Z vrtenjem na centrifugi do Marsa

V prihodnjih letih bo človek spet stopil na Luno in – kot pravijo pri vesoljskih agencijah – bo tam tudi ostal, a ne le nekaj ur ali dni. Vendar je to korak na poti do veliko večjega skoka, da bi človek odtise svojih čevljev pustil tudi na Marsu. Izzivov do tja je še nešteto in nekatere od njih rešujejo tudi v vrhunskem laboratoriju med svetovno znanimi skakalnicami v Planici.

Človeško telo je fantastična stvaritev narave, prilagodljivo, žal tudi kvarljivo. Predvsem pa navajeno življenja na trdnih tleh našega planeta. Ko redki posamezniki odpotujejo v breztežnostni prostor, se njihovo telo relativno hitro prilagodi, srčno-žilni sistem začne delovati drugače, izgubljati začnemo mišično in kostno maso in podobno. Največja težava seveda nastane ob vrnitvi na trdna tla, vendar je regeneracija relativno hitra, saj tudi bivanje v vesolju ni dolgotrajno. Do zdaj so najdaljše odprave na vesoljskih postajah trajale dobro leto, večina se jih konča po pol leta. Prav toliko časa bo do Marsa trajala samo pot. Na Marsu, kjer je težnost za dve tretjini manjša od Zemljine, bi bivali najmanj leto dni, nato bi pol leta potovali še nazaj. Kako v vsem tem času zagotoviti, da bodo astronavti ostali zdravi in da vrnitev ne bo »preboleča«?

Odgovore raziskuje dr. Igor Mekjavić z Instituta Jožef Stefan (IJS), eden vodilnih svetovnih strokovnjakov za okoljsko in vesoljsko fiziologijo. S svojo ekipo že desetletja proučuje vplive ekstremnih pogojev − od mraza, vročine do višjega tlaka pri potapljanju − na človeško telo, vplive neaktivnosti, raziskuje tudi na področju hipoksije (pomanjkanje kisika), pri čemer je pri hipoksičnih treningih sodeloval z več vrhunskimi športniki.

Da bi preprečili (negativno) adaptacijo telesa na breztežnost, so vesoljske agencije na mednarodno vesoljsko postajo (ISS) namestile veliko naprav, na katerih astronavti dnevno vadijo uro ali dve. Vadba je sicer učinkovita, toda neoptimalna. V Evropski vesoljski agenciji (Esa) so rešitev morda našli v ideji slovenskega inženirja Hermana Potočnika Noordunga (1892−1929), ki si je zamislil vrtečo se vesoljsko postajo, na kateri bi se ustvarjala umetna težnost. Tako daleč še nismo, so pa oblikovali centrifugo s kratko ročico, na kateri bi se človek vrtel in hkrati opravljal določeno vadbo.

Centrifugo – eno izmed treh v Evropi – je Esa jeseni leta 2021 namestila v Planici v okviru Laboratorija za gravitacijsko fiziologijo IJS, ki ga vodi dr. Mekjavić. Podobni napravi imajo še v laboratoriju nemškega vesoljskega centra DLR v Kölnu in na francoskem Inštitutu za vesoljsko medicino in fiziologijo MEDES v Toulousu. Centrifuge se razlikujejo v tem, kakšno vadbo preiskovanci na njej lahko opravljajo: v Nemčiji so se v dosedanjih raziskavah le vrteli, pri čemer se pri nogah ustvarja umetna težnost, v Franciji so dodali še cikloergometrijo, v Planici pa so centrifugiranju dodali hipoksično okolje in vibracijsko vadbo. Pri tem seveda veliko pozornosti namenjajo tudi spanju, prehrani in drugim dejavnikom, ki vplivajo na človekovo zdravje. Slovenski strokovnjaki so že pripravili raziskavo Vadbene strategije za potovanje na Mars, ki jo bodo testirali na prostovoljcih med tako imenovano »bed rest« študijo (z ležanjem simulirajo razbremenitev spodnjih okončin in neaktivnost v breztežnosti).

Vse to znanje bodo v prihajajočih letih predajali tudi študentom z vsega sveta, dr. Mekjavić je na Mednarodni podiplomski šoli Jožef Stefan skupaj s kolegi z Univerze Caen v Franciji in Univerze Charité v Nemčiji sooblikoval edinstven Erasmus Mundus Joint Master študijski program SpaceMed: Fiziologija in medicina človeka v vesolju in v ekstremnih razmerah.

Centrifugo imate v Planici nameščeno dve leti. Kako je do zdaj potekalo delo na njej?

Centrifuga je novost, v Evropi so le tri in prvo leto smo se pravzaprav ukvarjali z različnimi tehničnimi izzivi. Po inštalaciji centrifuge v Planici smo opravljali različne tehnične teste in skupaj z Eso in proizvajalcem centrifuge, belgijskim podjetjem Redwire Space, nadgrajevali programsko in strojno opremo. Pomemben del centrifuge je premično ležišče, na katerem preiskovanci lahko opravljajo različne vadbe. Ta del centrifuge je razvilo avstrijsko podjetje Amst. Naša naloga v planiškem laboratoriju je ovrednotiti učinkovitost vibracijske vadbe pri preprečevanju izgube mišične in kostne mase. Med centrifugiranjem, ki ustvari umetno težnost pri nogah, preiskovanci zato opravljajo vadbo na vibracijski plošči nemškega proizvajalca Novotec. Na centrifugi smo namestili še dodatne merilne naprave, na primer naprave za kontinuirano meritev krvnega tlaka in krvnega pretoka v perifernih žilah, delovanje mišic.

Pomembna naloga, ki smo jo opravili v tem letu, je bila razvoj vadbene strategije na centrifugi. Končno različico razvite vadbene strategije smo tudi ovrednotili.

Zaradi logističnih razlogov bo zrak v prihodnjih vesoljskih plovilih in habitatih najverjetneje hipoksičen oziroma bo delni tlak kisika nižji. Zato je naša naloga ovrednotiti vadbeno strategijo pod hipoksičnimi pogoji. Za ta namen smo z nizozemskim partnerjem b-Cat vgradili sistem, ki v centrifugi ustvari hipoksične pogoje oziroma simulacijo zraka v visokogorju.

Igor Mekjavić. FOTO: Blaž Samec/Delo 

Kaj pa znanstveni poskusi?

Ta del zgodbe je še veliko bolj zanimiv. Soočeni smo z novo napravo za vadbo, zato moramo natančno proučiti odziv srčno-žilnega sistema, prav tako tudi mišično-kostnega sistema na tako vadbo. Na centrifugi se pri vrtenju ustvarja umetna težnost. Človek v centrifugi leži tako, da je glava blizu osi vrtenja, noge pa so nameščene proti zunanjemu delu centrifuge. Pri polni hitrosti centrifuge se pri nogah ustvari težnost štiri grame, pri srcu je težnost manjša, pri glavi, ki je blizu osi vrtenja, pa še manjša. Torej se težnost povečuje od glave proti nogam. Naši poskusi so osredotočeni na opravljanje različnih vaj med centrifugiranjem, tudi počepov v kombinaciji z vibracijsko vadbo in umetno težnostjo. Odziv telesa ni povsem enak, če izvajamo isto vadbo stoje ali v centrifugi. Mišično-kostni in srčno-žilni sistem se odzivata nekoliko drugače, če počepe izvajamo na centrifugi, kot če počepe izvajamo stoje.

V zadnjih 20 letih so bile opravljene številne raziskave o optimalni vadbi v vesolju, vendar se še nobena ni osredotočala na vibracijsko vadbo, ki naj bi jo izvajali vsak dan več let. Pri uporabi vibracije je treba upoštevati mednarodne in evropske standarde o varni izpostavitvi vibracijam. Preseganje praga varnih vibracij ima lahko negativne posledice, zato je bila naša prva naloga, da je vadba razvita v okviru ISO-standardov. Zavedamo se, da vadbo načrtujemo za delovno mesto astronavta. Ne glede na to, kako gledamo na ta poklic, konec koncev so to delavci, za katere moramo poskrbeti, da bo njihovo delovno okolje varno in da bo poskrbljeno za njihovo zdravje.

Vprašanje pri izdelavi vadbene strategije je tudi učinek umetne težnosti. Vibracijsko vadbo lahko opravljamo tudi brez umetne težnosti. S podjetjema Mak, d. o. o., in Sokol, d. o. o., razvijamo vadbeno napravo, s katero zdaj vrednotimo vibracijsko vadbo v ležečem položaju, kot bo izvajana na centrifugi. Zmanjšano težnost lahko simuliramo tudi brez centrifuge oziroma vrtenja, na primer z vzmetmi ali elastiko. Razvili smo napravo, s katero bo preiskovanec v horizontalnem položaju z drugačnim načinom simuliranja zmanjšane težnosti opravljal vadbo na vibracijski platformi podobno kot v centrifugi.

Esi smo predstavili ključne neznanke pri razvoju vadbene opreme in strategije ter opravili tudi preliminarno študijo, katere cilj je bil ovrednotiti večtedenski vadbeni program, ki vključuje vibracijsko vadbo. Predvsem nas je zanimalo, koliko je vadba na centrifugi primerljiva z vadbo v stoječem položaju, prav tako tudi to, kakšen je vpliv večtedenske vadbe na mišično maso, moč in funkcijo. V teh raziskavah sodelujemo z dr. Dušanom Šuputom iz Odseka za klinično fiziologijo Medicinske fakultete Univerze v Ljubljani in z dr. Matejem Supejem s Fakultete za šport Univerze v Ljubljani. Zanima nas tudi vpliv vibracijske vadbe na hrustanec v kolenskem sklepu. Pri tem delu raziskave s sodelavcem dr. Adamom McDonnellom sodelujeva z dr. Matejem Drobničem z Ortopedske klinike Univerzitetnega kliničnega centra v Ljubljani.

Kakšen je ta trening?

Različica treninga, ki jo imamo pripravljeno za nadaljnje študije, je šesta po vrsti. Vadba vključuje počepe na vibracijski plošči in dvigovanje pet od podlage na prste, da se krepijo še meča. Postopno smo spreminjali različne komponente te vadbe. Vadbo smo stopnjevali glede na zmogljivost posameznika. Na poskusne treninge smo povabili sedem ljudi, ki so dva tedna vsak dan prihajali na vadbo. Ta je trajala pol ure. Intenzivnost vabe se je spreminjala prvih pet dni, šesti dan je bil tako imenovani tekmovalni dan, ko so preiskovanci dali vse od sebe, sedmi dan pa je sledil počitek. Vsi preiskovanci so vadbo zaključili brez težav in pripravljeni smo na osemtedensko študijo, v kateri bo sodelovalo 24 preiskovancev.

Zadnja neznanka pri razvoju vadbene strategije je bila hipoksija. Astronavti naj bi vadbo opravljali v plovilih ali habitatih, kjer bo delni tlak kisika podoben delnemu tlaku v visokogorju. Zato smo tudi preverili odziv na tako vadbo v hipoksičnem okolju. Preiskovanci so med dvotedenskim treningom opravljali vibracijsko vadbo na centrifugi na simulirani nadmorski višini 4000 metrov.

Pri teh raziskavah smo se osredotočili tudi na nastanek »morske bolezni« med vadbo v centrifugi. Zanima nas, ali se človek sčasoma lahko prilagodi taki vadbi in mu ni več slabo. Nekateri preiskovanci so, na primer, pri prvi vadbi na centrifugi odnehali že po nekaj minutah, kar je bilo skrb vzbujajoče. Nato se je izkazalo, da je bilo že naslednji dan bolje, tretji dan pa je vadba že minila brez težav s slabostjo. Telo in glava sta se torej zelo hitro adaptirala. Skupaj s sodelavko dr. Uršo Ciuho in dr. Gaelle Quark (Univerza Caen, Francija) nadaljujemo raziskave, usmerjene v boljše razumevanje nastanka morske bolezni oziroma preprečevanje slabosti med centrifugiranjem.

Vendar so ti preiskovanci ob vadbi normalno živeli na trdnih tleh. Astronavti pa bodo v breztežnosti. Vi jo boste simulirali z ležanjem. Kaj pričakujete?

To je najpomembnejši cilj našega sedanjega štiriletnega raziskovalnega programa: ugotoviti, ali s polurno vadbo 60 dni zapored lahko vzdržujemo mišično in kostno maso ter nespremenjeno delovanje srčno-žilnega sistema, četudi preiskovanci preostali čas ležijo. Rezultati dosedanjih raziskav so spodbudni, saj se je mišična moč po dvotedenski vibracijski vadbi v ležečem položaju z umetno težnostjo povečala, medtem ko takih sprememb nismo opazili pri enaki vadbi, opravljeni v stoječem položaju.

Vse te ugotovitve so dobrodošle tudi za vse, ki niti pomislijo ne, da bi bili astronavti. Zaradi različnih bolezni so ljudje lahko več mesecev prikovani na posteljo.

Vsekakor je pridobljeno znanje širše uporabno. Glede vibracijske vadbe se razmišlja, da bi morda lahko bila v pomoč pri rehabilitaciji. Sam o tem še nimam mnenja, saj je opravljenih raziskav, ki bi pokazale rezultate, še premalo.

Konec septembra so v puščavi v Kazahstanu pristali ameriški astronavt in ruska kozmonavta, ki so na ISS bivali kar 371 dni. Kakšne posledice lahko ima eno leto bivanja v breztežnosti na človeku?

Astronavti imajo na ISS program vadbe za preprečevanje izgube kostne in mišične mase ter pešanja srčno-žilnega sistema, vendar ta vadba ni povsem učinkovita, zato raziskujemo nove možnosti.

Vsekakor astronavti po daljšem bivanju v breztežnosti ne morejo priskakljati iz plovila, zato vidimo, kako jih nesejo na nosilih. Če bi se takoj postavili pokonci, bi verjetno izgubili zavest. V telesu imamo sistem, ki precizno regulira krvni tlak. V breztežnosti se ta sistem razvadi oziroma postane slabše odziven, kar astronavtu med bivanjem v breztežnosti ne povzroča težav. Težava nastane pri vrnitvi na zemljo oziroma ko je astronavt po dolgem času v breztežnosti spet izpostavljen zemeljski težnosti. Kot pri številnih fizioloških sistemih se tudi delovanje sistema za regulacijo arterijskega tlaka hitro povrne v izhodiščno stanje. Enak odziv vidimo pri simulaciji učinka breztežnosti s tako imenovanimi »bed rest« študijami. V teh poskusih z ležanjem simuliramo tudi učinek breztežnosti na izgubo mišične mase v spodnjih okončinah in posledično zmanjšano mišično moč, to je tudi do 20-odstotno manjšo moč. Po vrnitvi na Zemljo oziroma po končanem poskusu, v katerem simuliramo učinek breztežnosti z ležanjem, se mišična masa, moč in funkcija zelo hitro vrnejo v izhodiščno stanje.

Astronavte prvih nekaj tednov po vrnitvi natančno nadzorujejo in pregledujejo. Želimo si, da bi vse te prilagoditve na breztežnost lahko sproti odpravljali in da ob vrnitvi ne bi bilo nikakršnih težav. Ali bomo to dosegli, pa še ne vem.

Predstavljajte si, da bivate na Luni ali Marsu. Tam nekaj težnosti sicer je. Že v nekaj mesecih bi se telo privadilo na zmanjšano težnost. Težava bi nastala, če bi se želeli vrniti ali obiskati Zemljo. Zdaj se pripravljamo na potovanje na Mars, nekoč se bodo morda pripravljali za potovanje na Zemljo. Obisk Zemlje bo morda nekoč vključeval tudi nekaj mesecev fizičnih priprav. [Smeh.]

Zanimiva težava, ki se pojavi pri astronavtih, je tudi pešanje vida. Vzrok še vedno ni poznan.

Za Eso opravljamo tudi več manjših raziskav. Podjetje C3M, ki ga vodi dr. Tomaž Šuštar, je od Ese pridobilo projekt za razvoj matematičnega modela očesa. V tem projektu sodelujemo z Univerzo Caen v Franciji (z dr. Pierrom Denisom) in Očesno kliniko UKC Ljubljana (z dr. Polono Jaki Mekjavić). C3M bo rezultate naših poskusov uporabil pri vrednotenju modela. Cilj je razvoj računalniškega modela očesa, s katerim bi lahko ocenili tveganje za nastanek vesoljskega očesnega sindroma (Spaceflight Associated Neuro-ocular Syndrome). Domnevamo, da je vzrok sindroma mehanskega izvora, predvsem neravnotežja med tlakom v očesu in tlakom v možganih. Pri teh poskusih simuliramo pogoje v vesoljskih plovilih kot tudi vadbo, ki jo opravljajo astronavti.

Z modelom bomo proučevali, kako se odziva tlak znotraj očesa in v možganih v običajnih pogojih ter kako pri simulirani breztežnosti. Očesne težave pri astronavtih poznamo, ne pa tudi vzrokov.

Poleg tega, skupaj z dr. Hervom Normandom z Univerze Caen za Eso opravljamo še študijo o skupnem delovanju sistema za regulacijo arterijskega tlaka in temperature telesa pri regulaciji prekrvavitve kože. Znano je, da pri visokih temperaturah prevladuje termoregulacijski sistem, če pa telesu grozi izguba zavesti, nadzor prevzame sistem za vzdrževanje tlaka. A naše telo je še bolj pametno, saj sta sistema regionalno neodvisna drug od drugega. V projektu bomo preverjali, kako vse to deluje pod različnimi pogoji, če spreminjamo težnost, temperaturo in delni tlak kisika v zraku.

Glede na to, da zaznavamo skrb vzbujajoča povišanja globalnih temperatur in da je poleti vse več vročinskih valov, je to še kako pomembno znanje.

To bi znal biti zelo resen problem v industriji. Med vročinskimi valovi se lahko pojavijo številne težave. Povzroči lahko veliko obremenitev srca in srčno-žilnega sistema. Če se mi v naših raziskavah osredotočamo na astronavte, ki so zdravi in aktivni ljudje, je slika v industriji precej širša. Tam imamo zaposlene, stare od 18 do 65 let, nekateri so športniki, drugi niso, nekateri imajo pridružene bolezni … V planiškem laboratoriju smo že izvajali simulacijo tridnevnega vročinskega vala, da ovrednotimo vpliv takega vročinskega vala na srčno-žilni sistem, termoregulacijski sistem, spanje, prehrano in kognitivne sposobnosti. Ta poskus smo izvajali na zdravih mlajših moških. Zdaj načrtujemo simulacijo enakega vročinskega vala in njegov vpliv na starejšo populacijo. V laboratorijih je mogoče raziskati vpliv vročine na ljudi tako, da preiskovance izpostavijo simuliranemu okolju v klimatski komori za nekaj ur. Prvi smo opazovali odzive telesa med simuliranim tridnevnim vročinskim valom. V sodelovanju s podjetjem Odelo, d. o. o., smo v evropskem projektu Obzorje (projekt Heat Shield) opazovali vpliv vročinskih valov tudi na delavce. Vendar je treba poudariti, da težava ni samo vročina, ki so ji delavci izpostavljeni med osemurnim delovnikom, ampak vročina v preostalem delu dneva v času vročinskega vala.

Vse to, o čemer sva do zdaj govorila, bo vključeno v novi podiplomski študijski program SpaceMed Erasmus Mundus Joint Master. V programu sodelujejo Univerza Caen v Normandiji (Francija), Univerza Charité v Berlinu (Nemčija) in Mednarodna podiplomska šola Jožef Stefan (Slovenija). Pridružilo se vam je več kot 40 partnerjev, od univerz, inštitutov do podjetij. Študij bo trajal dve leti in najzanimivejši semester bo prav v Sloveniji.

Partnerje v tem projektu smo presenetili s kar nekaj idejami. Opredelili smo program o fiziologiji in medicini človeka v vesolju ter v ekstremnih pogojih. V Franciji bodo v prvem semestru študenti spoznali teoretične osnove na tem področju, v Nemčiji bodo deležni več laboratorijskih demonstracij, da bodo nadgradili teoretično znanje. Pri nas pa bodo vse to prenesli v prakso v terenskih raziskavah. V Planici bomo demonstrirali, kako se pripravi in izvaja simulacija učinka breztežnosti na telo ter tudi učinek različnih protiukrepov za preprečevanje negativnega učinka breztežnosti na mišice, kosti in srce.

Ker bodo prihodnji vesoljski habitati najverjetneje hipoksični, bomo izvajali poskuse v simuliranih visokogorskih pogojih v planiškem laboratoriju, nato pa še med terenskimi vajami v domu Petra Skalarja na Kaninu. To je na nadmorski višini 2200 metrov, zato bo pri vsem tem pomemben vidik, kako se pripraviti na visokogorske pogoje. Pri tem delu sodelujemo z Jamarsko zvezo Slovenije, Planinsko zvezo Slovenije in občino Bovec.

V Slovenijo na urjenja prihajajo astronavti, da izkusijo življenje v ekstremnih pogojih, tako da jih za nekaj dni spustijo v kraško jamo, kjer so izolirani od zunanjega sveta. Skupaj z Jamarsko zvezo Slovenije se bodo študenti naučili osnovnih jamarskih veščin, da bodo lahko opravili večdnevne študije v jami. Tam bo več poudarka na psihologiji, spanju, saj v temi človek lahko izgubi občutek za čas.

V sodelovanju s kolegi na IJS smo dodali še program sodelovanja človeka z roboti in upravljanje eksoskeletov ali obtelesnih robotov, ki bi jih v prihodnosti lahko uporabljali pri delu. Na institutu smo izdelali tudi več simulatorjev človeškega telesa, s katerimi lahko ovrednotimo karakteristike zaščitnih oblačil. Enega redkih simulatorjev v Evropi, s katerim lahko ovrednotimo protipožarno zaščito oblačil, tako imenovani požarni manikin, smo razvili v sodelovanju s Slovensko vojsko in ga v sodelovanju z IJS upravlja podjetje Prevent-Deloza, d. o. o. Študenti se bodo tako seznanili tudi s tehnologijo toplotnih in požarnih manikinov. Nekaj stvari je še nedorečenih, program bomo dopolnjevali in sproti prilagajali. Začel se bo oktobra prihodnje leto. V Slovenijo bodo prvi študenti prišli oktobra leta 2025.

Kdo se lahko prijavi?

Študij je namenjen predvsem študentom biomedicinskih znanosti, od bodočih biomedicinskih inženirjev do zdravnikov. Program je namenjen študentom z vsega sveta. Vsako leto imamo na razpolago 25 dveletnih štipendij v vrednosti 1400 evrov na mesec. Plačani bodo tudi stroški šolnine. Cilj programa ni samo pridobitev magistrske diplome, ampak tudi študentom predstaviti čim več evropskih regij, evropsko kulturo in zgodovino, predvsem pa evropsko znanost in tehnologijo. V program je vključenih več kot 40 partnerjev z vsega sveta, med njimi tudi visokotehnološka evropska podjetja. In seveda, ker bodo v vsakem letniku študenti z vseh koncev sveta, se bodo seznanili tudi z različnimi kulturami.