Uluslararası Uzay İstasyonu’na gidecek olan Albay Alper Gezeravcı‘nın yolculuk arifesinde, astronotların sağlıklarını korumak için hangi egzersizleri nasıl yaptığını sizlerle paylaşmak istedik. Yolun açık olsun TURKAstro.
Bu yazı, ESA’nın Uluslararası Uzay İstasyonu’nda (ISS) uzun süreli görevler sırasında mürettebat üyelerine nasıl egzersiz programları öngördüğünü ve uyguladığını açıklamaktadır (Astronotlara Özel Egzersiz Protokolü). Ayrıca, mürettebatın uzaydaki mikro yerçekimi ortamına uyum sağlamak ve fiziksel performanslarını korumak için nasıl egzersiz yaptığına dair detaylı bilgiler içermektedir. Uzaydaki yerçekimsiz ortamın vücut üzerindeki etkileri, mürettebatın uçuş öncesi, uçuş sırası ve uçuş sonrası dönemlerdeki egzersiz programlarına nasıl yansıdığına dair ayrıntılı veriler sunulmuştur.
12 Nisan 1961’de Vostok 1 aracıyla, Yuri Gagarin, Dünya’nın yörüngesinde 1 turunu tamamladı ve bu süreçte ilk insanlı uzay uçuşunu gerçekleştirdi. Fırlatma ve iniş arasındaki 108 dakika içinde yörüngede yaklaşık 89 dakika geçirdi ve böylece mikro yerçekimi (μG) olan benzersiz ortamı deneyimleyen ilk insan oldu.
Gagarin’in uçuşundan bu yana 50 yıldan fazla bir süre geçti ve bu süre zarfında 500’den fazla insan uzay uçuşu gerçekleştirdi. Uluslararası uzay istasyonu (ISS) adında kalıcı, çok kullanımlı bir yaşam alanı inşa edildi ve artık astronotlar için bu uzay görevleri rutin hale geldi. Şimdilerde astronotlar yaklaşık 6 aylık periyotlar boyunca, μG’de yaşadıkları ve çalıştıkları uzun süreli görevlerde bulunuyorlar.
Astronot sayısındaki ve görevlerin uzunluğundaki artış sonucunda uzaydaki toplam insan-gün sayısı ISS’de hızlı bir artış gösterdi, bununla beraber insan vücudu μG’ye uyum sağladığı için organizmada meydana gelen derin çoklu sistem değişiklikleri ortaya çıktı.
Uzay istasyonunda Dünya’ya kıyasla düşük yerçekimi olduğundan buradaki adaptasyon, kemik kütlesinde, kas hacminde ve gücünde, kardiyovasküler kapasitede azalma ve kan basıncı düzenlemesi ile vestibüler ve sensorimotor fonksiyondaki değişiklikler ile ilişkilidir.
Uzay uçuşu sonrası fizyolojik gözlemlere dayanarak, μG’ye adaptasyon hakkındaki geniş bilgi birikimi, farklı egzersiz türlerinin kardiyovasküler ve kas-iskelet sistemleri üzerindeki etkilerini göstermiştir. Uzay uçuşu sırasında kullanılan egzersiz cihazları ve egzersiz programı tasarımlarında büyük ilerleme kaydedilmiş ve bunlarla birlikte μG kaynaklı “sağlıksız” adaptasyonlara karşı giderek daha etkili hale gelinmiştir.
ISS mürettebatından alınan son verilere bakıldığında, en son nesil cihazlara erişimi olan ve uzun süreli görevler sırasında yoğun antrenman programlarını takip eden astronotların, kemik kütlesinde ve kardiyovasküler kapasitelerinde çok az veya hiç değişiklik olmazken, kas gücü üretimindeki düşüşler giderek daha da azaldığı görülmüştür.
Uzayda kullanılan egzersiz cihazlarının tasarımı için birkaç önemli faktör göz önünde bulundurulmalıdır. İlk olarak, yerçekimi etkisinin yokluğu ve dolayısıyla nesne ve vücut ağırlığı etkileşimi bunlardan bir tanesidir. Egzersiz uyaranları için kısmen (örneğin ağırlık kaldırma) veya tamamen (örneğin koşma) vücut ağırlığına dayanan egzersizler için tasarlanmış cihazlar hesaba katılmalıdır. Ağırlık /direnç cihazının yük kapasitesi, squat gibi önemli egzersizler yapan ekip üyeleri için yeterli maksimum yükü sağlamalıdır. Koşu egzersizi için tasarlanan cihazlar ise mürettebatı, Dünya üzerinde koşmaya benzer yer reaksiyon kuvvetleri yaratacak, ancak yürüyüş döngüsü sırasında vücudun kütle merkezinin doğal yükselişine ve alçalışına izin verecek şekilde kısıtlamalıdır. İkinci olarak, egzersiz modundan bağımsız olarak, titreşimlerin, kuvvetlerin ve torkların uzay aracı yapısına iletilmesini önlemek için cihazlar uzay aracından dikkatlice izole edilmelidir.
JAXA (Japon Uzay Araştırma Ajansı) ve CSA (Kanada Uzay Ajansı), başlangıçta, NASA (Ulusal Havacılık ve Uzay Ajansı) tarafından sağlanan uçuş içi egzersiz programlarını izledi. 2004 yılında, ESA’nın (Avrupa Uzay Ajansı) Uzay Tıbbı Ofisi, uçuş sırasında karşı önlem programı da dahil olmak üzere mürettebat üyeleri için uzun süreli görevlerde kullanılmak üzere kendi fiziksel egzersiz konseptini geliştirmeye başladı. O zamandan beri 10 yıl içinde, insanlı uzay uçuşu önemli bir değişim geçirdi: Nispeten basit egzersiz cihazlarının yerini daha fazla işlevselliğe sahip daha gelişmiş cihazlar aldı, bu cihazların kullanımına yönelik egzersiz programları geliştirildi ve optimize edildi. Tarihsel olarak μG cinsinden zamanla ilişkilendirilen belirgin fizyolojik bozulmanın yerini, oldukça iyi fiziksel olarak geri dönen mürettebat üyeleri aldı.
Bu nedenle, ISS’de yaşayan ve çalışan uzun süreli görev mürettebatı için ESA’nın uzay uçuşu sırasında kullandığı egzersiz karşı önlem programının uygulama ve sonuçlarını özetlemek, gözden geçirmek önemlidir. Bu nedenle, bu makalenin amacı üç yönlüdür:
- İlk olarak, ESA Uzay Tıbbı Ofisi’nin, ESA mürettebat üyelerine egzersiz desteği sağlanmasına yönelik bireysel yaklaşımının, özellikle uzun süreli görevler sırasında uçuş içi egzersiz önlemlerinin bir tanımını yapmak;
- İkincisi, okuyucuya ISS’deki insanlı uzay uçuşunun güncel bir resmini ve μG’ye uzun süre maruz kalmaktan kaynaklanan fizyolojik değişiklikleri önlemek için egzersizin nasıl kullanıldığını anlatmak; ve
- Son olarak, ESA mürettebatının gönüllü olarak hizmet verdiği ISS üzerinde, deneyler planlayan ve uygulayan bilim insanlarına, hem verilerini yorumlamada hem de ESA tıbbi operasyon gereksinimleriyle uyumlu, gelecekteki deneysel protokolleri tasarlamada yardımcı olmak için bir referans belge olarak hizmet etmesidir.
METOT
Bu çalışma retrospektif (geriye dönük analiz) bir araştırmadır.
Avrupalı Astronotlar
Mevcut ESA Astronotları, 1998-2000 yılları arasında, on astronotun işe alındığı ve sonra, 2008-2009’da altı astronotun seçildiği iki ayrı seçim sürecinden gelen bireylerden oluşmaktadır. Tüm başarılı adaylar, 149,5 ile 190,5 cm arasında boy ve <95 kg vücut ağırlığına sahip temel fiziksel seçim koşullarını karşıladı ve ardından titiz bir tıbbi ve psikolojik değerlendirmeden geçti. ISS’ye yönelik uzun süreli görevler (30 günden uzun ve yaklaşık 6 aya kadar) ilk olarak 2006’da gerçekleştirilmiş ve bu yazının yazıldığı tarihte (Mayıs 2016), sekiz görev tamamlanmıştır. 2006 ve 2015 arasındaki tüm ESA misyonları için ortalama ve standart sapma (±SD) süre 162 ± 48 gündü (aralık: 49–200 gün).
ESA Astronotları için Kişiselleştirilmiş Egzersiz Yaklaşımı
ESA mürettebat üyelerine yönelik program, ESA egzersiz uzmanının, bireysel uygunluk seviyelerini, kişisel tercihleri, kariyer durumunu ve ayrıca ISS egzersiz donanımı özelliklerini dikkate aldığı, bireysel olarak uyarlanmış bir yaklaşımdır.
ESA astronotlarının, aktif kariyerleri boyunca, bir ESA egzersiz uzmanınca desteklenen rehberli egzersiz programlarını kullanarak ortalamanın üzerinde bir fiziksel uygunluk seviyesini korumaları gerekmektedir. Egzersiz faaliyetleri, belirli özelliklere ve hedeflere sahip çeşitli aşamalarda planlanır (örneğin, görev ataması olması veya görev ataması olmaması gibi). Günlük olarak öngörülen egzersiz içeren uçuş sırasındaki faz, en yoğun egzersiz dönemidir.
Astronot adayı olarak seçilen kişi, kariyeri boyunca benzersiz bir aşama olan ve bir kez gerçekleşen, yaklaşık 1 yıl süren “Temel Eğitim” aşamasına geçer. Bu süre boyunca ESA astronotları, özel olarak bire bir oturumlarda temel egzersiz becerilerini (örneğin, doğru teknikle serbest ağırlık kaldırma ve kalp atış hızı monitörleri gibi egzersiz donanımı çalışması ve ISS protokollerini izleyerek egzersize hazırlık) geliştirir. Temel eğitimden sonra, antrenman aşamaları ve görev hazırlığı sırasında astronotlara eşlik etmek için uzaktan destek konseptleri uygulanmaktadır.
Uçuş Öncesi Egzersiz
Uçuş öncesi (ve genel) egzersizin temel amacı, astronotların yaşları için ortalamanın üzerinde bir genel zindelik seviyesini korumalarını desteklemektir. Görev ataması ile başlayan uçuş öncesi aşamada lansmandan bir ila 2 yıl önce, egzersiz programı denetimli (Avrupa Astronot Merkezi’ndeki ESA egzersiz uzmanlarıyla veya mürettebat başka bir yerde eğitim alıyorsa yerel egzersiz uzmanıyla birlikte) ve denetimsiz egzersiz seanslarından oluşur. Denetimli oturumlar tipik spor salonu egzersizlerinden oluşur, ancak özel olarak kişiselleştirilmiş bir ISS uçuş içi egzersiz protokolünün geliştirilmesi ve uygulanmasına odaklanır. Egzersizler istasyona özgü “uçuş benzeri” cihazların kopyaları ile ESA egzersiz uzmanları tarafından desteklenen özel cihaz uzmanları tarafından yürütülmektedir. Astronotlardan düzenli olarak gerçekleştirilen egzersiz türleri, egzersiz süresi ve yoğunluğu (kalp atış hızı veya öznel yoğunluk) ile kişisel geri bildirimleri dahil olmak üzere egzersiz verileri istenir. Bu veriler, standart uçuş öncesi testlerin sonuçlarıyla birlikte, egzersiz uzmanları tarafından görev başlamadan önce her astronot için, ISS egzersiz karşı önlem egzersiz protokollerini bireysel olarak uyarlamak için kullanılır.
Uçuş Sırasındaki Egzersiz Donanımı
Kardiyovasküler egzersiz için iki ergometre kullanılmıştır. 25–350 Watt arası iş yükleri sağlayan titreşim izolasyonu ve stabilizasyonuna (CEVIS, örnek için bir önceki fotoğraftaki bisiklet ergometresini inceleyebilirsiniz. Bir NASA astronotunun bisiklet sürüşünü izlemek isterseniz buraya tıklayın.) sahip bisiklet ergometresi ve VELO (100–250 Watt); koşu bandı (2009 yılına kadar 16 km h-1‘e kadar motorize hız sağlar. Bir NASA astronotunun koşu rutinini izlemek isterseniz buraya tıklayın.). Daha sonra 2. nesil koşu bandı (COLBERT veya T2 olarak adlandırılır 20,4 km h-1‘e kadar motorize hız sağlar) ve BD-2 koşu bandı (20 km h-1‘e kadar) kullanıldı.
Direnç egzersizleri içinse, 2009 yılına kadar ara dirençli egzersiz cihazı (iRED) (5’ten 136 kg’a kadar yük sağlayan) ve ardından ARED (2,2’den 272 kg’a kadar yük sağlayan) kullanıldı (NASA’nın egzersiz ürünü geliştirme bölümü ile ilgili video izlemek için buraya tıklayın.). VELO cihazına ayrıca 30 kg’a kadar yük sağlayan motorlu kabloları olan “kuvvetli yükleyiciler” takılıp kullanıldı.
Uçuş Sırasında Egzersiz
ESA ile uçuş sırasında, bireyselleştirilmiş antrenman yaklaşımı üç aşamadan oluşur. Her fazın süresi, görevin uzunluğuna bağlı olarak değişir.
Tipik olarak, uçuş sırasında egzersiz için, 2-3 haftalık bir adaptasyon süresi planlanır (Adaptasyon Aşaması veya Aşama 1 olarak adlandırılır), bisiklet ergometresi için planlanan ilk egzersiz seansları bu fazdadır. İlk programlı egzersiz süresi (en fazla 1 saat), ISS’ye vardıktan sonraki ikinci günden daha erken olmayacak şekilde gerçekleştirilir ve bunu egzersiz süresinde 2,5 saate kadar bir artış ve yüklenme izler. Bisiklet ergometresi, koşu bandı ve direnç egzersiz cihazlarının kullanımı, bu aşamada, periyodik olarak her hafta cihaz başına 4-5 seans ile nispeten dengelidir. İlk seansların şiddeti nispeten düşüktür (örneğin, uçuş öncesi antrenman oturumlarında belirlenen kapasitenin %50-60’ı) daha sonra mürettebatın takdirine bağlı olarak artırılır.
Esas Aşama (Aşama 2) için, direnç egzersizi antrenman yükleri haftada %3–5 oranında artırılırken, koşu bandı yükündeki (hız ve koşu yoluyla dikey yükleme) ve bisiklet ergometresindeki (iş yükü) artış oranı daha az yapılandırılmıştır ve mürettebatın performansına bağlı olarak periyodik artışlar içerir. Egzersiz yükleri, bireylerin maksimum kapasitelerinin %80 veya daha fazlasına yöneliktir. Bu kapasiteler uçuş öncesi egzersiz ve test oturumlarında belirlenir ve bireye uyarlanır. Koşu bandı için ek bir egzersiz parametresi olarak sağlanan dikey yüklenme, koşu bandı yüzeyine entegre edilmiş kuvvet sensörleri tarafından statik olarak ölçülür (bu teknoloji mevcut olmadan önce NASA tarafından sağlanan yükleme hesaplamaları için mürettebatın boy yüksekliği ve vücut kütlesi dikkate alınırdı). Faz 1’de ilk 1-2 hafta boyunca yüklenme vücut ağırlığının yaklaşık %50’sine ayarlanır ve ardından Faz 2’de kademeli olarak arttırılır.
ISS’de son 3-4 hafta boyunca “Dünya Yörüngesine Yeniden Giriş için Hazırlık” Aşamasında (Aşama 3), direnç egzersizleriyle koşu bandına artan bir odaklanma ve bisiklet ergometresi cihazının programdan çıkarılmasıyla antrenman yükleri yüksek tutulur. Mümkünse, yaralanmayı önlemek için direnç egzersizi sırasında iyi bir postür (duruş) kontrolü sağlanırken yükte daha fazla artış uygulanır. Tüm astronotlar için nominal programlanmış uçuş içi egzersiz süresi, kurulum, istifleme ve kişisel hijyen dahil olmak üzere günde 2,5 saattir. Bu nedenle, egzersiz için harcanan gerçek süre günde yaklaşık 1,5 saattir.
ESA astronotları için haftada 7 gün egzersiz programı uygulanır. Mürettebatın tercihine göre uyarlanmış ve ESA karşı önlem konseptine dayalı olarak, haftada toplam 6-7 seans direnç ve 4-7 seans kardiyovasküler egzersiz hedeflenir. Günlük egzersiz, mürettebatın tercihine göre arka arkaya veya iki ayrı seansa bölünmüş bir direnç ve bir kardiyovasküler (koşu bandı veya bisiklet ergometresi) egzersizinden oluşur.
Alt ekstremite kas ve kemikleri μG adaptasyonuna çok duyarlı olduğu için, önerilen ana direnç egzersizleri squat, parmak ucunda yükselme (heel raises) ve deadlift hareketleridir. Her seansta küçük değişikliklerle (örneğin sumo squat) gerçekleştirilir. Astronotlara çeşitlilik sağlamak ve kapsamlı bir tüm vücut antrenmanı için, ‘crunch’ ve ‘bench press’ gibi diğer direnç egzersizleri de programa dahil edilir ve bu hareketler seanstan seansa değişir. Protokole bağlı olarak tekrar sayısı 6 ile 15 arasında, set sayısı ise 2 ile 5 arasında değişmektedir. Uçuş öncesi performans ve görev sırasında mürettebat üyelerinden gelen kişisel geri bildirimler, egzersiz reçetelerinin güncellenmesi için kullanılır.
Uçuş Sırasında Egzersiz Kısıtlamaları
Egzersiz önlemini etkileyen birden fazla faktör vardır. Örneğin, araç dışı aktiviteler yapan astronotlar o gün egzersiz yapmazlar ve mürettebat üyelerinin katıldığı bazı insan fizyolojisi deneyleri, egzersizden etkilenen parametreler sebebiyle, egzersiz yoğunluğunda sınırlamalar dahil olmak üzere egzersiz programı kısıtlamalarına neden olur.
Yüksek atmosferik CO2 seviyeleri (>7 mmHg) artışları ve herhangi bir acil durumu (örn. yangın, kabin basınç düşüşünde azalma, potansiyel hava toksisitesi) önlemek için egzersiz kısıtlamalarına yol açabilir, mürettebatın uyku vardiyaları ve bireysel sağlık sorunlarının (yaralanma ve hastalık) tümü, alternatif egzersiz planları gerektiren operasyonel kısıtlamalara yol açabilir.
Uçuş Sırasında Egzersiz Monitorizasyonu
ISS’de egzersiz, Dünya’dakinden çok daha fazla zaman, çaba ve yakın sağlık denetimi gerektirir. Kardiyovasküler egzersiz seansları sırasında kalp atış hızı bir göğüs kemeri (Polar, Kempele markaları gibi) kullanılarak izlenir. Kalp atış hızı ve iş yükü veri dosyaları doğrudan ISS bilgisayarlarında saklanır. Donanım sahibi (NASA) ve ESA egzersiz uzmanı tarafından haftada bir gözden geçirilir. Kalp atış hızı verilerinin saklanmasının başarısız olması durumunda, bileğe takılan alıcılar mevcuttur, ancak verilerin manuel olarak astronotlar tarafından indirilmesi gerekir.
Kardiyovasküler performans, 15. uçuş gününde başlayarak ve daha sonra görev boyunca aylık olarak, maksimum oksijen alımını (VO2maks — submaksimal [25-75 % VO2maks] standartlaştırılmış bir protokole dayalı olarak) tahmin etmek için periyodik uygunluk değerlendirmeleri sırasında izlenir. Direnç egzersizi için toplam tekrar, set sayısı ve kullanılan yük mürettebat tarafından ISS bilgisayarlarına kaydedilir.
Astronotlar için Fitness Değerlendirme ve Monitorizasyon
Avrupa astronot uygunluk değerlendirmesi dahil olmak üzere fiziksel değerlendirmeler, fırlatmadan yaklaşık 90-60 gün önce ve inişten 4-6 ve 21 gün sonra, ISS ekibine özel tıbbi değerlendirmeler içinde gerçekleştirilir. Uçuş öncesi ve ilk uçuş sonrası testlerin sonuçları, uzay uçuşunun neden olduğu değişiklikleri tespit etmek için kullanılır ve uçuş sonrası verimliliği doğrulamak için iki uçuş sonrası testin sonuçları kullanılır.
Uçuş Sonrası Egzersiz
İnişten sonraki 1 gün içinde, uçuş sonrası 21 günlük yenileme programı, μG adaptasyonu nedeniyle oluşan değişikliklerini düzeltmek ve Dünya’nın yerçekimine yeniden uyum sağlamak amacıyla uygulanmaktadır. Kısaca program: ESA’nın fizyoterapisti tarafından motor kontrol egzersizleri yoluyla hareket kalitesine ile çeşitli egzersizler kullanarak stabilizasyon ve güçlendirmeye odaklanır. Bu aşama, sorunsuz bir şekilde fiziksel egzersiz fazına geçiş sağlar. ESA egzersiz uzmanları tarafından diğer aşamalarda fizyoterapist ile ortaklaşa sağlanan; kardiyovasküler, kas-iskelet sistemi ve nöromüsküler işlevi en azından ön kontrole tam olarak geri döndürmek amacıyla uygulanır.
SONUÇ
Tüm görevler için cihaz başına ortalama (±SD) seans sayısı direnç egzersizi için 98±45, koşu bandı için 79±41 ve bisiklet ergometresi için 48±23’tür. Sekiz görevin tamamında, egzersiz seanslarının %44’ü dirençli egzersiz, %35 koşu bandı ve %21 bisiklet ergometresi seanslarından oluşuyordu.
Gelişmiş Dirençli Egzersiz Cihazı (ARED) Dönemi Öncesi ve Sonrası Egzersiz Seansları
ARED kurulumundan önceki ve sonraki direnç ve kardiyovasküler egzersiz seansları karşılaştırıldığında, direnç egzersiz seanslarının katkısı %33’ten 46’ya yükselirken kardiyovasküler seansların katkısı %67’den %54’e geriledi. Koşu bantlarının değişimiyle ilişkili artış veya azalma olduğuna dair hiçbir kanıt yoktu.
İş yükü (Egzersiz Şiddet) Gelişimi
Aşama 2’nin ilk egzersiz seansında kullanılan yüklerin, görevin bitiminden önceki son seanslarda (Aşama 3) kullanılanlarla karşılaştırılması, ölçülen parametrelerin çoğu için önemli artışlar gösterdi. Squat (P<0,05), topuk kaldırma (heel raises, P<0,05), deadlift (P<0,05) ve bench press (P<0,05) için önemli artışlar bulundu.
Kardiyovasküler Egzersiz
Aşama 2’nin ilk egzersiz seansından ve Aşama 3’ün son seanslarından itibaren kardiyovasküler egzersiz iş yükündeki ilerleme için, koşu bandı dikey yüklemesinde (P<0,05) ve maksimum koşu hızında (P<0,05) önemli artışlar vardı, ancak bisiklet ergometresi güç çıkışında değişiklik olmadı.
ÇALIŞMAYA YÖNELİK YORUMLAR
Bu makale, uzay yaşam bilimleri ve egzersiz topluluğuna, ESA’nın ISS’ye uzun süreli görevlerden önce, sırasında ve sonrasında mürettebat üyeleri için egzersizi nasıl öngördüğü konusunda bir güncelleme sağlamak için yazılmıştır. Sunulan bilgilerin çoğu, astronotların kas ve kemik gücü, kardiyovasküler fitness ve genel sağlıkta μG’nin neden olduğu değişiklikleri en aza indirmek için egzersiz yapılan gerçek uçuş aşamasına atıfta bulunur.
Bu çalışmadan elde edilen ana bulgu, uzun süreli görevler sırasında; mürettebat mutlak egzersiz yüklerini azaltmak yerine artmalı ve uzun süreli μG’ye maruz kalma sırasında göreceli olarak yüksek egzersiz yüklerini koruyabilmeleridir.
Görev sırasında iş yükünde önemli artışlar göstermeyen egzersizler (bisiklet ergometresi) vardır. Bu, hem teknik hem de biyomekanik faktörlerle ilgili olabilir. μG’de egzersiz, farklı teknik ve fizyolojik kısıtlamalarla Dünya’dakinden farklıdır.
