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La permanenza umana nello spazio è concessa da un fragile equilibrio di fattori tecnologici e ambientali, la cui interazione definisce l’abitabilità degli ambienti. Nutrizione, respirazione, gestione degli scarti, sono funzioni essenziali al buon corso di ogni attività.

Missioni sempre più lunghe e popolate e prospettive di insediamento a lungo termine in ambienti extra-terrestri richiedono elaborati sistemi di supporto alla vita, nei quali la componente biologica gioca un ruolo decisivo. In questo ambito, si svolge un’intensa attività di ricerca scientifica e tecnologica, ma la sperimentazione è resa difficoltosa dall’accessibilità limitata agli ambienti in microgravità. Effettuare esperimenti nello spazio è costoso ed è possibile in periodi limitati, di conseguenza possono essere testate solo alcune tra le tecnologie impiegabili. Per far fronte a questa problematica e sviluppare sistemi che supportino la permanenza umana nello spazio in modo sempre più affidabile e completo, si rende necessario lo sviluppo di modelli terrestri, con i quali simulare ciò che avviene nello spazio.

Data l’assenza di risorse biologiche al di fuori del nostro pianeta, la sperimentazione di queste soluzioni avviene spesso a partire da ambienti difficili, dove la sopravvivenza umana è garantita solo parzialmente. Gli ambienti di prova, chiamati anche “testbed”, possono essere forniti da condizioni naturali avverse, come nel caso dei deserti o dell’Antartide, o provocati artificialmente, come nel caso dei territori compromessi dall’inquinamento o da un eccessivo consumo del suolo. Luoghi di questo tipo, che in termini terrestri presentano condizioni estreme, presentano condizioni in realtà ben più ospitali degli ambienti in microgravità, semplificando la logistica degli esperimenti e offrendo risultati più rapidamente.

Le soluzioni messe a punto sulla Terra, oltre a sostenere direttamente la vita delle persone coinvolte e a offrire risultati scientifici promettenti per lo Spazio, possono contribuire all’ambiente circostante, innescando processi di miglioramento ecologico. Tali risultati richiedono una profonda collaborazione tra discipline, coinvolgendo dai biologi, ai medici, ai bioingegneri, ai progettisti. Queste figure lavorano insieme per sviluppare ecosistemi controllati, integrando componenti biologiche e tecnologiche per la sopravvivenza umana.

Un progetto che si basa su questa collaborazione per innescare un trasferimento tecnologico bidirezionale, dalla Terra allo Spazio e dallo Spazio alla Terra, è AstartE, un ecosistema artificiale terrestre intelligente, capace di adattarsi all’ambiente in cui si trova per produrre aria pulita, cibo sicuro (vegetali) e acqua potabile in condizioni ambientali sfavorevoli, come nelle periferie urbane degradate.

L’ecosistema è contenuto in un involucro gonfiabile, diviso in una parte terrestre e una acquatica, in contatto tra loro, e in aree micro-climatiche differenziate. Questo si appoggia a una struttura in stampa 3D, che viene dimensionata sulla base delle caratteristiche del luogo di utilizzo e che filtra l’acqua e i nutrienti che l’ambiente esterno può offrire.

I processi biologici che avvengono al suo interno derivano dai sistemi di supporto alla vita bio-rigenerativi a ciclo chiuso (BLSS), già impiegati in orbita terrestre. Come questi ultimi, sono in grado di sostenersi in autonomia, raggiungendo spontaneamente condizioni di crescita ottimale. Queste condizioni vengono mantenute con il supporto di una centralina a intelligenza artificiale (rete neurale), che gestisce in modo dinamico e interdipendente gli apporti di acqua, luce, calore e nutrienti, rispondendo alla varietà di fabbisogni delle forme di vita presenti al suo interno e alla mutevolezza del contesto. L’efficienza del sistema così configurato consente il sostegno alla vita umana e un contributo pro-attivo alla salute dell’ambiente circostante, oltre a supportare la sperimentazione delle tecnologie che potranno essere portate in orbita.

La prospettiva indicata da AstartE è quella di una progettazione multidisciplinare e collaborativa, che tragga risultati scientifici dal confronto di ambienti diversi e rinforzi la cooperazione tra i diversi ambienti della ricerca sugli ecosistemi, unificandone le informazioni e configurando sistemi ad elevata intelligenza biologica, capaci di far fronte a una varietà di situazioni, proprio come già fa la natura sul nostro pianeta.

D. Martini, I. Loddo – Università di Venezia

L’esercizio fisico è un metodo molto promettente per ridurre la concentrazione di glucosio nel sangue, stimolando un maggiore assorbimento del glucosio mediato dall’insulina.

D’altra parte, l’inattività diminuisce la sensibilità alla insulina, favorisce l’alta pressione e l’obesità.

Uno studio dell’AusDiab (Australian Diabetes, Obesity and Lifestyle) ha esaminato la correlazione tra intolleranza al glucosio e la quantità di tempo speso di fronte alla televisione, prendendo in esame un campione di 1958 ultrasessantenni di età media 69 anni, composto dal 54% di donne

Le conclusioni non sorprendono. La ricerca ha messo in evidenza che il tempo passato di fronte alla televisione è associato a una maggiore intolleranza al glucosio, specialmente nelle donne. Per essere chiari: chi passa più tempo di fronte alla televisione sviluppa un rischio maggiore di intolleranza al glucosio.

Risultati recenti che analizzano l’inattività fisica attraverso esperimenti come la degenza (bed rest), le sessioni prolungate di sedute o le riduzioni del periodo deambulatorio quotidiano, hanno confermato che passare a uno stato di inattività riduce il metabolismo.

Così, persino tre giorni di riposo a letto sono sufficienti – in soggetti in piena salute – a indurre un’anomalia nella tolleranza al glucosio. E secondo ricerche recenti, anche una semplice diminuzione della frequenza degli intervalli a cui ci alziamo dalla posizione seduta, così come una maggior durata complessiva del tempo in cui stiamo seduti, sono sufficienti ad abbassare la sensibilità all’insulina

 Insomma, questi studi suggeriscono che la tecnologia moderna, che elimina la posizione eretta e significativi movimenti degli arti, danno il via a disfunzioni metaboliche che probabilmente giocano un ruolo fondamentale nello sviluppo dell’obesità e del diabete mellito di tipo 2.

Martina Heer,

traduzione a cura di Stefano Sandrelli.

Dopo le prime missioni spaziali come Apollo e Skylab gli astronauti hanno mostrato un livello di glucosio e di insulina nel sangue superiore a fine missione rispetto ai livelli rilevati prima del lancio. Questo fenomeno non colpisce solo gli astronauti ma anzi si sta diffondendo tra la popolazione, soprattutto i più giovani, dei paesi occidentali. Secondo alcuni dati del sondaggio National Health and Nutritional Examination del 2003-2004 (NHANES) solo l’8% degli adolescenti (12-19 anni) e meno del 5% degli adulti (con più di 20 anni) seguono la raccomandazione di fare da 30 a 60 minuti di esercizi al giorno.

Anche solo un paio di giorni a letto possono comportare conseguenze sul nostro corpo, simili anche a quelle di cui fanno esperienza gli astronauti in microgravità. È per questo motivo infatti che qui sulla Terra vengono condotti studi cosiddetti di “bed rest”, ovvero di riposo forzato a letto. I processi di adattamento di muscoli e ossa iniziano anche solo dopo ore di riposo forzato; dopo soli cinque giorni a letto, i livelli di glucosio e insulina aumentano velocemente, suggerendo che l’intolleranza al glucosio può essere indotta anche in individui giovani e in buona salute se li si costringe ad un improvviso stile di vita sedentario.

Tuttavia la sedentarietà sembra non essere l’unica causa di una diversa tolleranza al glucosio nelle persone giovani. Lo studio di Thyfault and Booth (2011) ha recentemente affermato come anche semplicemente le troppe ore passate seduti senza sufficienti pause per una passeggiata sia sufficiente per abbassare in maniera significativa la nostra sensibilità all’azione dell’insulina e di conseguenza per aumentare i rischi metabolici.

Se a questo si aggiunge un apporto calorico superiore a quello necessario la situazione peggiora sensibilmente. Lo studio di Stephens e colleghi del 2011 ha mostrato come in una persona normopeso, in salute, se all’inattività (come ad esempio lo stare seduti per maggior parte della giornata) si aggiunge un bilancio energetico positivo (ovvero maggiore di quello di cui si avrebbe bisogno) la sensibilità all’insulina viene ridotta del 39%. È tuttavia da notare che in caso di inattività ma con un equilibrato apporto calorico e di energia la sensibilità del corpo all’insulina viene ridotta solo del 18% in confronto alla sensibilità che si avrebbe con uno stile di vita attivo. La ricerca conclude con l’affermazione che “le strategie per limitare la percentuale di tempo passata seduti possano ridurre le malattie legate ai rischi metabolici”.

In un altro recente studio, condotto presso la DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. ovvero l’agenzia spaziale tedesca) a Colonia in Germania, con il nostro team abbiamo cercato di capire per quanto tempo una persona debba mantenere uno stile di vita attivo per riuscire a tornare ad avere gli stessi livelli di glucosio e insulina nel sangue che aveva prima del periodo di riposo forzato a letto (fissato a 21 giorni per questo studio). Quello che abbiamo potuto dimostrare è che mantenendo un livello di attività limitato dopo il periodo a letto il tempo di recupero della giusta tolleranza al glucosio è intorno ai quattordici giorni, anche in individui in salute e in giovane età (Heer et al. 2014). In conclusione quindi è sicuramente una buona scelta mantenere un livello di attività fisica  costante non solo per mantenersi in salute in generale ma anche per mantenere un sano metabolismo del glucosio e ridurre cosí i rischi di sviluppare il diabete di tipo 2.

Martina Heer

I carboidrati, sia quelli semplici come gli zuccheri sia quelli più complessi, giocano un ruolo importante nel nostro corpo, sia perché sono una fonte primaria di energia, sia perché sono facilmente disponibili al bisogno. È facile, infatti, trovare carboidrati in molte bevande e cibi che consumiamo ogni giorno: frutta, caramelle, torte e pane, patate, riso e molti altri.

L’energia fornita dai carboidrati viene ossidata e, in seguito, utilizzata da organi e cellule. In particolare, le cellule del cervello e i globuli rossi dipendono energeticamente soltanto dai carboidrati.

 I carboidrati dovrebbero dunque costituire la parte più significativa della dieta giornaliera di una persona; questo vale ovviamente sia per noi terrestri sia per chi si trova al momento nello spazio sulla Stazione Spaziale Internazionale. Tuttavia, ad oggi, ancora poche ricerche sono state fatte circa gli effetti della microgravità sul metabolismo dei carboidrati e, fra gli studi fatti, i risultati non sempre concordano. Anche i carboidrati complessi vengono metabolizzati nel tratto gastrointestinale in disaccaridi come lo zucchero comune o monosaccaridi come il glucosio o il fruttosio. Questi poi vengono assorbiti dal flusso sanguigno e vanno così ad aumentare il livello di glucosio nel sangue.  Questo aumenta porta poi (come spiegato nel precedente post) l’insulina a entrare in azione, portando il glucosio dal sangue alle cellule, soprattutto quelle muscolari, che lo utilizzano come fonte di energia.

Quasi tre decenni di ricerca sul volo spaziale hanno suggerito che in condizioni di microgravità ci sono effettivamente cambiamenti diabetogeni negli astronauti. I primi studi in ambito spaziale hanno documentato un aumento nel flusso sanguigno della concentrazione sia di insulina sia di glucosio all’atterraggio per gli astronauti delle missioni Apollo, Skylab come anche per i voli Shuttle.

Inoltre, uno studio russo ha documentato una riduzione del picco rapido del glucosio nel sangue (fasting plasma glucose) dopo 60-88 giorni di volo su una navicella Salyut-Soyuz, e un picco ridotto di glucosio nel sangue nei test di tolleranza.

La resistenza insulinica (mancanza di sensibilità all’insulina) è stata riscontrata in test di microgravità simulate (il bed rest).

Mentre proseguono gli sforzi per mantenere la massa muscolare (e presumibilmente correggere la resistenza insulinica) in microgravità, poco è stato fatto dal punto di vista nutrizionale.

I cambiamenti nella produzione di insulina, la sensibilità insulinica (ovvero quanto il nostro corpo reagisce all’insulina) e la tolleranza al glucosio suggeriscono che l’insulina giochi un ruolo essenziale nel mantenimento della massa muscolare durante le missioni spaziali.  Un periodo prolungato di microgravità riduce la massa muscolare, il volume dei muscoli e la loro potenza, soprattutto per quanto riguarda le gambe. L’inattività stessa porta per forza i muscoli a uno stato di atrofia e aumentano eventuali problemi di assorbimento del glucosio a causa di problemi di mancanza di insulina.

È molto probabile infine che la bassa sensibilità delle cellule all’azione dell’insulina (insulino resistenza) negli astronauti durante e subito dopo una missione nello spazio sia dovuta proprio alla poca attività dei muscoli in microgravità.

Dr. Martina Heer

Uno stile di vita sedentario, che si sta sempre di più diffondendo soprattutto nei paese occidentali, ha gravi conseguenze a lungo termine  sulla salute del corpo umano. Spesso fin da giovani le persone non fanno abbastanza esercizio fisico e in molti casi il lavoro in ufficio costringe le persone a restare sedute per gran parte della giornata. Se poi a questo si aggiunge un apporto calorico giornaliero superiore al reale fabbisogno (anche a causa delle molte bibite gassate e con molti zuccheri disponibili sul mercato) è facile capire come la percentuale di obesità nella popolazione stia aumentando.

Entrambi questi fattori, la ridotta attività fisica e l’alta percentuale di massa grassa, possono avere conseguenze negative  tra cui alcuni effetti sul metabolismo dei carboidrati.

Durante la digestione dei carboidrati il glucosio viene assorbito e entra all’interno del nostro flusso sanguigno; quando viene assorbito quindi il livello di glucosio nel sangue aumenta. Un maggiore livello di glucosio fa poi sì che il pancreas riceva l’istruzione di produrre insulina, un ormone che aiuta a prelevare il glucosio dal sangue e portarlo alle cellule, in particolare quelle muscolari. Allo stesso tempo  la sintesi del glucosio da parte del fegato (che si occupa di produrre glucosio nei casi in cui il suo livello nel sangue sia troppo basso) viene fermata.

Nelle persone in salute l’aumento del livello di glucosio nel sangue in seguito all’aver mangiato dei carboidrati avviene dunque fino ad una determinata concentrazione oltre la quale l’insulina inizia a lavorare trasportando il glucosio dal sangue alle cellule e riportando i valori ai livelli iniziali.

Nelle persone che conducono invece una vita sedentaria o la cui percentuale di massa grassa è troppo elevata il livello di glucosio nel sangue dopo un pasto in cui si sono consumati carboidrati cresce

molto di più. Nonostante il pancreas produca insulina e questa a sua volta inizi a portare glucosio alle cellule la concentrazione nel sangue rimane elevata, suggerendo l’idea che l’insulina non sia più in grado di lavorare in maniera adeguata. Questo è quello che viene chiamato “intolleranza al glucosio”.

Questo tipo di intolleranza può svilupparsi anche in persone giovani e in salute che solo recentemente hanno iniziato ad avere uno stile di vita più sedentario.  Questo è stato ad esempio confermato da alcuni studi in cui i soggetti erano in riposo forzato a letto (bed rest studies)  per un determinato periodo: anche brevi periodi di quasi immobilità forzata possono portare ad una diminuzione nella tolleranza al glucosio. Anche negli astronauti è stato riscontrato lo stesso effetto durante alcuni studi durante le missioni Apollo e Skylab, avvenute negli anni ’60 e ’70. A suo tempo era stato fatto uno studio comparando i livelli di glucosio nel sangue e di insulina prima e dopo il volo; i cambiamenti presenti tra l’inizio e la fine della missione (all’epoca non erano stati fatti prelievi durante il periodo nello spazio)erano del tutto simili a quelli presenti nei soggetti costretti a letto negli studi di bed rest.

Anche se gli astronauti durante la loro permanenza nello spazio sono solitamente molto attivi senza esercizi appositi la loro muscolatura in microgravità non viene stimolata. Questa ridotta attività dei muscoli è sufficiente appunto a portare il livello di glucosio nel sangue a valori superiori a quelli accettabili e portare quindi l’astronauta a sviluppare un’intolleranza al glucosio.

Dr. Martina Heer

Vi ricordate di John Glenn? Nel 1998, quando aveva ormai 77 anni, è tornato nello spazio per sottoporsi ad alcuni studi sulla fisiologia umana in età avanzata. Niente male davvero! Questo astronauta americano rimarrà famoso anche per uno dei primi spuntini spaziali della storia: nel 1962, a bordo della navicella Friendship 7, Glenn assaggiò un po’ di succo di mela in un tubetto, in assenza di gravità.

Oggi, sulla ISS, si mangia decisamente meglio e l’aspetto qualitativo-nutrizionale è decisamente importante. L’esperimento Energy (Astronaut’s Energy Requirements for Long-Term Space Flight), in particolare, ha il compito di misurare il cambiamento nel bilancio energetico osservato negli astronauti durante le missioni di lunga durata. Il fabbisogno energetico dei membri dell’equipaggio è uno dei fattori fondamentali perché da esso dipendono le condizioni di salute di coloro che si trovano sulla ISS, il livello delle loro prestazioni lavorative e il successo globale di un volo spaziale di molti mesi. Non bisogna poi trascurare il fatto che è anche possibile stabilire con precisione la quota del carico utile (payload) che è necessario assegnare al cibo.

La costruzione della Stazione Spaziale Internazionale ha permesso di prolungare la permanenza degli astronauti nell’orbita bassa terrestre. Allo stesso tempo è anche aumentata l’importanza della nutrizione come possibile contromisura agli effetti negativi della microgravità. Una dieta sana ed equilibrata fa certamente bene sulla Terra, ma ancora di più nello spazio.

Il mantenimento del giusto bilancio energetico in assenza di peso non è affatto facile. Normalmente, il metabolismo basale rappresenta il 60-70% del totale. Poi bisogna tener conto del metabolismo cinetico, cioè quello legato al movimento, allo sport e all’attività fisica, che ha un peso del 15-30%. La parte rimanente del fabbisogno energetico è legata, infine, alla termogenesi indotta degli alimenti, che è pari al 5-15% del totale.

L’astronauta ESA Alexander Gerst durante una sessione dell’esperimento ENERGY, che cerca di capire quanta energia viene utilizzata dagli astronauti sulla ISS.

Provate a immaginare un astronauta affamato e senza energie durante un momento critico, come ad esempio una passeggiata spaziale o mentre scende sulla superficie di Marte…sarebbe un bel problema! Proprio per questo l’esperimento Energy cerca di studiare il dispendio energetico di un astronauta durante la missione: bisogna infatti cercare di trovare l’equilibrio per garantire che ci sia abbastanza cibo (e quello giusto) ma non troppo, dovendo tenere conto delle difficoltà e dei costi di trasporto fino alla ISS. Si tratta di un esperimento complesso e vi hanno partecipato anche gli astronauti ESA  André Kuipers, Luca Parmitano e Alexander Gerst.

Come molti esperimenti di fisiologia umana I dati vengono raccolti prima, durante e dopo il volo: in questo modo anche le più piccole differenze possono essere registrate e prese in analisi. La parte dell’esperimento condotta in microgravità è durata per ogni astronauta undici giorni. Durante questo periodo ognuno ha mangiato per i primi due giorni solamente del cibo prescelto apposta per l’esperimento, tenendo registrazione di ogni pasto attraverso bar code e dei questionari compilati da parti dell’astronauta. Anche i liquidi sono stati controllati ed è stata fatta bere agli astronauti solo acqua con isotopi di deuterio. Gli isotopi contenuti nell’acqua, innocui, permettono ai ricercatori di esaminare i cambiamenti di energia nel corpo dell’astronauta grazie alle analisi delle urine fatte sui campioni prelevati in questi undici giorni.

Oltre ad acqua e cibo per l’esperimento è stato importante registrare la quantità di ossigeno assorbita respirando dall’astronauta, in un intervallo di 20-50: in questo modo è possibile capire la quantità di energia consumata prima e dopo i pasti.

Infine tutta l’attività fisica eseguita negli undici giorni viene regolata grazie a dei monitor. In questo modo è  possibile poi distinguere in fase di analisi dei dati tra l’energia consumata per l’attività fisica e quella legata alla termogenesi del cibo.

Martina Heer