Marsgravitation: Studie zur Skelettmuskulatur von Astronauten

NASA und die China National Space Agency (CNSA) beabsichtigen, bereits im kommenden Jahrzehnt Astronautinnen und Astronauten zum Mars zu schicken.

Dieses ehrgeizige Vorhaben verlangt naturgemäß umfassende Planung und Forschung sowie die frühzeitige Antizipation und Vorbereitung auf sämtliche möglichen Herausforderungen. Dabei haben Gesundheit und Sicherheit der Astronautinnen und Astronauten oberste Priorität.

Neben den Risiken der langen Reisezeit – Strahlung und die Folgen eines längeren Aufenthalts in Mikrogravitation – stellt auch der Mars selbst eine Herausforderung dar.

Abgesehen von der erhöhten Strahlenbelastung beträgt die Schwerkraft auf dem Mars lediglich rund 38 Prozent der Erdschwerkraft.

Das könnte langfristige Gesundheitsrisiken verursachen. Ein internationales Forschungsteam untersucht derzeit, wie sich die Marsgravitation auf einen zentralen Aspekt der menschlichen Gesundheit auswirkt: die Skelettmuskulatur.

Diese Muskulatur ist das häufigste Gewebe des menschlichen Körpers und macht mehr als 40 Prozent der gesamten Körpermasse aus. Sie ist sowohl für Bewegung als auch für die Stoffwechselgesundheit unverzichtbar.

Zudem reagiert dieses Gewebe besonders empfindlich: Eine geringere Schwerkraft könnte zu erheblichen Einbußen bei Muskelkraft, Muskelmasse und Leistungsfähigkeit führen. Daher ist es wichtig zu klären, wie sich Muskelgewebe in der Marsumgebung behaupten wird.

Marsgravitation und Skelettmuskulatur im Fokus

Das Forschungsteam setzte sich aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Institute of Medicine der University of Tsukuba, der Tohoku Medical Megabank Organization, des Advanced Research Center for Innovations in Next-Generation Medicine (INGEM), des Beth Israel Deaconess Medical Center, des Brigham and Women's Hospital, des Space Environment Utilization Center der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) sowie mehrerer Universitäten zusammen.

Die Ergebnisse der Untersuchung erschienen in der Fachzeitschrift Science Advances.

Für das Experiment untersuchte das Team, wie sich verringerte Schwerkraft auf Skelettmuskelgewebe von 24 Mäusen auswirkte, die in das Kibo-Experimentmodul der JAXA gebracht wurden.

Anschließend wurden die Tiere in ein von der JAXA entwickeltes Zentrifugensystem namens Multiple Artificial-gravity Research System (MARS) gesetzt. Dort waren sie über einen Zeitraum von 28 Tagen vier unterschiedlichen Schwerkraftniveaus ausgesetzt: Mikrogravitation, 0,33 g, 0,67 g und 1 g.

Vor dem Start wurden die Mäuse im Kennedy Space Center der NASA untersucht; dorthin kehrten sie auch für die Probenentnahme nach dem Flug zurück.

Versuch mit künstlicher Schwerkraft im All

Die Proben analysierten anschließend Forschende des Metabolism and Muscle Biology Lab (MMBL) am Department of Nutrition der University of Rhode Island (URI). Professorin Marie Mortreux, Leiterin des MMBL, erläuterte in einem Beitrag von Rhody Today:

„Zwar können wir Raumflüge mit Menschen auf der Erde simulieren, doch das ist äußerst kompliziert und teuer. Wir verfügen über Zentrifugen, mit denen Menschen vorübergehend bestimmten Schwerkraftniveaus ausgesetzt werden können, aber diese Belastung ist weder gleichmäßig noch konstant.

Wir nutzten gleichmäßig abgestufte Schwerkraftniveaus, um ein besseres Bild der Dosis-Wirkungs-Beziehung jedes Systems zur Schwerkraft zu erhalten. Die Testgruppe, die 0,33g ausgesetzt war, lag der Marsgravitation (0,38g) äußerst nahe. Unsere Erkenntnisse aus dieser Gruppe lassen sich in Maßnahmen für die Marsforschung übertragen.“

Nach ihrer Rückkehr ins Kennedy Space Center der NASA untersuchten Mortreux und ihr Team Gewicht, Kraft und Bewegungsverhalten der Mäuse. Die Auswertung ergab, dass 0,33 g die durch Raumflüge verursachte Muskelatrophie abschwächte, während sie bei 0,67 g vollständig verhindert wurde.

Auch die Griffkraft der Vorderpfoten wurde mittels elektrischer Impedanzmyografie (EIM) gemessen. Dabei zeigte sich, dass 0,67 g ausreichten, um die Muskelleistung zu erhalten.

In ihrer Gesamtheit belegten die Ergebnisse, dass 0,67 g eine entscheidende Schwelle darstellen, um Muskelatrophie infolge längerer Raumflüge zu verringern.

Zusätzlich identifizierte eine Untersuchung des Blutplasmas der Mäuse 11 Metaboliten mit schwerkraftabhängigen Veränderungen. Dies deutet darauf hin, dass sie als potenzielle Biomarker zur Überwachung physiologischer Anpassungen bei Astronautinnen und Astronauten dienen könnten.

Bedeutung für künftige Marsmissionen

Die Studie knüpft an frühere Forschungsarbeiten an, die Mortreux gemeinsam mit Professorin Mary Bouxsein, einer Mitautorin der Studie, an der Harvard Medical School durchgeführt hatte.

Bouxsein entwickelte Anfang der 2010er-Jahre das bodengestützte Mausmodell für partielle Schwerkraft, während Mortreux in Harvard ein Rattenmodell für partielle Schwerkraft entwickelte. Beide sind daher mit den Auswirkungen unterschiedlicher Schwerkraftniveaus auf muskuloskelettale Gewebe bestens vertraut.

„Da diese Mission die Schwerkraft als Kontinuum bewerten sollte, waren wir ideal aufgestellt, um zu prüfen, ob unsere bodengestützten Ergebnisse ähnliche Resultate liefern würden, wenn die verringerte mechanische Belastung im Orbit angewandt wird“, sagte Mortreux.

„Die Zusammenarbeit mit einem internationalen Team war herausfordernd und spannend. Ich denke, dass mich meine Erfahrungen in Italien, Frankreich und den Vereinigten Staaten auf diese groß angelegten Kooperationen vorbereitet haben.“

Eine zentrale Erkenntnis der Studie lautet, dass künftige Marsmissionen den Verlust von Skelettmuskulatur während des langen Transfers zwischen Erde und Mars gezielt begrenzen müssen.

Astronautinnen und Astronauten führen regelmäßig wissenschaftliche Arbeiten durch und müssen beweglich bleiben sowie ihre Muskelkraft erhalten. Dasselbe gilt für ihre körperliche Gesundheit nach der Rückkehr zur Erde.

Die Befunde legen nahe, dass rotierende Torusringe eine sinnvolle Ergänzung für künftige Raumflugkonzepte wären – nach dem Vorbild von NASAs Non-Atmospheric Universal Transport Intended for Lengthy United States Exploration (NAUTILUS-X) und ähnlichen Ansätzen.

Dieser Artikel wurde ursprünglich von Universe Today veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.