Let na horské dráze k mikrogravitaci
Parabolický let připomíná jízdu na horské dráze – s tím rozdílem, že „koleje“ vede pilot letadla oblohou. Speciálně upravený velký dopravní letoun (například Airbus A300 Zero-G) se nejprve strmě vznese pod úhlem okolo 45°, poté pilot ubere tah motorů a letadlo se po balistické křivce vrhá k zemi. V tu chvíli uvnitř panuje skutečná beztíže, protože celá kabina i lidé v ní se nacházejí ve volném pádu. Tento stav trvá přibližně 20–22 sekund, než pilot opět zapojí motory a nasměruje letoun vzhůru. Krátkému období beztíže předchází a následuje několik sekund hypergravitace, kdy posádka cítí váhu až 1,8× vyšší než normálně. Celý manévr tvoří jednu „parabolu“ a během jediného letu jich posádka absolvuje kolem třiceti. Díky drobným úpravám trajektorie lze navíc navodit i simulovanou gravitaci Měsíce nebo Marsu, takže pasažéři se mohou vznášet například ve šestinové měsíční gravitaci.
Tato unikátní letová akrobacie si vysloužila přezdívku „Vomit Comet“ neboli zvracející kometa, protože prudké přechody mezi hypergravitací a beztíží často rozhoupou žaludek nejednoho účastníka. Pro budoucí astronauty je však tato jízda nezbytnou součástí přípravy. Už od 60. let minulého století astronauti trénují v letounech, které těmito parabolami simulují stav beztíže, aby si zvykli na dezorientaci a fyzické pocity, jež je čekají ve vesmíru. Posádky se učí pohybovat a pracovat v mikrogravitaci – jednoduché úkony jako uchopit nástroj nebo otočit šroub mohou být bez tíže nezvykle obtížné. Mnozí nováčci také poprvé poznají kosmickou nevolnost: zmatení vjemů z očí a rovnovážného ústrojí může způsobit závratě a nutkání na zvracení. Proto se před letem preventivně podávají léky proti nevolnosti, například skopolamin. Krátké nepohodlí ale stojí za to – právě zde astronauti zjistí, jak jejich tělo reaguje na beztíži, a lékaři získají cenné poznatky pro další cesty do vesmíru.
Laboratoř pro lékařský výzkum v oblacích
vědecké experimenty. Výhodou je, že na rozdíl od drahých kosmických misí se dají mikrogravitační pokusy s lidskou posádkou provést rychle a relativně levně – Evropská kosmická agentura (ESA) například pořádá tyto lety dvakrát ročně a schválené experimenty financuje. Vědci mohou letět spolu se svými přístroji, přímo je během letu ovládat a případně upravovat. Každých dvacet vteřin beztíže je tak maximálně využito: měří se tělesné funkce, odebírají se vzorky, testují se nové přístroje. Co nestihnou v jedné parabole, doženou v další – a na konci letu mají k dispozici spoustu dat z bezmála deseti minut strávených ve stavu beztíže (rozložených do krátkých úseků). Takové zkoušky „nanečisto“ pomáhají odhalit mouchy před tím, než se experimenty vyšlou na delší mise – třeba na Mezinárodní vesmírnou stanici.
Buňky vzhůru nohama
Jak reagují naše buňky, když zmizí tíhová síla? Ukazuje se, že i během krátkých intervalů mikrogravitace dochází v buňkách k měřitelným změnám. Například lidské endotelové buňky (které vystýlají cévy) v parabolickém letu upravily svou aktivitu genů: vědci zaznamenali změny v hladinách mRNA pro několik proteinů už po prvních parab olách – některé geny pro kolagen a integriny (důležité pro buněčnou přilnavost) byly dočasně utlumeny, zatímco jiné, například pro růstový faktor VEGF či enzym eNOS, byly zvýšeny. To naznačuje, že beztíže spouští molekulární poplach: buňky přeorganizují svůj vnitřní provoz, snad aby se přizpůsobily novému prostředí. Opravdu, pod mikroskopem bylo vidět, že už po jediné parabole se jejich vnitřní kostra (cytoskelet) začala přeskládávat – proteinová vlákna mikrotubulů se přesunula blíže k buněčnému jádru. Po třiceti parab olách některá vlákna cytoskeletu (tubulin a vimentin) dokonce ubývala, což ukazuje, že opakované cykly beztíže a hypergravitace představují pro buňky značný stres. Zajímavé je, že podobné změny cytoskeletu a genové aktivity byly zaznamenány i při dlouhodobějším pobytu buněk ve vesmíru – parabolické lety tak pomáhají ověřit výsledky pozorované na orbitě během jediného odpoledne.
Jiný experiment se zaměřil na lidské chrupavčité buňky (chondrocyty) a odhalil, že krátká beztíže nemá negativní vliv na jejich přežití, ale ovlivňuje jejich program života a smrti. Během parabolického letu chondrocyty zvýšily aktivitu genů, které zabraňují buněčné smrti (apoptóze), jako by se v beztíži snažily přejít do úsporného režimu. Zároveň u nich došlo k mírným změnám cytoskeletu, pravděpodobně vlivem pozorovaného zvýšení regulačních proteinů (například růstového faktoru kostí BMP-2). Výzkum buněk ve stavu beztíže není samoúčelný – pomáhá nám porozumět základním procesům, které gravitační síla v organismu ovlivňuje. Například proč v mikrogravitaci řídnou kosti a ochabují svaly, jak se mění hojení ran či aktivita imunitních buněk. Díky parabolickým letům můžeme tyto otázky studovat snadněji: odhalit už prvotní reakce buněk a tkání na beztíž, aniž bychom museli čekat na dlouhou kosmickou výpravu.
Srdce a krev pod tlakem beztíže
Krátké „vypnutí“ gravitace ovlivní také kardiovaskulární systém – srdce a cévy. Když se člověk náhle ocitne ve stavu beztíže, krev, která normálně tíhne k nohám, se přesune více do horní poloviny těla. Výsledkem je pocit nafouklé hlavy a plnosti v obličeji, zatímco nohy trochu „splasknou“ – astronauti tomu říkají syndrom “ptačích nohou a měsíční tváře”. Na parabolických letech lze tyto posuny tekutin a následné reakce oběhové soustavy detailně měřit. Krevní tlak například při přechodu do beztíže nejprve vyskočí nahoru, ale jakmile beztížný stav pokračuje, klesá pod výchozí hodnoty. Srdce zareaguje okamžitě – začne bít rychleji, aby pokles tlaku kompenzovalo. Překvapivé ale je, že drobné cévy a tepénky v krajích těla, které by se za normálních okolností stáhly a pomohly tak udržet krevní tlak, v mikrogravitaci nezareagují tak, jak se čekalo. Reflexní zúžení cév (běžné například když si stoupneme na Zemí) se opozdí či nedostaví vůbec, patrně vlivem zmatených signálů z baroreceptorů a dalších čidel v těle. Tyto poznatky jsou cenné pro pochopení jevů jako je ortostatická hypotenze – závratě a mdloby při postavení, které trápí astronauty po návratu na Zemi, ale i pacienty v nemocnicích. Parabolické lety umožňují bezpečně zkoumat, jak se lidský organismus vyrovnává s náhlým odlehčením gravitace, a hledat způsoby, jak těmto problémům předcházet.
V jednom experimentu během parabolického letu vědci dokonce zkoušeli, jak se mění některé vrozené reflexy oběhového systému. Dobrovolníci na palubě prováděli tzv. Valsalvův manévr (silný výdech proti uzavřeným ústům a nosu) – běžný test funkce cév a srdce. Ukázalo se, že v beztíži probíhá odezva těla jinak než za normální gravitace: například tzv. fáze IV Valsalvova manévru, kdy po uvolnění tlaku krevní tlak prudce stoupá a tep se zpomalí, byla v mikrogravitaci mnohem méně výrazná. Tyto rozdíly vědcům napovídají, že řídící systémy našeho krevního oběhu (například baroreflexy) se v podmínkách beztíže chovají odlišně. Výsledky získané v parabolických letech tak pomáhají lépe porozumět změnám krevního oběhu, které pak pozorujeme u kosmonautů během dlouhodobých pobytů na orbitě – od otoků v hlavě přes pokles výkonnosti srdce až po obtíže po návratu do pozemské gravitace.
Hlava v oblacích: psychologie beztíže
Krátký pobyt ve stavu beztíže není jen fyzickou, ale i psychologickou výzvou. Někteří účastníci popisují euforii a úžas – není divu, vznášet se volně jako pták je pro člověka jedinečný zážitek. Zároveň však mozek musí zpracovat nezvyklé smyslové informace. Signály z vestibulárního aparátu (rovnovážného ústrojí ve vnitřním uchu) si protiřečí s tím, co vidí oči – nahoru a dolů najednou přestávají dávat smysl. Tento smyslový konflikt vede nejen k nevolnosti, ale i ke změnám v našem mentálním výkonu. Výzkumy v parabolických letech ukazují, že určité kognitivní funkce mohou být dočasně oslabené: například v testech pozornosti měli lidé v mikrogravitaci pomalejší reakční časy a dělali více chyb než při stejné úloze na zemi. Předpokládá se, že za tím stojí jednak rozptýlení novým prostředím, jednak fyziologický stres pro organismus. Zajímavé je, že hladina stresového hormonu kortizolu u některých jedinců během série parabol narůstá a vrcholí až ke konci letu, zatímco u jiných dosahuje vrcholu hned zpočátku a pak klesá. Každý tedy reaguje trochu jinak – adaptace na beztíži je velmi individuální.
Emočně je parabolický let doslova horská dráha: měření úzkosti u dobrovolníků ukázalo, že před letem úroveň úzkosti stoupla, jak rostlo napětí a očekávání, aby po zážitku naopak klesla pod výchozí hodnoty. Krátkodobý pobyt ve stavu beztíže tak může působit i jako svébytná terapie – po překonání počátečních obav přichází uvolnění a radost z úspěchu. Psychologové zkoumají, jak tyto krátké výlety mimo gravitaci ovlivňují náladu, vnímání času a prostorovou orientaci člověka. Například jeden výzkum se zabýval tím, zda v mikrogravitaci nevnímáme čas pomaleji či rychleji, jiný sledoval změny v mozkové aktivitě při představách pohybu objektů v beztíži. Tyto studie pomáhají připravit budoucí cestovatele na dlouhodobý pobyt ve vesmíru – a také odhalují více o fungování lidské mysli vystavené neobvyklým podmínkám.
Odrazový můstek k Marsu i k medicínským inovacím
Parabolické lety se staly nepostradatelnou přípravkou pro vesmírné mise. Každý astronaut mířící na Mezinárodní vesmírnou stanici nebo dál do kosmu má za sebou desítky parab ol v „kometě“ – právě zde si osvojil základy života v beztíži a jeho tělo i mysl dostaly šanci se adaptovat. Tyto lety také umožňují otestovat technologie a postupy, které pak zvýší bezpečnost astronautů. Příkladem je medicína na dálku: NASA vyvinula ultrazvukový diagnostický přístroj pro použití na stanici ISS a pomocí parabolických letů ověřila, že i astronaut-neodborník dokáže s dálkovou asistencí lékaře provést ultrazvukové vyšetření stejně dobře jako na Zemi. Díky takovým zkouškám dnes posádky na orbitě úspěšně zvládají diagnostikovat zranění či nemoci bez přímé přítomnosti doktora – a totéž se uplatňuje i na Zemi, třeba v odlehlých výzkumných stanicích.
Z pohledu budoucnosti medicíny poskytují parabolické lety jedinečnou možnost zkoumat lidské zdraví v podmínkách, které se jinak na Zemi nevyskytují. Poznatky o úbytku kostní hmoty v beztíži pomáhají při hledání léčby osteoporózy; studie svalové atrofie přispívají k rehabilitaci pacientů upoutaných na lůžko. Výzkum cévních buněk a tekutin v mikrogravitaci zase dává nový úhel pohledu na srdeční onemocnění a poruchy krevního tlaku. Mikrogravitace funguje jako extrémní „experiment přírody“, který odhaluje skryté souvislosti – co je pro nás na Zemi pomalý proces (např. řídnutí kostí ve stáří), to se ve vesmíru odehrává zrychleně. Parabolické lety nám umožňují nahlédnout do tohoto zrychleného filmu a zasáhnout včas.
Nakonec, parabolické lety spojují svět vědy a širokou veřejnost. Staly se symbolem lidské touhy překonat omezení gravitace, byť jen na pár vteřin. Populární jsou dnes i komerční lety pro nadšence, kteří si chtějí osobně vyzkoušet pocit kosmonauta. S nadcházející érou návratu na Měsíc a plánů letů na Mars jejich význam dále vzroste – jako testovací polygon pro nové přístroje, léky a postupy, které jednou mohou zachraňovat životy miliony kilometrů od Země. A možná díky nim jednou přijdeme na to, jak udržet člověka zdravého a šťastného i během těch nejdelších cest vesmírem. Parabolické lety jsou zkrátka malými krůčky k velkým hvězdným výpravám – a každá parabola nás posouvá o něco blíž k pochopení života v beztíži pro dobro nás všech.
Zdroje informací:
Friedl-Werner, A., Machado, M. L., Balestra, C., Liegard, Y., Philoxene, B., Brauns, K., Stahn, A. C., Hitier, M., & Besnard, S. (2021). Impaired Attentional Processing During Parabolic Flight. Frontiers in physiology, 12, 675426. https://doi.org/10.3389/fphys.2021.675426
Vomit Comet: Training Flights for Astronauts | Space
Wehland, M., Aleshcheva, G., Schulz, H., Saar, K., Hübner, N., Hemmersbach, R., Braun, M., Ma, X., Frett, T., Warnke, E., Riwaldt, S., Pietsch, J., Corydon, T. J., Infanger, M., & Grimm, D. (2015). Differential gene expression of human chondrocytes cultured under short-term altered gravity conditions during parabolic flight maneuvers. Cell communication and signaling : CCS, 13, 18. https://doi.org/10.1186/s12964-015-0095-9
Ilustrační foto: ESA
