 0 ťažké ruky, ťažká chôdza 2 nemožné chôdze, ťažké plazenie; Zrakovo obmedzené plazenie takmer nemožné; Začne „zatemnenie“ 4 3 Rukou a hlavou je možné pohybovať len ťažko; Vedomie je zahalené 5

Mozog, srdce a zrýchlenie

2: Psychofyziologické účinky Stres Pocit existenčného nebezpečenstva Tlak očakávania Monotónnosť Depresia/záchvaty paniky Spánok (svetlo, hluk, denné rytmy, súkromie.) Osobný priestor (Blíženci 1,3 m 3/p, ISS 200 m 3/p) Zmiešané rodové misie/sexualita Kultúrne rozdiely Interakcia s Členovia posádky - kompatibilita, vedenie, skupinová fúzia vs. štiepenie

SUBCORTICKÝ Talamus, hipokampus, hypotalamus, mozgový kmeň Mobilizovaný pre „bojové situácie“ (pohybové, transportné, metabolické a hormonálne systémy) PREDNÝ MOZG Najvyšší orgán, „šéf“ osobnosti Reguluje plánovanie, hodnotenie situácie, úsudok, rozhodnutia >> potlačené stresom> človek poháňaná centrifúga Ames Research Center Moffett Field v Kalifornii

Gravitácia (+ Gz) CENTRÁLNE mechanizmy Baroreflex LOKÁLNE mechanizmy Henriksenov reflex Systémová regulácia kardio-vagálna Kardiovaskulárny systém sympatický Vaskulárny tonus Periférna regulácia Krvný tlak Perfúzia

Ortostatický stres až po presynkop. Automatické odstránenie poruchy kolapsom?

Špičkové sily Strata kostí v µg Vývoj osteoporózy na kostiach nesúcich váhu 10-krát rýchlejšie ako v postmenopauze

Protiopatrenia: Zaťaženie kostí (behúň) Vibračná doska (napr. 20 min/d 0,3 G pri 30 Hz) Nutričné ​​faktory (vápnik, fosfát? Horčík?) Lieky (bifosfonáty: etidronát, alendronát .) Umelá gravitácia Helmut Hinghofer-Szalkay 2006

Svaly/gravitácia/beztiažový stav

Typy svalových vlákien: prispôsobenie sa beztiažovému typu I (pomalé šklbanie - pomenované podľa typu I-MHC - ťažké reťazce myozínu): rozvoj sily pomalý, nízka únava; vysoká aeróbna kapacita, veľa mitochondrií, bohatý myoglobín. Napr. 35% v m. Triceps, 90% v m. Soleus Space: Strata svalovej hmoty je väčšia, ako sa očakávalo pri štúdiách odpočinku v posteli (strava? Hormóny? Oxidačný stres? Psychologický stres?). Svaly slabšie, ale rýchlejšie kontrakcie Typ II (rýchle zášklby): rýchly rozvoj sily, vysoká únavová pevnosť. - rýchly, odolný proti únave - rýchlo unaviteľný (mimoriadne závislý od glykolýzy) V prípade znehybnenia/nečinnosti: najviac postihnutý typ I; >> Typ II

Protiopatrenia: Sval 1. Svalové zaťaženie („cvičenie“) Aeróbna aktivácia (bicyklový ergometer) je nedostatočná; cvičenie na podaximálny odpor účinnejšie 2) oblek tučniaka 3) lieky napr. Testosterón, IGF . 4) LBNP 5) TENS 6) Umelá gravitácia HPC Veľké štruktúry Helmut Hinghofer-Szalkay 2006 2008

6: Imunitný systém, mikrobiológia, baktérie, huby, parazity Koža: približne 2 m 2 sliznice: 400 m 2 Priestor: mikrobiálna dynamika v uzavretom systéme

Problémový hygienický skafander na palube „vesmírneho jedla“ „vesmírny šport“ Helmut Hinghofer-Szalkay 2007 2008

7: Funkcia a orientácia mozgu Ochorenie priestoru Pohyb a kontrola pohľadu Pozornosť, schopnosť riešiť problémy, schopnosti logického myslenia Slabosť/únava svalov Citlivosť na hĺbku nedokáže kompenzovať správy z vnútorného ucha Zvyšujúci sa význam toho, čo je viditeľné Spomalené cielené dobrovoľné pohyby (zmenené plánovanie pohybu?) Schopnosť sústrediť sa znižuje let (v týždňoch) a po lete najvyšší možný výkon mozgu (napr. na misiách na Marse!)

Primárne preorientovanie s potlačením informácií z gravitačne určených stôp - rekalibrácia Prepočet senzomotorických vzorcov Reinterpretácia proprioceptívnych podnetov Väčší dôraz na vizuálne informácie Učenie modifikovaných motorických stratégií Helmut Hinghofer-Szalkay 2006

Prispôsobenie späť na 1G až 0G Problémy pri chôdzi po priamke Problémy pri chôdzi po zákrute Halucinácie (autopohyb/pohyb prostredia) Nystagmus Nevoľnosť, zvracanie Helmut Hinghofer-Szalkay 2006

8: Radiačná biológia a dozimetria Louis Harold Gray, Londýn 1905-1965 Rolf Sievert, Štokholm 1896-1966 Absorbovaná dávka energie absorbovanej 1 kg ožiarenej látky 1 Gy = 1 J/kg (spôsobí 5,10 3 poškodenia DNA na bunku) Dávka ekvivalentné množenie Absorbovaná dávka (sivá) s faktorom biologickej kvality Pre žiarenie β a γ je faktor kvality 1 (1 Gy = 1 Sv) pre protóny 5, pre rýchle neutróny 10 pre žiarenie α 20 (1 Gy = 20 Sv) Hladina mora: 0,3 ms/a Helmut Hinghofer-Szalkay 2006

Typická expozícia dávke Aktivita/pobyt Typ žiarenia Dávka 1 a zmiešaná hladina mora Teplota do 30 Zemiaky, paradajky. potreba tmavých období Fytotron vyprodukoval až 2 000 l O 2 za deň

Testovací modul Biosféra 2 1985 - 1993 6,1 x 6,1 m, 360 - 480 m 3 Vzduch: SBR = reaktor na pôdne lôžko Voda: spracovanie odpadu 60 l/d september 1988 Uzávery pre jednu osobu s trvaním do 3 týždňov Úniková rýchlosť 2 %/Mesiac 24-hodinové výkyvy CO 2 až do 1 000 ppm

BPC: Komora na výrobu biomasy Kennedy Space Center, Florida 7,5 x 3,5 m 64 zásobníkov (vložiek) - celkom 16-20 m 2 16 l/min roztok voda/živina na podnos 96 sodíkových výbojok po 400 W

MELiSSA (alternatíva systému podpory mikroekologického života) Jedlé rastliny Organický odpad z POSÁDKY (výkaly, toaletný papier, zvyšky rastlín) ODDIEL 4 Vyššie rastliny (4a) Sinice (4b) ODDIEL 1 * LIKVIFIKÁCIA Anaeróbne termofilné baktérie NO 3 Minerály Jedlá biomasa Mastné kyseliny Minerály ODDIEL Baktérií 2 Anaeróbne fotosyntetické baktérie CO 2 O 2 NH 4 * 1: hydrolýza, skvapalnenie 2: ďalšia fermentácia: H2, octan, mravčan (3: metanogenéza: zabránené pH 6,5)

Sen o neporušenom svete Oracle, Arizona: Experiment s človekom Uzavretý ekologický cyklus 12 000 m 2 podlahová plocha 190 000 m 3 objem Úplná izolácia materiálu od životného prostredia 3000 druhov rastlín, 600 druhov zvierat 6600 okien, 40 km oceľový rám

Helmut Hinghofer-Szalkay 2006

1. misia 1991-1993 (24 mesiacov) Tábor McCallum Sally Silverstone Mark Van Thillo Mark Nelson Jane Poynter Linda Leigh Abigail Alling Roy Walford Foto 1 pred misiou

Foto 2: Po jednom roku v biosfére KG -14 (f)/- 21% (m) BMI 23> 19 kg/m 2 DBP 77> 58 mm Hg Gluc. 92> 68 mg/dl cholesterolu 190> 130 mg/dl

CRL = kalorické obmedzenie pre dlhovekosť Potkany s nízkokalorickou/vysoko kvalitnou stravou žijú dlhšie ako kontrolné zvieratá kŕmené ad libitum (McCay, Crowell, Maynard. J Nutr 1935; 10: 63-79) Prechod od reprodukčnej k životaschopnej metabolickej stratégii? Príjem kalórií 75, 45, 35% ad libitum >> životnosť sa predĺžila o 19, 47, 54% (Weindruch a kol. 1986) Čím skôr/dlhšie, tým silnejší je účinok. Blízkosť mentálnej anorexie. Pre efekt CRL je nevyhnutná kvalitná pravidelná výživa

Biosféra 2: príjem kalórií na štvrtiny

Strava: sacharidy, bielkoviny, tuky Astronauti: obsah sacharidov + 5% absorbovanej energie >> hladina inzulínu + >> súťaž o absorpciu aminokyselín >> voľný tryptofán + >> možný vplyv na hladinu serotonínu (hypotalamus) >> vesmírna anorexia? Znížené príznaky stresu?

Výhľadové terraformovanie: Vytvorenie pozemských, životom kompatibilných podmienok životného prostredia na mimozemských nebeských telesách Helmut Hinghofer-Szalkay 2007 2008

Limity obývateľnosti Parameter Limity Komentáre Rastliny Celkový tlak> 10 mbar H 2 O + O 2 + N 2 + CO 2 Oxid uhličitý> 0,15 mbar Dolná hranica fotosyntézy; Žiadny jasný horný limit Dusík> 1-10 mbar Fixácia dusíka Kyslík> 1 mbar Dýchanie rastlín Ľudia Normálna zmes vzduchu> 500 mbar 300 mbar Pufrovací efekt Kyslík> 130 mbar 2 H 2 O + CH 4 + teplo, na Ni alebo na kokatalyzátore, 300-400 C BOSCH CO 2 + 2 H 2 -> C + H 2 O + teplo, na Fe katalyzátore, 530-730 C

Čo by sa dalo zmeniť na Marse? Distribúcia plynných látok Povrchová teplota a tlak Zloženie a priehľadnosť atmosféry Zrážky a vlhkosť pôdy Albedo Cieľ: Zvýšiť teplotu o 60 ° C Na 1 bar by bolo potrebných 4 * 10 15 ton plynu Marťanská pôda silne oxidovala pri 2 baroch. po 2 2,5 mbar (dostatočné pre rastliny) dusík ? (potrebných niekoľko mbar) Pri 3 baroch by bolo možné dosiahnuť pco 2 +8 C (južný pól? Regolith?) CFC: CF 3 Br, C 2 F 6, CF 3 Cl, CF 2 Cl 2 . Prvky prítomné na Marse

---