Межі у фізіології

Фізіологія вправ

Ця стаття є частиною Теми дослідження

Оптимізація протидії вправам для польотів людини в космос - уроки з наземної фізіології та оперативного впровадження Переглянути всі 15 статей

Редаговано
Тобіас Вебер

Європейське космічне агентство (ESA), Франція

Переглянуто
Паскаль Дюше

Тулонський університет, Франція

Йорн Ріттвегер

Німецький аерокосмічний центр, Асоціація німецьких дослідницьких центрів (HZ) Гельмгольца, Німеччина

Приналежності редактора та рецензентів є останніми, наданими в їхніх дослідницьких профілях Loop, і вони не можуть відображати їх ситуацію на момент огляду.

переглядають

  • Завантажити статтю
    • Завантажте PDF
    • ReadCube
    • EPUB
    • XML (NLM)
    • Додаткові
      Матеріал
  • Експортне посилання
    • EndNote
    • Довідковий менеджер
    • Простий текстовий файл
    • BibTex
ПОДІЛИТИСЯ НА

ОГЛЯД СТАТТІ

  • 1 Страсбурзький університет, Національний центр наукових досліджень, Інститут плюсової дисципліни Юбер Кур'єн UMR 7178, Страсбург, Франція
  • 2 Center National d’Etudes Spatiales, Париж, Франція
  • 3 Carmen INSERM U1060, Laboratoire de Recherche en Cardiovasculaire, Métabolisme, Diabétologie et Nutrition, Ліонський університет, Ліон, Франція
  • 4 Дослідницький центр з питань харчування людини в Рона-Альпах, Хоспіси Civils de Lyon, Ліон, Франція
  • 5 Thirdage Health, Калпепер, штат Вірджинія, США
  • 6 Оздоровчий та оздоровчий центр Anschutz, Медичний кампус Anschutz, Аврора, Колорадо, США
  • 7 Відділ ендокринології, метаболізму та діабету, Університет Колорадо, Медичний містечко Аншутц, Аврора, Колорадо, США

Вступ

Люди присутні в космосі більше 50 років. Дані, отримані під час польотів людини в космос, продемонстрували, що космічне середовище, що характеризується мікрогравітацією, 90-хвилинними циклами світла/темряви та обмеженнями, впливає майже на всі фізіологічні системи, викликаючи безліч адаптивних реакцій. Ці зміни фізіології тіла можуть поставити під загрозу здоров’я та працездатність екіпажу і тим самим вплинути на загальний успіх місії при здоровому поверненні на Землю. Відповіді на мікрогравітацію включають перерозподіл рідини, зменшення обсягу плазми, швидку втрату м’язової маси та сили, перехід від окислювального типу I до гліколітичних м’язових волокон типу II, серцево-судинне кондиціонування, порушення здатності до аеробних вправ, втрата кісткової тканини, імунні та метаболічні зміни, а також як ефекти на центральну нервову систему (Aubert et al., 2016; Bergouignan et al., 2016; White et al., 2016; Lang et al., 2017).

Іншим поширеним спостереженням у більшості космічних польотів була систематична втрата маси тіла, незалежно від тривалості космічної місії (рис. 1) (Wade et al., 2002; Matsumoto et al., 2011). Про Міра (Smith et al., 1999, 2001), Shuttle (Stein et al., 1999a; Wade et al., 2002) та ранніх місій МКС (Smith et al., 2005; Matsumoto et al., 2011), астронавти зазвичай втрачають понад 5% своєї передпольотної маси тіла. Це спостерігалося, незважаючи на достатню кількість їжі на борту (Lane and Schoeller, 1999). У багатьох випадках ця втрата навіть перевищувала 10%, що є клінічно значущим. Однак маса тіла була успішно підтримувана стабільною в деяких місіях, таких як SLS1 і SLS2 в 1970-х (Thornton and Ord, 1975) або, нещодавно, на МКС (Stein et al., 1996; Smith et al., 2005, 2012) . Однак останні звіти про МКС показують, що космонавти все ще втрачають від 2 до 5% своєї початкової маси тіла під час перебування в космосі (Zwart et al., 2014). Щоб запобігти втраті маси тіла ніколи не було пріоритетом під час перших місій, вони були короткими, і помірний дефіцит енергії допустимий через наявність запасів жиру в організмі. Занепокоєння викликало обговорення місій, спрямованих на тривале перебування в космосі в контексті досліджень планет. Окрім простої втрати ваги тіла, дефіцит енергії може мати негативні наслідки для здоров'я в довгостроковій перспективі.

Фігура 1. Втрата маси тіла в космосі під час минулих місій різної тривалості. Адаптовано від Wade et al. (2002) та Мацумото та ін. (2011).

Втрата маси тіла під час польотів у космос пов'язана зі зниженням м'язової маси та функціональних можливостей, частотою серцево-судинних проблем та окислювальним стресом (Stein, 2002; Smith and Zwart, 2008). Інші клінічні дослідження на людях та дослідження режиму постільного режиму, проведені на Землі, продемонстрували, що хронічний дефіцит енергії спричиняє кілька шкідливих наслідків, які зазвичай спостерігаються під час польотів у космос, таких як ортостатична непереносимість, або можуть посилити спричинені мікрогравітацією несприятливі зміни, такі як втрата м’язів, аеробне розлад або порушення імунітету. Це свідчить про те, що дефіцит енергії може посилити фізіологічні адаптаційні реакції на мікрогравітацію. Дорожні карти, що встановлюють дослідницькі пріоритети для досліджень планет, підняли значення регулювання енергетичного балансу до критичного рівня, враховуючи, що це може становити проблему, що загрожує здоров'ю та ефективності довготривалих місій (Stein, 2000; Bergouignan et al., 2016).

Розуміння того, як регулюється енергетичний баланс під час польоту в космос, є ключовим для призначення правильної кількості їжі, яку слід вживати космонавтам. Негативний енергетичний баланс може бути обумовлений або недостатнім споживанням енергії, занадто великими витратами енергії, або обома. Під час космічних місій до астронавтів зазвичай застосовують вправу протидії, щоб пом'якшити мікрофізіологічні пристосування, спричинені мікрогравітацією, в першу чергу зміни м'язів і кісток, а також серцево-судинні кондиціонування. Як в даний час прописано, програма протидії фізичним вправам поряд із позашляховими видами накладає великий обсяг фізичних навантажень. Це може бути енергетично дорогим та мати великий вплив на загальні витрати енергії. Якщо споживання їжі не відрегульовано відповідно до потреб, великі витрати енергії можуть призвести до негативного енергетичного балансу.

Метою цього огляду є узагальнення сучасного розуміння регулювання енергетичного балансу (тобто споживання та витрати енергії) у космосі та того, як контрзаходи, що передбачені в даний час, впливають на це регулювання. На основі найсвіжіших доказів ми пояснюємо, як може бути оскаржена поточна програма контрзаходів і які альтернативні підходи можуть бути запропоновані для майбутніх космічних місій. Нарешті, ми порівнюємо вплив фізичних вправ на регулювання енергетичного балансу в космосі та на Землі.

Вживання енергії та анорексія під час польотів у космос

Загальним спостереженням у всіх пілотованих космічних польотах є те, що астронавти їдять менше, ніж на Землі. Вони споживають приблизно на 20-25% менше калорій, ніж теоретично необхідно для підтримки стабільного енергетичного балансу і, отже, стабільної маси тіла (Stein et al., 1999a, Heer et al., 2000; Stein, 2000; Smith et al., 2005; Zwart et al., 2014). Однак це очевидне зменшення споживання їжі було отримано порівняно з оцінкою Всесвітньої організації охорони здоров'я про енергетичні потреби на Землі. Вимоги до енергії Землі, ймовірно, можуть відрізнятися від енергетичних потреб у космосі. Крім того, хоча споживання калорій астронавтами на борту МКС протягом останніх років повільно зростає, все ще існує велика міндивидуальна мінливість (Zwart et al., 2014). Різні фактори можуть сприяти цьому роз’єднанню між споживанням енергії та витратами енергії.

Першою потенційною причиною зменшення споживання їжі є погана привабливість їжі, доступної в космосі (Drummer et al., 2000; Cena et al., 2003). Навіть якщо якість їжі покращилася з початку космічної програми завдяки партнерству з харчовою промисловістю, смак їжі, що надається космонавтам, все ще не порівнянний з наявною на Землі, а її різноманітність обмежена. Крім того, до МКС харчові звички, особливо ті, що пов'язані з культурним походженням, не враховувались, що, можливо, зіграло роль у зниженні споживання їжі. Однак міжнародна координація, нав'язана МКС, повільно змінила цей аспект. Поліпшення різноманітності та якості їжі, а також усвідомлення культурних харчових уподобань у космосі, можливо, допомогли покращити споживання енергії під час останніх місій. Ці зміни можуть пояснити, принаймні частково, зменшення втрати маси тіла під час останніх місій МКС.

Витрати енергії під час космічних польотів та імітація невагомості

Коли енергетичний баланс стабільний, енергія потребує рівних витрат енергії. Зміни загальних витрат енергії можуть бути результатом модифікацій одного або декількох з цих основних компонентів (Pinheiro Volp et al., 2011):

• швидкість метаболізму в стані спокою, енергія, необхідна для підтримання основних функцій тіла в стані спокою, термонейтральності та голодування;

• індукований дієтою термогенез, енергія, що виділяється на переробку проковтнутої їжі (тобто енергія, необхідна для переробки поживних речовин після їжі для використання та зберігання);

• Енергетична вартість терморегуляції, енергія, що виділяється для підтримки тіла в стабільній температурі;

• Енергія, що витрачається на будь-які рухи тіла, що включає невиконання фізичних вправ (або повсякденну життєву діяльність) та структуровані витрати енергії на вправи. Фізичні навантаження, як спонтанні, так і структуровані або планові, можуть бути дуже низької інтенсивності, включаючи сидячі, низької, помірної та енергійної. Інтенсивність, тривалість і частота періодів активності визначають обсяг діяльності та впливають на витрати енергії, пов’язані з фізичною активністю. Витрати енергії на фізичну активність є найбільш мінливою складовою загальних витрат енергії.

Витрати енергії замість споживання енергії можуть керувати контролем маси тіла в просторі

Малюнок 2. Споживання енергії, витрата енергії та енергетичний баланс, вимірювані в космічних місіях із контрзаходом або без нього. Адаптовано Штейном (2000).