¿Qué le pasa al cuerpo humano en el espacio?

Durante más de 50 años, el Programa de Investigación Humana (HRP, por sus siglas en inglés) de la NASA ha estudiado lo que le sucede al cuerpo humano en el espacio. Los investigadores utilizan lo que han aprendido para diseñar procedimientos, dispositivos y estrategias para mantener a los astronautas seguros y saludables durante sus misiones.

Los ingenieros de la NASA utilizan las lecciones aprendidas para diseñar mejor las naves espaciales y mejorar el ajuste y las funciones de los trajes espaciales. La investigación también ayuda en el desarrollo y la evaluación de estándares médicos, programas y estándares de aptitud física, entrenamiento de adaptación fisiológica y psicológica, entrenamiento sensitivomotor y protocolos de salud alimenticia.

Comprender los efectos de los vuelos espaciales en los humanos es esencial a medida que los astronautas se trasladan desde la Estación Espacial Internacional en la órbita terrestre baja a destinos en el espacio profundo en la Luna, alrededor de ella y más allá. Con el programa Artemis, la NASA llevará a la primera mujer y a la primera persona de color a la Luna utilizando tecnologías innovadoras para explorar la superficie lunar como nunca antes, recopilando nuevos datos y manteniendo a los astronautas sanos y seguros.

La NASA está particularmente interesada en investigar cómo reacciona el cuerpo a los vuelos espaciales de larga duración, ya que la agencia planea realizar misiones extendidas en la Luna y Marte. Scott Kelly y Christina Koch fueron los primeros astronautas estadounidenses en pasar casi un año en el espacio a bordo de la estación espacial, el doble del promedio anterior. Scott, Christina y otros seis astronautas han pasado más de 200 días en el espacio durante un único vuelo espacial.

Además de pasar casi un año en el espacio, Scott participó en el extraordinario Estudio de los gemelos. Scott participó en varios estudios biomédicos a bordo de la estación espacial mientras su hermano gemelo idéntico, el astronauta retirado Mark Kelly, permanecía en la Tierra como sujeto de control, es decir, alguien que proporciona una base de comparación. El estudio proporcionó datos valiosos sobre lo que le sucedió a Scott, fisiológica y psicológicamente, en comparación con su hermano Mark. Sus contribuciones a la ciencia ayudaron a generar datos que los investigadores utilizarán durante las próximas décadas.

La NASA tiene planes de llevar a cabo una investigación de larga duración más dedicada en la estación espacial. Se espera que los estudios arrojen luz sobre cómo el cuerpo se adapta a vivir en el entorno de los vuelos espaciales durante diversos períodos de tiempo más largos, que serán fundamentales para futuras misiones en el espacio profundo.

¿Qué le sucede exactamente al cuerpo en el espacio y cuáles son los riesgos? ¿Son los mismos riesgos para los astronautas que pasan seis meses en la estación espacial en comparación con los que pueden estar en una misión a Marte durante años? La respuesta sencilla es “no”. La NASA está investigando los riesgos para las misiones a Marte, que se agrupan en cinco peligros de los vuelos espaciales humanos relacionados con los factores estresantes a los que está sometido el cuerpo. Estos se pueden resumir con el acrónimo “RIDGE”, la abreviatura en inglés de Radiación espacial, Aislamiento y confinamiento, Distancia de la Tierra, campos de Gravedad y Entornos hostiles/cerrados.

En la Tierra, el campo magnético y la atmósfera del planeta nos protegen de la mayoría de las partículas que componen el entorno de la radiación espacial. Aun así, todos en la Tierra estamos expuestos a bajos niveles de radiación todos los días, desde los alimentos que comemos hasta el aire que respiramos. En el espacio, los astronautas están expuestos a niveles variados y crecientes de radiación que son diferentes a los de la Tierra.

Tres fuentes principales contribuyen al entorno de radiación espacial: partículas atrapadas en el campo magnético de la Tierra, partículas energéticas solares y los rayos cósmicos galácticos. Un gran desafío para reducir los riesgos de la exposición a la radiación es que es difícil protegerse contra algunas partículas de radiación espacial (especialmente los rayos cósmicos galácticos).

La exposición a una mayor radiación puede estar asociada con consecuencias para la salud tanto a corto como a largo plazo, según la cantidad de radiación total que experimenten los astronautas y el período de tiempo en el que tengan esa exposición. Se ha observado un aumento del riesgo de cáncer y enfermedades degenerativas, como cardiopatías y cataratas, en poblaciones humanas expuestas a radiación en la Tierra.

Los riesgos para la salud de los astronautas derivados de la exposición a la radiación en el espacio se deben principalmente a los impactos a largo plazo. Además, la investigación animal y celular indica que el tipo de radiación en el entorno espacial tiene un mayor impacto en los resultados de salud en comparación con la radiación experimentada en la Tierra. Los astronautas no solo estarán expuestos a más radiación en el espacio que en la Tierra, sino que la radiación a la que están expuestos podría presentar mayores riesgos.

La clave: La estrategia actual para reducir los riesgos para la salud de la exposición a la radiación espacial es implementar blindajes, monitoreo de radiación y procedimientos operativos específicos. En comparación con las misiones típicas de seis meses en la estación espacial, las misiones posteriores a la Luna y Marte serán, en promedio, mucho más largas. En consecuencia, la cantidad total de radiación experimentada y los riesgos asociados para la salud pueden aumentar.

La NASA está desarrollando nuevos detectores de radiación para monitorear y caracterizar el ambiente de radiación, lo que proporcionará mejores estimaciones de la dosis y el tipo de radiación a la que están expuestas las tripulaciones. Los científicos e ingenieros están optimizando e implementando procedimientos operativos que utilizan el espacio de almacenamiento de vehículos y los materiales disponibles para reducir la exposición a la radiación de manera eficaz.

Para investigar los riesgos para la salud de la exposición a la radiación espacial más allá de la órbita terrestre baja, la NASA respalda investigaciones que analizan los efectos biológicos de rayos cósmicos simulados en instalaciones de investigación terrestres. La investigación en estas instalaciones ayuda a la NASA a comprender y reducir el riesgo de la radiación espacial, garantizar la medición adecuada de las dosis que reciben los astronautas en la estación espacial y en futuras naves espaciales, y desarrollar materiales avanzados que mejoran la protección contra la radiación para misiones futuras. También se realizan estudios de cohortes humanas expuestas a la radiación para estimar los riesgos para la salud en poblaciones relevantes para los astronautas.

Las tripulaciones de las expediciones seleccionadas para una estadía a bordo de la estación espacial son cuidadosamente elegidas, capacitadas y respaldadas para garantizar que puedan trabajar eficientemente como un equipo durante misiones que duran de seis a 12 meses. Las tripulaciones para una misión a la Luna o Marte serán sometidas a una evaluación, selección y preparación aún más cuidadosas, ya que viajarán más lejos y potencialmente durante más tiempo que los humanos anteriores en un entorno aislado y confinado, con solo unas pocas personas más.

Además, es probable que las tripulaciones sean internacionales y multiculturales, lo que hace que la sensibilidad intercultural y la dinámica del equipo sean fundamentales para el éxito de la misión. También es importante asegurarse de que los astronautas tengan un sueño de calidad; de lo contrario, sus relojes biológicos internos, o ritmo circadiano, podrían verse alterados por factores como diferentes ciclos de luz y oscuridad, un ambiente pequeño y ruidoso, el estrés del aislamiento y confinamiento prolongados, y un día que dura 37 minutos más en Marte.

Es importante prepararse para la fatiga que los astronautas pudieran experimentar durante los vuelos espaciales, dado que habrá momentos con grandes cargas de trabajo y horarios cambiantes. Para evitar el aburrimiento de la tripulación, la NASA considera los tipos de actividades en las que participarán los astronautas durante un viaje de ida y vuelta de varios años a Marte.

La comunicación y el entendimiento entre los miembros de la tripulación son vitales para el éxito de la misión, y los cambios en la moral y la motivación son posibles a medida que se desarrolla la misión. Esto puede estar relacionado con la reducción de los estímulos, la nostalgia por los seres queridos o la sensación de no poder ayudar con las emergencias familiares en la Tierra, independientemente de la duración de la misión.

Usando análogos de vuelos espaciales en la Tierra, las investigaciones de la NASA han revelado que es importante considerar tanto la duración como el tipo de experiencia confinada y aislada. Cuanto más restringido sea el espacio y menos contacto con personas ajenas al entorno, más probabilidades hay de que los seres humanos desarrollen trastornos de conducta o cognitivos o trastornos psiquiátricos.

La clave: La NASA ha estudiado personas en entornos aislados y confinados durante años, y ha desarrollado métodos y tecnologías para contrarrestar posibles problemas. Los científicos de la NASA utilizan dispositivos, como la actigrafía, que ayudan a evaluar y mejorar el sueño y el estado de alerta al registrar cuánto se mueven las personas y cuánta luz ambiental hay a su alrededor. La nueva iluminación, impulsada por el desarrollo de la tecnología de diodos emisores de luz (LED, por sus siglas en inglés), se utiliza en la estación espacial para ayudar a alinear los ritmos circadianos de los astronautas y mejorar el sueño, el estado de alerta y el rendimiento.

Una autoevaluación de 10 minutos del estado de alerta y atención evalúa el efecto de la fatiga en el rendimiento. Los astronautas escriben en diarios como un lugar seguro para desahogar sus frustraciones y proporcionar a los investigadores una herramienta para estudiar los problemas de conducta que están en la mente de los miembros de la tripulación que viven y trabajan en aislamiento y confinamiento.

Los investigadores también estudian el uso de realidad virtual para simular entornos relajantes para mejorar el estado de ánimo de las tripulaciones en aislamiento. Participar en actividades relevantes y significativas, incluido el aprendizaje de un idioma o el aprendizaje de nuevas destrezas médicas, podría ayudar a prevenir la depresión y aumentar la moral.

Las tripulaciones pueden incluso cuidar un huerto espacial, que podría tener beneficios positivos para la salud conductual, además de proporcionar una fuente fresca de alimentos y ayudar a purificar el aire. Los investigadores utilizan análogos basados en la Tierra para investigar cuánta privacidad y espacio habitable serán necesarios en misiones más largas donde los miembros de la tripulación estarán restringidos y juntos dentro de una nave espacial relativamente pequeña.

La NASA también está determinando estrategias para formular la mejor tripulación mediante el estudio de los atributos, la composición y la dinámica de los individuos y del equipo.

La estación espacial orbita a 386 kilómetros (240 millas) sobre la Tierra. La Luna está 1.000 veces más lejos de la Tierra que la estación espacial. En contraste, Marte está a un promedio de 225 millones de kilómetros (140 millones de millas) de la Tierra. Con un retraso en las comunicaciones de hasta 20 minutos en una sola dirección mientras están en Marte, los astronautas deben ser capaces de resolver problemas e identificar soluciones en equipo sin la ayuda del control de la misión de la NASA.

También es importante considerar los tipos de alimentos y medicamentos que se deben empacar para un viaje de varios años sin acceso a una tienda de comestibles o una farmacia. A diferencia de las tripulaciones de las estaciones espaciales, que reciben regularmente suministros de los vuelos de carga desde la Tierra, los astronautas que vayan a Marte deberán llevar toda la comida, el equipo y los suministros médicos que necesiten.

La clave: La NASA utiliza su experiencia en vuelos espaciales tripulados en la estación espacial para determinar qué tipos de contingencias médicas ocurren en el espacio a lo largo del tiempo y qué tipos de destrezas, procedimientos, equipos y suministros son necesarios para tener una buena idea de lo que deben empacar para futuras misiones a la Luna y Marte.

Los astronautas de la estación espacial ya reciben capacitación médica antes y durante las misiones espaciales, que les enseña cómo responder a los problemas de salud a medida que surgen. Por ejemplo, los astronautas aprenden a utilizar el equipo de la estación espacial a bordo para producir solución intravenosa (i.v.) a partir de agua purificada, que se puede utilizar para su administración médica.

Los miembros de la tripulación también se realizan ecografías entre sí para monitorear la salud de sus órganos. Si un miembro de la tripulación se enferma durante la misión, las tripulaciones están listas para realizar pruebas de laboratorio para hacer el diagnóstico correcto y dar las pautas del tratamiento.

La NASA trabaja en el desarrollo de una arquitectura de datos médicos para naves espaciales que habilite las capacidades de herramientas de apoyo a la toma de decisiones clínicas, que podrían utilizar la inteligencia artificial y el aprendizaje automático para diagnosticar y tratar diversas enfermedades.

Los investigadores también estudian el papel que podrían desempeñar los asistentes virtuales para ayudar a las tripulaciones a identificar y responder rápidamente a las anomalías en los vuelos espaciales para misiones más distantes. Además, la agencia está estudiando y mejorando la formulación de alimentos y los sistemas de procesamiento, envasado y conservación para garantizar que los nutrientes permanezcan estables y que los alimentos sigan siendo aceptables durante años.

Los medicamentos y sistemas de envasado resistentes al espacio que preservan la integridad de los productos farmacéuticos para misiones de larga duración son otra parte importante de las investigaciones de la NASA.

Los astronautas se encontrarán con tres campos de gravedad diferentes en una misión a Marte. En el viaje de seis meses entre los planetas, las tripulaciones estarán ingrávidas. Mientras vivan y trabajen en Marte, las tripulaciones estarán en aproximadamente un tercio de la gravedad de la Tierra. Finalmente, al regresar a casa, las tripulaciones deberán readaptarse a la gravedad de la Tierra.

La transición de un campo de gravedad a otro es más complicada de lo que parece. Afecta la orientación espacial, la coordinación cabeza-ojo y mano-ojo, el equilibrio y la locomoción, y algunos miembros de la tripulación experimentan mareos por el movimiento espacial. Aterrizar una nave espacial en Marte podría ser un desafío a medida que los astronautas se adaptan al campo de gravedad de otro cuerpo celeste.

Al pasar de la ingravidez a la gravedad, los astronautas pueden experimentar intolerancia ortostática posterior al vuelo en la que no pueden mantener la presión arterial al ponerse de pie, lo que puede provocar mareos y desmayos. La NASA ha descubierto que sin gravedad de la Tierra que afecte al cuerpo humano, los huesos que soportan peso pierden en promedio 1% a 1,5% de densidad mineral por mes durante los vuelos espaciales.

Después de regresar a la Tierra, es posible que la pérdida ósea no se corrija por completo con rehabilitación; sin embargo, su riesgo de fractura no es mayor. Sin la dieta y la rutina de ejercicio adecuadas, los astronautas también pierden masa muscular en microgravedad más rápido de lo que lo harían en la Tierra. Además, los líquidos corporales se desplazan hacia la cabeza en microgravedad, lo que puede ejercer presión sobre los ojos y causar problemas de la visión.

Si no se implementan medidas preventivas o contramedidas, las tripulaciones pueden experimentar un mayor riesgo de desarrollar cálculos renales debido a la deshidratación y una mayor excreción de calcio de sus huesos.

La clave: Al analizar cómo cambia el cuerpo con la ingravidez y después de regresar a la gravedad de la Tierra, la NASA está desarrollando medidas de protección contra estos cambios para una misión a Marte. Se han implementado pruebas de tareas funcionales para detectar y mejorar el control del equilibrio después de aterrizar en una superficie gravitacional. Las pruebas de motricidad fina se realizan para detectar cualquier cambio en la capacidad de los astronautas para interactuar con dispositivos computarizados.

La distribución de los líquidos corporales se monitorea de cerca para evaluar cualquier conexión con cambios en la visión. Las mangas de compresión usadas en los muslos ayudan a mantener la sangre en las extremidades inferiores para contrarrestar esos cambios en los líquidos corporales. Un dispositivo de presión negativa en la parte inferior del cuerpo también podría ayudar a llevar líquidos de la cabeza a las piernas.

El dolor de espalda, que algunos astronautas informaron haber experimentado durante su vuelo espacial, se monitorea obteniendo ecografías de la columna. El tamaño de los músculos y la densidad ósea se evalúan en busca de algún deterioro mediante resonancias magnéticas y técnicas de diagnóstico médico por imágenes de alta resolución, antes y después de volar al espacio.

Los miembros de la tripulación realizan autoevaluaciones de aptitud física periódicas para ayudar a los investigadores a comprender mejor el deterioro de la función cardíaca que puede ocurrir durante los vuelos espaciales. Los medicamentos que la NASA estudia, como el citrato de potasio, pueden ayudar a combatir los cambios fisiológicos que podrían aumentar el riesgo de desarrollar cálculos renales. Los estudios de la NASA han demostrado que los medicamentos a base de bisfosfonatos son efectivos para prevenir la pérdida ósea.

La NASA también ha diseñado una forma eficiente de recolectar y medir la cantidad de orina que produce un miembro de la tripulación en el espacio, lo cual es esencial para la investigación en humanos ya que revela información clave sobre la salud de una persona. Por ejemplo, los investigadores pueden analizar diferentes niveles de ciertas sustancias en la orina de un astronauta para determinar si corren el riesgo de desarrollar un cálculo renal en el espacio y hacer modificaciones en la dieta, la rutina de ejercicios y la ingesta de agua como medidas preventivas.

Se ha demostrado que el ejercicio aeróbico y de resistencia mantiene el corazón sano, los huesos y músculos fuertes y la mente alerta, además de mantener una actitud más positiva, e incluso puede ayudar con el equilibrio y la coordinación. Podrían usarse compañeros de entrenamiento generados por software para motivar a los astronautas a hacer ejercicio regularmente en misiones espaciales más largas. La NASA incluso ha completado un estudio conjunto de reposo en cama en la Tierra para determinar si la gravedad artificial centrífuga puede ser una forma eficaz de contrarrestar los efectos fisiológicos de la ingravidez.

La NASA ha descubierto que el ecosistema dentro de la nave espacial juega un papel importante en la vida cotidiana de los astronautas en el espacio. Los microbios pueden cambiar sus características en el espacio y los microorganismos que viven naturalmente en el cuerpo humano se transfieren más fácilmente de persona a persona en hábitats cerrados, como la estación espacial. Los niveles de la hormona del estrés se elevan y el sistema inmunitario se altera, lo que podría conducir a una mayor susceptibilidad a las alergias y otras enfermedades.

Los análogos basados en la Tierra no simulan perfectamente el entorno de los vuelos espaciales, lo que los hace insuficientes para estudiar en tierra cómo reaccionan los sistemas inmunitarios humanos en el espacio. Sin embargo, los estudios análogos antárticos financiados por la NASA podrían proporcionar información sobre cómo ciertos factores estresantes de los vuelos espaciales pueden afectar el sistema inmunitario humano. Lo que se sabe es que los vuelos espaciales cambian el sistema inmunitario, aunque las tripulaciones no tienden a enfermarse al regresar a la Tierra. Aunque la inmunidad adquirida de los astronautas está intacta, se necesita más investigación sobre si la inmunidad alterada inducida por los vuelos espaciales puede conducir a problemas autoinmunes, en los que el sistema inmunitario ataca por error las células, órganos y tejidos sanos presentes en el cuerpo.

Más allá de los efectos del medio ambiente en el sistema inmunitario, cada centímetro y detalle de los espacios de las habitaciones y de trabajo deben pensarse y diseñarse cuidadosamente. Nadie quiere que su casa esté demasiado caliente, demasiado fría, abarrotada, llena de gente, ruidosa o mal iluminada, y tampoco a nadie le gustaría trabajar y vivir en un hábitat así en el espacio.

La clave: La NASA utiliza tecnología para monitorear la calidad del aire de la estación espacial para garantizar que la atmósfera sea segura para respirar y no esté contaminada con gases, como formaldehído, amoníaco y monóxido de carbono. Los sistemas de control térmico funcionan para mantener la temperatura de la estación espacial y mantener a los astronautas cómodos. Se analizan muestras de sangre y saliva para identificar cambios en el sistema inmunitario y la reactivación de virus latentes durante los vuelos espaciales.

La NASA utiliza técnicas moleculares avanzadas para evaluar el riesgo de microbios que puedan causar enfermedades a los miembros de la tripulación. Se toman muestras con hisopados de diversas partes del cuerpo y de la estación espacial con regularidad para analizar la población microbiana que habita el medio ambiente. Las tripulaciones cambian los filtros de aire, limpian las superficies y tratan el agua para prevenir enfermedades que pueden resultar de la acumulación de contaminantes. Se aconseja a los astronautas que se vacunen contra la gripe para aumentar su inmunidad y son puestos en cuarentena antes de sus misiones para evitar que contraigan cualquier tipo de enfermedad antes del lanzamiento.

Durante el estudio de los gemelos y la misión de un año, Scott Kelly se administró una vacuna contra la gripe mientras su hermano recibía la suya en la Tierra. La inmunización demostró funcionar tan bien en el espacio como en la Tierra, lo que es un buen hallazgo para misiones más largas a la Luna y Marte. Los espacios de las habitaciones y de trabajo se planifican y evalúan cuidadosamente para garantizar que los diseños equilibren la comodidad y la eficiencia. La iluminación a bordo de la estación espacial es similar a la que se experimentaría de forma natural en la Tierra, gracias al nuevo sistema de iluminación LED.

La agencia espacial está tomando medidas sobre todos estos riesgos y trabajando con algunas de las mentes más brillantes en sus campos para resolver los desafíos de los vuelos espaciales tripulados. Los resultados obtenidos de laboratorios, análogos terrestres y misiones de estaciones espaciales proporcionarán más información sobre estas adaptaciones y servirán de peldaño para misiones más largas. En las próximas misiones de Artemis a la órbita lunar y la superficie de la Luna, se recopilarán aún más datos a medida que continúe este trabajo. En futuras misiones de mayor duración a la Luna y Marte, los astronautas se beneficiarán de años de investigación que garantizarán que no solo puedan sobrevivir, sino prosperar en sus misiones espaciales.

El Programa de Investigación Humana (HRP, por sus siglas en inglés) de la NASA se dedica a descubrir los mejores métodos y tecnologías para respaldar viajes espaciales humanos seguros y productivos. El HRP permite la exploración espacial al reducir los riesgos para la salud y el rendimiento de los astronautas utilizando instalaciones de investigación terrestre, la Estación Espacial Internacional y entornos análogos. Esto conduce al desarrollo y entrega de un programa biomédico de exploración enfocado en: informar los estándares humanos de salud, desempeño y habitabilidad; desarrollar contramedidas y soluciones de mitigación de riesgos, y el avance de las tecnologías de habitabilidad y apoyo médico. El HRP apoya la investigación científica e innovadora en humanos mediante el financiamiento de más de 300 subsidios para investigación a universidades, hospitales y centros de la NASA reconocidos para más de 200 investigadores en más de 30 estados.

Laurie J. Abadie, Nathan Cranford, Charles W. Lloyd, Mark J. Shelhamer, Jennifer L. Turner
Programa de Investigación Humana de la NASA

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