Simulieren Sie ein Experiment zur Schwerelosigkeit, indem Sie 90 Tage lang mit dem Kopf nach unten und den Füßen hoch im Bett liegen. Wie lange kannst du durchhalten?

Wenn Sie 24 Stunden am Tag liegen müssten, mit gesenktem Kopf und hochgelegten Füßen, wie lange könnten Sie durchhalten? In jüngster Zeit hat das 90-tägige Experiment zur Bettruhe für Astronauten mit dem Kopf nach unten Aufmerksamkeit erregt. Da es sich um ein klassisches physiologisches Experiment zur Simulation der Schwerelosigkeit handelt, müssen die Teilnehmer zahlreiche Tests durchlaufen. Also, wie wurde dieses Experiment durchgeführt? Was ist die Bedeutung?

Langzeit-Schwerelosigkeit erforschen

Wie wir alle wissen, herrscht im Weltraum Schwerelosigkeit. Menschen leben lange Zeit in einer Umgebung mit Schwerkraft. Sobald sie in eine schwerelose Umgebung eintreten, können sie mit verschiedenen physiologischen und psychologischen Veränderungen konfrontiert werden. Relevante Daten zeigen, dass Schwerelosigkeit zu Knochenschwund und Skelettmuskelatrophie führen kann, was sich negativ auf das Gleichgewichts- und Sehsystem des Innenohrs auswirkt und eine Reihe von Problemen wie etwa eine verringerte sportliche Ausdauer und Standfestigkeit zur Folge hat.

Um die negativen Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf den menschlichen Körper zu untersuchen und die körperliche Gesundheit und Arbeitsleistung der Astronauten sicherzustellen, müssen wissenschaftliche Forscher viel Energie darauf verwenden, die physiologischen Veränderungen zu beobachten, die nach der Schwerelosigkeit im menschlichen Körper auftreten, um Schutzmaßnahmen zu erforschen. Die gängigste Methode zur Untersuchung der Schwerelosigkeit besteht darin, Schwerelosigkeitsbedingungen in einem Flugzeug zu erzeugen. Normalerweise erfährt ein Flugzeug Schwerelosigkeit, wenn es eine Parabel fliegt. Allerdings kann die Schwerelosigkeit dabei nur einige zehn Sekunden dauern, und es ist unmöglich, die Veränderungen des menschlichen Körpers in der Schwerelosigkeit über einen längeren Zeitraum zu beobachten. Die Immersionsmethode zur Simulation der Schwerelosigkeit, bei der der natürliche Auftrieb des Wassers genutzt wird, um einen Teil der Schwerkraftwirkung auszugleichen, kann zwar für Langzeitbeobachtungen eingesetzt werden, kann den Einfluss der Schwerkraft jedoch dennoch nicht vermeiden.

Neben den beiden oben genannten Methoden ist auch das Liegen im Bett mit dem Kopf nach unten eine klassische Methode, um Schwerelosigkeit zu simulieren. Wenn eine Person über längere Zeit eine Haltung mit gesenktem Kopf und hochgelegten Füßen einnimmt, verlagern sich Körperflüssigkeiten in den Kopf- und Brustbereich, was sich auch auf die Beinmuskulatur und -knochen auswirkt. Diese Veränderungen ähneln den Veränderungen im Körper nach der Schwerelosigkeit. Durch dieses Experiment können Forscher Daten über die Auswirkungen langfristiger Schwerelosigkeit auf den menschlichen Körper gewinnen.

Das Experiment mit der Bettruhe mit dem Kopf nach unten entstand in den 1970er Jahren, als sowjetische Astronauten nach Abschluss ihrer Weltraummissionen zur Erde zurückkehrten und oft das Gefühl hatten, dass ihr Körper im Schlaf nach unten rutschte. Um dieses ungewöhnliche Gefühl zu ändern, beschlossen sie, die Füße des Bettes auf die gewünschte Höhe anzuheben. Die Forscher stellten fest, dass die physiologischen Veränderungen, die durch das Liegen im Bett mit dem Kopf bei -6° nach unten verursacht werden, den physiologischen Veränderungen, die durch die Schwerelosigkeit während eines Raumflugs verursacht werden, am ähnlichsten sind. Bald wurde die Bettruhe mit dem Kopf nach unten zu einem Standardexperiment der größten Raumfahrtmächte der Welt zur Untersuchung der Schwerelosigkeit.

Freiwillige unterziehen sich einem Langzeitexperiment zur Bettruhe mit dem Kopf nach unten

90 Tage liegen, um einen neuen Weltrekord aufzustellen

Zu Beginn des bemannten Raumfahrtprogramms meines Landes wurde für Kurzzeitflüge ein 7- bis 21-tägiges Experiment mit Bettruhe in der Kopflage durchgeführt. Um die bemannte Raumfahrt weiterzuentwickeln, hat mein Land nach 2006 mehrere groß angelegte Experimente mit längerer Laufzeit durchgeführt.

Im Jahr 2007 organisierte mein Land unter Beteiligung ausländischer wissenschaftlicher Forschungseinrichtungen das erste 60-tägige Experiment „Earth Star No. 1“, bei dem die Patienten mit einer Bettruhe mit abgesenktem Kopfbereich 60 Tage lang geruht haben. Alle 21 Freiwilligen waren männlich. In diesem Experiment wurden erstmals die Veränderungen der Immunfunktion chinesischer Freiwilliger systematisch untersucht. Obwohl das Experiment derzeit nicht alle Veränderungen der Immunfunktion von Astronauten in der Weltraumumgebung vollständig nachbilden kann, bietet es dennoch eine wissenschaftliche Grundlage für den Schutz vor der Schwerelosigkeit bei zukünftigen Langzeit-Raumflügen.

Von Juni bis Juli 2009 führte das China Astronaut Research and Training Center ein 30-tägiges Experiment mit Bettruhe in der Kopflage durch. Die Forscher sammelten außerdem eine große Menge an Daten und stellten fest, dass die neuromuskuläre Elektrostimulation die Atrophie der Unterschenkelmuskulatur durch Nichtgebrauch verlangsamen, jedoch nicht umkehren kann. Anschließend wurden in meinem Land Experimente mit 15-tägiger und 45-tägiger Kopftieflage-Bettruhe für Frauen durchgeführt, und beide führten zu signifikanten Ergebnissen.

Im Jahr 2019 führte das China Astronaut Research and Training Center ein 90-tägiges Kopf-Tief-Bettruheexperiment mit 36 ​​Personen durch, das auch als „Earthsat-2“-Experiment bekannt ist. Dieses Experiment brach nicht nur hinsichtlich Dauer und Teilnehmerzahl Weltrekorde, sondern es waren auch nicht weniger als 22 Teams daran beteiligt. Da das gesamte Experiment in drei Phasen unterteilt ist, nämlich eine 15-tägige Testphase zur Anpassung vor dem Zubettgehen, eine 90-tägige Bettruhephase und eine 33-tägige Testerholungsphase nach dem Aufstehen, beträgt die tatsächliche Dauer des Experiments fast 140 Tage.

Freiwillige im Experiment „Earth Star 2“ trainieren auf einem Laufband in Rückenlage, um ihre kardiopulmonale Funktion zu testen

Liegendes Experiment ist nicht einfach

Im Rahmen des „Earthsat-2“-Experiments gab es für die Freiwilligen eine ganze Reihe von Übungen und Tests, unter anderem zu orthostatischer Ausdauer, kardiopulmonaler Funktion, Muskelkraft, Muskelvolumen und Knochendichte. Um objektiver und realistischer zu sein, wurden die 36 Freiwilligen nach dem Zufallsprinzip in fünf Versuchsgruppen aufgeteilt und das Experiment gruppenweise im Bett durchgeführt.

In den 15 Tagen vor dem Experiment mussten sich die Probanden schrittweise an die Kopftiefbettposition gewöhnen. Die Probanden wurden mit einer Reihe alltäglicher Aktivitäten wie Essen, Trinken, Duschen, Urinieren und Stuhlgang in einer Kopftieflage von -6° vertraut gemacht. Alle Freiwilligen müssen diese Haltung während des gesamten Experiments beibehalten. Für normale Menschen ist es keine leichte Aufgabe, diese Haltung über einen längeren Zeitraum beizubehalten, ganz zu schweigen von der Erledigung alltäglicher Aktivitäten.

Die Trainingsmuster der Probanden beim Laufen und Radfahren unterscheiden sich völlig von unseren täglichen Trainingsmustern. In der Kopftiefbettposition ist die Körperhaltung vollständig zur Seite gedreht, das Laufband wird zu einem vertikalen Laufband und die Fahrradpedale sind um 90° gedreht. Während des Experiments können die Probanden täglich ihre Herzfrequenz, ihren Blutdruck und ihre Körpertemperatur messen und die Daten aufzeichnen. Gleichzeitig wurden die Probanden gebeten, ein Tagebuch zu schreiben, was natürlich ebenfalls in der Kopftieflage im Bett erledigt wurde.

Im Experiment „Earth Star 2“ fuhren Freiwillige in liegender Position Fahrrad, um ihre kardiopulmonale Funktion zu testen

Den Probanden wurde außerdem beigebracht, ihre Atmung und Haltung beim Vertikallaufen zu beherrschen und die Gelenkbewegungen und Muskelkraft zu kontrollieren, um die Wirksamkeit und Sicherheit der Übung zu gewährleisten. Bei diesem Experiment wurde besonderes Augenmerk auf die psychologische Betreuung gelegt. Die Forscher entwickelten einige Spiele und Aktivitäten, um den Probanden zu helfen, eine gute mentale Verfassung aufrechtzuerhalten. Um Unfällen vorzubeugen, führen Forscher zudem zeitnahe und effiziente psychologische Untersuchungen einzelner Probanden durch. Während des Experiments kam auch der Weltraumheld Yang Liwei zum Schauplatz, um mit den Versuchspersonen zu kommunizieren. Die Unterstützung ihrer Idole wird ihnen sicherlich großen Mut machen.

Durch dieses Experiment fanden die Forscher heraus, dass Laufübungen für 30 Minuten am Tag an vier Tagen in der Woche Menschen dabei helfen können, ihre aerobe Ausdauer auch nach 90 Tagen Bettruhe mit gesenktem Kopf aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus wird empfohlen, bei Schutzmaßnahmen auch andere Faktoren zu berücksichtigen, die den Knochenschwund beeinflussen, wie etwa Medikamente und Ernährungsinterventionen.

Die Ära der chinesischen Raumstation ist angebrochen. Der erfolgreiche Langzeitaufenthalt der Astronauten im Orbit der Raumstation ist nicht nur ihrem eigenen Einsatz zu verdanken, sondern hängt auch eng mit den Bemühungen unzähliger wissenschaftlicher Forscher vor Ort zusammen. Sie sind es, die ständig Schwierigkeiten überwinden, um sicherzustellen, dass die Schutzmaßnahmen für Astronauten im Orbit wirksam und effizient sind und der langfristige Aufenthalt der Astronauten gesichert ist. (Autor: Lin Yinzhi, Gutachter: Jiang Fan, stellvertretender Direktor des Wissenschafts- und Technologieausschusses der China Aerospace Science and Technology Corporation)