太空失重与骨骼肌丢失

在模拟失重状态下 ,骨骼肌会发生废用性萎缩。而肌肉的质量维持是宇航员健康的保证和维持体能的重要指标。

神州9号把航天员送入太空，与天宫一号对接，航天员可以在相对较大的空间工作生活一段时间。长时间在失重环境下生活会造成肌肉萎缩、骨丢失等症状，所以航天员需要通过太空锻炼进行身体锻炼。天宫一号首次带上了太空锻炼器材，特殊自行车，用于锻炼下肢肌肉；拉力器，用于锻炼肩部和背部肌肉；下体负压筒，对下半身施加负压，促使血液向下半身流动，改变失重环境中血液朝头部转移的情况等。

太空失重的情况下，骨骼肌会产生什么影响，有什么特征？那么又是什么原因引起骨骼肌丢失？

首先失重情况下，会出现骨骼肌质量的丢失和肌肉力量的下降。骨骼肌是肌细胞（肌纤维）组成，失重引起肌纤维的萎缩。过去主要通过测量航天员前后体重的变化，测量航天员飞行前中后的体重变化，发现绝大多数航天员飞行中和飞行后体重下降。目前主要借助核磁共振成像技术判断肌肉丢失情况。体重减轻一方面是由于失重时体内水分丢失较多所致，另一个原因就是肌肉萎缩，尤其是长期飞行后的体重下降与肌肉萎缩的关系更密切。但也有少数航天员飞行后体重增加，这并不是肌肉没有萎缩，而是体内脂肪增加了，核磁共振成像技术可以告诉究竟有多少肌肉丢失，还可以通过测量肌肉围度的变化来检测肌肉丢失情况。评价肌肉力量下降直接办法是测定握力大小及下肢爆发力的变化。肌肉出现萎缩，自然影响到它的功能，即使是短时间的飞行，如7～10天，也会引起肌肉力量下降。如果用握力计测量航天员飞行前和飞行中手的握力，飞行前握力是45～65kg的人，飞行中握力将减少4～22kg。腿部肌肉力量的下降比握力的下降更多。失重飞行后航天员躯干的力量也明显下降。
      肌肉质量丢失有什么特征呢？肌肉根据代谢特点不同，可分为快肌和慢肌，通常快肌纤维执行无氧代谢，而慢肌纤维执行有氧代谢。人体肌肉中若快肌比例高，通常爆发力及无氧运动能力好，若慢肌肉纤维比例高，有氧能力则相对较好。　在失重情况下，肌肉丢失时不同肌纤维变化如何。有关失重对动物骨骼肌影响的实验，例如早期测量了在宇宙-1667号生物卫星上飞行7天大白鼠的比目鱼肌（慢肌）、腓肠肌（快肌）的重量，它们比不飞行的鼠分别轻22.7％和10.7％。前苏联也在地面进行120天人模拟失重（头低位卧床）实验，在卧床前和卧床120天时取被试者腓肠肌部位的肌肉，进行比较，结果是卧床后出现了明显的肌纤维萎缩。后开美国的运动生理专家Scott Trappe等对航天飞行员的研究表明，飞行太空前后小腿肌肉量显著降低（13 ± 2% ）(P < 0.05) ，其中比目鱼肌(−15 ± 2%)比腓肠肌丢失更显著(−10 ± 2%)。肌肉最大功率下降32% (P < 0.05) 。腓肠肌肌球蛋白重链表型有12–17% 转移，比目鱼肌肌球蛋白重链(MHC I)有显著转变为快肌类型，这些资料表明肌肉在失重情况下丢失显著，且有慢肌向快肌转变的趋势。

这与非失重情况下肌肉丢失的特点不同，通常在衰老过程中引起的肌肉丢失，也主要是下肢肌肉，且表现为快肌丢失大于慢肌丢失程度，并没有发现快肌转变为慢肌纤维的趋势。为什么在失重条件会出现上述情况呢？人体的比目鱼肌是一种抗重力肌，在重力环境中它主要执行维持姿势的功能，在失重情况下，重力消除对它的影响最大，那么出现肌肉萎缩的程度也相应最大，不知道这种解释是否正确。

在失重情况下肌萎缩的原因是什么？

在太空中肌肉活动减少可能是主要原因: 改善肌肉质量的最好方法是传统的机械收缩，失重时重力消失引起肌肉的“废用性”变化，也就是说是因为长时间的肌肉运动减少引起的。因失重时一切物体没有重量，肌肉不需要克服这些重量而做功，于是肌肉的功能就逐渐退化。前苏联和美国在地面上进行了大量的实验，例如，前苏联选了一批志愿者，让他们在床上躺49天。在实验前与卧床第30天，用活检方法从被试者的比目鱼肌中取出一小块肌肉进行形态学观察，结果发现卧床后肌肉出现了与航天中相似的萎缩性变化。卧床时人仍生活在重力环境中，只是减少了人的活动，这种情况下出现肌肉萎缩，说明失重情况下活动的减少是引起肌肉萎缩的最主要原因。
      第二个原因可能是营养不足。太空中食欲降低，且加工的食物难于做到色香味俱全，食物摄入量的不足，导致机体合成代谢能力下降，也是造成肌肉萎缩的原因之一。另外失重条件下，肌肉血液供应出现紊乱，如出现下肢肌肉血液供应减少，血粘度增高，血管的结构和形态发生改变。这些都可影响肌肉的血液供应，从而影响肌肉合成代谢。

蛋白质是肌肉中的主要组成部分，正常情况下人体中的蛋白质代谢是处于平衡状态的，即蛋白质合成和蛋白质分解的平衡。测量航天员飞行中尿氮排出量即可了解蛋白质代谢的情况。一些研究结果发现航天员飞行中含氮物质排出量增加，说明肌肉的蛋白质分解大于蛋白质合成，也证明肌肉出现萎缩性变化。最近的一些研究表明认为肌肉丢失主要由于肌肉蛋白质合成率的降低，而不是蛋白质的降解导致，这可能是失重情况机体激素水平的变化，如生长激素、IGF-1、糖皮质激素等出现异常。但在实验过程中并没有检测蛋白质合成率的变化，相关的研究还需要进一步探讨。

运动是改善肌肉的最佳措施：失重对骨骼肌的影响主要表现在肌肉的萎缩和肌肉功能的下降，这也与在太空停留的时间有关。航天员将来要在天宫一号中驻留的时间比以往的神舟任务明显延长。航天员可骑自行车锻炼，大强度、间断的训练可保持宇航员的工作能力，减少肌肉的丢失。同时在营养方面补充能够促进蛋白质合成的营养物质。克服肌肉萎缩的最好办法是强迫它锻炼，航天员在飞行中每天要进行2～3小时的运动，运动项目包括拉力器、跑台、自行车功量计等。这些方法对于防止航天员长期飞行时的肌肉萎缩和肌肉工作能力的下降起到有利的作用，但还没有完全防止失重引起的肌肉系统的变化。

主要参考文献：

1)       Space travel directly induces skeletal muscle atrophy . The FASEB Journal. 1999;13:1031-1038.

2)       Scott Trappe,David Costill, et al. Exercise in space: human skeletal muscle after 6 months aboard the International Space Station. Journal of Applied Physiology April 2009 ; 106 (4 ):1159-1168

3)       沈羡云,唐承业 载人航天对骨胳肌的影响《中国航天》2001年02期-

4)       R. H. Fitts1, S. W. Trappe, et al. .Prolonged space flight-induced alterations in the structure and function of human skeletal muscle fibres   The Journal of Physiology, 2010; 588(15): 3567-3592.