Iz Planice na Mars

Človek si vedno želi še dlje, še višje. Nekateri preizkušajo meje lastnega telesa. Kakšne so te, z znanstvenimi metodami že več desetletij raziskuje prof. dr. Igor Mekjavić z Instituta Jožef Stefan, eden vodilnih svetovnih strokovnjakov za okoljsko fiziologijo, še posebej za hipoksijo. S svojim delom je pritegnil pozornost vesoljskih agencij, in tako je evropska planiški raziskovalni center nadgradila s centrifugo s kratko ročico, ki bo omogočila raziskave, kako bi centrifugiranje pomagalo ljudem na daljših vesoljskih potovanjih oziroma pri bivanju na Luni ali Marsu. Spoznanja bodo seveda dobrodošla tudi za vse nas, ki nikoli ne bomo zapustili matičnega planeta.

Kako pomembna je pridobitev človeške centrifuge za vas, za Institut Jožef Stefan in pravzaprav za celotno znanost v Sloveniji?

To je sad dvajsetletnega dela, ne le mojega, ampak celotne ekipe. Nismo si mislili, da bi lahko postali eden izmed laboratorijev Evropske vesoljske agencije, v katerih simulirajo mikrogravitacijo (angl. ground based facilities). Predvsem, ker Esa ne podvaja svojih investicij, podobne programe pa so že imeli v laboratoriju nemškega vesoljskega centra DLR v Kölnu in v Toulousu, kjer deluje francoski nacionalni center za vesoljske študije MEDES.

Ko smo pred dvema desetletjema začeli raziskave, nas je gnala predvsem radovednost. Imeli smo ideje, postavljali smo hipoteze, jih testirali, in tako smo z leti pridobivali vse več zanimanja in nazadnje vzbudili tudi pozornost Ese.

Raziskovali smo vplive neaktivnosti (bed rest študije), tem smo dodajali raziskave na področju hipoksije. Za pomoč pri hipoksičnem treningu so nas leta 2000 zaprosili športniki in tako smo v gostilni Pri Žerjavu v Planici razvili prvo hipoksično sobo. In po dobrih desetih letih dela so nas na Esi vprašali, ali bi lahko opravili raziskave dolgotrajnega ležanja v hipoksiji (ob pomanjkanju kisika). Vprašanje je bilo zelo enostavno: vemo, da neaktivnost vpliva na izgubo mišične in kostne mase tako na Zemlji kot v vesolju, kaj pa bi se s telesom zgodilo, če bi neaktivni ljudje živeli v hipoksiji? Pri projektu je nato sodelovalo več kot 14 laboratorijev iz celotne Evrope, naša skupina je poleg lastnega projekta koordinirala še vse stranske raziskave in glas o Planici se je širil v znanstveni skupnosti.

V vseh teh letih smo opravili izčrpne raziskave, mislil sem, da smo celo preveč učinkoviti (nasmeh). Spomnim se, da je bilo v Planici tudi po 80 znanstvenikov, študentov in drugih, ki so sodelovali pri izvajanju raziskav. Bilo je kot v kampusu. Nisem si mislil, da bi lahko projekte še nadgradili, potem pa sem dobil klic z Ese. Točno se spomnim, kdaj. Spuščali smo se z Elbrusa, ko so me v telefonskem pogovoru vprašali, ali bi želeli centrifugo. Naslednja stopnja Esinega raziskovalnega programa je namreč vključevala proučevanje vpliva centrifugiranja na preprečevanje mišične in kostne atrofije.

Sprva so v vesolje hodili mladi fantje, pa še to samo za nekaj dni, ob dolgotrajnem bivanju v vesolju pa se je pojavila potreba po preprečevanju sprememb, ki se telesu zgodijo zaradi zmanjšane težnosti. Tako so razvili opremo za telovadbo, specifične naprave za posamezne dele telesa. Čeprav so učinkovite, niso optimalne, zato so, še posebej zaradi poletov na Luno in Mars, ki bodo trajali še veliko dlje, začeli razmišljati o napravi, ki bo telo zajela celostno. Vzeli so idejo Hermana Potočnika Noordunga, ki je sicer za ustvarjanje umetne težnosti predvidel vrtenje celotne postaje, in zadevo pomanjšali na manjše centrifuge s kratko ročico, kakršno imamo zdaj v Planici. Ta centrifuga je dovolj velika, da je nanjo mogoče namestiti tudi vadbene naprave.

Podobno imajo še v Toulousu in Kölnu, v Franciji bodo raziskovali vpliv centrifugiranja skupaj s cikloergometrijo, v Nemčiji, tako kot pri nas, pa vpliv centrifugiranja v kombinaciji z vibracijsko vadbo. V Planici bomo dodali še hipoksijo.

V Planici zagnali človeško centrifugo

Ta vidik je pomemben za vesoljske sprehode. Za izhode iz habitata, zdaj iz notranjosti Mednarodne vesoljske postaje, je potreben pravilen postopek priprave, da ne pride do dekompresije; ta priprava traja od tri do štiri ure. Preden se v skafandru vzpostavi vakuum, astronavt počasi diha čisti kisik, da iz krvi izloči dušik. Na postaji, kjer izhodi niso pogosti, dolgotrajnost postopka ni problematična, bo pa ta nesprejemljiva denimo na Luni ali Marsu, kjer bi bili izhodi pogosteje dnevni pojav. Astronavti bodo, vsaj tako se predvideva, živeli v hipobaričnem hipoksičnem okolju, torej v podtlaku in z nekoliko več odstotki kisika. Kakšen bo tlak in koliko bo kisika, še ne vemo, za to potrebujemo raziskave. Mi bomo preverjali, kaj se dogaja na ustvarjeni nadmorski višini 4000 metrov. Zdaj je naš laboratorij edini na svetu, ki bo izvajal takšne poskuse. In tako je Esa investirala v centrifugo v Planici.

Za izhode iz habitata, zdaj iz notranjosti Mednarodne vesoljske postaje, je potreben pravilen postopek priprave.  FOTO: Nasa/Reuters

Koliko sredstev je vložila?

Povsem natančne številke sicer ne poznam, ampak zagotovo več kot milijon in šeststo tisoč evrov.

Omenili ste, s katerimi raziskovalnimi vprašanji se boste ukvarjali. Kako konkretno bodo videti poskusi?

Planica je vključena v Esin petletni program, v katerem bo več različnih bed rest raziskav (ležanje v postelji, s čimer simulirajo breztežnost; op. a.). Vsak posamezen projekt bo trajal 60 dni, v tem času bodo udeleženci ležali na posteljah, ki imajo vzglavje nagnjeno za šest stopinj, vsakodnevno pa jih bomo vozili na centrifugo, kjer bodo opravili še vibracijsko vadbo. Delo smo si razdelili po laboratorijih, sicer bi trajalo predolgo, nekaj kontrolnih študij brez centrifugiranja smo že opravili tudi sami in bomo lahko primerjali rezultate. Ti bodo dali odgovore, ali naj Esa načrtuje polete s centrifugo ali ne, katera vadba je boljša, kako vse to vpliva na apetit, duševno zdravje …

Ob tem bomo delali še druge poskuse, saj Esa daje svoje laboratorije v uporabo tudi drugim znanstvenikom, ki pa morajo za projekte zagotoviti lastna sredstva. Centrifuga omogoča namestitve še dodatnih senzorjev za zajemanje podatkov različnih meritev. Esa je za delo v Planici dobila kar 60 prošenj, ovrednotili so jih glede na aplikativnost in izmed njih izbrali 14 projektov. Tako nas poleg znanstvenega čaka še veliko logističnega dela, toda s tem si zagotovo še utrjujemo mesto na znanstvenem zemljevidu.

Laboratorij za gravitacijsko fiziologijo v Planici. FOTO: Katja Bidovec in Arne Hodalič Delo

Za Institut Jožef Stefan je laboratorij za gravitacijsko fiziologijo pomembna pridobitev. Na področju okoljske fiziologije simuliramo različna okolja, od ekstremno hladnih do vročih, višinske razmere, vlago … Zanima nas, kako skrajne okoliščine vplivajo na človeka, in seveda tudi, kakšno opremo izdelati, da mu bo v takem okolju lažje. Zdaj dodajamo še gravitacijsko fiziologijo. Naj poudarim, da s tem ponujamo povsem novo obzorje tudi mladim raziskovalcem, doktorskim in podoktorskim študentom, tako domačim kot tujim.

Testiramo izdelke za švicarsko in angleško vojsko pa tudi vse čevlje podjetja Geox

Razvijate in testirate tudi materiale oziroma opremo za skrajne razmere.

To izhaja iz dela z alpinisti z omrzlinami, ki smo jih zdravili v barokomori s hiperbarično oksigenacijo. Tako zdravljenje omrzlin se je izkazalo za zelo učinkovito, če je bilo pravočasno. Ugotovili smo, da alpinisti uporabljajo opremo, ki je niso podpirale številke oziroma testi za evaluacijo učinkovitosti zaščite. Tako smo razvili več simulatorjev človeškega telesa – manikine, ki so aplikativni steber naših raziskav. Med drugim smo razvili nogo in roko za testiranje obutve in rokavic, leta 2006 smo razvili požarnega manikina. Naš laboratorij je bil eden od treh na svetu s tako lutko, s katero smo lahko testirali protipožarno opremo, saj je njena koža posnemala človeško. Projekt smo nato nekoliko opustili, zdaj pa z industrijskim partnerjem Prevent & Deloza iz Celja, ki razvija protipožarno opremo, razmišljamo o postavitvi sistema pri njih.

V skupini Igorja Mekjavića na IJS so razvili več manikinov. FOTO: Jože Suhadolnik/Delo

Kako prilagodljivo je pravzaprav človeško telo?

Zelo prilagodljivo, v tem je včasih problem. Če smo v vročem okolju, se začnemo znojiti že pri nižji telesni temperaturi kot običajno, če smo na višji nadmorski višini, se poveča število rdečih krvničk v krvi, da je prenos kisika iz pljuč do mišic učinkovitejši. V vesolju pa je prilagoditev negativna. V breztežnosti skeletno-mišični sistem ni več tako pomemben, ta se slabša tudi na Zemlji, če smo neaktivni. Posledice lahko trenutno vidimo pri covidu, ko bolniki dlje časa ležijo in potem traja kar nekaj mesecev, da funkcije mišično-skeletnega sistema spet postanejo normalne. Enako je v vesolju, pri čemer je seveda najbolj nevarna vrnitev. Nikoli ne vidimo, da bi po pristanku astronavti priskakljali iz kapsule, nosijo jih v polležečem položaju. Če bi stali, bi se najverjetneje onesvestili, saj srčno-žilni sistem ne more vzdrževati tlaka, da bi bila prekrvavitev na Zemlji spet pravilna. Če v vesolju izvajajo telesno vadbo, so težave manjše.

Nikoli ne vidimo, da bi po pristanku astronavti priskakljali iz kapsule, nosijo jih v polležečem položaju. FOTO: Dmitry Lovetsky AFP - International News Agency

Katere so največje neznanke pri teh prilagoditvah oziroma njihovem preprečevanju? Kako lahko pomaga centrifuga?

Precej jasno je, kaj se dogaja z mišicami, kostmi in srčno-žilnim sistemom. Vse mišične funkcije se pri astronavtih, torej pri sicer zdravih ljudeh, ob vrnitvi v težnost vrnejo v izhodiščno stanje. Ima pa vsak sistem svojo dinamiko okrevanja. V planiški centrifugi lahko pri polni hitrosti pri nogah dosežemo 4G, pri srcu je težnost manjša, pri glavi še manjša. Nas bo zanimala predvsem težnost pri nogah, ker bomo izvajali vadbo. Določili bomo torej, kako velik mora biti G, da je centrifugiranje optimalno.

Astronavti v vesolju tarnajo tudi zaradi težav z vidom. Zakaj se vid poslabša, še ni znano.

Dva najhujša sovražnika za astronavte sta radiacija in težave z vidom, ki jih zdaj združujemo pod imenom očesni sindrom, povezan z vesoljskimi poleti. Odkrili so ga že pred petnajstimi leti, a mu niso namenjali pozornosti, saj so bili astronavti v povprečju stari od 40 do 50 let, to pa je obdobje, ko tudi na Zemlji začnejo opažati slabši vid na blizu. Nekateri deli tega sindroma so reverzibilni, drugi ne. Kar 70 odstotkov astronavtov ima težave v očmi, za katere pa ne poznamo vzroka.

To smo raziskovali tudi med našimi študijami, vodila jih je prof. dr. Polona Jaki Mekjavić z Medicinske fakultete, moja žena. Ona bi vam lahko povedala več o tej težavi. Že 25 let raziskuje oči alpinistov, kako nanje vpliva višina, proučevala je hipoksijo in hiperkapnijo (kopičenje ogljikovega dioksida na mrežnici). Na ISS je koncentracija ogljikovega dioksida večja kot na Zemlji, zato bi bil lahko ta krivec za očesne težave. Za zdaj tudi opažamo, da lega človeka na Zemlji vpliva na tlak v očesu, ne vemo, kako bo vplivala centrifuga.

Prav tako raziskujemo, kako na oči vpliva vadba. Največji problem je, da za oči na trdnih tleh ne moremo res dobro simulirati breztežnosti, za mišice smo že razvili primerljiv model, to je ležanje v postelji, za oči pa ne.

Del vaših prejšnjih raziskav je bilo tudi spanje.

Da, lepo smo proučili, kako na spanje vpliva neaktivnost in kako se stanje poslabša, če dodamo hipoksijo. Z vadbo v centrifugi bomo verjetno izboljšali del, kako na spanje vpliva aktivnost. Je pa vpliv hipoksije večji od vpliva neaktivnosti, zato aktivnost v hipoksiji – o tem lahko veliko povedo alpinisti – spanja ne izboljša. S hipoksičnimi treningi športniki, alpinisti, vojaki, ki delajo v visokogorju, pridobijo svoje sposobnosti, hkrati pa imajo tudi negativne učinke na spanje, apetit.

V planiški centrifugi lahko pri polni hitrosti pri nogah dosežejo 4G. FOTO: Katja Bidovec in Arne Hodalič

Astronavti so zagotovo izbranci z dobrimi psihofizičnimi lastnostmi, a seveda so med njimi razlike. Kako pomembne pri tem so individualne značilnosti?

Vsekakor nas zanimajo tisti, ki bi denimo v vesolju izgubili najmanj mišične mase, ti bodo pri vrnitvi trpeli manj. Tako iščemo signifikantne individualne variabilnosti. Te so pomembne tudi v industriji, išče se, kdo je bolj primeren za določeno delo v zahtevnejših razmerah, kdo lažje prenaša vročino kot nekdo drug. Raziskujemo markerje, ki kažejo, kakšen bo odziv nekega posameznika na nove okoliščine.

Vesoljske agencije in vi v vaših raziskavah torej iščete načine, kako preprečevati spremembe človeškega telesa v zmanjšani težnosti. To je pomembno za vrnitev na Zemljo. Kaj pa, če bodo ljudje ostali na Marsu? Kako drugačni bodo?

Vsekakor se bodo zmanjšani težnosti na Marsu (ta je tretjina težnosti na Zemlji) prilagodili. Pred leti so podgane naselili v centrifugo, kjer so bile podvržene sili 2G. V teh okoliščinah so se podgane tudi kotile in opazili so, da so imele močnejše kosti, več mišic. Menimo, da bi človek prav tako razvil spremembe zaradi nove, nižje težnosti. Bi pa bil velik problem, če bi se tak posameznik želel vrniti na Zemljo, ne da bi vseskozi preprečeval nastajanje sprememb v organskih sistemih. Ampak ta strategija vračanja je že projekt za naslednjo generacijo znanstvenikov.

Raziskujete predvsem ekstremne okoliščine. Zakaj vas privlačijo ekstremi?

Ko sem v Angliji končal študij biomedicinskega inženiringa, še sam nisem vedel, kaj bom delal v življenju. Potem sem za magisterij dobil štipendijo angleške mornarice in sem proučeval ogljikov dioksid v potapljaških skafandrih. Začel sem spoznavati razmere, v katerih so delovali ti potapljači, in uvidel, kako skrajne so, čeprav še niso bili znani vsi njihovi vplivi na človeško telo, in da ni nobenih strategij za varno delo. Do zdaj se je to seveda močno spremenilo. V Kanadi sem pri proučevanju termoregulacije znova naletel na ribiče, ki delajo v ekstremnih razmerah. Torej ne gre za to, da iščem ekstremne okoliščine, ampak vsakič znova naletim nanje.

Treba je poznati temelje fiziologije, potem lahko pomagamo ljudem, ki delujejo v skrajnih razmerah, zanje razvijamo opremo. S kolegi z UKC Ljubljana smo denimo razvili protokol Planica za zdravljenje omrzlin. Z industrijo, ki je, mimogrede, pri nas zelo dobra, a ji manjka raziskovalnih oddelkov, da bi testirali, sodelujemo in razvijamo napredno opremo.

Vse te raziskave, ki jih opravljate, pa so pravzaprav zelo pomembne tudi za vse nas na Zemlji, ki ne bomo nikoli šli v vesolje?

Seveda. Tu lahko govorimo o rehabilitaciji po dolgotrajnih boleznih, ko bolniki dlje časa ležijo. Vse hujša težava je neaktivnost: premnogi večino dneva presedijo oziroma niso pokonci.