Il lavoro dei sogni, 16 mila euro per stare al letto due mesi

By | 06/04/2017
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Non è uno scherzo a chiedere persone che siano disposte a stare a letto 24 ore su 24 per sessanta gironi consecutivi senza potersi mai alzarsi è l’Istituto di Medicina e Fisiologia spaziale di Tolosa, in Francia (Medes). AAA cercasi volontari per restare a letto per due mesi di fila guadagnando ben 16 mila euro.

I primi 14 giorni dell’esperimento saranno impiegati alla preparazione dei volontari, che dovranno rimanere a letto per 60 giorni. Qualsiasi posizione si adotterà in questo lungo periodo di “riposo lavorativo” almeno una spalla dovrà poggiare a letto. “L’idea dello studio è di riprodurre l’assenza di gravità presente nella Stazione Spaziale Internazionale” racconta il dottor Arnaud Beck, tra i coordinatori dell’esperimento, così da riuscire a comprendere fino in fondo gli effetti negativi della microgravità sul corpo umano e riuscire a escogarvi rimedio. Si cercano 24 ragazzi e uomini di un’età compresa tra i 24 e i 45 anni, in forma, sportivi e non fumatori.

Stare a letto per due mesi non sarà semplice come si prospetta, non ci si potrà mai alzare neppure per andare in bagno o per mangiare, non ci si potrà neanche sgranchire le gambe. Lo studio intende verificare i meccanismi di adattamento del corpo a due mesi di microgravità simulata e gli effetti di una combinazione di integratori antiossidanti e farmaci anti infiammatori, ma anche eventuali problemi cardiovascolari, pressione bassa, perdita di peso, vertigini, perdita del tessuto muscolare e forte indebolimento degli arti inferiori dovuta alla postura richiesta. Siete proprio convinti? E allora leggete la testimonianza di ex volontario per la Nasa su cosa può succedere dopo due mesi filati senza alzarvi mai dal letto:

“Non appena il letto è stato messo in posizione verticale, mi sono sentito le gambe pesanti come non mai”. Il mio cuore ha iniziato a battere a 150 battiti al minuto. “Solo più tardi mi è stato comunicato che nessuno di quelli che hanno partecipato all’esperimento è riuscito a stare in piedi per tutti e 15 i minuti”.

A spiegarci per bene i rischi di questo test Andrew Iwanicki, lui è già stato volontario per la NASA effettuando lo stesso test per tre mesi venne pagato $ 18.000:

“Non appena il letto è stato portato in posizione verticale ho iniziato a sentire le mie gambe pesanti come non mai. Il mio cuore ha iniziato a battere a 150 battiti al minuto. Ho iniziato a sentire prurito alla pelle, ero tutto sudato. Il sangue è scivolato nelle gambe, allargando le vene che nei mesi precedenti passati a letto erano diventate sempre più elastiche. Mi sentivo come se dovessi svenire. Ho lottato per rimanre in piedi dall’inizio e diventava sempre più difficile. Dopo circa 8 minuti il mio battito è crollato da 150 a 70 battiti al minuto. Il mio corpo stava per collassare. Mentre la vista si stava facendo nera lo staff medico ha visto i miei valori crollare e mi ha riportato rapidamente in posizione orizzontale. Solamente dopo averlo fatto mi hanno spiegato che nessuno dei soggetti che hanno partecipato all’esperimento aveva mai resistito in piedi per tutti i 15 minuti previsti”.

Ricerca in microgravità: dallo spazio nuove conoscenze per la scienza dei materiali.

Nell’autunno 1998, a bordo dello Space Shuttle STS-95 si è concretizzato un primo importante passo del progetto fast (Facility for Adsorption and Surface Tension studies): un programma di ricerca, coordinato dall’iCFAM- cnr, finalizzato allo studio dei processi dinamici di adsorbimento di tensioattivi su superfici liquide in condizioni di assenza di peso (microgravità). La microgravità permette infatti il controllo delle condizioni sperimentali in modo molto più accurato di quanto ottenibile su Terra. È prevista inoltre una ulteriore campagna di esperimenti durante la missione STS-107 nel Luglio 2001 e la preparazione di esperimenti per la Stazione Spaziale Internazionale.
Le ricadute applicative di tali studi sono notevoli in ambito tecnologico, medico-farmaceutico e biotecnologico. Molecole tensioattive sono infatti usate in una vastissima gamma di tecnologie e prodotti per regolare le proprietà delle interfacce liquide.

Il progetto fast si propone l’indagine su una serie di aspetti della chimica fisica delle super- fici liquide connessi con i problemi della dinamica di adsorbimento di tensioattivi. Questi processi dinamici sono dovuti a diversi meccanismi chimico-fisici quali, per esempio, lo scambio di molecole di tensioattivo tra la fase superficiale e lo strato adiacente alla superficie e la riorganizzazione all’interno dello strato adsorbito. Hanno inoltre un ruolo fondamentale i processi di trasporto nella fase di volume che tendono a ristabilire l’uniformità della concentrazione.

I modelli teorici disponibili consentono la descrizione quantitativa di questi fenomeni solo quando il trasporto nel volume sia dovuto alla sola diffusione. Pertanto, a causa della forte attenuazione dei processi di convezione, i risultati ottenuti in microgravità possono essere utilizzati per la verifica di tali modelli e per mettere in evidenza i meccanismi propri dello strato interfacciale misurandone le quantità chimico-fisiche che lo caratterizzano.

II progetto, che è stato proposto dall’iCFAM nel 1992 nell’ambito di un programma dell’Agenzia Spaziale Europea (esa), è basato sulla costruzione di un tensiometro innovativo per il monitoraggio della tensione superficiale in risposta a variazioni dell’area superficiale. Il progetto ha ricevuto una valutazione di eccellenza da parte di esa che ha quindi finanziato lo sviluppo ed il volo dell’apparecchiatura sperimentale, commissionandola alle Officine Galileo di Firenze. Lo sviluppo scientifico e la sperimentazione di laboratorio sono stati svolti con il supporto finanziario dell’Agenzia Spaziale Italiana.

A sostegno dello sviluppo scientifico e tecnico del progetto è inoltre ufficialmente preposta una rete di laboratori Europei (ESA-Topical Team). L’apparecchiatura ha volato per la prima volta durante la missione dello Space Shuttle STS-95, nel corso della quale sono stati effettuati circa 200 esperimenti in tre programmi sperimentali: due italiani ed uno tedesco.
I risultati hanno dimostrato la validità dell’approccio sperimentale adottato. In particolare, è stata verificata l’efficacia dell’assenza di peso nell’estendere l’intervallo di applicabilità delle tecniche sperimentali, consentendo la misura di alcune proprietà fisiche in condizioni non accessibili su terra.

Nell’ambito di un nuovo progetto, fases (Fundamental and Applied Studies on Emul- sion Stability), recentemente selezionato dall’Agenzia Spaziale Europea, tali studi verranno applicati ai problemi di stabilità delle emulsioni. fases ha un accentuato carattere applicativo nell’ambito delle problematiche tipiche dell’industria petrolifera. A tale progetto, coordinato ancora dall’iCFAM, sono associati alcuni laboratori europei (Max Planck Institut di Berlino, Università di Marsiglia, Université de Tecnologie di Compiègne e Università di Firenze) con l’attiva partecipazione di eni Tecnologie quale parte industriale. A questo scopo, è previsto lo sviluppo di una versione dell’apparecchiatura fast per la Stazione Spaziale Internazionale, che verrà affiancata da due celle sperimentali per lo studio della evoluzione di emulsioni in sistemi modello e di interesse petrolifero (greggi e miscele di idrocarburi).

Come viene avvertita la gravità

Sebbene i fattori che influiscono sulla salute umana durante il volo spaziale siano molti, l’assenza di gravità è quello predominante. I suoi effetti diretti e indiretti danno origine a una cascata di risposte intercorrelate che partono da tre diversi tipi di tessuto: recettori di gravità, fluidi e strutture che sostengono il peso. Il risultato finale è una reazione dell’intero organismo, dalle ossa al cervello.

Quando gli astronauti si aggrappano alla parete del loro veicolo per spostarsi avanti o indietro, hanno l’impressione di rimanere fermi mentre la navicella si muove. Il motivo di ciò è che dipendiamo dalla gravità per interpretare le informazioni percettive. La natura pervasiva e continua della gravità fa sì che ce ne accorgiamo solo di tanto in tanto, per esempio quando soffriamo di vene varicose o di occasionali capogiri; ma il nostro corpo non se ne dimentica mai. Consciamente o no, abbiamo evoluto un numero enorme di reazioni automatiche per fronteggiare lo stress costante di vivere in un mondo in cui l’attrazione è diretta verso il basso. Solo quando la forza di gravità che agisce effettivamente sull’organismo aumenta o diminuisce riusciamo a percepirla consciamente; altrimenti la nostra percezione è indiretta.

I sensi ci forniscono informazioni precise sulla localizzazione del nostro baricentro e sulla posizione relativa delle membra. Questa capacità integra segnali provenienti dagli occhi e dalle orecchie con altre informazioni che giungono dagli organi vestibolari dell’orecchio interno, dai muscoli e dalle articolazioni e dal senso del tatto. Molti di questi segnali dipendono dall’intensità e dalla direzione della forza gravitazionale terrestre.

L’apparato vestibolare dell’orecchio interno ha due componenti distinte: i canali semicircolari (tre cavità perpendicolari tra loro ripiene di fluido, che contengono cellule ciliate connesse con le fibre nervose), i quali sono sensibili all’accelerazione angolare del capo; e gli otoliti (due sacche contenenti cristalli di carbonato di calcio immersi in un gel), che rispondono all’accelerazione lineare. Dato che è il movimento dei cristalli negli otoliti a generare il segnale di accelerazione che va al cervello, e dato che le leggi fisiche correlano questa accelerazione a una forza netta, la gravità è sempre implicita nel segnale.

Per questo motivo gli otoliti sono stati denominati recettori di gravità. Tuttavia non sono gli unici: recettori meccanici situati nei muscoli, nei tendini e nelle articolazioni – oltre che recettori di pressione nella cute, soprattutto nella pianta dei piedi – rispondono al peso degli arti e di altre parti del corpo.

Eliminare la gravità trasforma questi segnali. Gli otoliti non percepiscono più una preferenza verso il basso nei movimenti del capo. Gli arti non hanno più peso, e perciò i muscoli non sono costretti a contrarsi e rilassarsi nel modo usuale per mantenere la postura e produrre i movimenti. I recettori del tatto e della pressione situati nei piedi e nelle caviglie non indicano più la direzione verso il basso. Queste e altre alterazioni contribuiscono alle illusioni dell’orientamento visivo e alla sensazione che il corpo o il veicolo spaziale si riorientino spontaneamente.

Nel 1961 il cosmonauta German Titov riferì la vivida sensazione di trovarsi a testa in giù all’inizio di un volo spaziale durato solo un giorno. Nel 1997 uno degli astronauti dello shuttle, Byron K. Lichtenberg, commentando le sue prime esperienze di volo disse: «Quando i motori principali si sono spenti, ho avuto immediatamente l’impressione di ruotare di 180 gradi». Queste illusioni possono ripresentarsi anche dopo che si è trascorso qualche tempo nello spazio.

Anche l’assenza di altri stimoli sensoriali critici disorienta il cervello. Sebbene il volo orbitale sia una caduta libera ininterrotta – Tunica differenza rispetto al paracadutismo è che la velocità in avanti del veicolo genera una traiettoria curva intorno al pianeta – gli astronauti non hanno la sensazione di cadere. Quest’ultima percezione dipende probabilmente da stimoli visivi e dallo scorrimento dell’aria, oltre che da informazioni fomite direttamente dai recettori di gravità. Ciò contraddice una previsione fatta nel 1950 da Haber e dal suo collega Otto H. Gauer: «In assenza di gravità nello spazio deve esservi necessariamente una sensazione di caduta. Si prevede che sia possibile abituarsi a questo stato».

Tutto questo insieme di alterazioni dei segnali provoca, in oltre metà di coloro che compiono un volo spaziale, una chinetosi che comprende molti dei sintomi delle normali chinetosi che si manifestano sulla Terra: dolori al capo, difficoltà di concentrazione, perdita dell’appetito, nausea e mal di stomaco. Nello spazio di solito questi disturbi non perdurano al di là dei primi tre giorni circa passati in assenza di gravità, ma una sindrome non dissimile è stata riferita da cosmonauti al termine di lunghi voli.

Un tempo gli scienziati attribuivano la chinetosi spaziale a un’insolita attività vestibolare che entrava in conflitto con le aspettative del cervello. Ora è chiaro che una simile spiegazione è semplicistica. La chinetosi deriva da un insieme di fattori, fra i quali l’alterazione dei tipi e dei livelli di attività motoria necessaria per controllare la posizione del capo. Disturbi del tutto analoghi possono essere indotti dagli ambienti virtuali creati col computer, dove mancano le forze e gli stimoli sensoriali presenti durante un moto reale.

Con il tempo, il cervello si adatta ai nuovi segnali, e per alcuni astronauti «verso il basso» diventa semplicemente la direzione dei piedi. L’adattamento probabilmente comporta modificazioni fisiologiche, sia nei recettori sia negli schemi di attività delle cellule nervose. Cambiamenti di questo tipo avvengono sulla Terra durante la crescita dell’organismo, nonché in caso di marcata variazione del peso corporeo.

Il modo in cui controlliamo l’equilibrio ed evitiamo le cadute è un aspetto importante e non del tutto conosciuto della nostra fisiologia. L’esperienza dei soggetti per il resto sani che tornando dallo spazio hanno difficoltà a mantenere T equilibrio, ma recuperano rapidamente questa capacità, potrebbe dimostrarsi utile per coloro che soffrono di disturbi dell’equilibrio sulla Terra.

Bernard Cohen della Mount Sinai School of Medicine e Gilles Clément del CNRS di Parigi hanno intrapreso uno studio di questo tipo dopo la missione Neurolab sullo shuttle, conclusasi il 3 maggio 1998. Per applicare i risultati di questo lavoro a pazienti affetti da disordini dell’equilibrio, Barry W. Peterson della Northwestern University e un gruppo di ricercatori, con il sostegno della NASA e dei National Institutes of Health, stanno creando il primo modello al calcolatore dell’intero corpo umano che permetta di simulare il controllo della postura e dell’equilibrio.

Raffreddori spaziali

Una seconda serie di effetti dell’assenza di peso riguarda i fluidi corporei. Entro pochi minuti dall’ingresso in un ambiente a microgravità, le vene del collo cominciano a inturgidirsi e il viso diventa gonfio e tondeggiante. La migrazione di fluidi verso il torace e il capo provoca congestione dei seni frontali e delle cavità nasali. Questo effetto, molto simile a quello prodotto da un raffreddore, continua per tutto il volo, tranne che nei periodi di intenso esercizio fisico, allorché la variazione della pressione dei fluidi nell’orgamsmo allevia temporaneamente la congestione. Anche i sensi del gusto e dell’olfatto sono alterati; solo il cibo speziato mantiene la propria appetibilità. Ai primordi dei voli spaziali i medici temevano che la congestione toracica potesse essere pericolosa, proprio come un edema polmonare è un rischio per i cardiopatici; fortunatamente si è visto che non è così.

Tutti questi fenomeni si manifestano perché i fluidi organici hanno perso il loro peso. In media, circa il 60 per cento del peso di una persona è costituito da acqua, contenuta nelle cellule dell’organismo (fluido intracellulare), nelle arterie e nelle vene (plasma sanguigno) e negli spazi compresi fra i vasi sanguigni e le cellule (fluido interstiziale). Sulla Terra, quando un individuo si alza in piedi, il peso dell’acqua esercita una pressione in tutto l’organismo. Nel sistema vascolare la pressione sanguigna aumenta idrostaticamente, proprio come nell’acqua la pressione cresce con la profondità. Per un individuo fermo in posizione eretta questo effetto idrostatico può essere rilevante. Nei piedi, la pressione arteriosa e venosa può aumentare di circa 100 millimetri di mercurio, ossia il doppio della normale pressione arteriosa e molte volte di più della normale pressione venosa. Nelle regioni del corpo comprese fra i piedi e il cuore la pressione passa da zero a 100 millimetri di mercurio. Al di sopra del cuore, la pressione arteriosa e quella venosa diventano inferiori alla pressione atmosferica.

L’effetto idrostatico ha solo una leggera influenza sul flusso del sangue attraverso i tessuti perché la pressione arteriosa e quella venosa aumentano della stessa quantità. Esso influisce però sulla distribuzione dei liquidi nell’organismo, accrescendo la quantità di sangue che filtra dai capillari allo spazio interstiziale. Se si passa da una posizione distesa a una eretta, i liquidi si spostano nella parte inferiore dell’organismo e il riflusso del sangue verso il cuore risulta ridotto. Se mantenuta a lungo, una posizione eretta può provocare svenimenti, come accade a soldati rimasti sull’attenti per troppo tempo. Due altri effetti idrostatici sono la formazione di varici, che si ha quando i vasi sono permanentemente deformati da un eccesso di liquido, e il gonfiore alle gambe che compare quando si è rimasti seduti a lungo.

Nello spazio, la pressione idrostatica scompare, facendo sì che i liquidi si ridistribuiscano naturalmente dalla parte inferiore a quella superiore del corpo. Misurazioni dirette del volume degli arti inferiori dimostrano che ogni gamba perde circa un litro di liquido – più o meno un decimo del suo volume – nel primo giorno. Gli arti inferiori rimangono più piccoli del normale per tutto il tempo trascorso nello spazio. (Anzi, i liquidi cominciano a spostarsi verso il capo mentre gli astronauti sono ancora sulla rampa di lancio, dato che i seggiolini su cui essi siedono per diverse ore li costringono a tenere i piedi alzati al di sopra della testa.) Via via che i liquidi si spostano, l’organismo si adatta ridistribuendo ulteriormente acqua fra i suoi vari comparti. Il volume del plasma decresce rapidamente (di quasi il 20 per cento) e rimane basso.

Questi spostamenti di liquidi a loro volta danno inizio a una cascata di processi, a livello renale, ormonale e meccanico, che regolano i livelli di fluido e di elettroliti. Per esempio, la velocità di filtrazione dei reni, normalmente stabile, aumenta quasi del 20 per cento e rimane a questo livello per la prima settimana trascorsa nello spazio. Oltre a ciò, i voli spaziali, anche di breve durata, provocano una particolare forma di anemia. Negli ultimi anni, Clarence Alfrey del Bay- lor College of Medicine ha dimostrato che la riduzione del plasma e il concomitante decremento dello spazio vascolare portano a sovrabbondanza di globuli rossi. L’organismo reagisce bloccando la produzione di nuovi globuli rossi e distruggendo quelli appena sintetizzati: si tratta di un meccanismo che era sfuggito agli ematologi prima delle ricerche di Alfrey sugli astronauti.

Una terza serie di effetti causati dall’assenza di gravità riguarda i muscoli e le ossa. Coloro che trascorrono nello spazio periodi di tempo anche brevi perdono massa in entrambi i tessuti. E un fenomeno preoccupante? In condizioni di microgravità le forze che agiscono all’interno degli elementi strutturali del corpo si modificano drasticamente. Dato che la colonna vertebrale non è più compressa, la statura aumenta di circa 5 centimetri. Polmoni, cuore e altri organi toracici non hanno peso, e di conseguenza il costato e il torace
si rilassano e si espandono. Così pure, scompare 0 peso di fegato, milza, reni, stomaco e intestino.

Nel contempo, muscoli e ossa cominciano a essere utilizzati in modi diversi. 1 muscoli scheletrici, che sono il tessuto più esteso dell’organismo, si sono evoluti per mantenere la posizione eretta e per muovere le varie parti del corpo. Ma nello spazio i muscoli che a terra hanno la funzione di opporsi alla gravità non sono più necessari per questo scopo; inoltre i muscoli che si sfruttano per muoversi nell’abitacolo di un veicolo spaziale non sono gli stessi che vengono impegnati se si cammina lungo un corridoio.

La conseguenza di ciò è che alcuni muscoli si atrofizzano rapidamente. Nello stesso tempo, si altera la natura del muscolo stesso, che passa da fibre a contrazione lenta utili per il sostegno in opposizione alla gravità a fibre a contrazione più veloce, adatte a una reazione rapida. Nessuna di queste alterazioni pone problemi agli astronauti fino a che si limitano a lavori leggeri. Si stanno però effettuando intense ricerche sperimentali per impedire l’atrofia dei muscoli impiegati in sforzi sostenuti durante le «passeggiate» nello spazio e per salvaguardare l’integrità muscolare in vista del ritorno a Terra.

Anche il metabolismo osseo cambia sostanzialmente. L’osso, uno dei materiali biologici più resistenti che si conoscano, è un tessuto dinamico. Particolari cellule, gli osteoblasti, hanno il compito di produrre tessuto osseo, mentre altre, gli osteoclasti, servono a distruggerlo. I due tipi di cellule di solito cooperano per far sì che le ossa vengano continuamente reintegrate nel corso della vita. Questi sistemi cellulari sono sensibili a vari ormoni e vitamine presenti nel sangue e agli stress meccanici che si esercitano sull’osso.

Quest’ultimo contiene sia materiali organici, che contribuiscono alla resistenza e alla stabilità, sia materiali inorganici che conferiscono rigidità e fungono da riserva di minerali per l’organismo. Per esempio, il 99 per cento del calcio nell’organismo è immagazzinato nello scheletro. Livelli stabili di calcio nei fluidi organici sono necessari per il normale funzionamento di tutte le cellule.

Studi congiunti russo-americani hanno dimostrato che nei cosmonauti si è avuta perdita di tessuto osseo a livello delle vertebre inferiori, del bacino e della parte alta del femore nella misura dell’uno per cento circa al mese per tutta la durata della missione. Vi sono taluni siti dell’organismo, come l’osso del tallone, che perdono calcio ancora più velocemente. Studi sugli animali che hanno volato nello spazio indicano che anche la sintesi del tessuto osseo è rallentata.

Questi dati appaiono molto preoccupanti. Durante un volo spaziale, la perdita di tessuto osseo alza i livelli di calcio nell’organismo, favorendo la formazione di calcoli renali e la calcificazione dei tessuti molli. Quando si toma a terra, il deterioramento del tessuto osseo cessa entro un mese, ma non sappiamo se il recupero possa essere completo: la casistica di individui che hanno compiuto lunghe permanenze nello spazio è ancora troppo ridotta. Il deterioramento osseo potrebbe essere in parte irreversibile, il che predisporrebbe gli ex astronauti a fratture. Una missione Spacelab del 1996 fu in parte dedicata a questi problemi: un gruppo di italiani, svedesi, svizzeri e statunitensi compì otto esperimenti sulle alterazioni muscolari e ossee.

Queste incertezze riflettono il fatto che le nostre conoscenze sul funzionamento dell’organismo a Terra sono incomplete. Per esempio, molte donne dopo la menopausa soffrono di osteoporosi: si sa che in questa patologia possono essere coinvolti diversi fattori (attività fisica, alimentazione, livelli di vitamine e ormoni), ma non è ancora chiaro come essi agiscano e interagiscano. Questa complessità rende difficile mettere a punto terapie appropriate. La stessa cosa è vera per la perdita di tessuto osseo che si ha negli astronauti: finora sono stati tentati vari tipi di esercizi fisici (si veda l’articolo Sei mesi sulla Mir di Shannon W. Lucid in «Le Scienze» n. 359, luglio 1998), ma con risultati non particolarmente brillanti.

Fiato corto

Disorientamento, ridistribuzione dei liquidi e deterioramento muscolare e osseo non sono le uniche conseguenze dell’assenza di gravità. Un esempio degli altri organi interessati direttamente o indirettamente è il polmone.
John B. West e il suo gruppo dell’Università della California a San Diego, insieme con Manuel Paiva della Libera Università di Bruxelles, hanno studiato il comportamento del polmone nello spazio, ottenendo molti dati che non si sarebbero potuti ottenere in un laboratorio terrestre. Sulla Terra l’andamento del flusso d’aria e della circolazione sanguigna nella parte superiore e inferiore del polmone è differente. Ma questi andamenti sono dovuti solo alla gravità o anche alla natura del polmone stesso? Solo di recente gli studi compiuti nello spazio hanno dimostrato che la seconda risposta è quella esatta.
Non tutti i fenomeni fisiologici che avvengono durante i voli spaziali sono causati dall’assenza di gravità. Pure colpiti, per esempio, sono il sistema immunitario (a causa probabilmente degli stress fisici e psicologici del volo spaziale) e i vari sistemi responsabili della quantità e qualità del sonno (perturbati dai livelli di illuminazione e dai turni di lavoro nello spazio). Se si guarda fuori dall’oblò appena prima di coricarsi (azione difficile da evitare, data la bellezza del panorama), l’occhio può ricevere luce brillante in quantità sufficiente per indurre una risposta fisiologica errata, che causa insonnia. Con il tempo, il debito di sonno può accumularsi.

Nei lunghi viaggi gli astronauti devono anche far fronte al confinamento in uno spazio ristretto, da cui è impossibile uscire, all’isolamento dalla vita normale e alla coabitazione forzata con un ristretto gruppo di persone. Queste condizioni possono provocare ansia, insonnia, depressione, tensioni tra i membri dell’equipaggio che possono influire sugli astronauti tanto quanto l’assenza di gravità. Infine, i voli spaziali comportano esposizione a elevati livelli di radiazioni. Un astronauta che trascorra un anno in un’orbita terrestre bassa moderatamente inclinata riceverebbe una dose di radiazioni 10 volte superiore a quella che giunge mediamente a terra. Una permanenza di un anno sulla Luna comporterebbe una dose sette volte più elevata, e un viaggio verso Marte sarebbe ancora più rischioso. Improvvise «eruzioni» di particelle dal Sole, come quella dell’agosto 1972, possono comportare, in meno di un giorno, una dose oltre 1000 volte superiore a quella media annuale sulla Terra. Fortunatamente questi eventi sono rari e i progettisti possono munire i veicoli spaziali di speciali zone schermate nelle quali gli astronauti possano trovare temporaneamente riparo.
E ovvio che il pericolo delle radiazioni nei viaggi spaziali di lunga durata – e il conseguente rischio di cancro – sia allarmante. Il problema dell’esposizione a radiazioni è difficile da studiare perché è quasi impossibile replicare sulla Terra l’ambiente spaziale, con il suo non ingente ma costante flusso di raggi cosmici di alta energia. Nonostante ciò, gli scienziati generalmente ritengono che con opportune schermature e farmaci protettivi i rischi possano essere ridotti a livelli accettabili.

Tornando a Terra

Quando gli astronauti tornano in un ambiente a gravità normale, avvengono alterazioni complementari a quelle verificatesi durante il volo. Se gli effetti dell’assenza di gravità fossero compieta- mente reversibili, tutti i parametri fisiologici dovrebbero riportarsi alla normalità una volta tornati a terra. Oggi sappiamo che la maggior parte dei sistemi dell’organismo funziona reversibilmente, almeno negli intervalli di tempo sui quali possediamo dati; non è certo, però, che questa sia una regola generale.

Gli astronauti certamente provano disagio nell’avvertire gli effetti della gravità durante e subito dopo la discesa. Molti di essi riferiscono di provare strane illusioni – per esempio, se muovono la testa hanno l’impressione che sia il loro ambiente a muoversi – e tendono a ondeggiare quando cercano di stare eretti, con gli occhi sia aperti sia chiusi.

La maggior parte dei sistemi dell’organismo ritorna alla normalità entro pochi giorni o settimane dall’atterraggio, con la possibile eccezione del sistema muscolo-scheletrico. Finora niente indica che l’uomo non possa vivere e lavorare nello spazio per lunghi periodi e poi tornare sulla Terra conducendovi un’esistenza normale. Questa è evidentemente una buona notizia per l’equipaggio della futura International Space Station e di eventuali missioni interplanetarie. In effetti la stazione, il cui assemblaggio dovrebbe iniziare alla fine del 1998 o all’inizio del 1999, fornirà ai ricercatori una nuova opportunità per indagare gli effetti sull’uomo della permanenza nello spazio. Al suo completamento, previsto fra cinque anni, la stazione avrà un volume abitabile cinque volte maggiore di quello delle stazioni Mir e Skylab e recherà a bordo sofisticati strumenti di laboratorio per studi medici.

Riconoscendo la necessità di un’analisi esauriente di tutti i potenziali rischi associati a lunghe permanenze nello spazio, la NASA ha istituito e finanziato uno speciale ente di ricerca, il National Space Biomedicai Research Institute, allo scopo di definire e di prevenire questi rischi.

Molti dei cambiamenti «normali» che avvengono in individui sani durante o subito dopo un volo spaziale sono esteriormente simili a eventi «anomali» che si manifestano sulla Terra in chi soffre di alcune patologie. Per esempio la maggior parte degli astronauti, subito dopo l’atterraggio, presenta intolleranza ortostatica: ossia non è in grado di rimanere in piedi immobile per 10 minuti senza sentirsi svenire. Questo problema è comune anche a coloro che hanno dovuto restare coricati per lungo tempo e ad alcuni anziani. Una prolungata degenza a letto provoca anche deterioramento muscolare e osseo: il parallelo è così stretto che una lunga permanenza a letto viene usata per simulare gli effetti del volo spaziale.

Altre alterazioni funzionali dell’età avanzata sembrano corrispondere a cambiamenti provocati dai voli spaziali. L’ondeggiamento caratteristico che segue l’atterraggio ricorda da vicino la facilità alle cadute degli anziani; la perdita di tessuto osseo nello spazio è analoga all’osteoporosi legata all’età; immunodeficienza, cattiva qualità del sonno e perdita di coordinazione motoria affliggono sia gli astronauti sia gli anziani. Sebbene il parallelismo dei sintomi non implichi quello delle cause, i dati sono così eloquenti che nel 1989 la NASA e il National Institute on Aging hanno iniziato una collaborazione di ricerca. Il volo, avvenuto nello scorso ottobre, del senatore dell’Ohio John Glenn, l’astronauta più anziano nella storia dell’esplorazione dello spazio, dovrebbe attrarre maggiormente l’attenzione sulle ricerche in corso in questo settore.

Medicina “spaziale”, da assenza di gravità e ipergravità indicazioni per prevenire e curare malattie sulla terra .

Dallo spazio e dall’assenza di gravità oppure dal suo contrario, l’ipergravità, arriveranno indicazioni utili per prevenire e curare l’insorgere di malattie connesse all’invecchiamento della popolazione e alla sedentarietà sulla Terra. Per compiere questi esperimenti, l’Agenzia spaziale europea ha selezionato per la campagna 2016 “Spin your thesis!” la proposta di un team italiano, coordinato da Debora Angeloni, ricercatrice dell’Istituto di Scienze della Vita della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa. Il team “HypE” (acronimo di “Hypergravity effect on Endothelium”) coordinato dalla Scuola Superiore Sant’Anna, è stato chiamato a condurre esperimenti in ipergravità all’interno della “Large diameter centrifuge”, una “centrifuga” del diametro di 8 metri che permette di ottenere condizioni di gravità superiori a quella terrestre, installata nel Centro europeo di ricerca spaziale e tecnologica (Estec), in Olanda, a Noordwijk. Per “Spin your thesis!” 2016 l’Italia ha conquistato un lusinghiero successo. Dei tre gruppi, due arrivano dal nostro Paese. Oltre al team “Hype” l’Agenzia spaziale europea ha scelto, nel contesto della stessa campagna, anche “PlanOx”, composto da allievi ph.d dell’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna, del Centro Cmbr di Istituto italiano di tecnologia con sede a Pontedera con il coordinamento di Gianni Ciofani, ora al Politecnico di Torino, e da una docente dell’Università di Pisa. Si tratta di un’ottima opportunità per il team guidato da Debora Angeloni e composto da Chiara de Cesari e Olga Pyankova, entrambe allieve del ph.d. in Medicina traslazionale della Scuola Superiore Sant’Anna; Marco Maria Germani, allievo ordinario di medicina della Scuola Superiore Sant’Anna; Matteo Vezza, studente dell’Università di Pisa e allievo interno del laboratorio diretto da Debora Angeloni. La ricerca del gruppo “HypE” mira alla comprensione dei meccanismi molecolari che rispondono a variazioni della forza di gravità in cellule endoteliali umane, le cellule che rivestono dall’interno i nostri vasi sanguigni. Le alterazioni funzionali di queste cellule, infatti, sono connesse a numerosi disturbi riportati dagli astronauti al rientro da missioni spaziali e sono le stesse che si osservano in caso di invecchiamento e prolungata sedentarietà nella popolazione. “La forza di gravità – commenta Debora Angeloni – ha contribuito in modo importante a plasmare la vita nelle forme che conosciamo oggi. Studiare gli effetti biologici dell’assenza di gravità può fornire informazioni preziose sull’organizzazione strutturale e funzionale dei viventi, anche aprendo finestre inattese sul limite fra salute e malattia. La microgravità però rappresenta soltanto una faccia della medaglia, l’altra è rappresentata dall’ipergravità. Per questo motivo, dopo aver portato un esperimento a bordo della Stazione spaziale internazionale nel 2015, il nostro gruppo di ricerca – continua Debora Angeloni – si è interessato agli effetti dell’ipergravità. Da questi studi ci si aspetta la scoperta di marcatori di infiammazione e degenerazione utili per prevenire e curare disturbi che accomunano tanto gli astronauti al ritorno dallo spazio quanto la popolazione, durante l’invecchiamento”.

La forza gravitazionale, una delle quattro forze fondamentali della natura Nella loro esperienza quotidiana, i bambini generalmente hanno incontrato soltanto due delle quattro forze fondamentali della natura: la forza gravitazionale e la forza elettromagnetica. Poiché l’elettromagnetismo produce un effetto sulle correnti elettriche e sulle calamite, ma non agisce sul nostro corpo, noi siamo sensibili soltanto alla forza gravitazionale o forza di gravità. Si può cominciare col chiedere agli alunni se conoscono qualche esempio delle manifestazioni della gravità (oggetti che cadono, valanghe, ecc.).

La gravità è anche la forza che agisce sui pianeti, sulle stelle e sulle galassie dell’Universo, ed è ciò che lo modella. Inquadramento storico La forza gravitazionale è la più antica delle forze conosciute. È stata studiata fin dall’antichità, ma la sua vera natura è stata compresa solo nel Rinascimento. La storia appassionante del cammino verso la comprensione di questa forza è scandita da qualche data fondamentale e dalle scoperte di alcuni scienziati. L’astronomo tedesco Johannes Keplero (1571-1630) è stato il primo a descrivere il movimento dei pianeti nel Sistema Solare, formulando tre leggi, chiamate «leggi di Keplero». Ai suoi tempi si ignorava che la rotazione dei pianeti è determinata dalla gravitazione, ma la sua scoperta ha avuto un’importanza capitale. Lo scienziato italiano Galileo Galilei (1564-1642) è stato il primo a studiare la caduta dei corpi sulla superficie della Terra. Galileo effettuò numerosi esperimenti con pendoli e piani inclinati, e studiò le leggi del moto.

Ha potuto così scrivere la legge della caduta dei corpi e ha compreso che nel vuoto tutti i corpi cadono allo stesso modo. Galileo è uno dei grandi genii della scienza e può essere considerato il padre della scienza moderna. Sir Isaac Newton (1642-1727) comprese che le leggi determinate da Keplero e Galileo non erano altro che due sfaccettature della stessa forza: la gravitazione universale. La leggenda vuole che sia stata l’osservazione della caduta di una mela nel cortile del Trinity College, a Cambridge, a far comprendere a Newton che sia la mela che la Luna erano attratte dalla Terra per lo stesso motivo. La massa della Terra fu misurata per la prima volta nel 1798, da Henry Cavendish. Lo scienziato di origine tedesca Albert Einstein (1879-1955) estese la teoria di Newton e formulò la teoria della relatività generale, nel 1915. La sua visione rivoluzionaria trasformò la gravità da semplice forza in proprietà dello spazio e del tempo.

Attualmente, i ricercatori stanno ancora cercando di capire perché gli oggetti cadono, anche se ora sappiamo molto bene come cadono. Che esperimento si può fare in classe? L’universalità della caduta libera Questo semplice esperimento ha lo scopo di «dimostrare» che corpi di natura diversa cadono allo stesso modo. Per effettuarlo, è necessario procurarsi un bicchiere di plastica, una bacinella e un po’ d’acqua. Praticare un piccolo foro sul lato del bicchiere. Tenere in mano il bicchiere tappando il foro con un dito e riempirlo d’acqua. Aprire il foro. L’acqua esce, perché la gravità dovuta alla Terra la attira verso il basso (la bacinella è utile in questo caso, se ci si trova al chiuso!), mentre il bicchiere non cade perché è sostenuto dalla mano. Ripetere lo stesso esperimento, ma lasciando cadere il bicchiere nel momento in cui si toglie il dito dal foro. Osservare attentamente se l’acqua esce dal bicchiere durante la caduta: si noterà che ciò non avviene. L’acqua potrebbe uscire dal foro solo se cadesse più velocemente del bicchiere, mentre potrebbe uscire da sopra soltanto se fosse il bicchiere a cadere più velocemente. Poiché non avviene nessuna delle due cose, si può concludere che l’acqua e il bicchiere, pur essendo di natura e di massa diversa, cadono allo stesso modo!

Come misurare il peso degli astronauti in assenza di peso?

La Stazione Spaziale Internazionale (ISS) è un ambiente in caduta libera. Orbita attorno alla Terra per circa 16 volte al giorno, a velocità di circa 7,7 km/s. La principale caratteristica dell’ambiente della ISS è l’assenza di peso o, più correttamente, la ‘caduta libera’. La condizione di caduta libera si verifica, quando la sola forza applicata a un oggetto è la forza gravitazionale. Nel XVII secolo, il fisico inglese Isaac Newton immaginò di sparare una palla da un cannone posto in cima a una collina, con traiettoria parallela alla terra. La sola forza che agisce sulla palla dopo lo sparo è la forza di gravità. Quanto maggiore è la velocità di espulsione della palla, tanto maggiore è la distanza che questa percorre prima di cadere a terra. Oltre una certa velocità, la palla non cade più a terra: orbita attorno alla Terra! Perché gli astronauti galleggiano nello spazio? Osservando le immagini degli astronauti nello spazio, questi ci sembrano senza peso, ma in realtà l’effetto è dovuto al fatto che tutto quanto si trova a bordo della ISS (astronauti, esperimenti, apparecchiature) è in caduta libera (ovvero soggetto unicamente alla forza di gravità) e sembra fluttuare. Gli astronauti hanno un peso nello spazio? Cosa accade sulla Stazione Spaziale, dove gli astronauti sembrano avere perso il loro peso? In primo luogo, la loro massa non è cambiata in quanto è costante. Ma cosa ne è stato del loro peso? Si è davvero annullato? Una delle più comuni convinzioni erronee è che gli oggetti non abbiano massa nello spazio. In realtà, la massa di un oggetto non cambia, quando l’oggetto si sposta dalla Terra allo spazio. La costante gravitazionale della Terra (g = 9,8 N/kg al livello del mare) è solo appena inferiore all’altitudine della ISS (precisamente 8,7 N/kg). Questo implica che il peso degli astronauti all’altitudine della ISS è solo leggermente inferiore al loro peso sulla Terra. Tuttavia, se gli astronauti sulla ISS salgono su una normale bilancia, il risultato della misurazione è zero! Questa apparente contraddizione deriva dal fatto che sia gli astronauti sia la bilancia sono in caduta libera. Il meccanismo sul quale si basa la bilancia non funziona in un ambiente a caduta libera in quanto la molla della bilancia non può essere compressa: la gravità non è più contrastata dalla forza di reazione del suolo terrestre. Misurare un’oscillazione per calcolare la massa È possibile calcolare la massa di un oggetto senza una bilancia misurando il periodo di oscillazione dell’oggetto fissato a una molla. Questo metodo introduce due importanti concetti della fisica: l’oscillazione armonica e la legge di Hooke. La legge di Hooke descrive la grandezza della forza elastica di una molla. Il movimento risultante è detto moto armonico semplice non smorzato. In realtà, questo accade solo se le forze di attrito sono trascurabili. Se la costante elastica della molla è nota, è possibile trovare la massa di un oggetto misurando il periodo di oscillazione. Il periodo di oscillazione del movimento è il tempo necessario perché la massa completi un ciclo. Quanto maggiore è la massa tanto più lungo è il periodo di oscillazione. Questa è una conseguenza dell’inerzia, la resistenza di un oggetto al cambiamento di velocità. La gravità non influenza il periodo di un oscillatore armonico! Questo metodo è utilizzato anche sulla ISS. Il misuratore di massa corporea utilizza la proprietà del moto armonico per misurare la massa degli astronauti. Un astronauta con massa maggiore vibrerà più lentamente di un collega con massa minore. Misuratore di massa corporea utilizzato sulla ISS per misurare la massa degli astronauti.

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