التأثيرات الفسيولوجية في الفضاء

حتى قبل أن يبدأ البشر في استكشاف الفضاء، أُثيرت مخاوف جدية ومنطقية بشأن تعرض الإنسان لبيئة الجاذبية الصغرى في الفضاء، نظراً للتأثيرات الجهازية المحتملة على أشكال الحياة التي تطورت فوق سطح الأرض وتكيفت مع الجاذبية الأرضية. يؤدي تخفيف الحمل عن العضلات الهيكلية، سواء على الأرض من خلال تجارب الراحة في الفراش أو أثناء الرحلات الفضائية، إلى إعادة تشكيل العضلات (استجابة ضمورية). ونتيجة لذلك، يحدث انخفاض في قوة العضلات الهيكلية، والمقاومة للتعب، والأداء الحركي، وسلامة الأنسجة الضامة. بالإضافة إلى ذلك، يسبب انعدام الوزن تغيرات في الجهاز القلب رئوي والأوعية الدموية، بما في ذلك انخفاض كبير في كتلة خلايا الدم الحمراء، مما يؤثر على وظيفة العضلات الهيكلية. وقد تصبح الاستجابة التكيفية الطبيعية لبيئة الجاذبية الصغرى عبئاً، مما يؤدي إلى زيادة خطر عدم القدرة أو انخفاض الكفاءة في أداء أعضاء الطاقم للمهام البدنية الشاقة أثناء نشاط خارج المركبة (EVA) أو عند العودة إلى الأرض.

في سياسة الفضاء في الولايات المتحدة، كان الإجراء المضاد الوحيد أثناء الرحلة لعجز وظائف العضلات الهيكلية الذي استُخدم حتى الآن هو التمرين البدني. وقد تباينت أجهزة وبروتوكولات التمرين أثناء الرحلة من مهمة إلى أخرى، اعتماداً إلى حد ما على مدة المهمة وحجم المركبة الفضائية المتاحة. ساعدت المعرفة الجماعية المكتسبة من هذه المهمات في تطوير أجهزة وبروتوكولات تمارين مصممة لتقليل الضمور العضلي وما يصاحبه من عجز في وظائف العضلات الهيكلية. استخدم العلماء الروس مجموعة متنوعة من أجهزة التمرين وبروتوكولات التمرين أثناء الرحلات الفضائية طويلة الأمد (التي تصل إلى عام وما فوق) على متن محطة الفضاء مير. أما في محطة الفضاء الدولية (ISS)، فقد استُخدم مزيج من تمارين المقاومة والتمارين الهوائية (الأيروبيك). كانت النتائج مقبولة وفقاً للتوقعات الحالية لأداء أعضاء الطاقم عند العودة إلى الأرض. ومع ذلك، بالنسبة للمهمات إلى القمر، وإنشاء قاعدة قمرية، والسفر بين الكواكب إلى المريخ، فإن المتطلبات الوظيفية للأداء البشري خلال كل مرحلة محددة من هذه المهمات لم تُحدد بشكل كافٍ لتقرير ما إذا كانت الإجراءات المضادة المطورة حالياً كافية لتلبية متطلبات الأداء البدني.

إن فرص وصول الأبحاث إلى أعضاء الطاقم البشري أثناء رحلات الفضاء محدودة. لذا تم تطوير نماذج فسيولوجية أرضية ومراجعة نتائجها. وتشمل هذه النماذج الراحة في الفراش الأفقي أو مع إمالة الرأس للأسفل، والراحة في الفراش بنظام الغمر الجاف، وتثبيت الأطراف، وتعليق طرف سفلي واحد. ورغم أن أياً من هذه النظائر الأرضية لا يوفر محاكاة مثالية لتعرض الإنسان للجاذبية الصغرى أثناء الرحلات الفضائية، إلا أن كل منها مفيد لدراسة جوانب معينة من تخفيف الحمل العضلي وكذلك للتحقق من التغيرات الحسية الحركية.

من المرجح أن يوظف تطوير وتقييم والتحقق من صحة إجراءات مضادة جديدة لآثار تخفيف الحمل عن العضلات الهيكلية تنويعات من هذه النماذج الأرضية الأساسية نفسها. وقد تشمل الإجراءات المضادة المرتقبة تدخلات صيدلانية و/أو غذائية، وأجهزة تمرين مبتكرة توفر طرقاً محسنة للحمل البدني، وأجهزة تدريب على الحركة، وأجهزة تمارين سلبيةقارن مع:، بالإضافة إلى الجاذبية الاصطناعية (سواء كمكون أصيل في المركبة الفضائية أو في جهاز منفصل داخلها). وفيما يتعلق بالأخير، فقد وُصفت استجابات ديناميكا الدم والأيض لزيادة الحمل الناتج عن جهاز طرد مركزي يعمل بالطاقة البشرية.

 نظرة تاريخية عامة 

 برامج الرحلات الفضائية البشرية الأمريكية 

 ميركوري وجمناي 
أثبتت الرحلات الفضائية دون المدارية للرئيسيات (الشمبانزي الشائع)، قبل إطلاق أول رائد فضاء أمريكي، أن عمليات الإطلاق والدخول، والتعرض للجاذبية الصغرى لفترة قصيرة، كانت جميعها تجارب يمكن النجاة منها.

تمثلت المشكلة الطبية الحيوية الأولى التي واجهت مشروع ميركوري (الذي استمر بين عامي 1959 و1963) في وضع معايير اختيار المجموعة الأولى من رواد الفضاء. وقد صاغت "لجنة علوم الحياة" التابعة لـ ناسا، وهي مجموعة استشارية من كبار الأطباء وعلماء الحياة، المتطلبات الطبية لرواد فضاء ميركوري. وشملت معايير الاختيار النهائية نتائج الاختبارات الطبية بالإضافة إلى الخبرة التقنية والعملية للمرشحين. كما استُعين بأفراد ومنشآت طب الطيران التابعة لـ وزارة الدفاع الأمريكية لإجراء اختبارات الإجهاد والاختبارات النفسية لمرشحي رواد الفضاء. وقد شكلت إجراءات الفحص والاختبار المحددة لاختيار رواد فضاء ميركوري الأساس لعمليات الاختيار اللاحقة لرواد فضاء جمناي وبرنامج أبولو عند بدء تلك البرامج.

ومع أن رحلات ميركوري كانت تجريبية في المقام الأول -حيث لم تتجاوز أطول مهمة فيها نحو 34 ساعة- فقد أثبت مشروع ميركوري بوضوح قدرة البشر على تحمل بيئة الرحلات الفضائية دون آثار فسيولوجية حادة وكبيرة، كما أتاح الحصول على معلومات طبية حيوية مفيدة شملت ما يلي:

 بقاء قدرة الطيارين على الأداء دون تغيير نتيجة الرحلة الفضائية.
 بقاء جميع الوظائف الفسيولوجية المقاسة ضمن الحدود الطبيعية المقبولة.
 عدم رصد أي علامات لاستجابات حسية أو نفسية غير طبيعية.
 اعتبار جرعة الإشعاع التي تلقاها الرواد ضئيلة من منظور طبي.
 لوحظ فور الهبوط ارتفاع في سرعة القلب وانخفاض في ضغط الدم الجهازي مرتبط بالوقوف (النصبي)، واستمر هذا الأثر لمدة تتراوح بين 7 إلى 19 ساعة بعد الهبوط.

ونظراً لقصر مدة مهام مشروع ميركوري، لم يكن هناك قلق يُذكر بشأن فقدان الوظائف العضلية الهيكلية؛ ومن ثم لم تُطوَّر أي أجهزة أو بروتوكولات للتمارين الرياضية أثناء الرحلة. ومع ذلك، ضمنت معايير الاختيار تمتع الرواد بحالة بدنية ممتازة قبل الرحلة.

وفرت المعلومات الطبية الحيوية المكتسبة خلال رحلات ميركوري أساساً إيجابياً للمضي قدماً نحو الخطوة التالية، وهي مشروع جمناي، الذي نُفِّذ خلال 20 شهراً من مارس 1965 إلى نوفمبر 1966. وكان الهدف الرئيس المعلن لبرنامج جمناي هو تحقيق مستوى عالٍ من الثقة التشغيلية في الرحلات الفضائية البشرية. وللتحضير لمهمة الهبوط على القمر، توجب تحقيق ثلاثة أهداف كبرى:

 إتمام عمليات الالتقاء والالتحام بين مركبتين فضائيتين.
 تنفيذ أنشطة خارج المركبة والتحقق من أنظمة دعم الحياة البشرية وقدرات أداء رواد الفضاء في ظل هذه الظروف.
 (وهو ما يتصل بهذا الموضوع) تطوير فهم أفضل لمدى تحمل البشر للتعرض لفترات طويلة للطيران في ظروف انعدام الوزن.

وهكذا، أتاح مشروع جمناي فرصة أفضل بكثير لدراسة آثار الجاذبية الصغرى في الرحلات الفضائية على البشر. وفي رحلة جمناي 7 التي استغرقت 14 يوماً، أُجريت ملاحظات بارزة لفحص الاستجابات الفسيولوجية والنفسية لرواد الفضاء بدقة أكبر نتيجة التعرض لبيئة الرحلة الفضائية وما يرتبط بها من جاذبية صغرى.

أسفر برنامج جمناي عن نحو 2000 ساعة عمل بشري من التعرض لانعدام الوزن لرواد الفضاء الأمريكيين. وشملت الملاحظات الإضافية وجود حالة من عدم تحمل الوقوف بعد الرحلة، استمرت لدى بعض أفراد الطاقم لمدة تصل إلى 50 ساعة بعد الهبوط، وانخفاضاً في كتلة خلايا الدم الحمراء بنسبة تراوح بين 5% إلى 20% عن مستويات ما قبل الرحلة، ومؤشرات شعاعية على نقص المعادن في عظمة العقب. ولم يُلاحظ أي تراجع كبير في أداء أهداف المهمة، كما لم تُؤخذ قياسات محددة لقوة العضلات أو قدرتها على التحمل لمقارنة مستويات ما قبل الرحلة وأثناءها وبعدها.

 أبولو 
تمثل الهدف الرئيس لبرنامج أبولو في هبوط رواد الفضاء على سطح القمر وضمان عودتهم سالمين إلى الأرض. جُمِعت النتائج الطبية الحيوية لبرنامج أبولو (1968-1973) من 11 مهمة مأهولة أُنجزت خلال الخمس سنوات من عمر البرنامج، بدءاً من الرحلات السابقة للهبوط على القمر (المهام من 7 إلى 10)، وأول هبوط قمري (المهمة 11)، وخمس رحلات استكشافية قمرية لاحقة (المهام من 12 إلى 17). ولم تكمل مهمة أبولو 13 هدفها المخطط له بالهبوط على القمر بسبب انفجار وعاء ضغط في "وحدة الخدمة"، وبدلاً من ذلك، عادت بأمان إلى الأرض بعد تحقيق مدار قمري جزئي.

كان من الضروري لإتمام برنامج أبولو بنجاح أن يقوم بعض أفراد الطاقم بأنشطة طويلة وشاقة خارج المركبة (EVA) على سطح القمر. وكان هناك قلق بشأن قدرة أفراد الطاقم على إنجاز الجولات القمرية المخطط لها في بعض مهام أبولو. ورغم التوقعات بأن الجاذبية القمرية المنخفضة ستجعل بعض المهام أقل جهداً، فإن محدودية حركة البدلة الفضائية مع الجدول الزمني المعقد والطموح أدت إلى تنبؤات بأن النشاط الأيضي سيتجاوز المستويات الناتجة لفترات ممتدة. ولما كانت طبيعة وحجم الخلل الفسيولوجي الناتج عن التعرض للجاذبية الصغرى لم تُحدد بعد بشكل قاطع (ولا تزال غير محددة بدقة)، فقد أُجريت اختبارات فسيولوجية مناسبة ضمن قيود برنامج أبولو لتحديد ما إذا كانت الاستجابات الفسيولوجية لأفراد الطاقم تجاه التمارين الرياضية قد تغيرت نتيجة للرحلة الفضائية.

تضمنت التخطيطات الأولية لبرنامج أبولو بنوداً لإجراء قياسات أثناء الرحلة للمعايير الحيوية المثيرة للقلق، بما في ذلك الاستجابات الفسيولوجية للتمارين. ومع ذلك، أدى الحريق في مركبة أبولو 204 (المعروفة أيضاً باسم أبولو 1)، الذي أودى بحياة الرواد غريسوم ووايت وتشي في، إلى قيام إدارة ناسا بإدخال تغييرات على البرنامج أدت إلى إلغاء تلك التطلعات. وبناءً على ذلك، لم يتبقَ للباحثين سوى إمكانية إجراء دراسات الاستجابة للتمارين قبل الرحلة وبعدها، وافتراض أن هذه النتائج تعكس تغيرات في وظائف القلب والرئة والعضلات الهيكلية ثانوية للتعرض للجاذبية الصغرى. وقد أُدرِك مبكراً أن عدم القدرة على التحكم في بعض متغيرات التجربة سيفرض تحديات على العديد من التحقيقات الطبية الحيوية. فأولاً، أدت إجراءات إعادة التكيف مع جاذبية الأرض إلى تحديات إضافية لتصميم تجريبي منضبط، حيث قضى أفراد طاقم أبولو فترات زمنية متفاوتة في مركبة فضائية دافئة بشكل غير مريح تتقاذفها أمواج المحيط، فضلاً عن أن قيود ميكانيكا المدار على أوقات الدخول فرضت أوقاتاً لاستعادة الطاقم منعت إمكانية إجراء اختبارات ما قبل وما بعد الرحلة ضمن جدول زمني مماثل لـ "نظم يوماوي". ولم يكن من الممكن فصل تأثير هذه الظروف الخارجة عن السيطرة، وغيرها من الضغوط الجسدية والنفسية، عن الاستجابات التي تُعزى إلى التعرض للجاذبية الصغرى وحدها؛ لذا يجب تفسير البيانات المتعلقة بالاستجابات الفسيولوجية لإجهاد التمارين لدى رواد أبولو ضمن هذا السياق العام.

لم يُخطط لأي برنامج تمارين رياضية معياري أثناء الرحلة في أي من رحلات أبولو؛ ومع ذلك، توفر جهاز للتمارين الرياضية (الشكل 1-6) في بعض المهام. وكان أفراد الطاقم، عند تواجدهم في وحدة أبولو للقيادة والخدمة، يستخدمون عادةً هذا الجهاز عدة مرات يومياً لفترات تتراوح بين 15 إلى 20 دقيقة.

تألفت اختبارات ما قبل وما بعد الرحلة من اختبارات تمارين متدرجة أُجريت على دراجة تدريب داخلية. واستُخدمت سرعة القلب لتحديد مستويات الإجهاد، واعتُمدت مستويات سرعة القلب نفسها في اختبارات ما قبل الرحلة وما بعدها.


ورغم تعديل المدة الدقيقة لكل مستوى من مستويات الإجهاد قليلاً (دقيقة إلى دقيقتين) في مهام أبولو المتأخرة للحصول على قياسات إضافية، إلا أن بروتوكول الإجهاد المتدرج شمل مستويات تمارين قدرها 120 و140 و160 نبضة في الدقيقة، وهو ما يقابل العمل الخفيف والمتوسط والثقيل على التوالي لكل فرد. وبالنسبة لمهمتي أبولو 9 و10، أُضيف مستوى إجهاد قدره 180 نبضة في الدقيقة. أُجري بروتوكول الاختبار بالكامل ثلاث مرات خلال فترة 30 يوماً قبل الإقلاع، بينما أُجريت اختبارات ما بعد الرحلة في يوم الهبوط ومرة أخرى بعد 24 إلى 36 ساعة منه.

وخلال كل اختبار، أُجريت قياسات لعبء العمل، وسرعة القلب، وضغط الدم، والتبادل الغازي التنفسي (استهلاك الأكسجين، وإنتاج ثاني أكسيد الكربون، وحجم الدقيقة). وبالنسبة لمهام أبولو من 15 إلى 17، حُصِل على قياسات النتاج القلبي باستخدام تقنية النفس الواحد. كما حُسِبَت فروق الأكسجين الشريانية الوريدية من بيانات استهلاك الأكسجين والنتاج القلبي المقاسة.

كانت البيانات المجموعة ضخمة ولخصها "روميل" وزملاؤه في شكل جداول. كما قدم "ديتلين" ملخصاً موجزاً للنتائج. وباختصار، لوحظ انخفاض كبير في القدرة على العمل واستهلاك الأكسجين لدى 67% (18 من أصل 27) من أفراد طاقم أبولو الذين اختُبروا عند الهبوط. وكان هذا التراجع عابراً، حيث عاد 85% ممن اختُبروا (23 من أصل 27) إلى مستويات الأساس قبل الرحلة في غضون 24 إلى 36 ساعة. وارتبط الانخفاض الكبير في حجم النفضة القلبي بتناقص تحمل التمارين. ولم يكن واضحاً ما إذا كان تراجع القدرة على ممارسة الرياضة قد بدأ أثناء الرحلة؛ وإذا كان قد حدث، فإن بيانات أبولو لم تكشف عن المسار الزمني الدقيق أثناء الرحلة بسبب نقص قدرات القياس آنذاك. ولم يعطِ أداء الرواد على سطح القمر أي سبب للاعتقاد بحدوث تراجع خطير في تحمل التمارين أثناء الرحلة، باستثناء ما يتعلق بنقص التمارين المنتظمة وضمور العضلات الناجم عن عدم الاستخدام.

لم تترك الدراسات التي أُنجزت خلال برنامج أبولو، رغم كونها دون المستوى الأمثل، مجالاً للشك في حدوث تراجع في تحمل التمارين في الفترة التي تلت الهبوط مباشرة، وإن كان يُعتقد أن مثل هذا التراجع لم يكن موجوداً أثناء النشاط خارج المركبة على سطح القمر. ويُرجح أن عوامل متعددة مسؤولة عن الانخفاضات الملحوظة، ومنها نقص التمارين الكافية وتطور ضمور العضلات الناتج عن عدم الاستخدام. وقد تكون العمليات الهدمية للأنسجة قد تفاقمت بسبب زيادة إفراز الكورتيزول نتيجة لضغوط المهمة ورد فعل أفراد الطاقم تجاهها. كما قد تكون هناك عوامل إضافية مرتبطة بالعودة إلى جاذبية الأرض. ومن المؤكد أن انخفاض حجم النفضة الملحوظ (النتاج القلبي) هو عامل مساهم، وهو بدوره يعكس تناقص العائد الوريدي وتقلص حجم الدم الدوري الفعال الناجم عن عوامل الرحلة الفضائية. ويُذكر ضمور العضلات الهيكلية فيما يتعلق بمساهمته المحتملة في عدم تحمل التمارين، وفي بعض رحلات أبولو المتأخرة، أُجريت قياسات لمحيط الأطراف السفلية (بيانات لم تُنشر) قدمت أول دليل على فقدان الكتلة العضلية في الساقين.

 سكاي لاب 
صُمم برنامج سكاي لاب (مايو 1973 – نوفمبر 1974) منذ البداية ليكون مختبراً لعلوم الحياة في الفضاء؛ حيث أُجري عدد كبير من التجارب لتوفير بيانات فسيولوجية عن البشر المعرضين للإقامة لفترات طويلة في بيئة الجاذبية الصغرى.

سُميت المهمة الأولى "اختبار الارتفاع للتجارب الطبية لسكاي لاب"، وهي محاكاة أرضية استمرت 56 يوماً للعديد من تجارب البرنامج، وأُجريت في غرفة مغلقة خاضعة للرقابة البيئية. أما المهام المدارية الثلاث اللاحقة فسميت "سكاي لاب 2 و3 و4"، واستمرت هذه المهام الطويلة 28 و56 و84 يوماً على التوالي. وقد حققت مهام سكاي لاب مجتمعة إنجازاً بارزاً بتوفير مصفوفة واسعة من المعلومات الطبية الحيوية للرحلات الفضائية البشرية خلال مهام تُعد الأطول مقارنة بأي مهمة سبقتها.

وفيما يتعلق بقضية فقدان الكتلة العضلية ووظائفها، أُجريت دراستان رئيستان خلال المهام المدارية الثلاث. أولاً، حُسبت أحجام الساقين والذراعين عن طريق قياس محيط أجزاء متصلة بطول 3 سنتيمترات، مع التعامل مع كل جزء كأنه أسطوانة قصيرة مدببة، ثم جُمِعت أحجام الأجزاء للحصول على الحجم الإجمالي لكل طرف.

وشملت الدراسة الثانية أولى قياسات قوة العضلات باستخدام مقياس القوة. وبالإضافة إلى القياسات المباشرة لقوة العضلات الهيكلية وكتلتها، أُجريت قياسات غير مباشرة أظهرت أن جميع أفراد طاقم سكاي لاب عانوا من توازن نيتروجيني سلبي، مما يشير إلى تآكل العضلات الهيكلية. وهو أمر لوحظ أيضاً بعد 10 سنوات لدى أفراد طاقم مكوك الفضاء في المهام قصيرة المدة.


يُظهر الشكل 2-6 أحجام الأطراف العلوية والسفلية لأفراد طاقم سكايلاب 4. وقد ساهمت إزاحة السوائل في أكبر التغييرات في أحجام الأطراف السفلية، إلا أن فقدان كتلة أنسجة الساق يبدو جلياً، لا سيما لدى القائد. وكما يتضح في الرسوم البيانية، يحدث فقدان كبير في حجم الساق خلال الأيام القليلة الأولى من التعرض للجاذبية الصغرى، بينما تكون التغيرات في الأطراف العلوية أقل بروزاً. وعقب العودة إلى الأرض، يُصحح جزء كبير من فقدان حجم الساق، وغالباً ما يحدث تصحيح مفرط قصير الأمد أو تجاوز للحد. وبمجرد انحسار إزاحة السوائل هذه، ينكشف الفقد الحقيقي في العضلات الهيكلية المتبقية في الساقين، والتي تعود ببطء أكبر إلى خط الأساس أو مستوى ما قبل الرحلة (انظر الشكل 2-6، الساق أثناء التعافي على الجانب الأيمن من الرسم البياني لجميع أفراد الطاقم الثلاثة).

يظهر فقدان حجم الساق لدى قائد سكاي لاب 4 بنحو 300 سم مكعب (الشكل 2-6، الرسم البياني العلوي). ولأن مجموعة معدات التمرين لهذه المهمة كانت الأكبر (تكونت من مجداف داخلي، وجهاز مشي سلبي، وجهاز "ميني جيم" المعدل لتوفير تمارين مقاومة منخفضة الحمل)، فقد كان فقدان الكتلة العضلية وقوتها أقل مما كان عليه في المهمتين السابقتين الأقصر مدة.

خلال برنامج سكاي لاب، أُضيفت التمارين وأجهزتها تدريجياً وتوسعت الاختبارات مع كل مهمة، مما خلق بيئة تمارين مختلفة لكل رحلة؛ بحيث أصبحت في الواقع ثلاث تجارب مدارية منفصلة ولكنها مترابطة. وقد أثرت نتائج كل مهمة بشكل كبير على المهمة التي تلتها.

أُجري تقييم قوة العضلات قبل الرحلة وبعدها على الذراع والساق اليمنى لكل فرد من أفراد الطاقم في المهام الثلاث باستخدام مقياس القوة الحركي "سايبكس". وشمل البروتوكول إحماءً شاملاً، و10 محاولات بأقصى جهد لثني وبسط الذراع بالكامل عند المرفق، والورك والركبة بمعدل زاوي قدره 45 درجة في الثانية. ويعرض الشكل 3-6 قوة الساق الحركية من المهام الثلاث، بالإضافة إلى أوزان الجسم وأحجام الساقين.


في مهمة سكاي لاب 2، لم تتوفر سوى الدراجة التدريبية للتمرين أثناء الرحلة، وأُجريت الاختبارات قبل 18 يوماً من الإطلاق وبعد 5 أيام من الهبوط. ورغم إدراك أن هذه الأوقات كانت بعيدة زمنياً عن الرحلة، إلا أن ذلك كان أقصى ما يمكن تحقيقه بسبب قيود الجدول الزمني. وبحلول وقت إتمام اختبار العضلات في اليوم الخامس، كان من المرجح حدوث بعض التعافي في الوظائف؛ ومع ذلك، ظل هناك تراجع ملحوظ؛ إذ قارب النقص في قوة باسطة الساق 25%، وعانت الأذرع بنسبة أقل لكنها أظهرت خسائر واضحة أيضاً. ولم تُظهر باسطات ذراع القائد أي فقدان، لأنه استخدم هذه العضلات في تدوير الدراجة يدوياً، وكان العضو الوحيد الذي اعتمد هذا النمط من تمارين الذراع. وقد أوضح هذا نقطة أساسية في تكييف العضلات: للحفاظ على قوة العضلة، يجب إجهادها عند المستوى الذي ستعمل فيه أو قريباً منه. فبواسط الساق، المهمة للوقوف وتوفير قوى الدفع أثناء المشي، قادرة على توليد قوى بمئات الأرطال، بينما تُقاس قوى باسطات الذراع بعشرات الأرطال. والقوى المتولدة عند تدوير الدراجة تكون عادةً بعشرات الأرطال، وبالتالي فهي غير قادرة على الحفاظ على قوة الساق. لقد أثبتت الدراجة التدريبية أنها آلة ممتازة للتمارين الهوائية وتكييف القلب والأوعية الدموية، لكنها لم تكن قادرة على تطوير نوع أو مستوى القوى اللازمة للحفاظ على القوة المطلوبة للمشي تحت تأثير الجاذبية الأرضية.

بدأ العمل فور انتهاء سكاي لاب 2 على أجهزة توفر تمارين كافية للذراعين والجذع والساقين. عُدِّل جهاز تجاري يسمى "ميني جيم" بشكل مكثف وسُمي "إم كيه-1"، وكان يسمح فقط بالتمارين التي تفيد الذراعين والجذع بشكل أساسي. ورغم أن القوى المنتقلة إلى الساقين كانت أكبر من تلك الناتجة عن الدراجة، إلا أنها ظلت محدودة بمستوى غير كافٍ، إذ لم يكن بوسع هذا المستوى تجاوز القوة القصوى للذراعين، والتي لا تمثل سوى جزء بسيط من قوة الساقين.

أما الجهاز الثاني "إم كيه-2"، فتكون من زوج من المقابض يمكن توصيل ما يصل إلى خمسة نوابض تمديد بينهما، مما يسمح بتطوير قوى قصوى تصل إلى 25 رطلاً لكل قدم. استُخدم هذان الجهازان في سكاي لاب 3، وزِيد الدعم الغذائي ووقت التمرين. أدى الطاقم العديد من التكرارات يومياً لحركاتهم المفضلة، كما تضاعف متوسط العمل المنجز على الدراجة التدريبية في سكاي لاب 3 مع مشاركة نشطة من جميع الرواد.

أدرك علماء علوم الحياة في سكاي لاب أن الجهاز الذي يسمح بالمشي والجري تحت قوى تعادل الجاذبية الأرضية سيوفر تمريناً أكثر مشقة. لذا بدأ العمل على جهاز مشي لمهمة سكاي لاب 4. ومع تقدم التحضيرات، زاد وزن إطلاق المهمة لدرجة أن التصميم النهائي للجهاز تقيد بقيود الوزن، فاستقر وزنه النهائي عند 3.5 رطل فقط. تكون هذا الجهاز السلبي (الشكل 4-6) من سطح مشي ألمنيوم مغطى بالتفلون ومثبت في أرضية سكاي لاب. وفرت أربعة حبال مطاطية وزناً مكافئاً يبلغ نحو 80 كيلوغراماً، وكانت متصلة بحزام للكتف والخصر يرتديه الرواد. ومن خلال توجيه الحبال بزاوية تجذب المستخدم للأمام قليلاً، أُنشئت بيئة تشبه صعود تلة زلقة. وُضعت أحمال عالية على بعض عضلات الساق، وخاصة عضلة الساق (السمانة)، وكان التعب سريعاً لدرجة أن الجهاز لم يكن صالحاً للعمل الهوائي الكبير بسبب تصميم الحبال والحزام. وكان من الضروري تماماً ارتداء الجوارب دون أحذية لتوفير واجهة منخفضة الاحتكاك مع سطح التفلون.


في سكاي لاب 4، استخدم الطاقم الدراجة التدريبية بمعدل سكاي لاب 3 نفسه تقريباً، بالإضافة إلى جهازي ميني جيم، كما مارسوا المشي والقفز والركض على جهاز المشي لمدة 10 دقائق يومياً، مع زيادة كمية الغذاء المتناولة مرة أخرى.

وعند عودتهم إلى الأرض، وحتى قبل إجراء اختبارات العضلات، كان من الواضح أن أفراد طاقم سكاي لاب 4 في حالة بدنية جيدة جداً؛ إذ تمكنوا من الوقوف والمشي لفترات طويلة دون صعوبة ظاهرة في اليوم التالي للهبوط، على عكس أفراد طاقم المهمتين السابقتين. وأكدت نتائج اختبار القوة حدوث فقدان ضئيل بشكل مفاجئ في قوة الساق حتى بعد ما يقرب من 3 أشهر من التعرض للجاذبية الصغرى (الشكل 3-6). بل إن قوة باسطة الركبة زادت عن مستوى ما قبل الرحلة.

 مكوك الفضاء 
أُنجزت مجموعة متنوعة من الأبحاث المتعلقة بوظائف العضلات الهيكلية خلال برنامج مكوك الفضاء (1981-2011). وكان أكثرها شمولاً سلسلة التحقيقات التي تمت ضمن "المشروع الطبي للمدار موسع المدة" (EDOMP)، والذي نُفذ بين عامي 1989 و1995 في مهام استمرت حتى 16 يوماً. وتشمل الدراسات الأكثر صلة بالمخاطر التي يركز عليها هذا التقرير الأهداف العلمية التفصيلية (DSO) التالية:
 DSO 475 – التقييم المباشر لضمور العضلات والكيمياء الحيوية قبل وبعد الرحلة الفضائية.
 DSO 606 – تقييم انقباضات العضلات الهيكلية المركزية واللامركزية بعد الرحلة الفضائية.
 DSO 617 – تقييم الأداء العضلي الوظيفي.


كان الهدف النوعي المشترك للدراستين 477 و617 هو تقييم التغيرات الوظيفية في القوة المركزية واللامركزية (ذروة عزم الدوران) والتحمل (مؤشر التعب) للجذع والذراعين والساقين قبل وبعد الرحلة. استُخدم مقياس القوة LIDO® يقع في مركز جونسون للفضاء وفي مواقع الهبوط الرئيسة والاحتياطية لتقييم الانقباضات.

مارس المشاركون في هذه الدراسة التمارين أثناء الرحلة لمدد وكثافات وأيام متفاوتة على جهاز مشي المكوك الأصلي (الشكل 5-6) كجزء من تحقيقات منفصلة. شملت بروتوكولات التمرين تدريبات مستمرة وفترية، تراوحت بين 60% إلى 85% من الحد الأقصى لاستهلاك الأكسجين المقدر من سرعة القلب. واجه بعض المشاركين صعوبة في تحقيق أو الحفاظ على سرعة القلب المستهدفة. استُخدم نظام حزام وحبال مطاطية لمحاكاة وزن الجسم بتوفير قوى تعادل كتلة الجسم تحت تأثير الجاذبية الأرضية. وتوجب على المشاركين في هذا الجهاز غير المزود بمحرك المشي والجري عند درجة ميل إيجابية للتغلب على الاحتكاك الميكانيكي. تآلف المشاركون مع بروتوكول الاختبار قبل نحو 30 يوماً من الإطلاق، ثم أُجريت ست جلسات اختبار؛ ثلاث قبل الإطلاق (في الأيام 21 و14 و8) وثلاث بعد الهبوط (يوم الهبوط، واليوم الثاني، وبين اليومين السابع والعاشر).

تُعرض المجموعات العضلية المختبرة في الجدول 1-6. استُخلصت بيانات عزم الدوران والشغل من منحنيات القوة والموضع. وقورنت قيم ذروة عزم الدوران، وإجمالي الشغل، ومؤشر التعب المقاسة في جلسات ما قبل الرحلة الثلاث؛ وعند عدم وجود اختلافات، استُخرج متوسطها لمقارنته بقيم يوم الهبوط وفترة ما بعد الرحلة.

عُرِّفت قوة العضلات الهيكلية بأنها ذروة عزم الدوران المتولد عبر مدى من الحركة من ثلاثة انقباضات طوعية متتالية للثني والبسط. والانقباضات اللامركزية هي أفعال عضلية تتولد فيها القوة أثناء استطالة العضلة، على عكس الأفعال المركزية التي تقصر فيها العضلة (تنقبض) أثناء توليد القوة. وعُرِّف تحمل العضلات الهيكلية بأنه إجمالي الشغل المتولد خلال 25 تكراراً لتمرين الركبة المركزي. كما قورن الشغل بين أول 8 تكرارات وآخر 8 تكرارات. قِيست معايير التحمل أثناء نشاط ثني وبسط الركبة المركزي فقط. وفي يوم الهبوط، ظهرت انخفاضات كبيرة في القوة المركزية واللامركزية في الظهر والبطن مقارنة بمتوسطات ما قبل الرحلة (الجدول 1-6).

+ الجدول 1-6. متوسط نسبة التغير في يوم الهبوط مقارنة بمتوسط ما قبل الرحلة، لقوة العضلات الهيكلية (المركزية واللامركزية) لمجموعات عضلية متنوعة. المجموعة العضلية نمط الاختبار المركزية (Concentric) اللامركزية (Eccentric) الظهر −23 (±4)* −14 (±4)* البطن −10 (±2)* −8 (±2)* العضلة الرباعية −12 (±3)* −7 (±3) عضلات المأبض (الخلفية) −6 (±3) −1 (±0) العضلة الظنبوبية الأمامية −8 (±4) −1 (±2) عضلة الساق/النعلية 1 (±3) 2 (±4) العضلات الدالية (الكتف) 1 (±5) −2 (±2) الصدرية/الظهرية العريضة 0 (±5) −6 (±2)* العضلة ذات الرأسين 6 (±6) 1 (±2) العضلة ثلاثية الرؤوس 0 (±2) 8 (±6) * ما قبل الرحلة > يوم الهبوط (p < )؛ العدد=17 يوم الهبوط (R+0) مقابل متوسط 3 قياسات قبل الرحلة. عن المرجع (14)

ظلت قيم بسط الظهر المركزية والثني الظهري اللامركزي أقل بكثير من قيم ما قبل الرحلة حتى اليوم السابع بعد الهبوط (R+7). ولوحظ تعافٍ (زيادة في ذروة عزم الدوران من يوم الهبوط إلى اليوم السابع) في عضلات البطن اللامركزية وباسطات الظهر المركزية واللامركزية.

ومع ذلك، قد تكون البيانات الموضحة في الجدول 1-6 مضللة نوعاً ما؛ إذ وُجدت في بعض الحالات فروق هائلة في القوة بين أفراد الطاقم الذين مارسوا التمارين أثناء الرحلة والذين لم يمارسوها. فعلى سبيل المثال، اكتسب بعض الرواد الذين تمرنوا أثناء الرحلة قوة (مقاسة حركياً) في العضلات الباسطة والثانية للكاحل (عضلات الساق الأمامية مقابل الخلفية، أي العضلة الظنبوبية الأمامية مقابل مجمع عضلة الساق/النعلية)، مقارنة بالرواد الذين لم يتمرنوا وأظهروا انخفاضاً فعلياً في قوة هذه العضلات (الشكل 6-6).


وفيما يتعلق بالتحمل، حدث معظم الانخفاض في إجمالي شغل العضلة الرباعية في يوم الهبوط، وهو ما يعكس على الأرجح خسارة كبيرة في الثلث الأول من فترة التمرين (−11%). وتتوافق تراجعات ذروة عزم الدوران عند سرعات اختبار التحمل الأعلى مع التغيرات الملحوظة عند السرعة الزاوية الأبطأ المستخدمة أثناء اختبارات القوة. وكان عزم دوران العضلة الرباعية عند 75 درجة في الثانية أقل بنسبة 15% من قيم ما قبل الرحلة، بينما كان لعضلات المأبض أقل بنسبة 12% عند 60 درجة في الثانية. وأظهرت بيانات التحمل فرقاً طفيفاً بين اختبارات ما قبل الرحلة واختبارات اليوم السابع بعد الهبوط، مما يشير إلى عودة الرواد إلى مستوياتهم الأساسية بعد أسبوع من الهبوط.

علاوة على ذلك، أظهر المشاركون الذين مارسوا التمارين أثناء الرحلة، مقارنة بمن لم يمارسوها، خسائر أكبر بكثير (p < 0.05) في غضون 5 ساعات من الهبوط في القوة المركزية للظهر، والقوة المركزية واللامركزية للعضلة الرباعية (30 درجة في الثانية)، والقوة اللامركزية لعضلات المأبض، وذلك بالنسبة لقيم ما قبل الرحلة الخاصة بكل منهم. ووفقاً لـ "غرينيسن" وزملائه، أظهر غير المتمرنين أيضاً قوة مركزية أقل بكثير في العضلة الرباعية عند 75 درجة في الثانية، وانخفاضاً في إجمالي شغل البسط، وشغل الثلث الأول من الثني، وشغل الثلث الأخير من البسط، فور الهبوط مقارنة بما قبل الرحلة. وخلص الباحثون إلى أن البيانات تشير إلى تراجع قدرة العضلات على الحفاظ على التحمل ومقاومة التعب بعد الرحلات الفضائية، وأن التمارين قد تحول دون حدوث هذا التدهور في جوانب التحمل.

وعلى العكس من ذلك، عانى الرواد الذين تمرنوا أثناء الرحلة من خسائر أكبر في قوة عضلات الجذع عند الهبوط مقارنة بالمجموعة التي لم تتمرن (الشكل 7-6). ومع ذلك، كانت قوة ما قبل الرحلة في ثني وبسط الجذع أكبر بكثير لدى المجموعة المتمرنة أصلاً. ويبدو أن تمارين جهاز المشي لم تمنع تراجع قوة الجذع بعد 9 إلى 11 يوماً من الرحلة الفضائية، وقدم الباحثون تفسيراً مفاده أن الحفاظ على الوظيفة العضلية قد يقتصر فقط على العضلات التي تُستخدم بفعالية كجزء من نظام التمرين.

كان الهدف النوعي للدراسة DSO 475 "التقييم المباشر لضمور العضلات قبل وبعد الرحلات الفضائية القصيرة" هو تحديد الآثار المورفولوجية والكيميائية الحيوية للرحلة الفضائية على الألياف الهيكلية. وللحصول على بيانات ميكانيكا حيوية وشكلية للألياف العضلية، أُجريت خزعات مرة قبل الرحلة (قبل الإطلاق بـ 21 يوماً أو أكثر) ومرة أخرى في يوم الهبوط. شملت الدراسة ثمانية رواد، ثلاثة من مهمة استغرقت 5 أيام وخمسة من مهمة استغرقت 11 يوماً. وأُخذت الخزعات من الجزء الأوسط من العضلة المتسعة الوحشية باستخدام إبرة خزعة قطرها 6 ملم مع مساعدة بالشفط. واستُخدم اختبار (ت) المقترن أحادي الجانب لتحديد الفروق الجوهرية (p < 0.05) بين متوسط قيم مساحة المقطع العرضي للألياف، وتوزيع الألياف، وعدد الشعيرات الدموية.

وفقاً لهذا التقرير، كانت مساحة المقطع العرضي للألياف بطيئة الانقباض (النوع الأول) في خزعات ما بعد الرحلة أقل بنسبة 15% منها في خزعات ما قبل الرحلة؛ أما الألياف سريعة الانقباض (النوع الثاني) فكانت مساحة مقطعها أقل بنسبة 22% (الشكل 8-6). ولم تعكس القيم المتوسطة التباين الكبير الملحوظ في الخزعات بين الرواد الثمانية المشاركين؛ إذ نتج جزء من هذا التباين على الأرجح عن الاختلافات في أنواع وكميات التدابير المضادة (التمارين أو ضغط الجزء السفلي من الجسم السالب) التي استخدمها الرواد. كما اختلفت النسب النسبية لألياف النوع الأول والنوع الثاني قبل وبعد المهمة التي استغرقت 11 يوماً، وبدا أن توزيع الألياف يتبع الاتجاه نفسه بعد مهمة الـ 5 أيام (المزيد من النوع الثاني والأقل من النوع الأول)، لكن حجم العينة كان أصغر من أن يصل إلى دلالة إحصائية. وانخفض عدد الشعيرات الدموية لكل ليفة بشكل ملحوظ بعد 11 يوماً من الرحلة الفضائية.


ومع ذلك، ونظراً لتقلص متوسط حجم الألياف أيضاً، فقد ظل عدد الشعيرات الدموية لكل وحدة من مساحة المقطع العرضي لأنسجة العضلات الهيكلية كما هو. إن ضمور كلا النوعين الرئيسين من الألياف العضلية، مع كون ضمور النوع الثاني أكبر من النوع الأول، يختلف قليلاً عن الضمور الانتقائي لألياف النوع الأول الملحوظ في عضلات فئران "سبريغ داولي" و"ويستار" التي أُزيل عنها الحمل، مما يمثل حالة نادرة تظهر فيها اختلافات بين استجابات العضلات الهيكلية البشرية وتلك الخاصة بالقوارض.

كان الغرض من الدراسة DSO 606 "تحديد حجم العضلات الهيكلية عن طريق التصوير بالرنين المغناطيسي" هو التحديد الكمي غير الجراحي للتغيرات في الحجم والماء وتركيبة الدهون في العضلات المناهضة للجاذبية (الساق) بعد الرحلة الفضائية. مثلت هذه التجربة المحاولة الأولى لقياس أحجام الأطراف قبل وبعد الرحلة منذ استخدام الطرق الأقل تطوراً لقياس محيط الأطراف خلال برنامجي أبولو وسكاي لاب. شملت الدراسة ثمانية رواد من مكوك الفضاء، خمسة من رحلة استغرقت 7 أيام وثلاثة من رحلة استغرقت 9 أيام. وأجرى التصوير في مركز العلوم الصحية بجامعة تكساس في هيوستن؛ حيث حُصل على صور محورية متعددة المقاطع للساق لتحديد مواقع المجموعات العضلية. وقِيست التغيرات في محتوى الماء والدهون، بالإضافة إلى مساحة المقطع العرضي، للتمييز بين التغيرات في السوائل مقابل أحجام الأنسجة.

قُيمت مساحة المقطع العرضي وحجم حجرة الساق الإجمالية، والعضلة النعلية، وعضلة الساق (التوأمية الساقية) لتقدير درجة ضمور العضلات الهيكلية. كانت أحجام الحجرات الثلاث أصغر بكثير (p < 0.05) بعد رحلات المكوك (7 و9 أيام) عما كانت عليه قبل الرحلة؛ حيث انخفض الحجم بنسبة 5.8% في العضلة النعلية، و4.0% في عضلة الساق، و4.3% في الحجرة الإجمالية. وذكر التقرير أن هذه الخسائر تمثل المستوى الحقيقي لضمور أنسجة العضلات الهيكلية وليس التغيرات المرتبطة بإزاحة السوائل. ولم يظهر أي تعافٍ واضح بحلول اليوم السابع بعد الهبوط، مما يشير إلى أن الخسائر لم تكن بسبب إزاحة السوائل، إلا أن التأخر في التعافي بعد هذه الرحلات القصيرة نسبيًا يتعارض مع ما رُصد وتُوثِّق خلال برنامج سكاي لاب في رحلات أطول مدة بكثير.

قدم برنامج مكوك الفضاء، وخاصة "المشروع الطبي للمدار موسع المدة"، قدراً هائلاً من المعرفة حول تأثيرات الرحلات الفضائية على فسيولوجيا الإنسان، وتحديداً التغيرات في كتلة العضلات الهيكلية وقوتها ووظيفتها. ومرة أخرى، وُثِّقت خسائر في الكتلة العضلية والقوة والتحمل، وفي بعض الحالات حدث ذلك رغم التدابير المضادة المتمثلة في التمارين. لكن بعض النتائج كانت مشجعة، لا سيما المؤشرات التي تدل على أن التمارين أثناء الرحلة لها أثر إيجابي في مواجهة خسائر القوة العضلية، على الأقل في الساقين (انظر الجدول 1-6 والشكل 6-6)، كما كان متوقعاً من نتائج مهمة سكاي لاب 4 التي استمرت 84 يوماً. ومع ذلك، تشير البيانات المستمدة من دراسات الرنين المغناطيسي إلى أن ليس كل أفراد الطاقم، رغم استخدام تدابير التمارين المختلفة، ينجون من فقدان الكتلة العضلية الذي وُثِّق عبر معظم تاريخ الرحلات الفضائية البشرية الأمريكية منذ مشروع ميركوري؛ لذا ثمة حاجة لمواصلة الأبحاث لتطوير تدابير ومعدات توفر حلاً ناجحاً لجميع المسافرين إلى الفضاء في المستقبل.

 شاتل-مير وناسا-مير 
خلال رحلات "ناسا-مير" السبع، خاض سبعة رواد فضاء أمريكيين تدريبات ورحلات مشتركة مع 12 رائد فضاء روسياً، وذلك على مدى فترة إجمالية بلغت 977 يوماً من الطيران الفضائي (بمتوسط إقامة قدره 140 يوماً)، في المدة ما بين مارس 1995 ويونيو 1998. وتمثلت المساهمة الكبرى لهذا الجهد المشترك بين الولايات المتحدة وروسيا على متن محطة مير -فيما يخص موضوع المخاطر الحالي- في الاستخدام الأول لتقنية التصوير بالرنين المغناطيسي لاستقصاء تغيرات الحجم في العضلات الهيكلية لرواد الفضاء المعرضين لرحلات فضائية طويلة الأمد. بدأ هذا المسار مع أول مهمة مشتركة "مير-18"، واستمر حتى المهمة الختامية "مير-25". وأشارت البيانات إلى أن فقدان حجم العضلات، ولا سيما في الساقين والظهر، كان أكبر مما هو عليه في الرحلات قصيرة الأمد، لكنه لم يبلغ القدر الذي كانت تتنبأ به بيانات الرحلات القصيرة. وتوضح المقارنة بين خسائر الحجم في مجموعات عضلية مختارة خلال الرحلات القصيرة لمكوك الفضاء، والرحلات طويلة الأمد (119 يوماً) لـ الراحة في الفراش، ومهمة "شاتل-مير" (115 يوماً)، المسار الزمني النسبي لهذه الخسائر (الشكل 9-6).

يظهر ارتباط وثيق بين الراحة في الفراش لفترات طويلة والرحلات الفضائية ذات المدد المماثلة، باستثناء أن خسائر عضلات الظهر تكون أقل بكثير في حالة الراحة في الفراش. ويعكس هذا على الأرجح استخدام هذه العضلات أثناء الاستلقاء لتعديل وضعية الجسم وتقليل احتمالية انضغاط الأوعية الدموية وإصابة الأنسجة. أما في الرحلات الفضائية، فيبدو أن عضلات الظهر تُستخدم بشكل أقل؛ نظراً لأنها لا تضطر لدعم قوام الجسم في وضعية الانتصاب ضد الجاذبية الأرضية، كما أنها لا تُستخدم بقوة كبيرة لإجراء تعديلات وضعية للجسم كما هو الحال أثناء الاضطجاع في الفراش.

 محطة الفضاء الدولية 
وصلت أول بعثة (البعثة 1) إلى محطة الفضاء الدولية في أكتوبر 2000؛ ومنذ ذلك الحين، أُنجزت 15 فترة إقامة إضافية. وقد جُمِعت البيانات المعروضة هنا خلال البعثات الإحدى عشرة الأولى للمحطة.

ولا يمكن المبالغة في وصف مدى تعقيد وصعوبة جمع البيانات العلمية من مختبر يدور على ارتفاع يزيد عن 300 ميل فوق الأرض، ويتم 18 دورة يومياً بسرعة تتجاوز 17,000 ميل في الساعة، مع اتصالات صوتية وبيانية متقطعة، فضلاً عما تفرضه قيود الكتلة المنقولة للأعلى، ووقت الطاقم، والخدمات اللوجستية على متن المحطة.


وظهرت مشكلة أخرى في أجهزة التمارين التي صُنعت وأُطلقت لكنها لم تلبِّ المتطلبات العلمية؛ إذ كان المتطلب العلمي لـ "جهاز تمارين المقاومة" (RED) هو توفير حمل يصل إلى ما يعادل 600 رطل، لكن "جهاز تمارين المقاومة المؤقت" (iRED) لا يوفر سوى نصف هذا المقدار. ورغم أن الدراسات الأرضية أظهرت أنه يحقق أثراً تدريبياً إيجابياً مماثلاً للأوزان الحرة المكافئة عند استخدامه في برنامج عالي الكثافة، فمن المرجح أنه لن يوفر حملاً كافياً في بيئة انعدام الجاذبية لمنع فقدان الأنسجة العضلية والعظمية، وفقاً لما حددته دراسات الطيران المكافئ. كما برزت عوائق أخرى تمثلت في تعطل كل قطعة من أجهزة التمارين في وقت أو آخر، أو تقييد استخدامها بسبب انتقال القوى إلى هيكل المحطة مما أدى إلى إرباك جلسات التمرين. وفي الواقع، لم تكن أجهزة التمارين الأمريكية الثلاثة (الدراجة التدريبية CEVIS، وجهاز المشي TVIS، وجهاز iRED) صالحة للاستخدام معاً في الظروف العادية إلا خلال فترتين قصيرتين فقط خلال البعثات الإحدى عشرة الأولى (الشكل 10-6)؛ ومن المؤكد أن هذا التوفر غير المثالي للأجهزة قد أضعف قدرة الطاقم على الحفاظ على لياقتهم البدنية.


ورغم هذه القصور، فإن بيانات كتلة الأنسجة الرخوة  التي جُمِعت عبر قياس امتصاص الأشعة السينية ثنائي الطاقة (DEXA) تُظهر نتائج إيجابية عند مقارنتها ببيانات "ناسا-مير"؛ إذ كانت خسائر الجسم بالكامل والساقين أقل مما شوهد في رحلات مير أو في دراسات الراحة في الفراش بمدد مماثلة (الشكل 11-6). ومع ذلك، فإن الصورة ليست وردية تماماً؛ إذ بلغت خسائر قوة باسطة وثانية الركبة لدى أفراد الطاقم في المهام طويلة الأمد بعد رحلات مير والمحطة الدولية نحو 23% و25% على التوالي (الشكل 12-6)، مما يشير إلى تراجع كبير في قوة العضلة الرباعية والعضلات المأبضية بشكل مشابه لبعثات ناسا-مير السابقة، رغم التحسن النسبي في الحفاظ على الكتلة العضلية (الأنسجة الرخوة) في أرجل طاقم المحطة (الشكل 11-6 أيضاً). وقد حدثت هذه الخسائر المتساوية تقريباً رغم وجود جهاز iRED المتطور. وللأسف، لم تتوفر بعد بيانات الرنين المغناطيسي التي جمعها "فيتس" وزملاؤه لتقييم أحجام العضلات الهيكلية للسماح بالمقارنة مع بيانات مير. وفيما يخص التحمل، يُظهر الشكل 13-6 اتجاهاً نحو تحسن الحفاظ على التحمل العضلي في المحطة الدولية مقارنة ببرنامج مير، وإن ظل تراجع التحمل في المحطة الدولية أكبر منه في رحلات مكوك الفضاء القصيرة.


يشارك أفراد طاقم المحطة، تحت إشراف أطبائهم، في برنامج تمارين ما بعد الرحلة ينفذه مدربون متخصصون من مجموعة "تقوية وتكييف وتأهيل رواد الفضاء" (ASCR) في مركز جونسون للفضاء. ويتضمن البرنامج اختبارات لياقة بدنية فردية؛ وتكشف نتائج هذه الاختبارات "الوظيفية" المكونة من ستة تمارين أن الرواد يعودون بقدرات بدنية أقل مما كانوا عليه عند الإطلاق، لكن معظم هذا التراجع يزول بحلول اليوم الثلاثين بعد الهبوط بفضل التمارين الأرضية المكثفة (الشكلان 14 و15).


استعرض هذا القسم أبرز المحطات التاريخية للتحقيقات المتعلقة بالعضلات الهيكلية؛ إذ إن الاستعراض الكامل لكافة البيانات قد يتطلب مجلدات عدة. ومع ذلك، تتيح هذه النظرة التاريخية الموجزة فهم كيف أدت المؤشرات الأولية لخسائر وظائف العضلات إلى ابتكار تدابير تمارين مضادة. وقد استُخدمت هذه التدابير أثناء الرحلات، واختُبر أفراد الطاقم عند العودة، ثم عُدِّلت الأنظمة والمعدات للمهام المستقبلية. وفي الأقسام اللاحقة، ستُناقش دراسات الرحلات البشرية والنماذج الأرضية والتجارب الحيوانية التي تساهم في بناء قاعدة الأدلة حول التغيرات المورفولوجية والوظيفية للعضلات الناتجة عن انعدام الحمل العضلي في بيئة الجاذبية الصغرى. وعلى هذه القاعدة المعرفية، ستُبنى التدابير العملياتية المضادة والتحقيقات المستقبلية في فسيولوجيا العضلات.



 رحلات فضائية بشرية أخرى 
تتضمن استجابات الجسم البشري للتعرض للجاذبية الصغرى خلال الرحلات الفضائية تكيفات على مستويات عديدة. ويُعتقد أن تكيفات العضلات الهيكلية مع الجاذبية الصغرى -والتي تؤثر في كل من كتلة العضلات ووظيفتها- تشمل تغيرات هيكلية في المكونات العصبية وكذلك المكونات اللُييفية للعضلات الهيكلية.

ومن المسلّم به أن العضلات المسؤولة عن الحفاظ على وضعية الانتصاب في الجاذبية الأرضية (العضلات المناهضة للجاذبية) هي الأكثر عرضة للتكيفات الناجمة عن الرحلات الفضائية. وقد يعكس هذا التأثر مستويات التحميل الميكانيكي المستمر تقريباً، سواء كان ذاتي التوليد (نشطاً) أو بيئي التوليد (تفاعلياً)، الذي تتعرض له هذه العضلات تحت تأثير الجاذبية الأرضية الطبيعية. ومن ثم، فإن الآثار المتعلقة بانخفاض مستوى التحميل الميكانيكي الذي يحدث أثناء التعرض للجاذبية الصغرى تنعكس منطقياً بشكل أكثر حدة على هذه العضلات. وتتوازى التغيرات على المستوى الهيكلي داخل العضلة الهيكلية بعد الرحلة الفضائية مع تغيرات وظيفية ناجمة عن الرحلة، مثل نقص قوة العضلات وزيادة قابليتها للتعب. ويتناول هذا الملخص بشكل حصري تقريباً تلك التحقيقات التي فحصت آثار إزالة الحمل الميكانيكي عن العضلات المناهضة للجاذبية، وما أعقب ذلك من إعادة تشكيل للأنسجة على المستويين الهيكلي والكيميائي الحيوي، بالإضافة إلى فحص النجاح النسبي لمختلف التدابير المضادة.

أُبلغ عن حدوث نقص في حجم العضلات الهيكلية ووظائفها منذ بدأ البشر في استكشاف الفضاء لأول مرة. وتؤدي الرحلات الفضائية إلى فقدان كتلة الجسم دون الدهون، وفقاً لما تحدده قياسات تكوين الجسم. كما يرتفع إفراز الأحماض الأمينية والنيتروجين في البول -وكلاهما مقياس غير مباشر لهدم كتلة الجسم دون الدهون- خلال الرحلات الفضائية القصيرة  والطويلة  على حد سواء. وقد كشف القياس المباشر لتخليق البروتين أثناء الرحلة الفضائية -باستخدام دمج الجليسين-15 كواسم- عن زيادة في معدلات تخليق البروتين في الجسم بأكمله. وأشارت هذه النتائج إلى أن الانخفاض الكبير الملحوظ في كتلة الجسم دون الدهون بعد الرحلة الفضائية لابد أن يرتبط بزيادة كبيرة في معدلات تحلل البروتين  وليس بتثبيط تخليقه. كما رُصد نقص في محيط عضلات الأطراف السفلية وأحجام العضلات المحسوبة لدى رواد فضاء أبولو  وسبيس لاب. وأُفيد بحدوث نقص في قوة العضلات ومحيطها ومرونتها لدى رواد الفضاء السوفييت والروس. وفي الآونة الأخيرة، تأكدت هذه النتائج من خلال قياسات الحجم المباشرة (عبر التصوير بالرنين المغناطيسي) لرواد فضاء مكوك الفضاء  وللرواد الروس والأمريكيين بعد مهامهم في محطة مير الفضائية.

تتوازى التغيرات في كتلة الجسم دون الدهون وحجم العضلات مع انخفاض متزامن في مساحة المقطع العرضي للألياف العضلية. وحتى الآن، لم تُؤخذ عينات خزعة عضلية قبل الرحلة وبعدها إلا من عدد قليل من أفراد الطاقم. ففي الدراسات الأمريكية، أُخذت خزعات عضلية قبل الرحلة وبعدها من العضلة المتسعة الوحشية لثمانية رواد فضاء بعد مهام استمرت 5 و11 يوماً. ومن الجدير بالذكر أن أخذ عينات العضلات بعد الرحلة تم في غضون ساعتين إلى ثلاث ساعات من الهبوط، مما قلل من آثار إعادة الحركة والمشي على العضلة.

وأشار تحليل عينات الخزعة العضلية بمجموعة متنوعة من التقنيات المورفولوجية والنسيجية الكيميائية والكيميائية الحيوية إلى أن مساحة المقطع العرضي للألياف العضلية انخفضت بشكل ملحوظ بعد الرحلة الفضائية؛ وكان الضمور في أقصى مستوياته في ألياف النوع "2 ب"، تليها ألياف النوع "2 أ"، ثم ألياف النوع "1"؛ كما زاد التعبير عن بروتين سلاسل الميوسين الثقيلة من النوع الثاني بشكل ملحوظ، مع انخفاض واضح في كمية بروتين الميوسين من النوع الأول؛ وانخفض عدد النوى العضلية لكل ملم من طول الليف العضلي بشكل ملحوظ في ألياف النوع الثاني بعد 11 يوماً من الرحلة الفضائية. وفي المقابل، أظهر تحليل عينات الخزعة بالإبرة من رواد الفضاء، والذي أجراه معهد المشكلات الطبية الحيوية بعد رحلات استغرقت 76 و180 يوماً، درجة كبيرة من التباين الفردي في مدى ضمور الألياف العضلية، حيث تراوح النقص في مساحة المقطع العرضي للألياف بين 4% و20% تقريباً. وعُزي هذا التباين إلى الاختلافات في مدى التزام كل رائد بالتدابير الرياضية المضادة خلال الرحلات.

وأشارت دراسات أحدث للخزعة العضلية إلى أنه على الرغم من الانخفاض المستمر في مساحة المقطع العرضي للألياف في عضلة الساق (التوأمية الساقية) والعضلة النعلية بعد الرحلة الفضائية، إلا أن التعبير عن سلاسل الميوسين الثقيلة لا يبدو أنه يتغير كما وصف "تشو" وزملاؤه سابقاً. وقد يعكس هذا التضارب آثار بروتوكولات التدابير الرياضية المضادة التي نفذها الرواد خلال الرحلات اللاحقة، بالإضافة إلى فحص عضلات مختلفة عن تلك التي دُرست في الرحلة السابقة (عضلة الساق والنعلية مقابل العضلة المتسعة الوحشية).

تشير التراجعات في السعة الهوائية لأفراد الطاقم بعد الرحلة الفضائية، مقترنة بانخفاض في القدرة التأكسدية للعضلات، إلى احتمالية تأثر الإمداد الوعائي للعضلات الهيكلية أيضاً بالرحلة الفضائية.  ومع ذلك، لا تظهر في الوقت الحالي علاقة مطردة بين درجة ضمور العضلات (المقاسة عبر التصوير بالرنين المغناطيسي أو تحديد مساحة المقطع العرضي للألياف بعد إجراء الخزعة) وبين التغيرات المُبلغ عنها في قوة العضلات ووظيفتها، على الرغم من أن فقدان القوة العضلية يتجاوز عادةً فقدان حجم العضلة. ولا تزال أسباب هذه النتائج غير البديهية غير واضحة، ويُرجح أن تظل كذلك حتى تتوفر الموارد اللازمة لإجراء دراسات مدارية طويلة الأمد حول استجابة الضمور العضلي للرحلات الفضائية.

وإلى جانب آثار الرحلات الفضائية على المكون الليييفي للعضلة الهيكلية، يجب عدم الاستهانة بدور المكونات العصبية في ضمور العضلات.

 إن حدوث خلل وظيفي في التحكم العصبي على المستوى العصبي العضلي، والذي يتوازى فيما يبدو مع انخفاض في النشاط الكهربائي العام للعضلة بعد الرحلة، يفتح المجال لاحتمالية تعطل العوامل المشتقة من العصبونات التي تؤدي دوراً في نمو العضلات الهيكلية أو الحفاظ عليها. كما طُرِحت فرضية مفادها أن الجاذبية الصغرى تسبب تغيراً جوهرياً في التحكم الحركي. وأظهرت الدراسات التي أجراها مختبر فسيولوجيا التمارين في مركز جونسون للفضاء أن القدرة العضلية للساقين تنخفض بمعدل أكبر بكثير مما يمكن تفسيره بفقدان الكتلة العضلية وحده. وعلاوة على ذلك، ارتبط فقدان القدرة الانفجارية للساق بانخفاض ملموس في نشاط تخطيط كهربائية العضل (EMG) للعضلة المستقيمة الفخذية، والمتسعة الوحشية، والمتسعة الإنسية.  وخلص الباحثون إلى أن الجاذبية الصغرى أحدثت تغيراً أساسياً في التحكم الحركي والتنسيق، مما أدى إلى تراجع التنشيط الحركي للعضلات الباسطة. وقد سُجلت ملاحظات مماثلة بعد الرحلات الفضائية الطويلة على متن محطتي مير والفضاء الدولية.

ثمة أدلة تؤكد فعالية استراتيجيات التمارين في الحد من فقدان قوة العضلات أثناء الراحة في الفراش. فقد نجح "بامان" وزملاؤه في الحفاظ على قوة عضلات الفخذ والساق التي كانت لدى المشاركين قبل الراحة في الفراش، وذلك عبر إلزامهم بأداء تمارين مقاومة بأحمال تعادل 80-85% من قوتهم الأصلية (اختبار التكرار الأقصى). وتحقق الحفاظ على حجم العضلات من خلال استمرار عملية تخليق البروتين، وهو ما أثر إيجاباً على قوة العضلات أيضاً. وفي السياق ذاته، تمكن "أكيما" وزملاؤه من الحفاظ على ذروة عزم الدوران متساوي القياس لدى أفراد أدوا انقباضات يومية قصوى لباسطات الركبة خلال 20 يوماً من الراحة في الفراش. وباستخدام بروتوكول تدريبي صارم لتمارين المقاومة، حافَظ "شاكلفورد" وزملاؤه على قوة العضلات الحركية، ورصدوا زيادات ملموسة في قوة العضلات متساوية التوتر على مدار 89 يوماً من الراحة في الفراش لدى المتطوعين المتمرنين. كما نجح "ألكنر" و"تيش" عبر استخدام جهاز تمارين مقاومة بنظام الحدافة في منع فقدان الكتلة العضلية وقوتها في الفخذ والحد من خسائرها في ربلة الساق.

أثبت "تراب" وزملاؤه ببراعة التماثل في استجابات العضلات الهيكلية بين الرحلات الفضائية والراحة في الفراش من خلال دراسة مشتركة شملت رحلة فضائية لـ 4 رواد واستلقاءً في الفراش لـ 8 مشاركين، وكلاهما لمدة 17 يوماً. وخضع جميع المشاركين لتقييم حجم الألياف العضلية، وتكوينها، وخصائص الانقباض الحي لعضلة ربلة الساق. وبفضل تطابق البروتوكولات والجداول الزمنية، أمكن إجراء مقارنات مباشرة بين الدراستين. وقِيست قوة عضلات ربلة الساق قبل الرحلة/الاستلقاء، وفي الأيام 2 و8 و12 خلالهما، ثم في اليومين 2 و8 بعد انتهائهما. وأُخذت خزعات عضلية قبل التجربة وفي غضون 3 ساعات من انتهاء الرحلة الفضائية (عضلة الساق التوأمية والعضلة النعلية) والراحة في الفراش (العضلة النعلية) قبيل العودة لتحمل الوزن. وبعد 17 يوماً، لم تظهر أي تغيرات جوهرية مقاسة في قوة الربلة القصوى أو خصائص السرعة والقوة أو تكوين الألياف أو حجم العضلات. وبما أن فقدان القوة العضلية يعد نتيجة متوقعة في كلتا الحالتين، استنتج الباحثون أن بروتوكول الاختبار المستخدم وفر تمارين مقاومة كافية حالت دون فقدان القوة وتغير المورفولوجيا العضلية.

تتمثل الاستنتاجات العامة المستخلصة من دراسات رواد الفضاء فيما يلي: أولاً، يتركز فقدان الكتلة العضلية في العضلات المناهضة للجاذبية كالعضلة النعلية؛ وثانياً، لا يبدو أن الاستجابة الضمورية للرحلات الفضائية القصيرة تقتصر على نوع معين من الألياف؛ وثالثاً، لا يطرأ تحول في التعبير عن أشكال سلاسل الميوسين الثقيلة من النوع الأول إلى النوع الثاني خلال الرحلات الفضائية القصيرة (أقل من 18 يوماً).

 الدراسات التناظرية الأرضية 
استُخدمت نماذج أرضية عدة لمحاكاة آثار انعدام الحمل في الجاذبية الصغرى على العضلات البشرية، شملت الراحة في الفراش الأفقي الكامل أو بإمالة الرأس لأسفل بزاوية 6 درجات، والانغمار الجاف، وإزالة الحمل عن أطراف علوية وسفلية من جانب واحد مع تثبيت المفاصل أو دونه. وبشكل عام، تماثلت استجابات العضلات في جميع هذه النماذج. ورغم تعذر المحاكاة التامة لبيئة الفضاء وأنشطة الرواد، اقترح "أدامز" وزملاؤه أن الراحة في الفراش هي النموذج الأنسب لدراسة التكيفات الفسيولوجية للعضلات الهيكلية وتطوير التدابير المضادة.

تسبب إزالة الحمل عبر الراحة في الفراش فقداناً كبيراً لنيتروجين الجسم وكتلته دون الدهون. ويُعزى معظم هذا التناقص إلى صغر حجم عضلات المشي والحركة.  ويرتبط هذا النقص ارتباطاً وثيقاً بالانخفاض الكبير في تخليق بروتين العضلات. وقد أدت بروتوكولات الراحة في الفراش بمددها المختلفة (7 أيام إلى 17 أسبوعاً) إلى تقليص حجم عضلات الأطراف السفلية بنسب تراوحت بين 30% لباسطات الكاحل  و12% للعضلات الأخمصية (السمانة والنعلية). وتوازى تراجع حجم العضلات مع نقص في القوة والتحمل، وهو ما تجلى في انخفاض عزم الدوران المرتبط بزاوية معينة، وقوة العضلات الحركية، والقدرة على مقاومة التعب. كما رُصدت خسائر مماثلة في الحجم والقوة بعد تعليق طرف سفلي واحد.  أما الانغمار الجاف، الذي يمتاز بمحاكاة نقص المدخلات الحسية العميقة المشابه لما يختبره الرواد، فقد أدى بدوره إلى تراجع حجم العضلات وقوتها وتحملها ونشاطها الكهربائي ومرونتها.

وعلى المستوى الهيكلي، يرتبط فقدان حجم العضلات في هذه النماذج ارتباطاً وثيقاً بانخفاض ملموس في مساحة المقطع العرضي للألياف العضلية من النوعين الأول والثاني.

وبشكل عام، تبدو ألياف النوع الثاني أكثر عرضة للضمور من ألياف النوع الأول خلال فترات إزالة الحمل قصيرة الأمد، دون رصد أي تحول جوهري في نوع الألياف، على الرغم من وجود تقارير تشير إلى تغيرات في التعبير عن أشكال بروتين سلاسل الميوسين الثقيلة في العضلة ككل. ومع ذلك، فإن الاستلقاء الطويل في الفراش (لأكثر من 80 يوماً) يغير بشكل كبير من عدد ألياف الميوسين الهجينة المرصودة في العضلة النعلية.

ولا يبدو أن التثبيت باستخدام الجبيرة يقلل النسب النسبية لبروتينات العضلات النوعية، مثل الأنهيدراز الكربوني 2 والميوجلوبين، بما يتجاوز النسبة المتوقعة من الانخفاض العام في تخليق بروتين العضلات. وفي المقابل، تشير الأدلة التجريبية إلى أن النشاط النوعي لإنزيمات العضلات المشاركة في الأيض التأكسدي، مثل نزع هيدروجين البيروفات، ينخفض بسبب التثبيت بالجبيرة.

كما رُصد انخفاض مماثل في نشاط سينثاز السترات (وليس فسفوفركتوكينيز) في العضلة المتسعة الوحشية، مما يشير إلى تضرر ملموس في السعة التأكسدية لهذه العضلة بعد تعليق الطرف الأحادي. وقد تعكس الفروق الملحوظة بين التثبيت بالجبيرة وبين بروتوكولات تعليق الطرف أو الراحة في الفراش أن النموذج الأول يمثل ضمور العضلات الناجم عن قلة الحركة، بينما يمثل النموذجان الآخران بشكل أفضل ضمور العضلات الناجم عن نقص القوى الميكانيكية. والحالة الأخيرة هي الأكثر شبهاً بالظروف الفعلية التي يواجهها الرواد أثناء الرحلة الفضائية، والمتمثلة في إزالة الحمل الميكانيكي دون تقييد حركة الأطراف. ومع ذلك، فمن الواضح أنه رغم فائدة نماذج إزالة الحمل الأرضية، لا يوجد نظام محاكاة أرضي واحد يعيد إنتاج كافة التكيفات الفسيولوجية للعضلات التي تحدث نتيجة للرحلة الفضائية؛ إذ تغيب عن الدراسات التناظرية البشرية الضغوط التشغيلية والنفسية الفريدة المرتبطة بالفضاء، والتي تفاقم التغيرات الفسيولوجية الناتجة عن إزالة الحمل العضلي.

ومرة أخرى، فإن انخفاض حجم العضلات ومساحة المقطع العرضي للألياف في هذه المحاكيات الأرضية يؤدي إلى تغيرات في أنماط التنشيط العصبي للعضلات، بما في ذلك انخفاض القوة القصوى المستحثة كهربائياً، وتقليص الحد الأقصى لتخطيط كهربائية العضل المتكامل، وحدوث خلل وظيفي في الوصلة العصبية العضلية. ومن المؤكد أن هذا التراجع في الدفع العصبي للعضلات منزوعة الحمل يؤدي دوراً في الاستجابة الضمورية.

وكما هو الحال في الرحلة الفضائية، يمكن ملاحظة التكيف مع إزالة الحمل بعد فترة قصيرة من الراحة في الفراش؛ فعلى سبيل المثال، بعد 20 يوماً من الاستلقاء، انخفض حجم العضلة الرباعية بنسبة 8%، وعضلات المأبض بنسبة 10%، والعضلات الأخمصية بنسبة 14%. وفي تجربة أطول استمرت 89 يوماً، سُجلت تراجعات أكبر في حجم العضلة الرباعية (−15%)، والمأبض (−13%)، والنعلية (−29%)، وعضلة الساق (−28%). وفي تجربة استمرت 90 يوماً، لوحظ انخفاض بنسبة 26% ± 7 في مساحة المقطع العرضي لعضلة ربلة الساق. ويتسق هذا المعدل مع القياسات السابقة التي أظهرت انخفاضاً بنحو 15% في حجم العضلة الرباعية والمأبض عبر التصوير بالرنين المغناطيسي لدى مشاركين بعد 90 يوماً من الاستلقاء في الفراش. كما أثبتت هذه الدراسات وجود نقص في قوة العضلات.

لاحظ "بامان" وزملاؤه خسائر بلغت 18% و17% و13% في ذروة عزم الدوران المركزية واللامركزية ومتساوية القياس للعضلات الأخمصية، على التوالي، بعد 14 يوماً من الاستلقاء في الفراش، كما رصد "أكيما" وفريقه انخفاضاً بنسبة 16% في عزم باسطة الركبة متساوي القياس بعد 20 يوماً. ورغم عدم التصريح بذلك بشكل محدد، فإن المشاركين في تجربة الاستلقاء لمدة 89 يوماً عانوا من تراجعات ملموسة في عزم الدوران الحركي للجزء السفلي من الجسم، وكانت أكبر الخسائر في باسطات الركبة (−35%). كما استخدمت هذه الدراسة اختبارات متساوية التوتر، ولوحظت خسائر تراوحت بين 6% و37%؛ حيث بلغت نسبة التراجع في قوة العضلات المقربة والمبعدة وضغط الساق نحو 25-30%. وفي تجربة سابقة لمدة 90 يوماً، لاحظ "ليبلانك" وفريقه خسائر بنسبة 31% في قوة بسط الركبة و15% في قوة ثنيها. ولم توثق سوى دراسات قليلة التغيرات في عضلات الورك؛ حيث أفاد "شاكلفورد" بأن القوة متساوية التوتر انخفضت بنحو 25% في العضلات المقربة، بينما لم يتجاوز الانخفاض 6% في ثنيات الورك بعد 17 أسبوعاً. وبعد 55 يوماً من الاستلقاء، أفاد "بيرغ" بحدوث انخفاض بنسبة 22% في بسط الورك متساوي القياس، رغم أن حجم عضلات الألوية لم ينخفض إلا بنسبة 2% فقط. ولم يجد المؤلفون تفسيراً لهذا التباين بين نسبة نقص القوة ونقص الكتلة، وذكروا عدم وجود دراسات سابقة أجرت هذه القياسات المتزامنة لعضلات الورك.

ويمكن تلخيص الاستنتاجات العامة من هذه الدراسات البشرية فيما يلي: أولاً، تؤدي نماذج إزالة الحمل الأرضية إلى ضمور انتقائي في عضلات الأطراف السفلية، لاسيما العضلات المناهضة للجاذبية؛ وثانياً، تكون هذه الاستجابة أكبر في العضلات الباسطة منها في العضلات الثنية؛ وثالثاً، يحدث الضمور العضلي بسرعة (خلال 7-14 يوماً)؛ ورابعاً، يتوازى فقدان الكتلة مع تراجع القوة والتحمل، لكن خسائر القوة تفوق عادةً خسائر الحجم؛ وخامساً، إذا كان الضمور نوعياً لليف معين، فإنه يميل لضرب ألياف النوع الثاني؛ وسادساً، لا يبدو أن إزالة الحمل الأرضية تسبب تحولاً مطلقاً من الألياف البطيئة إلى السريعة، لكنها تغير التعبير عن أشكال سلاسل الميوسين الثقيلة ليزداد عدد الألياف الهجينة، مما ينتج نمطاً ظاهرياً أسرع.

وثمة نتائج بحثية أخرى ترتبط بهذا الخطر بشكل جانبي؛ إذ يمكن أن يؤدي الخمول البدني وإزالة الحمل العضلي المرتبط بالفضاء إلى نقص الكتلة العضلية، مما قد يرتبط بدوره بزيادة القابلية لمقاومة الأنسولين (عدم تحمل الجلوكوز).

 وبينما وُثِّق هذا الارتباط بوضوح في دراسات الراحة في الفراش، فإنه لم يتأكد بعد بشكل قطعي في الرحلات الفضائية. وبالإضافة لذلك، فإن التدبير الرئيس لمواجهة الضمور هو الرياضة، ويجب الانتباه إلى أن الرواد المعرضين للجاذبية الصغرى لفترات طويلة قد يعانون من خلل في تنظيم حرارة الجسم أثناء الراحة والتمرين، مما قد يؤدي إلى إجهاد حراري أو إصابات، وهو ما سيُناقش بالتفصيل لاحقاً.

بعد الرحلات الفضائية القصيرة، لوحظ ارتفاع مستويات الأنسولين في المصل لدى الرواد السوفييت استمر حتى 7 أيام بعد الهبوط. وفي أول 28 رحلة لمكوك الفضاء (استغرقت 2-11 يوماً)، ارتفعت مستويات الأنسولين بنسبة 55% يوم الهبوط مقارنة بما قبل الرحلة. كما أبلغ باحثون روس عن زيادة بمقدار الضعف أو أكثر في مستويات الأنسولين لدى ثلاثة رواد بعد عودتهم من مهمة استمرت 237 يوماً. وقد يشير الارتفاع المتزامن للأنسولين وجلوكوز الدم (بنسبة 12% يوم الهبوط لدى 129 رائداً في رحلات المكوك القصيرة) إلى تراجع مكتسب في حساسية الأنسجة للأنسولين نتيجة للرحلة الفضائية. كما أظهرت دراسات الراحة في الفراش زيادة في استجابة الأنسولين لاختبارات تحمل الجلوكوز؛ حيث ارتفعت مستوياته في البلازما إلى أربعة أضعاف، وتجاوز جلوكوز الدم مستويات الضبط بعد ساعتين من تحميل الجلوكوز. وفي دراسة محكمة للاستلقاء لمدة 7 أيام، فُحص تأثير الأنسولين على معدل امتصاص الجلوكوز في الجسم ككل وفي الساق، وخُلص إلى أن العضلات الخاملة كانت أقل حساسية للأنسولين المتداول. ومع ذلك، ففي دراسة لأربعة رواد مكوك فضاء، أُجريت فيها اختبارات تحمل الجلوكوز قبل الإطلاق بـ 15 يوماً، وفي اليوم السابع للرحلة، وفي الأيام 2 و15 بعد الهبوط، لوحظت زيادات في تركيزات الأنسولين والجلوكوز في العينات أثناء الرحلة، لكن التغيرات لم تكن ذات دلالة إحصائية مقارنة بقيم ما قبل وبعد الرحلة. واستنتج الباحثون أن 7 أيام من الطيران الفضائي لم تؤكد فرضية تضرر تحمل الجلوكوز؛ ولعل قصر المدة لم يكن كافياً لإحداث تغيرات جوهرية، مما يستدعي إجراء دراسات إضافية على طواقم المهام طويلة الأمد لتأكيد هذه النتائج.

 تنظيم حرارة الجسم 
ينتج عن بذل الإنسان للطاقة توليدٌ للحرارة؛ وهذه الحرارة الناتجة عن الأنشطة المعتادة، ولا سيما أثناء ممارسة الرياضة، تُحفز آليات تنظيم التوازن الداخلي بهدف الحفاظ على درجة حرارة الجسم الجوهرية ضمن مداها الفسيولوجي الآمن والضيق نسبياً، وذلك عبر التنظيم الوعائي والتعرق.  وقد تؤدي بيئة انعدام الوزن في الرحلات الفضائية إلى إعاقة تبديد الحرارة عن طريق تقليل التبادل الحراري الناتج عن التبخر والتوصيل. كما يمكن للجاذبية الصغرى والرحلات الفضائية أن تُربك آليات التنظيم الحراري للجسم من خلال تغيير كفاءة العمل، أو معدل الأيض، أو النظم اليوماوي لإنتاج الحرارة. وعلاوة على ذلك، غالباً ما يعاني المسافرون إلى الفضاء من نقص في الارتواء، مع انخفاض بنسبة 10-15% في حجم السوائل داخل الأوعية (البلازما)، وقد يفقدون مستويات لياقتهم العضلية والقلبية الوعائية التي كانت لديهم قبل الرحلة، فضلاً عن تراجع قدراتهم على التنظيم الحراري؛ ونتيجة لذلك، قد يصبحون أقل تكيُّفاً مع الحرارة أو قد يكتسبون حساسية حرارية متغيرة.

إن التغيرات في التنظيم الحراري المرتبطة بالرحلات الفضائية قد تؤثر بشكل كبير على مجموعة متنوعة من الأنشطة، بما في ذلك ممارسة الرياضة كتدبير مضاد لضمور العضلات وتدهور حالة القلب وفقدان العظام، والنشاط خارج المركبة (EVA)، وهبوط المركبة والخروج منها. وقد صُممت بدلات النشاط خارج المركبة وبدلات الإطلاق والدخول أو بدلات إنقاذ الطاقم المتقدمة (ACES) التي يرتديها أفراد طاقم محطة الفضاء الدولية والمكوك لتشكل حاجزاً غير منفذ بين مرتديها والبيئة الخارجية.  ولتعويض نقص التبادل الحراري عبر أقمشة هذه البدلات، توفر بدلة النشاط خارج المركبة تبريداً سائلًا (بالتوصيل) وهوائياً (بالحمل)، بينما تُرتدى ملابس التبريد السائل تحت بدلة إنقاذ الطاقم المتقدمة، بالإضافة إلى وصلة خرطوم بهواء مقصورة المدار المدفوع. وبناءً على ذلك، يواجه أفراد الطاقم الذين يعانون من ضعف في قدرات التنظيم الحراري خطراً أكبر في حال حدوث فشل في أنظمة التبريد لهذه الملابس. وتشمل مظاهر اضطراب التنظيم الحراري زيادة معدل ضربات القلب ودرجة حرارة الجسم أثناء التمرين، ونقص القدرة على العمل والتحمل، وانخفاض تحمل الوقوف (النصبي) بعد الرحلة، وتراجع القدرة المعرفية، وتأخر استعادة القدرة على التمرين والتحمل بعد الطيران.

لقد دُرِس التنظيم الحراري في سياق كل من الرحلات الفضائية والراحة في الفراش مع إمالة الرأس لأسفل بزاوية 6 درجات. وحتى الآن، لا توجد قياسات مباشرة للتوازن الحراري خلال جلسات التمرين أثناء الرحلة. وفي الدراسة الوحيدة للرحلات الفضائية، سُجلت استجابات التمرين دون الأقصى والتنظيم الحراري قبل الرحلة وبعد 5 أيام من الهبوط لدى رائدين أتما مهمة استغرقت 115 يوماً. ولوحظت معدلات ضربات قلب طبيعية لدى كلي الرائدين أثناء التمرين في وضعية الاستلقاء لمدة 20 دقيقة لكل منهما عند 20% و65% من السعة القصوى للأكسجين. ومع ذلك، أثناء اختبار ما بعد الرحلة (بعد خمسة أيام من الهبوط)، توقف التمرين طواعية بعد 8-9 دقائق فقط من الاستلقاء عند مستوى 65% من السعة القصوى للأكسجين لكلا الرائدين، حيث واجها صعوبة في الحفاظ على تردد التدوير واشتكيا من تعب الساق، وتجاوزت معدلات ضربات قلبهما أعلى المستويات المسجلة قبل الرحلة.  وأظهر كلاهما زيادة أسرع في درجة حرارة الجسم الجوهرية خلال جلسة التمرين القصيرة بعد الرحلة مقارنة بجلسة ما قبل الرحلة؛ وخُلص إلى أن إنتاج الحرارة لم يتغير، بل إن ضعف تبديد الحرارة الناتج عن تغير الاستجابات الوعائية والتعرق كان هو المسؤول عن زيادة معدل ارتفاع درجة حرارة الجسم الجوهرية.

يُعد تناول الطاقة الكافية (السعرات الحرارية) مطلباً ضرورياً للبشر الذين يعيشون ويعملون في الفضاء، وقد ركز الكثير من الاهتمام على هذا المتطلب. ومع ذلك، بُذل جهد أقل في فهم كيفية تعامل البشر -الذين قد تتغير استجاباتهم الفسيولوجية للحرارة في بيئة الرحلات الفضائية الفريدة- مع الحرارة الناتجة عن استهلاك الطاقة. وينبغي اعتبار مثل هذه الدراسات ذات أولوية أعلى في مهمات الفضاء البشرية المستقبلية؛ إذ قد تكون النماذج المطبقة مؤخراً مفيدة في توفير فهم أفضل لحجم هذا الخطر المرتبط.

 دراسات تجريبية على الحيوانات 
يلخص هذا القسم الدراسات التي أُجريت على الحيوانات (مثل القوارض والبريمات غير البشرية) التي تعرضت إما لرحلات فضائية أو (في حالة القوارض) لنموذج تعليق الأطراف الخلفية الأرضي المعتمد، وذلك للتحقق من آثار حالات عدم التحميل على خصائص الكتلة العضلية وقوتها وقدرتها على التحمل. وتؤكد النتائج المعروضة هنا بشكل ساحق مجموعة الأدلة التي أُبلغ عنها في الدراسات البشرية في الأقسام السابقة من هذا التقرير. والأهم من ذلك أنه من خلال استخدام المزيد من التحليلات الخلوية والجزيئية، أمكن الحصول على رؤى أعمق للآليات الكامنة وراء هذه التغيرات في بنية العضلات ووظيفتها. ونظرًا لأن غالبية الأدلة المتعلقة بآثار الرحلات الفضائية على العضلات الهيكلية للثدييات استُمدت من دراسات القوارض، فإن المعلومات المقدمة هنا تركز في الغالب على نموذج القوارض. ومن المهم الإشارة إلى أن بنية ووظيفة العضلات الهيكلية للقوارض تكاد تكون متطابقة مع العضلات الهيكلية البشرية؛ فعلى سبيل المثال، تتكون عضلات القوارض من نفس المظهر العام لأنواع الألياف، وهي حساسة لنفس الإشارات البيئية (الميكانيكية، والهرمونية، والأيضية) المرصودة في العضلات البشرية. وبناءً على ذلك، فإن المعلومات الملخصة أدناه تمنح المصداقية لقاعدة البيانات المستمدة من الدراسات البشرية. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن إحدى المزايا الرئيسية لنموذج القوارض هي أن التغيرات التكيفية التي تحدث في كلا النوعين تظهر في إطار زمني أقصر بكثير لدى القوارض مقارنة بالبشر (ساعات إلى أيام مقابل أيام إلى أسابيع)، مما يجعل من الممكن التنبؤ بالتغيرات طويلة المدى في العضلات الهيكلية البشرية بناءً على الإطار الزمني المطلق الأقصر للدراسات التي أُجريت على القوارض. وهناك اعتبار مهم آخر في سياق أبحاث الحيوانات أثناء الرحلات الفضائية، وهو أنه يمكن إجراء تجربة مباشرة لا تتطلب تقديم أي نوع من التدخلات الوقائية كما هو الحال مع البشر، وبالتالي يمكن تجنب إدخال متغيرات مربكة عند تحديد الآثار الحقيقية للرحلات الفضائية على نطاق واسع من المتغيرات الفسيولوجية. ونظرًا للتوافق الملحوظ في الطبيعة الكمية والنوعية للنتائج المرصودة في دراسات الرحلات الفضائية مقابل تلك التي تم الحصول عليها من دراسات تعليق الأطراف الخلفية الأرضية، فقد اخترنا دمج وجمع أجزاء كبيرة من البيانات التي جُمعت في السنوات الخمس والعشرين الماضية. وتتضمن قاعدة بيانات القوارض هذه في أبحاث علوم الحياة الفضائية 14 تجربة طيران، 8 منها برعاية برنامج كوزموس الروسي و6 برعاية بعثات علوم الحياة الفضائية التابعة لناسا ونظام النقل الفضائي. وتكتمل تجارب الطيران هذه بالعديد من الدراسات البحثية الأرضية التي ركزت بشكل جماعي على الموضوعات الموضحة أدناه. والأهم من ذلك، أن جميع البيانات الواردة في هذا الملخص مستمدة من مجموعات حيوانية خضعت فيها حيوانات المجموعات الضابطة للدراسة ضمن مجموعة متزامنة من نفس العمر والسلالة والجنس، وأُجريت التحليلات في نفس الوقت الذي أُجريت فيه للمجموعات التجريبية. وتستند المعلومات المقدمة بالكامل إلى تجارب راجعها النظراء كما هو مفصل في المراجع المرفقة.

 أنماط النشاط أثناء الرحلات الفضائية 
على الرغم من أن الملاحظات المسجلة أثناء الرحلات الفضائية أقل شمولاً لدى القوارض (بسبب قلة مهام الطيران التي أتاحت الفرص لرواد الفضاء أو أخصائيي الحمولة لمراقبتها)، إلا أن البيانات المتاحة تشير إلى أن القوارض تعتمد بشكل أقل على أطرافها الخلفية لتنفيذ معظم أنماط الحركة (كما هو الحال مع البشر). وأثناء الرحلة الفضائية، يبدو أن كواحلها تتخذ وضعية "الانثناء الأخمصي" التي قد تقلل من التوتر الخامل (القوة) المفروض على مجموعة العضلة الثلاثية الرؤوس الساقية، والتي تعد العضلة النعلية البطيئة المقاومة للجاذبية مكونًا رئيسيًا فيها. وقد لُوحظت وضعية مماثلة في النموذج الأرضي لتعليق الأطراف الخلفية. ويُعتقد أن هذه الوضعية تؤثر على التوتر المتبقي الواقع على هذه المجموعة العضلية في غياب حالة تحمل الوزن الطبيعية، أي أن مجموعة العضلات الباسطة للكاحل تصبح غير محملة حقًا. وبينما لم تُجرَ دراسات تخطيط العضلات الكهربائي على القوارض البالغة أثناء الرحلات الفضائية، تشير الدراسات التي أُجريت عليها أثناء تعليق الأطراف الخلفية المزمن إلى حدوث انخفاض مؤقت فقط في النشاط الكهربائي لعضلات الكاحل الأخمصية (العضلة النعلية وعضلة الساق الإنسية). ويتسق نمط النشاط هذا مع وضعية العضلة والحفاظ على كتلتها خلال الإطار الزمني للتجربة البالغ 28 يومًا؛ أي أن نشاط التخطيط الكهربائي استمر بشكل جيد، بينما استمر الضمور الجاري. وتعزز هذه النتائج فكرة أن النشاط الميكانيكي، وليس النشاط الكهربائي المفروض على العضلة، هو الأساس للحفاظ على التوازن الفسيولوجي.

 أنماط النشاط في مرحلة التعافي المبكر من الرحلات الفضائية 
عندما تعود الحيوانات من رحلة فضائية حتى لو كانت قصيرة المدة (أيام)، تتغير أنماط نشاطها الأساسية؛ إذ يصبح مركز الجاذبية لدى الجرذان أقل بكثير من المعتاد، فلا تعود قادرة على دعم وزن جسمها، وتبدأ الحركة من مقدمة أقدامها، ويتخذ مفصل الكاحل وضعية انثناء ظهري مبالغ فيها. وتصبح الحركة في معظم الأنشطة التطوعية أبطأ بكثير وأكثر ترويًا (تقطع الحيوانات مسافات أقل في وحدة الزمن)، وتقضي الحيوانات وقتًا أقل بكثير في وضعيات الوقوف على قدمين. علاوة على ذلك، تستخدم القوارض ذيولها للدعم الأساسي بدرجة أكبر، بناءً على ملاحظات الباحثين. وهكذا، فإن المهارات الحركية والقدرة الحركية الأساسية للقوارض تصبح أقل دقة وكفاءة أثناء الحفاظ على الوضعية والحركة خلال المراحل المبكرة من التعافي؛ ومع ذلك، بحلول اليوم التاسع بعد الرحلة، تعود خصائص النشاط إلى ما كانت عليه في الظروف الطبيعية.

 آثار الرحلات الفضائية وتعليق الأطراف الخلفية على الكتلة العضلية ومحتوى البروتين والخصائص المورفولوجية الكلية للعضلات الهيكلية 
تراكمت معلومات وفيرة تغطي عددًا كبيرًا من تجارب الرحلات الفضائية وتعليق الأطراف الخلفية التي تمتد لإطار زمني يتراوح بين 4 إلى 22 يومًا للرحلات الفضائية ومن يوم واحد إلى 56 يومًا للتعليق. وقد ركزت هذه التجارب في المقام الأول على العضلات الباسطة المستخدمة بكثافة لدعم الوضعية والنشاط الحركي. وتعد مراجعة روي وبالدوين وإيدجيرتون واحدة من أكثر المراجعات شمولاً حول القوارض في البيئة الفضائية. كما نُشرت مراجعات إضافية حول هذا الموضوع. وتظهر الملاحظات الجماعية بوضوح أن هذه الأنواع من العضلات تتعرض لانخفاضات كبيرة في الكتلة العضلية (وزن العضلة) يصاحبه فقدان في إجمالي البروتين ومحتوى بروتين اللييفات العضلية (الجزء المكون للآلية الانقباضية للبروتينات الهيكلية) في العضلات المستهدفة. وفي بعض التجارب، أُفيد بأن جزء اللييفات العضلية يمكن أن يتحلل بدرجة أكبر من أجزاء العضلات الأخرى. ويوضح النمط العام حدوث فقدان سريع في وزن العضلات وصافي محتوى بروتين اللييفات العضلية الكلي (التركيز (ملغ/غ مضروبًا في وزن العضلة)) خلال أول 7-10 أيام من عدم التحميل، ويتبع ذلك فقدان تدريجي في هذه المكونات. والنتيجة الصافية هي احتمال فقدان ما بين 25 و46% من الكتلة العضلية في العضلات المضادة للجاذبية للأطراف السفلية مثل العضلة النعلية (عضلة ربلة الساق) والعضلة المتسعة الوسطية (عضلة رُباعية الرؤوس في الطبقة العميقة)، والتي تتكون في الغالب من الألياف العضلية البطيئة من النوع الأول التي تحتوي على بروتين الميوسين ذو السلسلة الثقيلة البطيء. ويعد هذا البروتين أكثر البروتينات وفرة في العضلات المخططة؛ ويعمل هذا البروتين الهيكلي/التنظيمي بمثابة بروتين حركي ينظم، في تآزر مع البروتينات المصاحبة له، عملية الانقباض التي تستمد منها القوة والجهد وتوليد الطاقة اللازمة للمجموعات العضلية لإحداث كل من الحركة والأنشطة المثبتة (الوضعية). ومن المهم أيضًا الإشارة إلى أن العضلات التآزرية سريعة الانقباض (التي تعبر عن الأشكال المتعددة السريعة للميوسين) تُستهدف أيضًا، ولكن من الواضح أن هذه العضلات وأليافها ليست حساسة لمحفز عدم التحميل بقدر حساسية أنواع العضلات الأبطأ. وبالمقارنة مع كل من أنواع العضلات البطيئة والسريعة، فإن ضمور عضلات ثني المفاصل المقابلة، مثل العضلة الظنبوبية الأمامية والعضلة بـاسطة الأصابع الطويلة في الساق، يكون أقل بشكل ملحوظ.

تُظهر تحليلات الأنسجة والكيمياء النسيجية المناعية على مستوى الألياف الفردية بوضوح أن عملية الضمور المرصودة على المستوى الكلي ناتجة عن انخفاض في قطر الألياف العضلية المصابة التي تتكون منها العضلات الفردية. وتوضح هذه الملاحظات أن الألياف من النوع البطيء أكثر حساسية من الألياف من الأنواع الأسرع، وهو ما يتسق مع تقديرات الكتلة العضلية الكلية. وكقاعدة عامة، وبغض النظر عن العضلة، فإن الألياف الأكبر حجمًا، سواء كانت سريعة أو بطيئة، تكون أكثر حساسية لمحفز عدم التحميل من نظيراتها الأصغر حجمًا.

 إعادة تشكيل النمط الظاهري للألياف العضلية استجابةً للرحلات الفضائية وتعليق الأطراف الخلفية 
يصاحب عملية الضمور المذكورة أعلاه ملاحظات هامة تشير إلى أن العديد من الألياف البطيئة (وليس جميعها) في العضلات المقاومة للجاذبية بشكل أساسي (مثل العضلة النعلية والعضلة المتسعة الوسطية) تُحفز أيضًا للتعبير عن أشكال الميوسين المتعددة السريعة. ويتجلى هذا التحول بشكل كبير في ظهور ألياف هجينة، حيث يجري التعبير المتزامن عن كل من الميوسين ذو السلسلة الثقيلة البطيء وأشكال الميوسين السريع من النوع (2x) أو النوع (2a). وتشير هذه الملاحظات إلى أن الميوسين ذو السلسلة الثقيلة البطيء يُستهدف بالتحلل، وهو ما يثبته الفقدان الصافي له في العضلات (الألياف) الضامرة؛ بينما يحدث في الوقت ذاته -وفقًا لتحليلات النسخ الأولي والحمض النووي الريبوزي الرسول- زيادة في تنظيم جينات الميوسين الأسرع عبر عمليات النسخ أو ما قبل الترجمة. وتوحي الدراسات الأحدث في هذا الصدد بوضوح أن الميوسين من النوع (2x)، وهو شكل أسرع من النوع (2a)، يُعبر عنه بوفرة أكبر. ومن خلال هذه الملاحظات، يتضح أن جزء اللييفات العضلية، وهو مكون رئيسي في العضلة، يُستهدف بالتحلل الصافي (كما ذُكر سابقًا) لسببين:
 يتيح تحلل هذا الجزء ظهور ألياف ذات أقطار أصغر لتلبية المتطلبات المنخفضة لتوليد القوة.
 يسمح تفكك نظام اللييفات العضلية بدمج أشكال الميوسين الأسرع في الآلية الانقباضية لتحل محل الأشكال الأبطأ، مما يمكن العضلة من العمل بفاعلية أكبر في ظل انخفاض حمولة الجاذبية.

ومما يضيف مزيدًا من الفهم ملاحظة أن حالة عدم التحميل في الرحلات الفضائية وتعليق الأطراف الخلفية تزيد أيضًا من التعبير عن مضخات الكالسيوم السريعة من النوع الثاني التي تعمل بإنزيم (ATPase) في الشبكة الهيولية العضلية، مع كبح مضخة الكالسيوم الأبطأ من النوع الأول. وبما أن دورة الكالسيوم تُستخدم لتنظيم تنشيط الألياف واسترخائها، فإن مكون الشبكة الهيولية العضلية في الليف العضلي يتحكم في تزامن عمليات الانقباض والاسترخاء. ولما كانت دورتا الكالسيوم والجسور العرضية هما النظامان الرئيسيان المسؤولان عن الغالبية العظمى من الطاقة المستهلكة أثناء انقباض العضلات لدعم الحركة، فإن تحول هذه الخاصية العضلية إلى نظام أسرع يتيح للعضلة العمل بفاعلية أكبر في البيئة غير المحملة بالوزن. ومع ذلك، حين تواجه العضلة بيئات ذات محفز جاذبية عالٍ، تصبح هذه الخصائص السريعة بطبيعتها أقل اقتصادًا في مقاومة الجاذبية، مما يجعل الألياف العضلية أكثر عرضة للتعب عند الانقباض ضد حمل معين لفترات طويلة.

 العمليات الأيضية 
على نقيض الجهاز الانقباضي، كشفت الدراسات التي أُجريت على مختلف الإنزيمات الأيضية في العضلات الهيكلية للقوارض عن استجابات متنوعة دون وجود تغيرات تكيفية واضحة في التعبير عن الإنزيمات المؤكسدة. وتتسق هذه الملاحظات مع نتائج الدراسات التي ركزت على وظيفة الميتوكوندريا بعد 9 أيام من الرحلة الفضائية، حيث لم يُرصد أي انخفاض في قدرة ميتوكوندريا العضلات الهيكلية على استقلاب البيروفات (أحد مشتقات الكربوهيدرات). وقد أُجريت هذه التحليلات في ظل ظروف أيضية من "المستوى الثالث"، أي بوجود كميات غير محدودة من المادة التفاعلية والعوامل المساعدة لمحاكاة الطلب على دوران الطاقة بشكل مشابه للتمارين عالية الكثافة.

ومع ذلك، عند اختبار ركيزة الأحماض الدهنية، لُوحظ انخفاض في قدرة أنواع العضلات المختلفة على أكسدة حمض البالمتيك (حمض دهني طويل السلسلة). وتتفق هذه النتيجة الأخيرة مع الملاحظة التي تفيد بأن العضلات المعرضة للرحلات الفضائية تزيد من مستوى الدهون المخزنة داخل أليافها العضلية. بالإضافة إلى ذلك، يزداد استخدام المسار الأيضي لامتصاص الجلوكوز في العضلات التي تخضع لتعليق الأطراف الخلفية. وبناءً عليه، ورغم أن بيانات الإنزيمات غير حاسمة، يبدو أنه استجابةً لحالات عدم التحميل، قد يحدث تحول في تفضيل المادة التفاعلية بحيث تُستهلك الكربوهيدرات بشكل تفضيلي بناءً على قدرة الاستخدام. وإذا كان الأمر كذلك بالفعل، فقد يؤدي ذلك إلى ميل أكبر للتعب العضلي في حال أصبحت مخازن الكربوهيدرات محدودة أثناء الفترات الطويلة من النشاط خارج المركبة الفضائية.

 الارتباطات الوظيفية للتغيرات في الكتلة العضلية والنمط الظاهري الانقباضي استجابةً للرحلات الفضائية 
أفاد ستيفنز ومعاونوه  في تحليلات الألياف الفردية المعزولة عن العثور على عجز في قدرة توليد القوة إلى جانب انخفاض الحساسية لتحفيز الكالسيوم. وظهرت ملاحظات مماثلة في كل من ألياف باسطات الكاحل البطيئة والسريعة بعد 14 يوماً من الرحلة الفضائية. ركزت هذه الدراسة على جوانب توليد القوة في الألياف العضلية، ويبدو أنه لم تُجرَ سوى دراستين إضافيتين لفحص آثار الرحلات الفضائية على الخصائص الوظيفية للعضلات الهيكلية للقوارض باستخدام مجموعة تحليلات أكثر شمولاً؛ حيث أُجري مشروع لمدة 6 أيام  بينما تضمن الآخر رحلة استغرقت أسبوعين. وفي كلتا الدراستين، ركزت القياسات على خصائص القوة والسرعة، والتي تحدد حدود القدرة الوظيفية للعضلة.

أُجريت هذه الدراسات على العضلة النعلية الهيكلية، التي تسود فيها الألياف العضلية بطيئة الانقباض، نظراً للتغيرات الديناميكية في مورفولوجيا الألياف ونمطها الظاهري التي رُصدت في الدراسات الأخرى. وبدأت التحليلات على الحيوانات في غضون 6 ساعات من العودة من الرحلة الفضائية. وأظهرت النتائج أن القوة القصوى للعضلة، كما دُرست في موضعها الطبيعي باستخدام نظام مقياس جهد مبرمج حاسوبياً، انخفضت بنسبة 24% بعد رحلة الستة أيام وبنسبة 37% بعد رحلة الـ 14 يوماً. وكانت هذه التغيرات متسقة مع درجة الضمور المرصودة على المستويين الكلي والألياف العضلية الفردية. كما حدثت تحولات في استجابة القوة والتردد للعضلة النعلية لدى حيوانات الرحلة، مما يشير إلى التحول نحو نمط ظاهري انقباضي أسرع. وارتفعت سرعات التقصير القصوى بنسبة 14% و24% في مجموعتي الرحلات الفضائية لمدة 6 أيام و14 يوماً على التوالي. وعُزيت هذه الزيادات الجوهرية في سرعة التقصير، جزئياً، إلى التعبير الجديد عن الميوسين ذو السلسلة الثقيلة السريع من النوع (2x) في العديد من الألياف العضلية البطيئة. ومن ناحية أخرى، انخفضت قدرات توليد الجهد والقدرة في العضلات الضامرة الناجمة عن الطيران بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، انخفضت المقاومة للتعب بشكل ملحوظ، وكذلك القدرة على الحفاظ على الجهد والقدرة الناتجة استجابةً لنموذج يتضمن نواتج انقباض متكررة. ولُوحظت نتائج مماثلة باستخدام مناهج تحليلية مماثلة تتضمن نموذج تعليق الأطراف الخلفية. وبشكل عام، تشير النتائج بوضوح إلى أنه عندما تتعرض العضلات الهيكلية، خاصة تلك التي تحتوي على نسبة كبيرة من الألياف العضلية البطيئة، للضمور وإعادة تشكيل النمط الظاهري الانقباضي، فإن القدرة الوظيفية للعضلة تنخفض جنباً إلى جنب مع قدرتها على الحفاظ على الجهد الناتج. وإذا تأثرت كتلة كافية من الأنسجة العضلية عبر عدة مجموعات عضلية رئيسية بشكل مماثل، فإن هذا سيؤدي على الأرجح إلى ضعف اللياقة البدنية للفرد عند مواجهة سيناريوهات التمارين متوسطة الكثافة.

 هل العضلات الضامرة عرضة للإصابة؟ 
قدم رايلي ومعاونوه  ملخصاً ممتازاً للسلامة البنيوية لعضلات الثدييات خلال المراحل المبكرة بعد العودة من الرحلة الفضائية. وتشير نتائجهم إلى أنه في الأنواع البطيئة الضامرة من العضلات الهيكلية، لا يوجد دليل على تلف الألياف عندما تؤخذ العضلات من حيوانات قُتلت رحيماً وعُولجت أثناء الرحلة الفضائية. ومع ذلك، تشير الملاحظات إلى أنه خلال أول 5-6 ساعات بعد الرحلة الفضائية (وهي أبكر نقطة زمنية يمكن فيها الوصول إلى الحيوانات)، تحدث وذمة في العضلات المستهدفة المضادة للجاذبية مثل العضلة النعلية والعضلة المقربة الطويلة. ويُعتقد أن هذا يحدث بسبب زيادة تدفق الدم إلى العضلات عندما يجري إعادة تحميلها في البداية لمقاومة الجاذبية.

بالإضافة إلى ذلك، في مناطق معينة من العضلة المقربة الطويلة، هناك بعض المؤشرات على تلف الألياف بناءً على التحليلات النسيجية لسلامة اللييفات العضلية واصطفاف البروتين في القسيم العضلي. وبينما سُجلت هذه الملاحظات في حوالي 2.5% من ألياف العضلة المقربة الطويلة، إلا أنها لم تكن موجودة في العضلة النعلية. وقد اقترح رايلي أن السبب في الاستجابة المتباينة بين المجموعتين العضليتين هو أن الحيوانات الضعيفة قد غيرت وضعيتها ومشيتها بحيث يقع إجهاد تباعدي (مركزي طارد) على العضلة المقربة الطويلة، مما يؤدي إلى بعض تلف الألياف. ولم تُلاحظ الوذمة وتلف الألياف في مجموعة أخرى من الحيوانات دُرست بعد 9 أيام من الهبوط. ومع ذلك، في دراسات إضافية أُجريت على قوارض الرحلات الفضائية وتعليق الأطراف الخلفية  حيث سُمح بمرور 12 إلى 48 ساعة قبل تحليل العضلات، أشارت الملاحظات إلى أن نشاط القفص الطبيعي أحدث آفات كبيرة في العضلات بعد السماح بفترة كافية من استعادة الحركة. وشمل ذلك قسيمات عضلية مصابة بآفات تشبه التمزقات التباعدية، واضطرابات في اللييفات العضلية، ووذمة، وأدلة على تنشيط الخلايا البلعمية وتسلل الخلايا الوحيدة (وهي علامات معروفة لعمليات إصابة وترميم العضلات) داخل الألياف العضلية المستهدفة.

إن الاستنتاج من هذه النتائج هو أن هناك بالفعل ميلاً لإصابة العضلات نتيجة لعملية الضمور التي تضعف العضلة، وبالنظر إلى عدم استقرار الحيوان بعد الرحلة الفضائية كما هو موضح أعلاه، فمن المرجح أن يكون هناك احتمال للإصابة إذا فُرضت محفزات مجهدة على الجهاز العضلي قبل أن يتمكن من استعادة قدرته البنيوية والوظيفية السليمة.

 الآليات الخلوية والجزيئية لضمور العضلات استجابةً لمحفزات عدم التحميل 
ينطوي ضمور العضلات الهيكلية، كما عُرض سابقاً، على اختلال في التوازن بين العمليات المتحكمة في تخليق البروتين (والمعروفة أيضاً بالترجمة البروتينية) والعمليات المتحكمة في تحلله. فعندما تتزامن هاتان العمليتان، تظل الكتلة العضلية مستقرة؛ أما إذا حدث اختلال بحيث ينخفض مسار التخليق البروتيني نسبةً إلى معدل التحلل، فيحدث الضمور العضلي. وفي حالة ضمور العضلات الهيكلية استجابةً للرحلات الفضائية أو تعليق الأطراف الخلفية، يبدو أن هناك انخفاضاً في القدرة على التخليق يقابله زيادة في العمليات المنظمة للتحلل، مما يخلق استجابةً سريعة للتحلل الصافي تجاه محفز عدم التحميل. وبناءً على المعلومات المتاحة، يُعتقد أن هذا السيناريو يتضمن سلسلة الأحداث التالية: فعند بدء حالة عدم التحميل في مجموعة واسعة من النماذج بما فيها الرحلات الفضائية، يحدث انخفاض في نشاط النسخ أو ما قبل الترجمة في العضلات الهيكلية، وهو ما يؤثر على جينات الميوسين ذو السلسلة الثقيلة من النوع الأول والنوع (2a)  وكذلك جين الأكتين. ويؤدي ذلك إلى خفض مستويات كل من "ما قبل الحمض النووي الريبوزي الرسول" ومجموعات "الحمض النووي الريبوزي الرسول" (والأخير يعد مادة أساسية للترجمة البروتينية) لهذه البروتينات الثلاثة. وباتحادهما، يشكل الميوسين ذو السلسلة الثقيلة والأكتين الجزء الأكبر من اللييفات العضلية التي تمثل معظم البروتين في الخلية العضلية.

وبالتزامن مع ذلك، يحدث انخفاض في نشاط أنظمة إنزيمات الكيناز البروتينية الرئيسية (التي تشكل مسار "بي آي 3 كيناز/أكت/إم تور")، والتي تنظم جهاز التخليق البروتيني المتحكم في الترجمة البروتينية. ويساهم هذا التغير، مقترناً بكمية أقل من ركيزة الحمض النووي الريبوزي الرسول، في الحد من القدرة الصافية على تخليق البروتين. ويحدث بالتزامن مع هذه العملية زيادة في تنظيم مجموعة من الجينات المشفرة للبروتينات التي تلعب دوراً تنظيمياً في تعزيز تحلل البروتين، وتشمل هذه الجينات جين الميوستاتين، وجين إف بي إكس أو 32، وجيناً يُسمى بروتين الإصبع الحلقي العضلي (ميرف). والميوستاتين هو عامل نسخ مضاد للنمو، ويُعتقد أنه ينظم الجينات التي تعزز النمو تنظيماً سلبياً. أما الأتروجين و"ميرف" فهما إنزيمات "ليغاز E3" المسؤولة عن وسم البروتينات المستهدفة باليوبيكويتين لتمييزها من أجل التحلل في نظام يُعرف باسم البروتيازوم. وقد أُفيد بأن بروتين "ميرف" يعد منظماً رئيسياً يستهدف تحديداً تحلل بروتينات الميوسين ذو السلسلة الثقيلة من النوع الأول والنوع (2a).

ونتيجةً لانخفاض القدرة الصافية على تخليق البروتين وتعزيز تحلله، يحدث فقدان صافٍ لبروتين العضلات في الليف العضلي مع تغير في النسبة النسبية لمحتوى بروتين الميوسين ذو السلسلة الثقيلة، حيث تظهر النتائج المتاحة أن جينات الميوسين الأسرع يزداد تنظيمها أثناء ضمور العضلات. ومن ثم، يؤدي ذلك إلى نمط ظاهري عضلي أصغر وأسرع، يبدو أنه أكثر ملاءمة للأداء العضلي في حالات عدم التحميل. ويجب كبح سلسلة الأحداث الموصوفة أعلاه أو عكسها إذا أُريد للعضلة أن تؤدي وظيفتها على أكمل وجه عند مواجهة محفز جاذبية متزايد عند العودة إلى الأرض، أو الانتقال من الجاذبية المنخفضة (الجاذبية الصغرى) إلى بيئات ذات جاذبية أعلى مثل الهبوط على القمر أو المريخ. ومن الواضح أن أفضل استراتيجية لإنجاز هذه المهمة هي من خلال برنامج إجراءات وقائية قوي يوفر مستوى عالٍ من الإجهاد الميكانيكي لمنع اختلال التوازن في التعبير البروتيني الذي يحدث عندما لا تُحمّل العضلة بشكل كافٍ لفترات طويلة دون وجود محفز بنائي متدخل.

 آثار الرحلات الفضائية على القردة غير البشرية 
بقدر ما نعلم، يعد قرد المكاك الريزوسي النوع الوحيد الآخر بجانب الجرذان الذي شارك في دراسات الرحلات الفضائية المتعلقة بالعضلات الهيكلية. وقد أُرسل قردان إلى الفضاء لمدة 14 يوماً على متن القمر الاصطناعي "بيون 11"؛ حيث قُورنا بحيوانات ضابطة في المختبر الحيواني، بالإضافة إلى مجموعة أخرى قُيدت حركتها على الكراسي، مما أدى إلى تثبيت الجزء العلوي من الذراع والكتف. وقد قدمت نتائج هذه الدراسات الرؤى التالية: أظهرت الألياف الفردية (البطيئة والسريعة) للقرد خصائص وظيفية كانت أكثر توافقاً مع خصائص الألياف البشرية منها مع ألياف القوارض، وذلك من حيث إن الألياف كانت أكبر حجماً ولكنها أقل قوة لكل وحدة من مساحة المقطع العرضي مقارنة بألياف القوارض.

ومع ذلك، في التحليلات التي أُجريت قبل الرحلة وبعدها للألياف الفردية، تعرضت الألياف البطيئة في كل من العضلة النعلية بطيئة الانقباض وعضلات الترايسيبس لضمور أكبر وانخفاض في إنتاج القوة والقدرة مقارنة بالألياف سريعة الانقباض. كما أشارت التحولات في مظهر السلسلة الثقيلة للميوسين إلى وجود مستوى أعلى من الألياف الهجينة (البطيئة/السريعة) في هاتين المجموعتين العضليتين المختلفتين. وقد أدى تثبيت مجموعة عضلات الترايسيبس إلى استجابات مماثلة، لكن حجم التغيير كان أقل بكثير مما لُوحظ في حيوانات الرحلات الفضائية.

أظهرت تجارب إضافية أُجريت على هذه الحيوانات نفسها، وتضمنت دراسة النشاط الحركي قبل الرحلة الفضائية وبعدها عبر تسجيلات القوة الكهرومغناطيسية للعضلات وقوة الأوتار، أن التحكم في الوضعية والحركة قد تضرر بسبب الرحلة الفضائية كما لُوحظ لدى البشر. وتجلت هذه التغيرات بشكل أساسي في تعديل الإشارات المتعلقة بالحمل، كما انعكس في تغير انحياز التجنيد النسبي للعضلات المثنية مقابل الباسطة، ومجموعات الوحدات الحركية السريعة مقابل البطيئة. وفي دراسة طيران إضافية تضمنت قردين من نوع المكاك الريزوسي، تم الحصول على تسجيلات تخطيط العضلات الكهربائي قبل الرحلة الفضائية وأثناءها وبعدها. كانت هذه التجارب فريدة من نوعها لأن التسجيلات التي جُمعت أثناء الرحلة كشفت عن تحول تفضيلي في أنماط التجنيد لصالح عضلة الساق الإنسية السريعة مقابل العضلة النعلية البطيئة المتآزرة معها؛ أي أن نمط التجنيد الطبيعي قد انعكس، واستمر هذا التغيير جيداً في مرحلة التعافي بعد الرحلة، مما يشير أيضاً إلى إعادة تنظيم الجهاز العصبي الحركي أثناء وبعد التعرض للجاذبية الصغرى.

وهكذا، يتضح أن الألياف العضلية الهيكلية لدى البشر والقردة والقوارض تشترك في أنماط مماثلة من تغيرات الألياف العضلية، والتي ترتبط أيضاً في حالة القردة والبشر بضعف الأداء الحركي استجابةً لحالات مختلفة من عدم التحميل، وقلة الاستخدام، والعودة إلى بيئة الجاذبية الأرضية.

 معلومات المحاكاة القائمة على الحاسوب 
في عام 2007، نُشر تقرير حول الجهود المبذولة لتطوير محاكاة قائمة على الحاسوب تسمى "رائد الفضاء الرقمي" للتنبؤ بفقدان كتلة العضلات الهيكلية ووظيفتها في بيئة الجاذبية الصغرى، أو للتنبؤ بفاعلية الإجراءات الوقائية لدى حيوانات التجارب أو البشر. وُصف "رائد الفضاء الرقمي" بأنه "نظام نمذجة وقاعدة بيانات نموذجي متكامل يدعم الأبحاث والعمليات الطبية الحيوية الفضائية، مما يسمح بتحديد وتفسير ذي مغزى للأبحاث الطبية والفسيولوجية المطلوبة لاستكشاف الإنسان للفضاء، وتحديد مدى فاعلية الإجراءات الوقائية الفردية المحددة في تقليل المخاطر وتلبية أهداف الصحة والأداء في بعثات الاستكشاف الصعبة".

ونظراً للصعوبات الكبيرة في تطوير مثل هذا النموذج الرياضي بناءً على التعقيدات والمتغيرات الخاصة بالفسيولوجيا البشرية التي تعمل في بيئة الجاذبية الصغرى غير المعتادة، فإن فائدة هذا النهج، رغم منطقيته، لا تزال بحاجة إلى إثبات.

 بعثات الاستكشاف المستقبلية 
لا تقتصر المخاطر المرتبطة بفقدان كتلة العضلات الهيكلية وقوتها وقدرتها على التحمل على مقدار الفقدان فحسب، بل تعتمد أيضاً على المستوى المرجعي الذي بدأ منه الفرد، وعلى الجهد الفسيولوجي النسبي المطلوب لإتمام مجموعة المهام الضرورية بنجاح خلال فترة زمنية محددة. وبناءً على ذلك، يتعين على عضو الطاقم أن يكون قادراً على إتمام المهمة قبل تعرضه للجاذبية الصغرى، كما لا يجوز السماح بانخفاض مستوى القدرة الوظيفية إلى ما دون الحد اللازم لإنجاز جميع المهام الموكلة بنجاح، مع ضرورة تحديد متطلبات الأداء البدني اللازمة لإتمام تلك المهام؛ فبدون المعلومات المتعلقة بمتطلبات الأداء البدني، يستحيل تحديد مخاطر الفشل.

علاوة على ذلك، إذا تعذر على عضو الطاقم إتمام مهمة ما قبل التعرض للجاذبية الصغرى، فمن المنطقي الجزم بأن خطر الفشل أثناء البعثة يبلغ 100%. وحتى لو امتلك عضو الطاقم القدرة على إتمام كل مهمة على حدة، فإن تتابع المهام المطلوب إنجازها خلال فترة زمنية محددة يفرض متطلبات مختلفة تماماً؛ إذ قد يؤدي اختيار مجموعة من المهام ضمن فترة عمل واحدة إلى تجاوز قدرات العضو الواحد أو ربما الطاقم بأكمله. كما يجب مراعاة جميع الاحتمالات الطارئة التي قد تنشأ، لضمان قدرة عضو الطاقم على التعامل مع مثل هذه السيناريوهات الخارجة عن النطاق المعتاد حتى في نهاية يوم عمله. وبناءً عليه، فإن اتباع نهج بسيط مثل الجدولة المدروسة للمهام اليومية قد يساهم بفاعلية في تخفيف المخاطر.

ومن خلال المناقشة السابقة، تبرز عدة عناصر جوهرية يجب معرفتها لتقدير المخاطر المتعلقة بفقدان كتلة العضلات الهيكلية وقوتها وقدرتها على التحمل، وتشمل:

 المستوى المرجعي للأداء الوظيفي لعضو الطاقم (القوة، والتحمل، ومستوى الأداء الوظيفي، وغيرها).
 حجم الفقدان الوظيفي مقارنة بالمستوى المرجعي في أي نقطة أثناء البعثة.
 الجهد الفسيولوجي المطلوب لمهمة معينة أو لمجموعة من المهام المراد إنجازها.
 الفترة الزمنية التي يجب خلالها تنفيذ المهام.
 جميع الأحداث الطارئة المحتملة التي قد تؤثر على الأداء الوظيفي.
 أي ظروف تداخل أخرى قد تؤثر على الأداء الوظيفي (مثل الحالة التغذوية والنفسية، ومواصفات بدلة النشاط خارج المركبة، وتعطل المعدات أو فشلها، والمرض، والإصابة، وغيرها).

ويمكن الحصول على مؤشر لأهمية الأداء المرجعي الفردي من خلال مثال توضيحي من "برنامج إيدومب"؛ حيث كان فقدان قوة العضلات المثنية والباسطة للجذع أكبر لدى أعضاء الطاقم الذين مارسوا التمارين على جهاز المشي الخاص بالمكوك أثناء الرحلة مقارنة بزملائهم الذين لم يمارسوا التمارين خلال بعثتهم. ورغم أن هذا قد يبدو منافياً للمنطق للوهلة الأولى، إلا أن المنطق البسيط يفسر ذلك؛ فأعضاء الطاقم الذين اختاروا ممارسة التمارين أثناء الرحلة فعلوا ذلك لأنهم كانوا يمارسونها بانتظام كجزء من روتينهم اليومي قبل الرحلة. وبما أنهم كانوا يتمتعون بمستوى لياقة أعلى من زملائهم الذين لا يمارسون الرياضة، فقد فقدوا قدراً أكبر من القوة أثناء الرحلة. ومع ذلك، فإن بيانات "نسبة التغير المئوية" لا يمكنها تحديد مستويات القوة المطلقة؛ فمثلاً، قد يفقد أعضاء الطاقم الممارسون للرياضة ضعف قوة عضلات البطن والظهر مقارنة بنظرائهم غير الممارسين، ومع ذلك تظل عضلاتهم أقوى إذا كانت في الأصل أقوى بثلاثة أضعاف من عضلات زملائهم غير الممارسين.

 بعثات الرحلات القمرية 
فيما يتعلق بالبعثات المأهولة المستقبلية، ستمثل بعثات الرحلات القمرية على الأرجح أدنى مستوى من المخاطرة بين البعثات المخطط لها حالياً، ومن المتوقع ألا تتجاوز مخاطرها تلك التي واجهتها بعثات أبولو (على الأقل فيما يتصل بأداء العضلات الهيكلية)، ما لم تُوضع خطط لعمليات سطحية غير اعتيادية تختلف جوهرياً عن العمليات التي أُجريت على سطح القمر في برنامج أبولو. وقد بلغت أطول مدة تراكمية للنشاط خارج المركبة على سطح القمر قام بها طاقم خلال برنامج أبولو قرابة 22 ساعة (موزعة على ثلاثة أيام منفصلة)، بينما وصلت أطول مدة إجمالية قضاها طاقم على سطح القمر إلى نحو 75 ساعة، وذلك خلال بعثة أبولو 17، وهي البعثة السادسة والختامية في البرنامج.

إن الإجابة عن التساؤل حول ضرورة توفير معدات تمارين لأعضاء الطاقم في الرحلات القصيرة من وإلى القمر هي في الواقع إجابة سهلة وبسيطة؛ إذ تأتي بـ "نعم" مدوية. فخلال بعض بعثات أبولو، وُضع تحت تصرف أعضاء الطاقم جهاز صغير وخفيف الوزن يُدعى "إكسر-جيني"، وهو جهاز لا يتطلب طاقة خارجية، وجرى تشجيعهم على استخدامه. وتعد التعليقات المحددة التي جُمعت من رواد فضاء أبولو خلال "قمة أبولو" الأخيرة ذات صلة وثيقة بهذا الشأن ، ويمكن تلخيصها فيما يلي:

 لا تُعد التمارين الرياضية ضرورية في الرحلات القصيرة، ولم يشعر الرواد بأنهم عانوا من ضعف ملحوظ في لياقتهم، لكنهم طالبوا بتوفير إمكانية ممارسة التمارين قدر الإمكان من أجل "الراحة والاسترخاء" في جميع مراحل البعثة. وقد استخدم جميع أعضاء الطاقم جهاز التمارين بمعدلات وكثافات متفاوتة. وشعر أفراد طاقم سطح القمر (الذين أمضوا 22 ساعة كحد أقصى في العمليات السطحية خلال إقامة استمرت 75 ساعة في أبولو 17) أن أنشطتهم على السطح وفرت قدراً كافياً من التمرين بالنسبة لبعثة قصيرة المدى، لكنهم كانوا ليرحبوا بجهاز بسيط ومتين لتمارين التمدد والساعدين. (ملاحظة: ظل جهاز "إكسر-جيني" في وحدة القيادة مع طيار وحدة القيادة، ولم يرافق رائدي الفضاء اللذين هبطا إلى سطح القمر في المركبة القمرية).

 رأى رواد فضاء أبولو أنه لا ينبغي لأطباء الطاقم ومخططي البعثات وضع جداول صارمة للتمارين في مثل هذه البعثات قصيرة المدى، بل يجب ترك الأمر لتقدير الرواد لممارستها في أوقات فراغهم.
 ذكر الرواد أن هناك حاجة لجهاز تمارين أثناء الطيران يكون أكثر متانة وخفة في الوزن مما كان مستخدماً في أبولو؛ فقد كان جهاز "إكسر-جيني" محدود الإمكانيات، وكانت حباله قابلة للتفتت، كما كان الجهاز يولد الكثير من الحرارة والروائح الكريهة، لذا تبرز الحاجة إلى جهاز تمارين بديل.
 شعر معظم أعضاء الطاقم أن الجدول الزمني السابق للبعثة يجب أن يوفر وقتاً كافياً للحفاظ على القوة البدنية والتحمل العضلي الهيكلي. وعزا بعض الرواد قدرتهم على العمل على سطح القمر إلى التدريب الذي تلقوه قبل البعثة، لأنه في بعض الحالات كانت هناك حاجة لبذل قوة أكبر على سطح القمر أثناء ارتداء بدلة النشاط خارج المركبة مما كان مطلوباً في بيئة الجاذبية الأرضية.
 شعر الطاقم بضرورة وجود جهاز "إكسر-جيني" أو بديل له، وبسبب خوفهم من كسر الجهاز، فقد خففوا في الواقع من كثافة استخدامه للحفاظ عليه من أجل استخدامه في استعادة لياقتهم خلال رحلة العودة قبل الدخول في الغلاف الجوي.
 كانت أقوى الملاحظات هي المطالبة بـ "بناء أكبر عدد ممكن من إمكانيات ممارسة التمارين في جميع مركبات الفضاء المستقبلية"، لأنها ستُستخدم حتماً، كما أكد الطاقم أن توفر القدرة على ممارسة الرياضة طوال مدة الرحلة أمر بالغ الأهمية، مع ضرورة توفير مجموعة متنوعة من التمارين.

 بعثات القواعد القمرية 
ستفرض بعثات القواعد القمرية تحدياً أكبر من بعثات "الرحلات" القصيرة، ولكن فيما يتعلق بموضوع المخاطر الحالي، فإنها تمثل على الأرجح مخاطر مشابهة لتلك التي تمت مواجهتها في محطة الفضاء الدولية. فبالرغم من أن الجاذبية القمرية تعادل سدس جاذبية الأرض تقريباً، إلا أنها تظل أكثر ملاءمة لتوفير إجهاد ميكانيكي كافٍ للحفاظ على الكتلة العضلية ووظيفتها مقارنة بالجاذبية الصغرى. ومن المؤكد أن الأمر سيتطلب أنظمة وأجهزة للتمارين الرياضية، ليس فقط لمواجهة ضمور العضلات، بل وللأسباب التي ذكرها رواد فضاء أبولو سابقاً أيضاً. ولا تزال كمية التمارين المطلوبة والطريقة المثلى لتنفيذها تمثل فجوات معرفية تتطلب أبحاثاً ابتكارية لسدها؛ ولا شك أن جزءاً من هذه الأبحاث سيساعد في تحديد مستوى المخاطر التي سيتعرض لها أفراد الطاقم، كما سيكون مفيداً في التخفيف من تلك المخاطر بشكل صحيح.

 رحلة العبور إلى المريخ 
بلا شك، تمثل رحلات النقل بين الأرض والمريخ، وكذلك رحلة العودة، أكبر المخاطر التي واجهها البشر في تاريخ الرحلات الفضائية المأهولة. وبغض النظر عن مخاطر التعرض للإشعاع، يجب منع تدهور الجهاز العضلي الهيكلي، وإلا فلن تكلل البعثة إلى المريخ (والعودة منه) بالنجاح. إن وجود بروتوكولات تمارين مصقولة للغاية ومعدات تمارين قوية وطرق لمراقبة القدرة الوظيفية أمر إلزامي للتخفيف من المخاطر الكامنة في تعرض البشر لفترات طويلة للجاذبية الصغرى. ويتمثل التحدي الأكبر في توفير ما سبق ضمن التصميم الحالي لمركبة استكشاف الطاقم، والتي توفر مساحة ضئيلة للغاية للمعدات والطاقم؛ إذ إن المساحات الضيقة لن توفر مكاناً كافياً للتمدد أو التمرين. ومن التحديات الإضافية التي يجب التغلب عليها توفير طاقة محدودة أو معدومة للمعدات، ونظام دعم حياة بشري قد يكون تصميمه بالكاد كافياً لدعم برنامج تمارين كامل من خلال التعامل بكفاءة مع الحرارة وبخار الماء وثاني أكسيد الكربون التي تعد نواتج ثانوية لممارسة الإنسان للتمارين.

 القاعدة المريخية 
ستكون المعرفة المكتسبة خلال بعثات القواعد القمرية ذات صلة وثيقة بالنجاح في إنشاء قاعدة مريخية. وإذا أمكن مواجهة التحديات التي تفرضها رحلة العبور الطويلة إلى المريخ وفترة التعرض الطويلة للجاذبية الصغرى، فإن مرحلة القاعدة المريخية يجب أن تمثل مخاطرة أقل بكثير بالمقارنة، حيث ستكون تجربة القواعد القمرية قد أتاحت فرصة كبيرة لتطوير استراتيجيات تخفيف المخاطر لهذه المرحلة. إن بيئات الجاذبية متشابهة؛ وفي الواقع، فإن حقل الجاذبية المريخي، كونه أكبر من جاذبية القمر، سيوفر بيئة أقل صعوبة. ومع ذلك، فإن القدرة على توفير طاقة تمارين كافية خلال مرحلة القاعدة المريخية أمر ضروري لإعداد الطاقم للتعرض الطويل للجاذبية الصغرى أثناء رحلة العودة إلى الأرض. ويمثل هذا على الأرجح التحدي الأكبر فيما يتعلق بالحفاظ على مستوى آمن من أداء العضلات الهيكلية لبعثات فئة الاستكشاف.

 الفجوات الحالية 
رغم مرور أربعة عقود من الجهد، لم يتحقق النجاح التام بعد في الوقاية من ضمور العضلات الناجم عن الرحلات الفضائية وعجز وظائف العضلات الهيكلية في كل الحالات، وإن كان قد تم إحراز تقدم. لقد منعتنا الفجوات في معرفتنا من تنفيذ برنامج إجراءات وقائية يخفف تماماً من مخاطر فقدان الكتلة العضلية ووظيفتها وقدرتها على التحمل أثناء التعرض للجاذبية الصغرى للرحلات الفضائية، وخاصة خلال البعثات طويلة المدى. وهناك أيضاً فجوات في معرفتنا حول العمل والعيش في بيئات الجاذبية الجزئية، وتأثير ارتداء بدلة النشاط خارج المركبة على الأداء البشري في مثل هذه البيئة.

 في بيئة الجاذبية الصغرى 
تشمل الفجوات المعرفية الرئيسية التي يجب معالجتها من خلال الأبحاث المستقبلية للتخفيف من مخاطر فقدان الكتلة العضلية ووظيفتها وقدرتها على التحمل ما يلي:

 بالنسبة للبشر الذين يعيشون في بيئة ذات جاذبية صغرى، يظل النظام الرياضي الأمثل، بما في ذلك أساليب التمرين وكثافته وحجمه اللازم لتقليل المخاطر أو تخفيفها تماماً، مجهولاً. لذا يجب تطوير "وصفة رياضية" مناسبة والتحقق من صحتها أثناء الرحلات الفضائية.
 تظل أنواع المتطلبات الوظيفية لأجهزة التمرين، وأكثر واجهات التفاعل راحة بين الإنسان والجهاز لتقليل المخاطر أو تخفيفها تماماً، غير محددة بعد. ومن المرجح أن تكون هذه الأجهزة خاصة بكل بعثة، ويجب اختبار فاعليتها في البيئة المناسبة.
 يظل تأثير استخدام "جهاز التمرينات المقاومة المطور" المتاح حالياً أثناء الطيران في الحفاظ على قوة العضلات الهيكلية غير معروف. وبسبب العيوب المتأصلة في "جهاز التمرينات المقاومة المؤقت" (الذي يبلغ أقصى حمل يمكن تحقيقه فيه 300 رطل تقريباً)، لم نوفر فرصة تمرينات مقاومة مثالية لأطقم الطيران. لذا تعد إجراء دراسة أثناء الطيران باستخدام الجهاز المطور أمراً ضرورياً لتحديد فاعلية برنامج يجمع بين تمرينات الهوائية (الأيروبيك) وتمرينات المقاومة أثناء التعرض الطويل للجاذبية الصغرى.
 لم تُحدد بشكل دقيق التكلفة الفسيولوجية لمجموع المهام الحرجة الخاصة بكل بعثة على أعضاء الطاقم أثناء عمليات النشاط خارج المركبة على السطح. وهذا الأمر ضروري لتحديد المتطلبات الوظيفية البشرية والمخاطر المصاحبة لها. ويجب تحديد مستوى تحميل العضلات الهيكلية وتمرينات الأيروبيك التي يوفرها النشاط خارج المركبة على سطح القمر، إما من خلال النمذجة أو دراسات النماذج القمرية الأرضية، ثم التحقق من صحة النتائج.
 بالنسبة للبشر الذين يعيشون في بيئات ذات جاذبية جزئية، تظل الأنظمة الرياضية المثلى، بما في ذلك الأساليب والكثافة والحجم اللازم لتقليل المخاطر، مجهولة. ويجب تطوير وصفات رياضية مناسبة والتحقق من صحتها في بيئات الجاذبية الجزئية.
 من المعروف أن بدلات النشاط خارج المركبة تقلل من القوى القصوى الفعلية التي يمكن أن يولدها أعضاء الطاقم لإتمام المهام، بحيث يضيع جزء من الجهد المبذول في مقاومة البدلة نفسها. ولا تزال مستويات الأداء البشري أثناء ارتداء البدلة عند العمل في بيئات الجاذبية الجزئية غير معروفة، وتمثل فجوة معرفية إضافية يجب سدها من خلال إجراء الأبحاث المناسبة.

 في بيئات المحاكاة 
 لتطوير الأنظمة الرياضية اللازمة لسيناريوهات البعثات المختلفة، سيكون من الضروري استخدام بيئات المحاكاة الأرضية. ولم تُحدد بعد بيئات المحاكاة المناسبة لتحسين الوصفات الرياضية وأجهزة التمرين الخاصة بكل بعثة.
 في البداية، سيكون من الضروري توفير بيئة محاكاة قمرية لتحديد ما إذا كانت أنشطة الحياة اليومية، مقترنة بأنشطة النشاط خارج المركبة المتوقعة على السطح، ستحمي وظائف العضلات الهيكلية. وستحدد نتائج هذه الدراسة أنماط وكثافات وأحجام التمارين الإضافية التي ستكون مطلوبة للحفاظ على وظائف العضلات في بيئة الجاذبية القمرية الجزئية.
 ستكون نتائج دراسات المحاكاة القمرية لا تقدر بثمن لتصميم وتخطيط بعثة القواعد المريخية.

 سيناريوهات عمليات بعثات الاستكشاف 
إن القيام ببعثة إلى المريخ أو كوكب آخر أو كويكب داخل النظام الشمسي ليس أمراً مستحيلاً خلال العقدين القادمين. وتمثل فترات العبور الممتدة من وإلى الأجرام السماوية البعيدة، في سياق التصاميم الحالية لمركبات استكشاف الطاقم، تحدياً جسيماً لمجتمع علوم الحياة. وستكون المعرفة المستمدة من الخبرة والأبحاث أثناء التعرض الطويل للجاذبية الصغرى في محطة الفضاء الدولية مفيدة في التخفيف من المخاطر التي تواجه البشر خلال هذه المرحلة. كما يجب سد العديد من الفجوات في معرفتنا الحالية حول العيش والعمل لفترات طويلة على أسطح الكواكب في بيئات الجاذبية الجزئية خلال بعثات القواعد القمرية.

 انظر أيضاً 
 طب الفضاء
 انعدام الوزن
 آثار رحلة الفضاء على جسم الإنسان
 وليام ثورنتون
 محطة الفضاء الدولية
 مختبر فضائي
 سكاي لاب
 مير

 المراجع 

 وصلات خارجية 




تصنيف:رحلات فضائية
تصنيف:طب الفضاء