Efecto de los vuelos espaciales en el cuerpo humano

La fisiología humana está adaptada a vivir en la atmósfera terrestre, y se requiere una cierta cantidad de oxígeno en el aire que respiramos . Si el cuerpo no recibe suficiente oxígeno, el astronauta corre el riesgo de perder el conocimiento y morir por hipoxia . En el vacío del espacio, el intercambio de gases en los pulmones continúa, pero esto resulta en la eliminación de todos los gases, incluido el oxígeno, del torrente sanguíneo. Después de 9 a 12 segundos, la sangre desoxigenada llega al cerebro, lo que provoca la pérdida del conocimiento. ^{[ 26 ]} Es poco probable que la exposición al vacío durante hasta 30 segundos cause daño físico permanente. ^{[ 27 ]} Los experimentos con animales muestran que la recuperación rápida y completa es normal para exposiciones de menos de 90 segundos, mientras que las exposiciones más prolongadas de todo el cuerpo son fatales y la reanimación nunca ha tenido éxito. ^{[ 28 ] [ 29 ]} Solo hay una cantidad limitada de datos disponibles de accidentes humanos, pero es consistente con los datos en animales. Las extremidades pueden estar expuestas durante mucho más tiempo si la respiración no está afectada. ^{[ 30 ]}

En diciembre de 1966, el ingeniero aeroespacial y sujeto de pruebas Jim LeBlanc de la NASA participaba en una prueba para ver qué tan bien se desempeñaría un prototipo de traje espacial presurizado en condiciones de vacío. Para simular los efectos del espacio, la NASA construyó una enorme cámara de vacío de la cual se podía bombear todo el aire. ^{[ 31 ]} En algún momento durante la prueba, la manguera de presurización de LeBlanc se desprendió del traje espacial. ^{[ 32 ]} Aunque esto hizo que la presión de su traje cayera de 3.8 psi (26.2 kPa) a 0.1 psi (0.7 kPa) en menos de 10 segundos, LeBlanc permaneció consciente durante unos 14 segundos antes de perder el conocimiento debido a la hipoxia; la presión mucho menor fuera del cuerpo causa una rápida desoxigenación de la sangre. "Mientras tropezaba hacia atrás, podía sentir la saliva en mi lengua comenzar a burbujear justo antes de perder el conocimiento y eso es lo último que recuerdo", recuerda LeBlanc. ^{[ 33 ]} Un colega entró en la cámara en 25 segundos y le administró oxígeno a LeBlanc. La cámara se presurizó nuevamente en 1 minuto en lugar de los 30 minutos habituales. LeBlanc se recuperó casi de inmediato, con solo un dolor de oído y sin daños permanentes. ^{[ 34 ]}    

Otro efecto del vacío es una condición llamada ebullismo que resulta de la formación de burbujas en los fluidos corporales debido a la reducción de la presión ambiental. El vapor puede hinchar el cuerpo hasta el doble de su tamaño normal y ralentizar la circulación, pero los tejidos son lo suficientemente elásticos y porosos como para evitar la ruptura. ^{[ 35 ]} Técnicamente, se considera que el ebullismo comienza a una elevación de alrededor de 19 kilómetros (12 mi; 62 000 pies) o presiones menores a 6,3 kPa (47 mm Hg ), ^{[ 36 ]} conocido como el límite de Armstrong . ^{[ 20 ]} Experimentos con otros animales han revelado una serie de síntomas que también podrían aplicarse a los humanos. El menos grave de estos es la congelación de las secreciones corporales debido al enfriamiento por evaporación . Síntomas graves, como la pérdida de oxígeno en los tejidos , seguida de insuficiencia circulatoria y parálisis flácida ocurrirían en aproximadamente 30 segundos. ^{[ 20 ]} Los pulmones también colapsan en este proceso, pero continuarán liberando vapor de agua, lo que provoca enfriamiento y formación de hielo en el tracto respiratorio . ^{[ 20 ]} Una estimación aproximada es que un ser humano tendrá unos 90 segundos para ser recomprimido, después de lo cual la muerte puede ser inevitable. ^{[ 35 ] [ 37 ]} La hinchazón por ebullición puede reducirse mediante la contención en un traje de vuelo , que es necesario para prevenir la ebullición por encima de los 19 km. ^{[ 30 ]} Durante el programa del Transbordador Espacial, los astronautas usaron una prenda elástica ajustada llamada Traje de Protección de Altitud de la Tripulación (CAPS, por sus siglas en inglés) que prevenía la ebullición a presiones tan bajas como 2 kPa (15 mm Hg). ^{[ 38 ]}    

Los únicos humanos que se sabe que murieron por exposición al vacío en el espacio son los tres tripulantes de la nave espacial Soyuz 11 : Vladislav Volkov , Georgi Dobrovolski y Viktor Patsayev . Durante los preparativos para la reentrada desde la órbita el 30 de junio de 1971, una válvula de ecualización de presión en el módulo de descenso de la nave se abrió inesperadamente a una altitud de 168 kilómetros (551 000 pies) , causando una rápida despresurización y la posterior muerte de toda la tripulación. ^{[ 39 ] [ 40 ]} 

En el vacío, no existe un medio para disipar el calor del cuerpo por conducción o convección. La pérdida de calor se produce por radiación, desde la temperatura de 310 K de una persona hasta los 3 K del espacio exterior. Este es un proceso lento, especialmente en una persona vestida, por lo que no hay peligro de congelación inmediata. ^{[ 41 ]} El enfriamiento evaporativo rápido de la humedad de la piel en el vacío puede generar escarcha, particularmente en la boca, pero esto no representa un riesgo significativo.

La exposición a la intensa radiación de la luz solar directa y sin filtrar provocaría un calentamiento localizado, aunque este probablemente se distribuiría bien gracias a la conductividad del cuerpo y la circulación sanguínea. Sin embargo, otras radiaciones solares, en particular los rayos ultravioleta , pueden causar quemaduras solares graves.

Sin la protección de la atmósfera y la magnetosfera terrestres , los astronautas están expuestos a altos niveles de radiación . Estos altos niveles dañan los linfocitos , células que participan activamente en el mantenimiento del sistema inmunitario ; este daño contribuye a la disminución de la inmunidad que experimentan los astronautas. Recientemente, también se ha relacionado la radiación con una mayor incidencia de cataratas en los astronautas. Fuera de la protección de la órbita terrestre baja, los rayos cósmicos galácticos presentan desafíos adicionales para los vuelos espaciales tripulados, ^{[ 45 ]} ya que la amenaza para la salud que representan los rayos cósmicos aumenta significativamente las probabilidades de cáncer tras una década o más de exposición. ^{[ 46 ]} Un estudio respaldado por la NASA informó que la radiación puede dañar el cerebro de los astronautas y acelerar la aparición de la enfermedad de Alzheimer . ^{[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]} Los eventos de erupción solar (aunque raros) pueden proporcionar una dosis de radiación fatal en minutos. Se cree que el blindaje protector y los medicamentos protectores pueden, en última instancia, reducir los riesgos a un nivel aceptable. ^{[ 51 ]}

La tripulación que vive en la Estación Espacial Internacional (EEI) está parcialmente protegida del entorno espacial por el campo magnético terrestre, ya que la magnetosfera desvía el viento solar alrededor de la Tierra y la EEI. Sin embargo, las erupciones solares son lo suficientemente potentes como para deformar y penetrar las defensas magnéticas, por lo que siguen siendo un peligro para la tripulación. La tripulación de la Expedición 10 se refugió como medida de precaución en 2005 en una parte de la estación con mayor protección, diseñada para este propósito. ^{[ 52 ] [ 53 ]} No obstante, más allá de la limitada protección de la magnetosfera terrestre , las misiones humanas interplanetarias son mucho más vulnerables. Lawrence Townsend, de la Universidad de Tennessee, y otros han estudiado la erupción solar más potente jamás registrada . Las dosis de radiación que recibirían los astronautas de una erupción de esta magnitud podrían causarles síndrome de irradiación aguda e incluso la muerte. ^{[ 54 ]}

Existe preocupación científica de que los vuelos espaciales prolongados puedan disminuir la capacidad del cuerpo para protegerse contra las enfermedades. ^{[ 55 ]} La radiación puede penetrar el tejido vivo y causar daños a corto y largo plazo en las células madre de la médula ósea que crean la sangre y el sistema inmunitario. En particular, causa " aberraciones cromosómicas " en los linfocitos . Como estas células son fundamentales para el sistema inmunitario , cualquier daño lo debilita, lo que significa que, además de una mayor vulnerabilidad a nuevas exposiciones, los virus ya presentes en el cuerpo —que normalmente estarían suprimidos— se activan. En el espacio, las células T (un tipo de linfocito) tienen menor capacidad para reproducirse adecuadamente, y las que sí se reproducen tienen menor capacidad para combatir las infecciones. Con el tiempo, la inmunodeficiencia provoca una rápida propagación de infecciones entre los miembros de la tripulación, especialmente en las áreas confinadas de los sistemas de vuelo espacial.

El 31 de mayo de 2013, científicos de la NASA informaron que una posible misión humana a Marte ^{[ 56 ]} podría implicar un gran riesgo de radiación basado en la cantidad de radiación de partículas energéticas detectada por el RAD en el Laboratorio Científico de Marte mientras viajaba de la Tierra a Marte en 2011-2012. ^{[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]}

En septiembre de 2017, la NASA informó que los niveles de radiación en la superficie del planeta Marte se duplicaron temporalmente y estuvieron asociados con una aurora 25 veces más brillante que cualquiera observada anteriormente, debido a una tormenta solar masiva e inesperada a mediados de mes. ^{[ 57 ]}

El problema más común que experimentan los humanos en las primeras horas de ingravidez se conoce como síndrome de adaptación espacial o SAE, comúnmente llamado mareo espacial. Está relacionado con el mareo por movimiento y surge cuando el sistema vestibular se adapta a la ingravidez. ^{[ 66 ]} Los síntomas del SAE incluyen náuseas y vómitos , vértigo , dolores de cabeza , letargo y malestar general. ^{[ 2 ]} El primer caso de SAE fue reportado por el cosmonauta Gherman Titov en 1961. Desde entonces, aproximadamente el 45% de todas las personas que han volado al espacio han sufrido esta condición.

Un efecto importante de la ingravidez prolongada es la pérdida de masa ósea y muscular . En un entorno de ingravidez, los astronautas casi no ejercen presión sobre los músculos de la espalda ni sobre los de las piernas, que se utilizan para mantenerse de pie. Estos músculos comienzan a debilitarse y, finalmente, a reducir su tamaño. En consecuencia, algunos músculos se atrofian rápidamente y, sin ejercicio regular, los astronautas pueden perder hasta un 20 % de su masa muscular en tan solo 5 a 11 días. ^{[ 67 ]} Los tipos de fibras musculares predominantes también cambian. Las fibras de resistencia de contracción lenta, utilizadas para mantener la postura, son reemplazadas por fibras de contracción rápida, que resultan insuficientes para cualquier esfuerzo físico intenso. Los avances en la investigación sobre el ejercicio, los suplementos hormonales y la medicación pueden contribuir a mantener la masa muscular y corporal.

El metabolismo óseo también cambia. Normalmente, el hueso se deposita en la dirección del estrés mecánico. Sin embargo, en un entorno de microgravedad, hay muy poco estrés mecánico. Esto resulta en una pérdida de tejido óseo de aproximadamente 1,5 % por mes, especialmente de las vértebras inferiores, la cadera y el fémur. ^{[ 68 ]} Debido a la microgravedad y la menor carga sobre los huesos, hay un rápido aumento en la pérdida ósea, de una pérdida de hueso cortical del 3 % por década a aproximadamente un 1 % cada mes que el cuerpo está expuesto a la microgravedad, en un adulto que por lo demás está sano. ^{[ 69 ]} El rápido cambio en la densidad ósea es drástico, lo que hace que los huesos sean frágiles y resulta en síntomas que se asemejan a los de la osteoporosis. En la Tierra, los huesos se desprenden y regeneran constantemente a través de un sistema bien equilibrado que involucra la señalización de osteoblastos y osteoclastos. ^{[ 70 ]} Estos sistemas están acoplados, de modo que cuando el hueso se descompone, se forman nuevas capas en su lugar; ninguno debería ocurrir sin el otro, en un adulto sano. En el espacio, sin embargo, se produce un aumento de la actividad de los osteoclastos debido a la microgravedad. Esto es problemático porque los osteoclastos descomponen los huesos en minerales que el cuerpo reabsorbe. Los osteoblastos no se activan de forma consecutiva con los osteoclastos, lo que provoca una disminución constante del hueso sin recuperación. ^{[ 71 ]} Este aumento de la actividad de los osteoclastos se ha observado particularmente en la región pélvica, ya que es la que soporta la mayor carga bajo la gravedad. Un estudio demostró que en ratones sanos, la aparición de osteoclastos aumentó un 197%, acompañada de una regulación negativa de los osteoblastos y los factores de crecimiento que se sabe que ayudan a la formación de hueso nuevo, después de solo dieciséis días de exposición a la microgravedad. Los niveles elevados de calcio en sangre debido a la pérdida ósea dan lugar a una calcificación peligrosa de los tejidos blandos y a la posible formación de cálculos renales . ^{[ 68 ]} Todavía se desconoce si el hueso se recupera por completo. A diferencia de las personas con osteoporosis, los astronautas recuperan finalmente su densidad ósea. Tras un viaje espacial de 3 a 4 meses, se necesitan entre 2 y 3 años para recuperar la densidad ósea perdida. Se están desarrollando nuevas técnicas para ayudar a los astronautas a recuperarse más rápido. Las investigaciones sobre dieta, ejercicio y medicamentos podrían contribuir a la regeneración ósea.

Para prevenir algunos de estos efectos fisiológicos adversos , la ISS está equipada con dos cintas de correr (incluida la COLBERT ) y el aRED (dispositivo avanzado de ejercicio de resistencia), que permiten realizar varios ejercicios de levantamiento de pesas que aumentan la masa muscular pero no la densidad ósea, ^{[ 72 ]} y una bicicleta estática; cada astronauta pasa al menos dos horas al día ejercitándose en el equipo. ^{[ 73 ] [ 74 ]} Los astronautas usan cuerdas elásticas para sujetarse a la cinta de correr. ^{[ 75 ] [ 76 ]} Los astronautas sometidos a largos períodos de ingravidez usan pantalones con bandas elásticas unidas entre la cintura y los puños para comprimir los huesos de las piernas y reducir la osteopenia. ^{[ 5 ]}

Actualmente, la NASA está utilizando herramientas computacionales avanzadas para comprender cómo contrarrestar mejor la atrofia ósea y muscular que experimentan los astronautas en entornos de microgravedad durante períodos prolongados. ^{[ 77 ]} El Elemento de Contramedidas de Salud Humana del Programa de Investigación Humana encargó el Proyecto Astronauta Digital para investigar preguntas específicas sobre regímenes de contramedidas de ejercicio. ^{[ 78 ] [ 79 ]} La NASA se está centrando en integrar un modelo del Dispositivo de Ejercicio Resistivo Avanzado (ARED) que actualmente se encuentra a bordo de la Estación Espacial Internacional con OpenSim ^{[ 80 ]} modelos musculoesqueléticos de humanos que se ejercitan con el dispositivo. El objetivo de este trabajo es utilizar la dinámica inversa para estimar los pares articulares y las fuerzas musculares resultantes del uso del ARED y, por lo tanto, prescribir regímenes de ejercicio más precisos para los astronautas. Estos pares articulares y fuerzas musculares podrían utilizarse junto con simulaciones computacionales más fundamentales de remodelación ósea y adaptación muscular para modelar de forma más completa los efectos finales de dichas contramedidas y determinar si un régimen de ejercicio propuesto sería suficiente para mantener la salud musculoesquelética de los astronautas.

En el espacio, los astronautas pierden volumen de líquidos, incluyendo hasta un 22% de su volumen sanguíneo. ^{[ 81 ]} Al regresar a la Tierra, el bajo volumen sanguíneo puede causar intolerancia ortostática o mareos al ponerse de pie. ^{[ 82 ]} Bajo la influencia de la gravedad terrestre , al estar de pie, la sangre y otros fluidos corporales se desplazan hacia la parte inferior del cuerpo, aumentando la presión en los pies. En un entorno de microgravedad, se eliminan las presiones hidrostáticas en todo el cuerpo y el cambio resultante en la distribución de la sangre es análogo al cambio de posición de una persona al pasar de estar de pie a estar acostada. El cambio persistente en la redistribución del volumen sanguíneo puede provocar edema facial y otros efectos secundarios indeseables. Al regresar a la Tierra, la reducción del volumen sanguíneo crea hipotensión ortostática . ^{[ 83 ]} La tolerancia ortostática después de un vuelo espacial ha mejorado considerablemente gracias a las contramedidas de carga de líquidos que toman los astronautas antes del aterrizaje. ^{[ 84 ]}

En un mes, el esqueleto humano se extiende completamente en ingravidez, lo que provoca un aumento de altura de 2,5 cm (1 pulgada) . ^{[ 59 ]} Después de dos meses, los callos en las plantas de los pies se desprenden por falta de uso, dejando piel nueva y suave. La parte superior de los pies, por el contrario, se irrita y se vuelve dolorosamente sensible, ya que roza contra los pasamanos a los que se enganchan para mayor estabilidad. ^{[ 103 ]} Las lágrimas no se pueden derramar al llorar, ya que se adhieren formando una bola. ^{[ 104 ]} En microgravedad, los olores impregnan rápidamente el ambiente, y la NASA descubrió en una prueba que el olor a jerez cremoso desencadenaba el reflejo nauseoso. ^{[ 102 ]} Varias otras molestias físicas, como dolor de espalda y abdominal, son comunes debido al reajuste a la gravedad, mientras que en el espacio no había gravedad y estos músculos podían estirarse libremente. ^{[ 105 ]} Estos pueden ser parte del síndrome de astenia reportado por cosmonautas que viven en el espacio durante un período prolongado, pero considerado anecdótico por los astronautas. ^{[ 106 ]} La fatiga, el desánimo y las preocupaciones psicosomáticas también forman parte del síndrome. Los datos no son concluyentes; sin embargo, el síndrome parece existir como una manifestación del estrés interno y externo al que deben enfrentarse las tripulaciones en el espacio. ^{[ 107 ]}