無重力のしくみ

スペースシャトル、国際宇宙ステーション、ミールの中に宇宙飛行士が浮かんでいる写真をよく見かけます。無重力は楽しそうに見えますが、それはあなたの体に大きな要求を課します。最初は、吐き気、めまい、混乱を感じます。頭と副鼻腔が腫れ、足が縮みます。長期的には、筋肉が弱くなり、骨がもろくなります。あなたの体へのこれらの影響は、火星への旅行のような長い航海で深刻な損害を与える可能性があります。

この版では 、私たちはあなたを国際宇宙ステーションに乗って長い旅に連れて行きます。そこで私たちは無重力とは何か、あなたの体に何が起こるか、これらの変化がどのように起こるか、そしてこれらの悪影響を防ぐか逆転させるために何ができるかを調べます。

1. 微小重力との遭遇
2. 微小重力でどのように感じますか
3. 対策
4. 位置と動きをどのように感知するか

あなたが宇宙服を着て、スペースシャトルのフライトデッキで仰向けになっていると想像してみてください。パイロットとミッションコントロールが飛行前の打ち上げ準備を終えている間、あなたは数時間椅子に腰を下ろしています。通常、あなたが直立しているとき、重力は血液を下向きに引っ張るので、それはあなたの足の静脈に溜まります。しかし、仰向けになっているため、血液は体全体に異なって分布し、足が上がっているために頭に向かってわずかに移動します。夜寝るときと同じように、頭が少し息苦しく感じるかもしれません。

ロケットエンジンが火、あなたは加速を感じます。シャトルが上昇すると、座席に押し戻されます。シャトルの加速のG力が通常の重力の最大3倍に増加すると、重く感じます（一部のジェットコースターの乗り物では、このレベルの加速を達成できます）。胸が圧迫されているように感じ、呼吸困難になることがあります。約8分半で、あなたは宇宙空間にいて、まったく異なる感覚を経験しています：無重力。

無重力は、より正確には微小重力と呼ばれます。地球の重力があなたとすべてを軌道上のシャトルに保持しているので、あなたは実際には無重力ではありません。あなたは実際に自由落下の状態にあります、飛行機からジャンプするのとよく似ていますが、水平方向に非常に速く移動している（毎秒5マイルまたは毎秒8キロメートル）ため、落下しても地球が離れて曲がっているため、地面に触れることはありません。それはこのようなものです：あなたが体重計の上に立つとき、重力があなたと体重計を引き下げるので、それはあなたの体重を測定します。体重計は地面に置かれているので、同じ力であなたを押し上げます-この同じ力があなたの体重です。ただし、体重計の上に立ったまま崖から飛び降りると、重力によって体重計も同じように引き下げられます。あなたは体重計を押したり、押し返したりしません。したがって、あなたの体重はゼロになります。

シャトルとその中のすべての物体が同じ速度で世界中に落下しているため、固定されていないシャトル内のすべてのものが浮かんでいます。あなたが長い髪を持っているならば、それはあなたの顔の周りに浮かんでいます。コップ1杯の水を注ぐと、大きな球形の液滴が想定され、別々の小さな液滴に分解できます（液体の表面張力については、このページを参照してください）。）。食べ物やキャンディーをその方向に押すと、口の中にそっと浮きます。座席に座っていると、体が座席に押し付けられないため、座っている感覚がありません。あなたが何かに固定されていない場合、あなたは浮かんでいます。さらに、壁や手/足のホールドに到達できない場合、押すものがないため、自分の位置から移動することはできません。このため、NASAはシャトルのキャビン全体に多くの拘束、手持ち、足場を配置しました。

ニュートンの第3法則

「すべての行動に対して、反対の、しかし等しい反応があります。」

微小重力で任意の方向に移動するには、何かを押して、反対方向に押すことができるようにする必要があります。さらに、あなたが押すものはすべて、シャトルの壁のように、固定されているか、あなたよりも重い必要があります。

微小重力に最初に遭遇したとき、あなたは以下の感情を持っています：

微小重力に長くとどまるほど、筋肉や骨が弱くなります。

これらの感覚はあなたの体の様々なシステムの変化によって引き起こされます。あなたの体がどのように反応するかを詳しく見てみましょう。

スペースシック

あなたが感じる吐き気と方向感覚の喪失は、あなたの車が道路のくぼみにぶつかったり、ジェットコースターに乗って落下したりしたときの胃の沈み込みのようなものです。あなただけが数日間その感覚を持ち続けます。これは宇宙酔い、または宇宙酔いの感覚です、これはあなたの脳があなたの目とあなたの内耳にある前庭器官から受け取る矛盾する情報によって引き起こされます。あなたの目はシャトルの中でどちらの方向が上下しているかを見ることができます。ただし、前庭系は下向きの重力に依存して、上向きと下向きのどちらの方向に移動しているか、どの方向に移動しているかを示しているため、微小重力では機能しません。したがって、あなたの目はあなたが逆さまになっていることをあなたの脳に伝えるかもしれませんが、あなたの脳はあなたの前庭器官から解釈可能な入力を受け取りません。あなたの混乱した脳は吐き気と見当識障害を引き起こし、それが次に嘔吐と食欲不振につながる可能性があります。幸いなことに、数日後、あなたの脳は視覚入力だけに頼ることによって状況に適応し、あなたは気分が良くなり始めます。NASAは、宇宙飛行士が体が順応するまで吐き気に対処するのに役立つ投薬パッチを発行しました。

ふくらんでいる顔と鳥の足

微小重力環境では、顔がいっぱいになり、副鼻腔が混雑しているように感じます。これは、頭痛や宇宙酔いの原因となる可能性があります。血が頭に流れ込むので、体を曲げたり逆さまに立ったりしても、地球上で同じように感じます。

微小重力にさらされると、血液や体液が変化します

地球上では、重力があなたの血液を引き寄せ、かなりの量があなたの足の静脈に溜まります。微小重力に遭遇すると、血液は足から胸と頭に移動します。以下に示すように、顔が腫れやすく、副鼻腔が腫れます。水分シフトはまたあなたの足のサイズを縮小します。

血液が胸部に移動すると、心臓のサイズが大きくなり、拍動ごとにより多くの血液が送り出されます。あなたの腎臓は、あなたが大きなコップ一杯の水を飲んだ後と同じように、より多くの尿を生成することによってこの増加した血流に反応します。また、血液と水分の増加は抗利尿ホルモン（ADH）を減少させます下垂体からの分泌物で、喉の渇きを和らげます。したがって、あなたは地球上でできるほど多くの水を飲みません。全体として、これら2つの要因が組み合わさって、胸と頭から余分な水分を取り除くのに役立ちます。数日で、体の水分レベルは地球上の水分レベルよりも低くなります。まだ少しふくらんでいる頭と鼻づまりがありますが、最初の数日後はそれほど悪くはありません。地球に戻ると、重力によってこれらの液体が足に引き戻され、頭から離れます。これにより、立ち上がったときに失神したように感じます。しかし、あなたはまたより多くを飲み始め、あなたの水分レベルは数日で正常に戻ります。

宇宙貧血

腎臓が余分な水分を取り除くと、骨髄細胞による赤血球の生成を刺激するホルモンであるエリスロポエチンの分泌も減少します。赤血球産生の減少は血漿量の減少と一致するため、ヘマトクリット値（赤血球が占める血液量の割合）は地球上と同じになります。地球に戻ると、赤血球数と同様に、エリスロポエチンレベルが上昇します。

弱い筋肉

微小重力環境にあるとき、あなたの体は「胎児」の姿勢を取ります-あなたは腕と脚をあなたの前で半分曲げた状態で、わずかにしゃがみます。この位置では、多くの筋肉、特に立って姿勢を維持するのに役立つ筋肉（反重力筋）を使用しません。国際宇宙ステーションでの滞在が長くなると、筋肉が変化します。筋肉の質量が減少し、「鳥の脚」の外観に貢献します。筋線維タイプ遅いけいれんから速いけいれんに変更します。あなたの体は、立っているときに使用されるような、ゆっくりと収縮する耐久性繊維をもはや必要としません。代わりに、宇宙ステーションの表面からすばやく自分を押し出すので、より速い単収縮繊維が必要です。駅に長く滞在すればするほど、筋肉量は少なくなります。この筋肉量の減少はあなたを弱くし、長時間の宇宙飛行や地球の重力に戻ったときに問題を引き起こします。

もろい骨

地球上では、あなたの骨はあなたの体の重さを支えています。あなたの骨のサイズと質量は、特定の骨細胞（骨芽細胞）が新しいミネラル層と他の細胞（破骨細胞）を置く速度によってバランスが取れています）それらのミネラル層をかみ砕きます。微小重力では、骨は体を支える必要がないため、すべての骨、特に腰、太もも、腰の体重を支える骨は、地球上よりもはるかに少なく使用されます。これらの骨では、骨芽細胞が新しい骨層を沈着させる速度が低下しますが（力と応力の変化が何らかの形で関与していると考えられていますが、正確な理由は誰にもわかりません）、破骨細胞が骨を噛む速度は同じままです。その結果、これらの骨のサイズと質量は、微小重力状態にある限り、月に約1パーセントの割合で減少し続けます。これらの骨量の変化により、骨が弱くなり、地球の重力に戻ったときに骨が折れる可能性が高くなります。地球に戻ったときにどれだけの骨量減少が回復可能かは不明ですが、おそらく100パーセントではありませんが。これらの骨の変化は、宇宙飛行の期間を制限する可能性があります。この分野ではさらなる研究が必要です。

弱い骨に加えて、破骨細胞によって骨が噛まれると、血中のカルシウム濃度がわずかに上昇します。あなたの腎臓は余分なカルシウムを取り除く必要があり、それは彼らを痛みを伴う腎臓結石を形成しやすくします。

微小重力環境に対処するために何ができるでしょうか？生きていないものに関しては、シャトルまたは宇宙ステーション内のすべての物体は、ロッカーに収納するか、ストラップで固定するか、ベルクロで壁に取り付ける必要があります。

たとえば、微小重力で食事をするときは、足場でシャトルにつかまえなければならず、フードトレイはストラップで取り付けられています。あなたの食べ物は、ご飯やピーナッツバターのように、べたつくかペースト状になる傾向があるので、浮き上がらないようになっています。ワークステーションにいる場合は、ストラップと足場を使用して自分を拘束します。ラップトップコンピュータなどのポータブル機器は、（上記のように）あなた、機器ラック、または宇宙船の壁のいずれかにストラップで固定されています。

国際宇宙ステーションに滞在中に身体に起こるこれらすべての変化について、特に地球に戻ったときに健康を維持するために何ができるでしょうか。主に3つの変更に対処する必要があることを忘れないでください。

水分喪失

水分喪失に対処するための1つの対策は、下半身負圧（LBNP）と呼ばれる装置です。これは、腰の下に掃除機のような吸引を適用して、脚の水分を抑えます。このデバイスは、トレッドミルなどのエクササイズデバイスに接続されている場合があります。循環器系を地球に近い状態に保つために、LBNPで1日30分を過ごすかもしれません。

また、地球に戻る直前に、失った水分を補充するために大量の水または電解質溶液を飲むことができます。これにより、立ち上がってシャトルから降りるときに失神するのを防ぐことができます。

筋肉と骨の劣化

NASAとロシア宇宙機関は、宇宙での筋肉と骨量の損失を最小限に抑える最善の方法は、頻繁に運動することであることを発見しました。これはあなたの筋肉を訓練し、それらが悪化するのを防ぎ、あなたの骨にストレスをかけ、体重に似た感覚を生み出します。さまざまなマシン（トレッドミル、ローイングマシン、自転車）で毎日2時間も運動します。運動中は、通常、バンジーコードなど、機械に固定する張力を発生させるストラップで拘束する必要があります。

身体の微小重力の変化に対する対策を開発するために、さらに多くの研究を行う必要があります。この研究は、人間と動物の両方を使用して、地上と宇宙空間の両方（国際宇宙ステーションに搭載）で実施する必要があります。このような研究の結果は、宇宙飛行士の健康を改善し、火星への旅行などの長期的な宇宙探査への道を開くのに役立ちます。

地球上の微小重力をシミュレートする方法

地球上の微小重力をシミュレートおよび研究するための人間と動物のモデルを次に示します。

• 頭を下に傾ける-人は、水平から約5度下に傾けたベッドに横になります。傾斜は、微小重力で遭遇する体液の前方へのシフトを再現します。さらに、体重を支える骨や筋肉は使用されず、微小重力の宇宙飛行士に見られるように劣化または萎縮します。
• スイミングプールへの浸漬-被験者を温めたスイミングプールに長時間置きます。水の浮力は、流体のシフトを生成し、微小重力のように体重を支える骨や筋肉を和らげます。
• 尾を吊るしたラット-ラットは、ケージの中で尻尾を頭から下に向けて長時間吊るされます。傾きは体液の前方への移動を再現し、後肢の不活動は筋肉と骨の劣化を再現します。
• KC-135「嘔吐彗星」 -飛行機を一連の上下（放物線）飛行経路に乗せ、各ピークで微小重力を短時間（各30秒）達成します。NASAはこの技術を宇宙飛行士の訓練に使用しており、学生の研究プロジェクトに利用できます。

向きと動きは、内耳の上部にある前庭系を使用して感知されます。

前庭系が重力に対する方向を感知する方法は次のとおりです。炭酸カルシウム（チョーク）の結晶を含む耳石器官があります。結晶は、さまざまな方向（x軸、y軸、z軸）で髪の毛のような感覚神経細胞に付着しています。

前庭系が動きを感知する方法は次のとおりです。動き、特に加速度を感知するための3つの半規管があります。それらは互いに直角に配向されており、それぞれが3つの方向（x軸、y軸、またはz軸）のいずれかにあります。それらは内リンパと呼ばれる液体と髪のような感覚神経細胞を含んでいます。

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