宇宙飛行士が国際宇宙ステーションに閉じ込められる：宇宙で人体はどのように変化するのか？

9月27日、NASAの宇宙飛行士フランク・ルビオ氏は、過去371日間の住処であった軌道ステーションのモジュールと巨大な太陽電池パネルに別れを告げた。ルビオ氏の国際宇宙ステーション（ISS）からの離脱と地球への帰還は、これまででアメリカ人による最長の宇宙飛行の終わりを告げた。

ルビオ宇宙飛行士の軌道滞在は、355日間連続というこれまでの記録を上回ったが、同宇宙飛行士と同僚が地球への帰還に向けて準備していた宇宙船から冷却材が漏れたため、3月に延長された。宇宙で過ごした数か月間に、ルビオ氏は地球の周りを合計5,963周し、2億5,330万キロメートルを移動した。しかし、これらの数字は、1990年代半ばにロシアの宇宙飛行士ヴァレリー・ポリコフがミール宇宙ステーションに滞在した437日間という、人類の宇宙飛行の最長記録には、まだ約2か月足りない。

国際宇宙ステーションの低重力環境で長期間生活したことでルビオ宇宙飛行士の身体は大きな負担を強いられたため、カザフスタンの草原に着陸したソユーズMS-23宇宙船から回収チームによって引き上げられなければならなかった。

しかし、延長ミッション中、ルビオは限られた運動器具を使った運動が人体にどのような影響を与えるかを調べる研究に参加した最初の宇宙飛行士となった。この研究は、現在の計画では1,100日かかると予想されている火星への旅など、太陽系のさらに奥深くへのミッションに向けられている。

では、1年以上続く宇宙飛行は人体にどのような影響を与えるのでしょうか?

筋肉と骨

手足に常に重力がかかっていなければ、筋肉と骨の量は急速に減少し始めます。最も影響を受けるのは、背中、首、ふくらはぎ、大腿四頭筋など、姿勢を維持する筋肉です。微小重力下では、それほど懸命に働く必要がなくなり、萎縮し始めます。わずか 2 週間で筋肉量は最大 20% 減少し、3 か月から 6 か月の長期ミッションでは 30% 減少する可能性があります。

同様に、宇宙飛行士は地球の重力下ほど骨格に機械的ストレスをかけないので、彼らの骨も脱灰し、強度を失い始めます。宇宙飛行士は宇宙滞在中、1 か月ごとに骨量の 1 ～ 2% を失い、6 か月で最大 10% 失う可能性があります。 （地球上では、高齢の男性と女性は、1 年に 0.5% ～ 1% の割合で骨量が減少します。）これにより骨折のリスクが高まり、治癒に時間がかかる可能性があります。地球に帰還後、骨量が正常に戻るまでには最大 4 年かかる場合があります。

これに対抗するため、宇宙飛行士は国際宇宙ステーションの軌道上にいる間、毎日2.5時間の激しい運動と訓練を行わなければなりません。トレーニングには、ISS「ジム」に設置された抵抗運動器具を使用したさまざまなスクワット、デッドリフト、懸垂、腕立て伏せのほか、トレッドミルやエアロバイクでの通常のトレーニングが含まれます。彼らはまた、骨をできるだけ健康に保つためにサプリメントも摂取しています。

また、体に作用する重力がないため、宇宙飛行士は背骨が長くなり、少し背が高く感じます。これにより、宇宙滞在中に腰痛が生じたり、地球に帰還したときに椎間板ヘルニアなどの問題が発生する可能性があります。

減量

軌道上では重量はあまり問題になりませんが、軌道上で重量を維持することは困難です。 NASAは宇宙飛行士に、最近では宇宙ステーションで栽培されたレタスなど、さまざまな栄養価の高い食べ物を摂取させようと努めているが、それでも宇宙飛行士の身体に負担をかける可能性がある。国際宇宙ステーションで340日間を過ごした後、長期宇宙飛行の影響に関する最も大規模な研究に参加したNASAの宇宙飛行士スコット・ケリーは、体重の7％を失った。

国際宇宙ステーションでの旅の後にスコット・ケリー氏を調べた研究者らは、彼の腸内に生息する細菌や真菌が宇宙飛行前と比べて劇的に変化していることを発見した。

ビジョン

地球上では、重力によって体内の血液が下方に押し下げられ、心臓によって血液が上に送り出されます。しかし、宇宙ではこのプロセスが混乱し、通常よりも多くの血液が頭部に蓄積する可能性があります。この液体の一部は目の後ろや視神経の周りに蓄積し、腫れを引き起こす可能性があります。これにより、鮮明さの低下や目の構造の変化など、視力の変化が生じる可能性があります。これらの変化は宇宙に滞在してわずか2週間後には起こり始めますが、その後はリスクが増大します。目の変化の中には、宇宙飛行士が地球に帰還してから約 1 年以内に正常に戻るものもありますが、永久に残るものもあります。

銀河宇宙線や太陽の高エネルギー粒子にさらされると、他の目の問題も引き起こす可能性があります。地球の大気は私たちをこうしたものから守ってくれますが、国際宇宙ステーションの軌道上ではこの保護がなくなります。

神経障害

ISSでの長期滞在後、宇宙飛行士ケリーの認知能力はほとんど変化せず、地上にいる双子の兄弟と比較的同様の状態を保っていたことが判明した。しかし研究者らは、ケリー氏の認知機能の速度と正確さが帰還後約6か月で低下したことを発見した。これはおそらく、彼の脳が地球の重力と宇宙とは全く異なる生活様式に再適応したためだと考えられる。

2014年に国際宇宙ステーションで169日間を過ごしたロシアの宇宙飛行士を対象とした研究でも、軌道上で起こると思われる脳の変化がいくつか明らかになった。研究では、運動機能に関わる脳の部分と、方向感覚、バランス、自分の動きの認識に重要な役割を果たす前庭皮質の神経接続レベルに変化があったことが判明した。

宇宙における無重力の特異性を考えると、これはおそらく驚くべきことではない。宇宙飛行士は、重力に縛られずに効率的に移動して、上下のない世界に適応する方法を学ばなければならないことがよくあります。

最近の研究では、長期間の宇宙ミッション中に脳の構造に生じる可能性のある他の変化についての懸念が提起されている。脳内の右側脳室と第三脳室と呼ばれる空洞（脳脊髄液を貯蔵し、脳に栄養を供給し、老廃物を処理する）は腫れることがあり、元の大きさに戻るまでに最大 3 年かかります。

善玉菌

近年の研究から、健康の鍵は私たちの体内や体表に生息する微生物の構成と多様性にあることが明らかになっています。このマイクロバイオームは、私たちが食べ物を消化する方法、体内の炎症のレベル、さらには脳の機能にまで影響を与える可能性があります。

ISSへの旅の後に宇宙飛行士ケリーの健康状態を調べた研究者らは、彼の腸内に生息する細菌や真菌が宇宙飛行前と比べて大きく変化していることを発見した。彼が食べていた食べ物が大きく異なっていたことや、一日を通して一緒にいた人々が変化したことを考えると、これはおそらくまったく驚くべきことではないかもしれません（私たちは一緒に暮らす人々から膨大な量の腸内細菌叢と口腔内細菌叢を獲得します）。

肌

ケリー氏の皮膚は非常に敏感であることが判明し、宇宙ステーションから帰還してから約6日後に発疹が出た。研究者たちは、作業中に皮膚への刺激がなかったことが、彼の皮膚の反応に影響したのではないかと推測している。

ISS の微小重力環境は人体に大きな影響を与える可能性があり、人類が太陽系のさらに奥深くを探索する上でこれは課題となるでしょう。

遺伝子

ケリー氏の長期にわたる宇宙旅行で得られた最も重要な発見の一つは、それが彼のDNAに及ぼした影響であった。 DNAの各鎖の末端にはテロメアと呼ばれる構造があり、これが人間の遺伝子を損傷から守るのに役立つと考えられています。年齢を重ねるにつれて、これらのテロメアは短くなりますが、ケリー氏や他の宇宙飛行士に関する研究により、宇宙旅行によってこれらのテロメアの長さが変化することが明らかになりました。

「しかし、最も衝撃的なのは、宇宙飛行中にテロメアが著しく長くなったという発見だ」と、ケリーさんと弟の研究チームの一員だったコロラド州立大学の環境衛生・放射線学教授スーザン・ベイリー氏は語った。スーザンは、6 か月未満のミッションに参加した他の無関係の宇宙飛行士 10 名と個別に研究を実施しました。 「もう一つの驚きは、地球に帰還した乗組員全員のテロメアの長さが急速に短くなったことだ。」

なぜこのようなことが起こるのかは正確には不明だと彼女は述べた。 「手がかりはいくつかあるが、宇宙で1年間過ごしたルビオ氏のような長期滞在クルーの存在が、この反応とその潜在的な健康への影響を本当に特徴づけ、理解する上で極めて重要になるだろう」