Lékařství v kosmonautice – cesta na Mars

Projekt tak náročný jako vyslání lidské posádky na Mars s sebou nese kromě jiných i mnoho zdravotních rizik. Ve stavu beztíže dochází k odplavování vápníku a následnému křehnutí kostí, ke zmenšení objemu krve, atrofii svalů (včetně srdečního svalu) – zejména v nohách, oslabení celého kardiovaskulárního systému. Dochází ke sníženému prokrvování dolních končetin. Astronauti v beztíži také ztrácejí přirozený smysl pro rovnováhu a mění se mechanismus jejich pohybu. Musejí si nejprve zvyknout vnímat ve světě bez přirozené gravitace. Jak si s tím – a mnoha dalšími věcmi – poradí moderní medicína?

Sonda Phoenix, která má za úkol pátrat po zmrzlé vodě pod povrchem Marsu.

(Tento článek měl být původně přílohou k mému včerejšímu článku o výpravě na Mars obecně. Jelikož funkce přílohy nefungovala, rozhodla jsem se z ní udělat článek samostatný. Tento text je mým projektem v soutěži Expedice Mars 2007, proto nemá klasickou stavbu článku, ale je dělen do různých oddílů - viz. přehled dokumentu. Doufám, že vás odlišná stavba neodradí a získáte nové zajímavé informace nejen o kosmické biologii a medicíně.)

Zvýšená radiace během dlouhého letu může poškodit DNA buněk a tím zapříčinit různé choroby včetně rakovinného bujení. Ještě stále nevíme, nakolik během pobytu v kosmu dochází ke změnám ve fungování imunitního systému.

Velké riziko představují i „obyčejné" nemoci jako virózy, chřipková onemocnění, ekzémy nebo zažívací potíže. Kdyby někdo z členů posádky onemocněl natolik vážně, že by byla nutná operace, jak by tým reagoval? A co kdyby tak onemocněl sám lékař expedice? Základní operační nástroje musejí být maximálně jednoduché a přitom účinné. Musí existovat možnost okamžitého spojení se Zemí. Ale kdyby k potížím došlo v závěrečné části letu na Mars, trvalo by desítky minut, než by informace doputovaly k pozemským lékařům a ti poslali na loď svou odpověď. Desítky minut pouze za předpokladu, že by ji byli schopni formulovat okamžitě.

Cesta na Mars je novou metou lékařské vědy. Když jí medicína úspěšně dosáhne, změní to postupy nejen léčení ve vesmíru, ale i na Zemi. Výprava na „rudou planetu" přinese mnoho nových poznatků o chování lidského těla i mysli během dlouhodobých vesmírných letů a ve stavu snížené gravitace. Nakolik souběh všech jmenovaných faktorů - a mnoho dalších - ovlivní člověka? Na to se snažíme nalézt odpověď. A expedice na Mars ji snad nalezne.

Přehled dokumentu:

A - vybavení potřebné pro profesi lékař-biolog

A.1: kultivace rostlin na palubě vesmírné lodi

A.2: laboratoř pro zkoumání vzorků

A.3: fyzické zdraví posádky

A.4: psychická kondice posádky

B - plán práce na jednotlivé části letu

B.1: plán na 9měsíční let na Mars

B.2: plán na 9měsíční cestu zpět na Zemi

C - jednotlivé experimenty během letu

C.1: experimenty během letu na Mars

C.2: experimenty během letu na Zemi

D - experimenty přímo na Marsu

Oddíl A

•1.      kultivace rostlin na palubě vesmírné lodi

• a) malý skleník skomůrkami pro kořenový systém rostlin - viz. obr. nahoře
• b) LED diody pro optimální osvětlení (viditelné světlo snižší vlnovou délkou, blízko infračerveného záření)
• c) hnojivo pro rostliny na celou dobu výpravy, tam i zpět

•2.      laboratoř pro zkoumání vzorků

• a) normální i elektronový mikroskop
• b) analyzátor krve
• c) dostatek Petriho misek (včetně víček) a uzavíratelných baněk, skleněné tyčinky, pipety - na výzkum během pobytu na Marsu
• d) dezinfekce na vyčištění výše uvedeného vybavení

•3.      fyzické zdraví posádky

• a) cvičební zařízení převzaté zISS (aby si astronauti udrželi potřebnou kondici, bezpodmínečně musí tvrdě cvičit nejméně dvě hodiny denně)
• b) léčiva na klasické choroby a zdravotní potíže, které by se mohly během letu vyskytnout (kinetóza, bolest hlavy, potíže spojené se zažíváním, menstruační bolesti a výkyvy, chřipková onemocnění apod.)
• c) „diagnostický kufřík" - nástroje potřebné k vyšetření pacienta (včetně elektrod připojitelných na povrch těla, podobně jako měli astronauti misí Apollo a posádky vesmírných stanic; lékař jejich prostřednictvím má přehled o teplotě, intenzitě a rychlosti pulsu, krevním tlaku apod.)
• d) set první pomoci včetně množství obvazů
• e) dezinfekce - na vyčištění nástrojů
• f) dezinfekce - na ošetření ran
• g) robot operatér - upravený pro podmínky vesmírné lodi (operačního robota DaVinci vlastní i Ústřední vojenská nemocnice Praha; operačních robotů je zatím na světě přes 350, většina v USA, v Evropě asi 60)
• h) LBNP (Lower Body Negative Pressure) neboli „podtlakové kalhoty", které pravidelně nosí i astronauti na ISS; pomáhají vyrovnat přesun největšího objemu krve do horních partií těla, ke kterému ve stavu beztíže dochází

•4.      psychická kondice posádky

• a) oblíbené filmy, knihy, hry a hudba astronautů ssebou
• b) pravidelné rádiové spojení se Zemí - nejen skolegy a vědci, ale i rodinou, přáteli...; posádka také nesmí ztratit kontakt sděním na Zemi (zprávy)
• c) možno použít AVS přístroje (někdy zvané též „psychowalkmany"), které vyvinula NASA a dnes se volně prodávají; za pomoci audiovizuálních stimulů (speciálních brýlí a sluchátek) příznivě ovlivňují psychickou kondici člověka a druhotně i jeho fyzickou pohodu
• d) vhodná by byla možnost změn interiéru některých části lodi, např. osobních kajut, jestli tam budou - možnost promítnout na jejich stěnu různé obrazy či měnit barvu stěn apod.

Oddíl B

•1.      Během cesty na Mars budu jako lékař a biolog:

• a) Sledovat a kontrolovat zdravotní stav posádky. Léčit onemocnění a zranění, jestliže se vyskytnou. Zprovedených kontrol vyvozovat závěry ohledně vlivu radiace a beztíže na lidský organismus během dlouhodobého letu kosmem. Na obrázku vpravo jsou vidět změny vrozložení objemu krve od normální gravitace přes pobyt ve stavu beztíže až po návrat do 1G.
• b) Starat se o její psychickou pohodu. Na palubě budou oblíbené filmy, hry a hudba, ale důležité je hlavně udržovat kontakt slidmi. Společně prováděné experimenty, společná doba jídla, bude-li to možné, nebo ve volnějších chvílích vyprávění, konverzace, hry. Důležité jsou také rozhovory slidmi na Zemi, dokud nebude časová prodleva příliš dlouhá, a informace o nejnovějším dění na Zemi. Jak jsem zmínila v bodě A.4.d., možnost určitých změn vinteriéru kajut by pomohla vytvářet živější a rozmanitější prostředí - ne stále stejnou šedivou rutinu. Změny jsou důležité pro udržení pozornosti a dobré nálady. Navrhuji také, aby měli astronauti kdispozici osobní kajuty - stačí jen malinké, pro spaní a uložení nějakých věcí. Vtak stísněném prostoru, jakým je kosmická loď, je důležité alespoň částečné soukromí.
• c) Provádět experimenty popsané v bodě C.1. Jelikož jsou to experimenty dlouhodobého rázu, budou probíhat současně a po většinu letu kMarsu. Nelze tedy rozvrhnout program typu „první měsíc toto, druhý měsíc něco dalšího".

•2.      Během cesty z Marsu:

Program lékaře-biologa se během letu na Zemi téměř shoduje s programem během letu na Mars. Jediný rozdíl je v tom, že může ještě zkoumat vzorky nabrané na Marsu a má k dispozici větší množství dat, z nichž může vyvozovat závěry - to jak dat o Marsu, tak z letu tam. Pokračuje péče o zdravotní stav posádky a pěstování rostlin (viz. oddíl C).

Oddíl C

•1.      Experimenty cestou na Mars

• § Vypěstování rostlin na palubě vesmírné lodi.

Potřeby: Sazeničky a semena salátu, cibule, petržele, čekanky, řepy (tyto rostliny již byly pěstovány v ruských sklenících Svět a Lada, které byly umístěny na palubách kosmických stanic) a případně i nenáročných okrasných rostlin menšího vzrůstu dle vkusu posádky (ale pozor - nesmí uvolňovat pyl!, nejlépe tedy nekvetoucí rostliny okrasné svými listy).

Důležitost rostlin na palubě: Astronauti potřebují mít alespoň minimální přísun čerstvých potravin a tím i důležitých vitaminů. Ty se totiž ze zeleniny (a jiných přírodních potravin) vstřebávají mnohem lépe než z pilulek či rozpustných tablet. Rostliny také produkují kyslík a čistí vzduch od oxidu uhličitého. Významný je i jejich psychologický efekt. Přítomnost rostlin pomáhá k uvolnění a k udržení dobré nálady.

Sledování růstu rostlin: Zatím máme zkušenosti s růstem rostlin ve stavu beztíže z vesmírných stanic na orbitě Země. Jejich pěstování během expedice na Mars pomůže získat o něm další informace. Obecně platí, že rostliny s delšími výhony potřebují podpěru a že, stejně jako na Zemi, se rostliny táhnou za světlem. Ve stavu beztíže ovšem neplatí to, co obvykle - že kořen roste dolů, ve směru zemské gravitace, bez ohledu na to, jak rostlinu postavíme či položíme. Jakožto biolog budu během expedice sledovat zvláštnosti ve stavbě kořenového systému i nadzemní části rostlin a starat se o ně.

• § Výzkum biologických rytmů člověka během dlouhodobé cesty vesmírem.

Jako palubní lékař budu sledovat a zaznamenávat denní i dlouhodobé biologické rytmy posádky - dobu, kvalitu a pravidelnost spánku; pravidelnost a intenzitu menstruace u žen; případně zda se nemění doba a kvalita trávení potravy.

Pomocí EEG (elektroencefalografu) bych mohla vždy po dobu několika dní či jednoho až dvou týdnů sledovat aktivitu mozku během spánku u některého ze členů posádky. Na obrázcích dole můžete vidět, jak jsou astronauti uchyceni během spánku ve stavu beztíže.

• § Účinek potravinových doplňků svápníkem proti řídnutí kostí.

Protože ve stavu beztíže dochází k odplavování vápníku z kostí zhruba rychlostí jednoho procenta za měsíc, je důležité neustále tento prvek doplňovat, a to v co nejpřijatelnější formě pro tělo. Jelikož je nemožné mít na vesmírné lodi čerstvé mléko a jiné mléčné produkty (kromě mléka sušeného), je potřeba brát při tak dlouhodobém pobytu v mikrogravitaci, jako je let na Mars, potravinové doplňky obsahující vápník. Během cesty na Mars (i zpět) je možné vyzkoušet různé druhy a zjistit tak pomocí měření, který z nich je nejúčinnější. Jelikož jde celkově o osmnáct měsíců letu a šest měsíců na Marsu v třetinové gravitaci oproti zemské, nelze jich porovnat mnoho, ale zhruba šest (jeden na čtyři měsíce) by bylo možné vyzkoušet, zpomalit tak řídnutí kostí astronautů a pro budoucí expedice zjistit užitečné informace.

•2.      Experimenty cestou z Marsu

Jak jsem již napsala v bodě B.2., experimenty během letu na Zemi se shodují s těmi během cesty na Mars, s tím rozdílem, že cestou zpět je možno zkoumat navíc marsovské vzorky. Pokračuje pěstování rostlin a jejich pozorování.

Oddíl D

• § Hledání života (současného i vymřelého)

Biolog má důležitý úkol pátrat na Marsu po životě nebo jeho pozůstatcích. Je dokázáno, že se na Marsu vyskytuje voda (pod zemí v pevném skupenství) a necelou miliardu let po vzniku planety ještě pokrývaly část jeho povrchu rozsáhlé oceány. Dnes jsou vědci přesvědčeni, že pod povrchem Marsu můžeme nalézt celá zmrzlá jezera či mělká, ale široká moře. Na to odkazuje například článek na této internetové adrese: http://www.astro.cz/clanek/1906.

Tam, kde je voda (byť zmrzlá), může být i život. Byly objeveny bakterie, které celkem spokojeně přežívají v arktickém a antarktickém ledu a vyšší teploty na ně dokonce působí nepříznivě.

Mám tedy v plánu odebrat vzorky z hloubky několika metrů na různých místech, kde se vyskytuje pod povrchem Marsu led. Vhodná se zdá být oblast Elysium o rozloze zhruba 800krát 900 km, o níž se píše ve výše zmiňovaném článku. V květnu příštího roku na Marsu také přistane americká sonda Phoenix, která má hledat zmrzlou vodu v severních polárních oblastech.

Odebrané vzorky posléze prozkoumám pod mikroskopy - za dodržování přísných bezpečnostních opatření, aby nedošlo ke kontaktu případného marsovského života s tím pozemským. Jestliže budou nalezeny stopy života, budou nadále zkoumány, aby byla zodpovězena řada otázek: Mají tyto organismy také DNA či RNA, nebo je jejich dědičná informace uchovávána  a množena jiným způsobem? Jaké podmínky jim vyhovují? Jak reagují na změny teploty, světla, tlaku, tíže...?

Vyvstává také otázka, zda vozit tyto vzorky na Zemi. Někteří lidé se obávají kontaminace Země marsovským životem. Toto rozhodnutí neleží na posádce, ale na vyšších místech. Přesto si dovoluji vyslovit svůj názor: Podle mne je užitečné - a pro další zkoumání nezbytné - dovézt k Zemi nějaké vzorky tamního života, pakliže existuje. K dalšímu bádání by mohlo docházet na orbitální stanici, bezpečně daleko od povrchu Země. Výzkumníci vracející se na Zem by prošli karanténou a důkladnou očistou. Myslím si, že při dodržení všech bezpečnostních opatření by dovezení vzorků k Zemi nepředstavovalo vážné riziko.

• § Postavení skleníku a pěstování rostlin na Marsu

Na Marsu je možné postavit experimentální skleník a sledovat, jak si rostliny poradí v různých podmínkách - při tlaku asi stokrát nižším než na Zemi, v třetinové gravitaci, nižších teplotách (samozřejmě ovšem, že i tak budou ve skleníku mnohem vyšší než v jeho okolí), jiném složení atmosféry a tím pádem i jiném množství oxidu uhličitého. Ten na Marsu sice tvoří 95 % atmosféry, ta je však mnohem řidší než na Zemi.

Skleník může mít různé části - v některých může být třeba vyšší tlak vzduchu nebo trochu jiná teplota, podle požadavků jednotlivých rostlin. Ty budou zároveň produkovat kyslík důležitý pro obytnou marsovskou stanici.

Jak by si vedly pozemské organismy na marsovské půdě složené převážně z oxidu železitého? I tato otázka se zde dá zodpovědět. Většina rostlin bude ale samozřejmě pěstována hydroponicky, bez půdy.

Rostliny, které nebudou experimentálně vystaveny marsovské půdě, mohou po zhodnocení, že jsou v pořádku - tedy nepoškozené radiací, stále sloužit i jako zdroj potravy.

• § Jemný marsovský prach - problém?

Pokud se člověk na Marsu nedostane hlouběji než 5000 metrů (kde by stačila dýchací maska) pod stanovenou „nulovou výšku", bude muset kvůli nízkému tlaku nosit lehký skafandr. Možná je to lepší řešení než pouhá kyslíková maska i ve větších „hloubkách", protože chrání před marsovským prachem lépe než obyčejná kombinéza, třebaže protkaná nanovláknem (česká společnost Elmarco je zatím jedinou firmou na světě vlastnící technologie výroby nanovláknových materiálů a má stroje pro jejich průmyslovou výrobu; zajištění těchto materiálů pro let na Mars by tedy nemělo být problémem). Na druhou stranu, na skafandru jsou elektronická zařízení, která by se působením jemného mikroskopického jílovitého prachu mohla poškodit. Je třeba tedy zajistit dostatečnou ochranu všem přístrojům i člověku - pomoci by mohla právě hustá síť nanovláken nebo pevný kryt na částech zařízení, kam by prach mohl proniknout.

Zatím se však ukazuje, že marsovský prach zřejmě není pro techniku až tak velkým problémem - sondy Spirit a Opportunity již čtrnáctkrát překročily dobu své předpokládané životnosti. Vědci čekali, že jejich solární panely budou dnes již zasypané prachem, ale na Marsu vane vítr, který tento prach přenáší a panely sond čistí.

Jak je to s hroznými či méně hroznými účinky mikroskopického marsovského prachu doopravdy, se ukáže až přímo na Marsu, po přistání lidské posádky. Jedno je ale jisté - přestože na techniku nemusí mít tak katastrofální vliv, jak se předpokládalo, prach může být velmi nebezpečný po vdechnutí člověkem. Může ucpávat průdušinky v plicích a při vdechnutí velkého množství způsobit i smrt. Je tedy životně důležité zajistit, aby žádný prach nepronikl do dýchacího zařízení. V tom může pomoci několikavrstevné krytí kyslíkových bomb, masky i trubice. Mezi těmito vrstvami by mohla být i již zmíněná nanovlákna.

• § Vliv marsovských podmínek na lidský organismus

Na Marsu se posádka ocitne v třetinové gravitaci oproti Zemi. Po stavu beztíže během letu bude potřeba si na ni několik dní zvykat - nejprve si, hned po přistání, pomalu přivykat vsedě nebo vleže, potom opatrně vstát a pak začít chodit. Po pár dnech, kdy už je tělo (třebaže stále zesláblé z dlouhého pobytu v beztíži) na nové podmínky adaptované, je už možné se začít plně věnovat své práci.

Vliv marsovské atmosféry na člověka rozebírat nemusím, protože se s ní pravděpodobně (pokud vše půjde, jak má) ani částí kůže nedostane do styku a mimo stanici bude dýchat z kyslíkové masky. Možné dopady jemného prachu jsem již popsala v předchozím bodě.

Jakožto lékař budu zkoumat, jak rychle si těla astronautů přivykají na pobyt v gravitačním působení Marsu. Výsledky pozorování budou užitečné při dalších dlouhých meziplanetárních letech.

Mars nemá magnetické pole, protože jeho jádro je tuhé a nemůže sloužit jako „dynamo" podobně jako na Zemi. Navíc ho nechrání silná vrstva atmosféry - na povrch tedy dopadá velké množství vesmírného záření. Marsovská základna bezpodmínečně musí mít ochranu proti němu, pravděpodobně asi deseticentimetrovou vrstvu vody mezi plášti stanice. Vodík je materiál, který před radiací chrání zatím nejspolehlivěji, a voda je snadno dostupná látka, kde se ho vyskytuje dostatek. Vliv záření na člověka by tedy snad měl na povrchu Marsu být spíše zanedbatelný, ačkoli se musí počítat s dlouhým pobytem ve skafandrech mimo základnu. I míra působení radiace na Marsu bude důležité zjištění pro budoucí expedice.

Závěrem:

Beztíže, radiace, dlouhá izolace, jemný mikroskopický prach, neočekávané prachové bouře, technická i lidská selhání... to je jen malý výčet překážek, které by se mohly postavit do cesty úspěchu výpravy na Mars. Experti se nemohou shodnout na tom, jaká je pravděpodobnost, že první lidská expedice na Mars uspěje a v pořádku se vrátí domů. Odhady se pohybují většinou od 75 po skličující 4 procenta, jak uvádí citace odborníků v knize Kolumbové vesmíru II: Souboj o stanice.

Ale něco jiného se postaví co cesty naopak překážkám - lidé, kteří budou odhodlaní svého cíle dosáhnout a společně vytvoří sehraný tým. Protože k úspěchu na takové cestě je možno dospět jedině dokonalou spoluprácí. A jako lékař a biolog budu tvořit jeho nedílnou součást.

Mars, Arés, bůh války, se nyní může stát příkladem míru a „tahání za jeden provaz". Není možné jej dosáhnout bez spolupráce členů posádky, ale ani bez spolupráce jednotlivých států. A tak i Mars postrkuje Zemi k vytváření jednotnějšího celku - protože z vesmíru nejsou žádné společenské a politické hranice viditelné.

Než se něco takového stane skutečností, uplyne asi dlouhá doba. Ale my můžeme vkročit na Mars již nyní...

Zdroje:

http://exploration.nasa.gov/programs/station/PGBA_lite.html

http://www.nasa.gov/centers/marshall/news/background/facts/PGBA_Bioserve.html

http://adsabs.harvard.edu/abs/1996AdSpR..18..165R

http://www.akademon.cz/source/dust.htm

http://www.space.com/

http://iss.jaxa.jp/med/index_e.html#2.2.#2.2.

http://www.astrovm.cz/akadetail.php?id=782

www.ikoktejl.cz/magaziny/koktejl/MKveda/veda011015.html

http://www.astro.cz/clanek/1906

Kolumbové vesmíru II: Souboj o stanice (Karel Pacner, Paseka, 2007)

Vesmír (Martin Rees, Knižní klub, 2006)

Vesmír (John Gribbin, Universum, 2003)