Tähtiainesta turvallisesti etsimässä

Kun John F. Kennedy toukokuussa 1961 ilmoitti yhdysvaltalaisten astronauttien lähettämisestä Kuuhun, tuskin edes hän pystyi hahmottamaan seuraavan 50 vuoden aikana seurannutta kehitystä ja tapahtumaketjua. Nyt vuonna 2013 ihmiskunta liki kirjaimellisesti seisoo avaruuden reunalla, ainakin jos pohditaan miehitettyjen avaruuslentojen ja –matkustamisen yleistymistä. Jo yli viiden vuosikymmenen ajan on tarkasti valikoituja, koulutukseltaan, työkokemukseltaan sekä terveydentilaltaan soveltuvia, miehiä sekä naisia lähetetty joko maata kiertävälle radalle tai Kuuhun. Seuraavaksi vuorossa ovat kaupalliset ja liki kaikille (taloudellisten ehtojen puitteissa) avoinna olevat avaruusmatkat. Artikkeli pureutuu painottomuuden (Huom! Mikrogravitaatio tarkempi kuvaus) aiheuttamiin muutoksiin, riskeihin ja tulevaisuuden matkailussa huomioitaviin seikkoihin.

Palataksemme vielä ihmiskunnan innovatiivisimman, haasteellisimman ja menestyksekkäimmän projektin, Apollo-avaruusohjelman, lähtötilanteeseen, niin tietomme pitkän aikajakson vaikutuksista astronauttien terveyteen oli täysin hämärän peitossa. NASAn panokset Apollo-ohjelmassa olivat valtavat, koska ainoastaan Neuvostoliitto oli kerännyt todellista dataa fysio- ja psykologisista muutoksista avaruudessa, mutta tämä informaatio ei ollut avoinna heille tuolloin.

Itse asiassa koko ohjelmaa tuskin olisi edes pystytty julkistamaan ilman saksalaista ilmailu- ja avaruuslääketieteen tutkija tohtori Hubertus Strugholdia, joka palveli toisen maailmansodan aikana Luftwaffea Saksassa ja tuotiin vuonna 1947 Yhdysvaltoihin ”Operation Paperclip” välityksellä. Nazi-Saksan aikaisten keskitysleirien ”resursseja” häikäilemättä hyväksikäyttänyt Strughold tutkimusryhmineen ei liiemmin länsimaisten tutkimuksen eettisiä prinsiippejä tai komiteoita tutkimuksissaan soveltanut tai noudattanut. Kaikista sotarikossyytteistä livennyt Strughold kuitenkin omasi tuohon aikaan edistyneimmän näkemyksen painottomuuden aiheuttamista muutoksista ihmiskehossa, jonka toi myöhemmin Yhdysvaltojen ilmavoimien sekä NASAn käyttöön.

Miten Strughold ja myöhemmin muut tutkijat ympäri maailman keräsivät viitteellisiä tuloksia mikrograviaation aiheuttamista muutoksista, jos avaruuteen ei päässyt?

Suurimmaksi osaksi tulokset perustuivat maanpäällisiin painottomuussimulaatioihin kuten paraboliset lennot (akuutti painottomuus <20 sekuntia) -6° sänkylepo ja vesi-immersiot. Sänkylepomenetelmä on näistä käytetyin, vaikka tulokset eivät täysin vastaa vastaavia muutoksia (suuruudessaan) oikeassa painottomuudessa, avaruudessa. 

Fysiologiset muutokset

Yksinkertaistamalla voidaan olettaa ihmiskehon pyrkivän jatkuvasti taloudellisuuteen kaikissa toiminnoissaan - fysiologisten järjestelmien rasituksessa/käytössä – vastaavasti kuten autoa ajaessa pyritään säästämään polttoainetta optimoimalla teknologiset/ajokäyttäytymiseen liittyvät toiminnot.  Tämä tarkoittaa jatkuvaa eri fysiologisten järjestelmien sopeutumisprosessia suhteessa ympäristöön ja ulkoisiin ärsykkeisiin (esim. juokseminen tai muu fyysinen aktiviteetti).

Perusympäristömme kaikkialla maailmassa on 1G (9.81 m/s²) painovoima vaihtelevin ilmanlämpötiloin ja –painein (riippuen korkeuserosta merenpintaan). Tämä tarkoittaa että kehomme vastustaa passiivisesti jatkuvasti tuota maan vetovoimaa, suurimman osan ajasta ”jalat edellä”. Koska kävelemme kahdella jalalla (tai istuessa tuemme), niin on luonnollista että alavartalon lihaksisto ja luusto on tilavuudeltaan sekä mekaanisilta ominaisuuksiltaan ylävartaloa suurempi.

Matkustaessa avaruuteen loittonemme maan vetovoiman lähipiiristä, mikä vähentää merkittävästi kehomme altistumista tuolle ”passiiviselle mekaaniselle stressille”. Näin ollen lihaksisto, sydän- ja verenkiertoelimistö, luusto, hermosto, endokriinis- sekä neuro-vestibulaarinen järjestelmä oletettavasti* pyrkii taloudellisuuteen myös uudessa ympäristössä avaruudessa.

Seurauksena tästä suuri osa nesteistä ja verimassasta siirtyy jaloista kohti ylävartaloa, jonka myötä niin plasma- kuin verivolyymi vähenevät merkittävästi ensimmäisen 24 tunnin aikana avaruudessa. Lantion ja alaraajojen sisäisen sekä ulkoisen mekaanisen stressin vähenemisen johdosta luuston tiheys ja mineraalimassa, lihasmassa ja –voima (ynnä ääreishermoston toiminta), sekä solun sisäisten ja ulkoisten nesteiden määrä lähtee jyrkkään laskuun ensimmäisen viikon aikana. Edellä mainittujen muutosten myötä myös kehon massa (paino) laskee noin 3-4 % muutamassa päivässä, kun taas astronauttien pituus kasvaa (selkärangan välilevyjen laajentuminen). Plasma- ja verivolyymin väheneminen vaikuttaa osaltaan sydämen rakenteellisiin ja toiminnallisiin muutoksiin. Ensimmäisten vuorokausien aikana sydämen lyöntitiheys nousee johtuen verimassan vähenemisestä sekä katekoliamiinien (adrenaliini & noradrenaliini) lisääntyneestä esiintyvyydestä verenkierrossa. Vähentyneen verimassan ja alaraajojen pienentyneen verenkierron myötä myös sydämen iskutilavuus pienenee hiljalleen.

Lihaksiston ja sydämen rakenteelliset muutokset avaruudessa (mikrogravitaatio, ei totaalinen painottomuus) pienenevät suhteellisesti ajan myötä, mutta luuston massan jatkuva väheneminen (kuukausittain noin 1.6%) asettaa valtavat riskit ja ongelmat paluulle takaisin maan kamaralle. Pitkillä avaruusmatkoilla (>180 päivää) suurimmaksi riskitekijäksi terveyden kannalta muodostuu kosminen säteily, joka vaikuttaa syöpäsolujen lisääntymiseen kehossa. Euroopan avaruusjärjestön lääketieteellinen komitea onkin asettanut esim. kaavailulle Mars –matkalle ehdoksi ettei astronauttien syöpäriski saa kasvaa yli 6% tuon ko. matkan aikana. Nykyisellään tuota ehtoa ei pystytä vielä täyttämään (laskennallisesti) noin 500 vuorokauden Mars-matkan aikana. Useat julkiset ja yksityiset avaruusteknologian yritykset kehittelevät jatkuvasti tehokkaampia säteilysuojia miehitettyihin avaruusaluksiin.

 

Painava paluu Maahan

Suurimmat haasteet ja ongelmat astronauttien terveydelle kohdataan vasta välittömästi Maahan paluun yhteydessä. Ensimmäinen merkittävä toiminnallinen ongelma, jonka avaruusmatkailijat kohtaavat poistuessaan avaruussukkulasta/moduulista hoitohenkilökunnan avustamana, on kykenemättömyys seisoa omilla jaloillaan. Jalkojen ja keskivartalon tukilihaksiston rappeutuminen sekä verimassan matala volyymi osaltaan aiheuttavat nk. ortostaattisen intoleranssin, jossa aivojen verenkierto, ja sen seurauksena aivojen happitaso ei saavuta tarvittavaa tasoa, jolloin astronautit usein kokevat lukuisia pyörtymisiä pyrkiessään seisomaan. Osasyynä tähän on myös verenpainetta kontrolloivien painerefleksien ja –reseptoreiden akuutti epätoiminnallisuus sopeutuessaan maan painovoimaan. Etenkin lantion ja alaraajojen luuston tiheyden ja mineraalimassan alhainen taso nostavat murtumis- ja osteoporoosiriskiä, jonka takia mekaanista stressiä voidaan lisätä ainoastaan kevyesti asteittain.

Seuraavat puolitoista kuukautta nuo huonossa pystyasennossa, heikoilla ja huojuvilla jaloilla, hoippuvat avaruusmatkailijat pyritään harjoittamaan intensiivisellä harjoitusohjelmalla takaisin normaalikuntoon, jossa heidän motorinen suorituskyky sekä voima- ja kestävyystasot palautetaan mahdollisuuksien mukaan lähtötasoille. Avaruusmatkan pituudesta riippuen, ja aiemmin mainituista sydän- ja verenkiertoelimistön sekä alaraajan lihaksiston muutoksista johtuen, astronauttien maksimaalinen hapenottokyky (kestävyys) yleensä laskee noin 12%. Jokainen voi kuvitella millaiselta harjoittelu tuntuu kun on maannut vaikkapa kolme viikkoa sairaalassa – paitsi avaruudessa fyysinen kunto heikkenee yli kahden viikon matkoilla vielä merkittävästi enemmän.

Sanomattakin on selvää että vanhemmat ja pitkäaikaissairauksista kärsivät yksilöt joutuvat nykyisen informaation valossa suhteettoman riskin alaisuuteen jo pelkästään painottomuuden ja maan painovoiman aiheuttamien toiminnallisten muutosten takia. Tässä artikkelissa ehdimme ainoastaan raapaista monimutkaisen vyyhdin pintaa, eikä kaikkia fysiologisia, puhumattakaan psykologisista, muutoksista pystytty käymään läpi.

Tulevissa artikkeleissa pyrin esittelemään astronauttien ennen ja jälkeen käyttämiä harjoitusohjelmia ja –menetelmiä, sekä kertomaan enemmän avaruudessa tapahtuvan tutkimuksen tarjoamista teknologisista/lääketieteellisistä sovellusmahdollisuuksista.

Tähtiä kohti – harkitsevin askelin!

Lähde:

Pavy-Le Traon, A. et al. (2007) Eur J Appl Physiol, 101, 143-194

*Autonomista taloudellisuuden intentioita ei voida tällä hetkellä aukottomasti osoittaa tieteen menetelmin, joten sitä on tässä yhteydessä käytetty helposti hahmotettavana esimerkkinä ja loogisena päätelmänä.

Harjoitusrasituksen tasapaino

Eräs merkittävä suomalainen urheiluvaikuttaja totesi osuvasti kerran: ”Yleisesti kaikki harjoittelu kehittää tiettyyn pisteeseen asti”. Allekirjoitan ko. toteamuksen osittain. Ensimmäisessä vaiheessa harjoittelu kehittää, koska harjoittelijan keho (fysiologiset järjestelmät) ja mieli (psykologinen efekti) mukautuvat välittömästi uuteen harjoitusärsykkeeseen, mikä käynnistää muutoksen. Jotta muutoksesta saadaan pysyvä ja ennen kaikkea hyödyllinen suhteessa harjoittelun tavoitteisiin, tulee harjoittelussa pyrkiä ns. jatkuvaan superkompensaatioon (kts. kuva). Superkompensaatio taas vaatii mm. harjoitusvastuksen ja määrän variointia sekä palautumisen optimointia.  Jos em. toimenpiteitä ei onnistuta soveltamaan tehokkaasti, voi tuloksena olla muutamia harjoittelun kannalta negatiivisia, jopa lamauttavia, piirteitä.

Lähdetään liikkeelle oleellisimmista negatiivisista esimerkeistä liittyen liiallisen harjoittelun ylikuormitukseen.

Urheilijoiden parissa, etenkin korkean harjoitusvastuksen ja –määrien jatkuvassa soveltamisessa, on tullut tutuksi käsite ns. ylikuntotilasta (eng. Overtraining syndrome), joka on lääketieteellisesti katsottuna vakavasti otettava tila ja hoidettavissa ainoastaan pakkolevon kautta. Nykyisellään tieteellinen tutkimus ei ole kyennyt asettamaan muita standardeja ylikunnolle kuin pakkolevon keston – muutamista viikoista aina kuukausiin. Täten on myös selvää ettei ylikuntoa voida, tai ainakaan sen vakavuutta, diagnosoida välittömästi ensimmäisellä lääkärintarkastuskerralla.

Ylikunto ajoittain sekoitetaan lievempään ilmiöön ylirasitustilaan (eng. Overreaching), joka voidaan jakaa toiminnalliseen ja epätoiminnalliseen esiintymismuotoon riippuen palautumisesta. Useimmat systemaattisesti ja kehittävästi harjoittelevat urheilijat ja yksilöt ovat kokeneet molemmat muodot ylirasituksesta. Toiminnallisen ylirasitustilan erotus ei-toiminnalliseen tarkoittaa periaatteessa harjoitusvastuksen ja/tai –määrän noston onnistumista sekä esiintymistä palautumisena ja tehokkaana superkompensaationa. Epätoiminnallisessa ylirasitustilassa taas vastaavasti ei palautuminen toteudu odotetulla tavalla ja rasitus muuttuu krooniseksi, jolloin fysiologista kehittymistä ei tapahdu. Ylikunnosta epätoiminnallisen ylirasitustilan erottaa pääsääntöisesti toipumisen kesto, joka vaihtelee tapauskohtaisesti muutamasta päivästä viikkoihin.

Jokainen kykenee helposti huomaamaan että erot ylirasituksen (epätoiminnallinen) ja ylikunnon välillä ovat lähes mahdottomia diagnosoitavaksi etukäteen.

Luonnollisesti fyysiset ja psyykkiset oireet antavat viitteitä ylikunnon tai –rasituksen määrittämiseen. Päällisin puolin usein kokemus fyysisestä rasituksesta on voimakas, lähennellen uupumusta. Myös unihäiriöt, syömisvaikeudet, mielialan voimakkaat vaihtelut ja kykenemättömyys harjoitella normaali-intensiteeteillä esiintyvät epätoiminnallisessa ylirasituksessa ja ylikunnossa.

Fysiologisesti mitattavia oireita ovat sydämen leposykkeen merkittävä nousu tai lasku sekä sykevaihtelun voimakas akuutti lasku harjoittelun yhteydessä. Mielialan vaihtelu voi kummassakin  tilassa esiintyä pitkään jatkuneena väsymyksen tunteena, joissain tapauksissa myös masennuksena. Eräs selitys tälle löytyy aivojen tuottamien serotoniini ja dopamiini hormonitasojen laskusta. Keskus- ja ääreishermoston toimintavaje ylirasituksen yhteydessä uskotaan nykyisellään näkyvän myös motorisen aivokuoren laskeneena sähköisenä aktiviteettina. Välittömänä seurauksena ylirasitustilassa yleisesti esiintyy mm. ylähengitystieinfektiot (kuten flunssa), jotka ovat vähintään välillisiä seurauksia verenkierrossa lisääntyneistä kortisolin, C-reaktiivisten proteiinien ja muiden tulehdusta aktivoivien sytokiinien määrästä.

Seuraavaksi kohdataankin valmentajien, liikuntatieteilijöiden, fysioterapeuttien ja lääkäreiden isoin haaste harjoittelussa: epätoiminnallisen ylirasituksen mittaaminen ja ennaltaehkäisy jatkuvaan kehitykseen pyrkivässä harjoitusprosessissa.

Halvin ja kaikista soveltuvin menetelmä lienee subjektiivisten rasitustasojen systemaattinen seuranta esim. määrällisellä mitta-asteikoilla, joita löytyy muutamiakin eri variaatioita. Käytetyin, sekä mittaamisen puolesta objektiivisempi, menetelmä on jatkuva lepo- ja harjoitussykeseuranta. Haasteena syke- ja sykevaihteluseurannassa ovat standardoidun (esim. prosentuaalinen muutos) arviointikriteerin puuttuminen, joka osaksi johtuu isompien tutkimuksien puutteesta, mutta myös liikkujien/urheilijoiden yksilöllisestä reagoinnista ylirasitukseen. Menetelmä täten vaatii tarkkaa tutustumista yksilön sykeprofiileihin, jotta arvojen tulkinta selkeytyy sekä nopeutuu. Urheilulajeissa myös käytetään toiminnallisia testejä kuten kevennyshypyt, juoksutehokkuus, laktaatin tuotanto ja isometrinen voimatuotto, jotka kaikki yleisesti laskevat ylirasitustilassa.

Selkeyttä ja järjestelmällisyyttä seurantaan tuo tarkka ja systemaattinen harjoittelun ohjelmointi jakso- ja viikkotasolla selkeästi määritellyin vastus-, määrä-, lepo ja toistuvuustasoin. Tähän tieteellinen tutkimus pystyy jo tarjoamaan runsaasti käytännössä eri lajeihin sovellettavaa informaatiota, jonka avulla pystytään määrittämään nopeasti jälkikäteen yksilön reagointi ko. rasitusmuuttujiin harjoittelussa. Oikeanlaisella analyysilla ja harjoitusohjelmoinnin sovelluksilla pystytään lyhyessäkin ajassa löytämään oikeat harjoitusvastukset sekä huolehtimaan oikeanlaisesta kehityskäyrästä ilman merkittävästi kohonnutta riskiä epätoiminnallisesta ylirasituksesta ja ylikunnosta.

Saavuttaakseen rajansa harjoittelu tulee aina optimoida, mikä onnistuu ainoastaan tehokkaan seurannan ja analyysin kautta. Jokainen urheilija/tavoitteellinen liikkuja tarvitsee oman yksilöllisen kehitysmallin.

Lähde: Meeusen et al. (2012) Prevention, diagnosis and treatment of the overtraining syndrome, European Journal of Sport Science, DOI:10.1080/17461391.2012.730061