宇宙での生活は危険に満ちているのでしょうか?宇宙にいる間、宇宙飛行士の体にはどのような変化が起こるのでしょうか?

人間の体は非常に複雑で洗練された器官です。自然は私たちに比類のない脳を与えてくれました。それによって私たちは知恵によって肉体の限界を打ち破り、空の月を目指し、5つの海で亀を捕まえることができるのです。よく発達した汗腺のおかげで、私たちは長時間走ることが可能です。私たちの柔軟な手は、地球を支配するための最も強力なツールです。これらはすべて、人間が本来持つ偉大なる形成物ですが、人間そのものは宇宙に属さない生き物です。

国際宇宙ステーションにいるアメリカ人宇宙飛行士スコット・ケリー

古代の類人猿から現代の私たちまで、私たちの進化は毎秒9.8メートルの重力加速度の環境で起こってきました。人類が叡智を駆使して大気と重力の束縛から逃れ、宇宙に進出し、広大な宇宙で才能を発揮しようとするとき、私たちは科学技術の障害に直面するだけでなく、私たち自身の身体も過酷な宇宙環境と闘わなければなりません。これらはすべて、恒星間航行が可能な宇宙船を開発するのと同じくらい簡単なことではありません。

「宇宙ステーションでの最後の159日間の任務中、骨量は減少し、筋肉は萎縮し、血液は体中に再分配され、心臓壁に負担がかかり、収縮しました。さらに心配なことに、他の多くの宇宙飛行士と同じように、視力障害も発症しました。私は、地球上の人間が浴びる放射線の30倍以上、1日あたり胸部X線撮影約10回分に相当し、この被曝により、生涯にわたって致命的な癌を発症するリスクが高まります。」

これはNASAの宇宙飛行士スコット・ケリーが宇宙旅行が自分の体に与える影響についてメディアに語っているところです。

私たちが地球にいた頃、何かが上にあるか下にあるかを判断する最も簡単な方法は、物体を投げることだった。落ちた方向は下、反対側は上でした。一般的に、この問題を詳細に調べる人は誰もいないでしょう。宇宙ステーションでは、宇宙飛行士は微小重力環境にあるため、物を投げることで「上」と「下」を区別することができません。宇宙ステーションにおける「上」と「下」という概念は、宇宙飛行士がそれらを区別し、説明できるようにするための人工的な区分です。

宇宙での乗り物酔い

「宇宙適応症候群」は SAS とも呼ばれ、宇宙で起こる乗り物酔い、または宇宙で起こる「乗り物酔い」の一種です。

重力は宇宙における私たちの方向感覚に重要な役割を果たします。宇宙旅行中の無重力状態への移行などの重力の変化は、私たちの空間認識に影響を与え、その中で私たちの体のバランスシステムが機能することを必要とします。この適応が不完全である限り、乗り物酔い（吐き気）、視覚錯覚、方向感覚の喪失などが起こる可能性があります。

ゲルマン・ステパノヴィッチ・チトフは、宇宙に行った2人目のソ連の宇宙飛行士であり、宇宙で重度の乗り物酔いのために嘔吐した最初の人物であり、SASの最初の患者と考えられています。現在までに知られている最も重篤なSAS患者は、アメリカ人のペイロード専門家、ジャック・ガーン氏です。彼は1985年のスペースシャトルSTS-51ミッション中に非常に重度のSAS症状に苦しんだため、NASAは後に宇宙飛行士が経験するSASの重症度を測定するために「ガーンスケール」と呼ばれるものを冗談めかして使用した。

宇宙に行った2人目のソ連宇宙飛行士、ゲルマン・ティトフ

ジャック・ガーン、アメリカの宇宙飛行士

宇宙での任務中、アメリカの宇宙飛行士ガーンは微小重力環境にほとんど完全に適応することができませんでした。彼の筋肉は空間内で協調することができず、前庭系は正常に機能できず、自分と目の前の物体との距離を判断することができませんでした。目を閉じていると、どこに飛べばいいのか、目標物に触れるのにどれくらい時間がかかるのか判断できなかった。物体までの距離を判断する目が衰えた... よく訓練された宇宙飛行士でも基本的にはこのレベルには達せず、体が徐々に順応するにつれて、これらの現象は3日以内に徐々に消えていく傾向があります。

しかし、ここで明確にしておきたいのは、ガーン氏は飛行中は健康状態が良好であり、SAS は健康上の問題によって発生したものではないということだ。微小重力シミュレーターでの訓練中、彼は何の症状も示さなかった。

オランダのデルフト工科大学のスザンナ・ナッキー氏は、SAS 現象を研究しました。彼女は、戦闘機パイロットの訓練で使用される遠心分離機を使用して、人間遠心分離機内で長時間高重力にさらされた人々にSASの症状が現れることを発見しました。これを体験するには、遠心分離機の中で1時間以上過ごし、地球の3倍の重力に耐えなければなりません。回転自体は特に不快なものではないが、遠心分離機から出て通常の地面に足を踏み入れると、被験者の約半数がSASに似た症状を経験した。宇宙飛行中に宇宙酔いに悩まされる宇宙飛行士は、地球上での長い周回後にも同じような症状を経験することが判明した。つまり、これらの症状は実際には無重力自体によって引き起こされるのではなく、むしろ体のバランスシステムが異なる重力環境に適応していないことが原因です。

ナッキーは、人体のバランスを感知する器官に研究の焦点を当てました。内耳に位置し、回転に敏感な三半規管と直線加速度に敏感な耳石が含まれます。左右の耳石機能の違いにより宇宙飛行士が病気にかかりやすくなる可能性が以前から指摘されていた。ナッキー氏は、宇宙酔いを起こしやすいことが知られている15人の被験者の両耳の耳石と三半規管の機能を測定することで、この非対称な耳石機能の仮説を検証した。回転後に宇宙酔いを発症した人は、耳石の非対称性が非常に高く、耳石と外耳道のシステムがより敏感であることがわかった。これらの個人は、この非対称性だけに基づいて敏感または鈍感に分類できるわけではなく、むしろさまざまな耳石と外耳道の特徴の組み合わせに基づいて分類されます。これは、宇宙酔いには平衡器官全体が関与しており、平衡器官のさまざまな部分の間で複雑な相互作用が必要になる可能性があることを示唆しています。

乗り物酔いの状態では、空間的な距離感が不明瞭なため、精密な科学機器を操作する際に誤操作を起こす可能性が高く、機器の損傷や人員のより深刻な傷害につながる可能性があります。これが、宇宙飛行士が一般的に飛行時間の長いパイロットから選ばれる理由の一つです。

たとえば、プロの宇宙飛行士でない場合は、商業的な手段で宇宙に入った世界初の人物である日本のTBS記者の秋山豊寛は、何の訓練も受けずにミール宇宙ステーションに入り、宇宙滞在初日に重度の宇宙酔いに苦しみました。普通の人が軽率に宇宙に飛び出したら、地球の美しい景色を鑑賞する間もなく、寝袋の中で気絶してしまうかもしれない。

数十年にわたる宇宙生理学実験の積み重ねの結果、宇宙酔いを防ぐ最善の方法は、ジメンヒドリナートを摂取するか、ジメンヒドリナートパッチ（ドラミネート）または平衡感覚系の活動を阻害できる類似の薬剤を使用することです。宇宙飛行士は船外活動を行う際にこれを皮膚に貼り付けることができます。ジメンヒドリナートは徐々に血液中に放出され、バランスシステムの活動を抑制し、SASの症状を大幅に緩和します。

骨と筋肉の減少

私たちの体内では、破骨細胞と骨芽細胞が相互作用し、互いに助け合って、骨密度のバランスと健康を維持しています。しかし、宇宙では、体の重さを支える骨や骨格筋、背筋が機能しなくなります。

地球上では、骨は互いに結合したバランスの取れたシステムの中で絶えず脱落と再生を繰り返しています。骨が破壊されると、破壊された骨の層の代わりに新しい骨の層が形成され、体内に動的なバランスが生まれます。しかし、宇宙では微小重力により破骨細胞の活動が増加し、破骨細胞が骨芽細胞よりも活発になります。骨はもはや動きを支えたり、体の姿勢を維持したりする必要がなくなりました。その結果、骨格系にかかるストレスはほとんどまたは全くなくなり、宇宙で長期間生活する人々は進行性の骨量減少を経験することになります。地上では、長期間寝たきりの患者は骨へのストレスが不十分なために骨粗しょう症になる可能性もあります。

この破骨細胞の活動増加の影響は、骨盤、脛骨、足の領域など、重力下で最大の負荷がかかる領域で特に顕著です。骨から失われたカルシウムは体液循環に入り、体内の血漿中のカルシウムイオンは糸球体を通過する際に徐々に腎臓に沈着し、腎臓結石のリスクが大幅に高まります。

筋肉について言えば、宇宙で減少する筋肉はNASAの資料では「抗重力筋」と呼ばれており、つまりふくらはぎの筋肉、大腿四頭筋、背中や首の筋肉など、重力に対抗する筋肉のことです。これらの筋肉は地球上で私たちが立っていることを支えていますが、宇宙では重力がないため、これらの筋肉はほとんど収縮しません。定期的に運動しないと、これらの筋肉は弱くなり、変性してしまいます。これは縮小プロセスです。

研究によれば、宇宙飛行士は5〜11日間の宇宙飛行中に筋肉量の20%を失うそうです。これは宇宙飛行士にとって非常に危険です。なぜなら、地球に帰還した際に地球の重力に逆らうことができない可能性があるからです。宇宙飛行士が地球に帰還した後、筋肉量と筋力は回復しますが、宇宙空間、特に長期間の宇宙ミッション中は、筋肉を維持することが懸念されます。宇宙で筋肉の萎縮を減らす唯一の方法は、高強度の運動、特に筋力トレーニングと適切な食事を組み合わせることです。

骨量の漸進的な減少による骨格の弱化は、長期の宇宙飛行にとって深刻な懸念事項です。ミール宇宙ステーションで数か月を過ごした宇宙飛行士の研究によると、宇宙旅行者は毎月骨量が1～2％減少する可能性があるという。もちろん、これを軽減する方法はあります。最も直接的な方法は、ビタミンD、ビスフォスフォネート、カルシウム錠剤を摂取し、宇宙ステーション内で運動することです。宇宙自転車やトレッドミル、抵抗バンド、抵抗マシンなど、宇宙ではストレスを受けることができない筋肉や骨を刺激することは、非常に効果的であることが証明されています。国際宇宙ステーションに搭乗している宇宙飛行士は、筋肉の消耗の影響に対抗するために、1日2時間半の運動を行っています。

中国の宇宙飛行士、天河のコアモジュールで訓練の準備

宇宙で何百日も過ごした宇宙飛行士は、地球に帰還した際に重力に適応するのに依然として深刻な問題を抱えることになる。最初に地上に戻るときは、人間によって運ばれます。

体液の再分配

血液やその他の体液は重力によって下半身の方へ引っ張られます。宇宙では重力がなくなると血液が上半身に集まりやすくなり、顔や上半身がむくむなどの原因になりますが、体は新たなバランスをとるために適応します。この時点で、宇宙飛行士は宇宙空間では常に膨らんだように見えることがわかります。

中国宇宙飛行士王亜平の地上と宇宙ステーションでの比較

宇宙飛行士が地球に帰還すると、再び下肢に血液が溜まり始め、起立性低血圧を引き起こします。これは、朝起きたときに急に立ち上がる感覚、または長時間しゃがんだ後に突然立ち上がる感覚に少し似ていますが、体はゆっくりと正常に戻ります。宇宙では宇宙飛行士の血液量も減少し、心拍数が低下して低血圧を引き起こします。宇宙飛行士は宇宙に入るときには起立性低血圧を感じませんが、大気圏に戻って着陸すると、下半身に血液が逆流するのをはっきりと感じ、頭の血圧が急激に低下してめまいが起こり、しばらくは直立歩行に適応できなくなります。

人間の脚は、下肢から心臓へと血液を送り、血圧を維持する小さな「心臓」のようなものです。下肢の筋肉の収縮は、静脈血が心臓に流れるのを促進するための重要な条件です。そのため、下肢の静脈は「第二の心臓」とも呼ばれています。しかし、宇宙では下肢の静脈を刺激する活動は行われないため、静脈にある小さな筋肉はほとんど使われません。水面に戻った後、これらの筋肉は再び動きますが、一時的に収縮の仕方を「忘れ」、つまり一時的に血液を心臓と脳に戻すことができなくなります。この影響は長期間の宇宙飛行後には悪化します。この現象も人によって異なります。ほとんど影響を受けない宇宙飛行士もいるが、ひどいめまいを感じる宇宙飛行士もいる。短期宇宙旅行者の約 20%、長期宇宙旅行者の約 83% が再突入または着陸後に症状を経験します。しかし、後遺症はなく、着陸後のリハビリ治療で通常の状態に戻ることができます。

足には血管が密集しているので、静脈血を上半身に戻すには、下肢の静脈も一生懸命働く必要があります。

無重力による身長の伸びの苦しみ

25歳くらいを過ぎると、脊椎の椎骨の間にある海綿状の椎間板が縮み、骨同士が近づくため、身長は徐々に低くなります。 40歳を過ぎると背中が前に曲がり始めます。 20 歳から 70 歳までの間に、女性は約 5 cm 縮む可能性がありますが、男性は約 2 cm 縮む可能性があります。地球上では、重力による圧縮により、私たちの椎骨は非常にしっかりとフィットしています。宇宙では、脊椎を圧迫する重さがないので、椎骨間の距離がわずかに広がり、脊椎が長くなり、宇宙飛行士は「背が高く」なります。過去の米国の宇宙飛行では、宇宙飛行士の3分の2以上が腰痛を訴えた。この腰痛は脊椎の伸展に関係している可能性があります。過去の宇宙ミッション中に脊椎の測定が行われ、宇宙飛行士の身長は地球上での身長に比べて最大6〜8センチメートル増加し、正常な脊椎の曲線は平坦になっていることが判明しました。

異なる重力条件下での椎間伸展の模式図

椎骨間の間隔が広がると筋肉に負担がかかり、宇宙飛行士の腰痛につながる可能性があります。

アメリカの宇宙飛行士クレイトン・アンダーソン氏は、その痛みは筋肉の緊張に似ていると述べた。彼がやったのは、手で「天井」を支え、足で「床」を踏んで両方向に力を加えることで、背骨を地面についた状態に戻して、筋肉の伸びによる腰痛を和らげようとするものでした。驚くべきことに、痛みによって宇宙飛行士が眠りから目覚めることもある。

味覚の変化

味覚の変化は、食べ物の好みが人それぞれ異なるのと同じように、具体的に説明するのは困難です。宇宙飛行士は地上ではコーヒーや紅茶を飲むのが大好きでしたが、宇宙ではその味が全く違っていました。その結果、彼は地球に帰還した後、これらの物に対して心理的なトラウマを抱え、味覚が正常に戻ったとしても、二度とそれらに触れたくなくなった。

宇宙飛行士の味覚が宇宙で変化するという考えの主な理論的根拠の 1 つは、多くの宇宙飛行士が宇宙で「息苦しい」感覚を経験することです。微小重力下では、通常は脚に溜まる血液が体全体に均等に分配されるため、宇宙飛行士は風邪をひいたような気分になることがあります。この鼻づまりは宇宙飛行士の味覚に影響を与えます。風邪をひいたときは、風邪をひく前に好きだった食べ物の味が風邪のせいで変わってしまったかどうか、少し注意してみるといいでしょう。もしそうだとしたら、それは一部の宇宙飛行士の気持ちに似ているはずだ。

視力の変化

NASAが後援した研究によると、6か月以上続く宇宙飛行は宇宙飛行士の目と視力に変化を引き起こす可能性がある。この研究では7人の宇宙飛行士を詳細に検査し、全員の眼の構造と視力に異常があることがわかった。最も一般的な構造変化は、眼球の後ろの平坦化です。網膜（目の奥にある光に敏感な部分）や視神経にも変化が見られ、これらの変化の一部は宇宙飛行士が地球に帰還した後も長期間持続します。

一説によると、7人の宇宙飛行士に見つかった異常は、長期間にわたる微小重力下での生活により体液が頭部に移動したことが原因だという。アメリカ眼科学会の専門家や学者による研究によると、宇宙飛行士の視神経や目に起こる変化は、長期間にわたる微小重力への曝露により頭の側面に体液が移動することによって引き起こされる可能性がある。体液の再分配により、体液が頭の中に蓄積し、頭蓋内圧の上昇を引き起こし、宇宙飛行士の視神経を圧迫します。 2011年10月に同学会の学術誌「眼科学」に掲載された、宇宙飛行士が記入した視力調査記録300件をまとめた論文によると、短期ミッションの宇宙飛行士の約30％、長期ミッションの宇宙飛行士の約60％が視力低下や前庭眼反射の変化を経験したという。こうした視力の変化のいくつかは、何年も飛行を続けても解消されません。

もう一つ問題があります。宇宙ステーション内の埃、金属片、プラスチックの破片、さらには宇宙飛行士自身のフケや皮膚の破片は「地面に落ちる」ことなく空中に浮遊し、宇宙飛行士の目に直接当たり、眼感染症を引き起こすこともある。

上記の副作用はすべて無重力環境によって引き起こされますが、これらは無重力環境で人体が直面する課題のほんの一部にすぎません。さらに、宇宙放射線によるがんのリスクは予測不可能で計り知れないリスクです。

宇宙飛行士は尊敬に値する。彼らは人類の先駆者として宇宙に進出し、自らの体で未知なる世界を探求し、その勇気と忍耐力を星空に刻み込んだ。この記事の最後に、宇宙飛行士たちに最大限の敬意を表したいと思います。