Human PhysiologyHuman PhysiologyФизиология человека0131-16463034-6150The Russian Academy of Sciences68403410.31857/S0131164625030124THDLGEОБЗОРЫResearch ArticleModulation of human adaptation processes to weightlessness conditions by artificial reproduction of weight load effects in space flightМодуляция процессов адаптации человека к условиям невесомости искусственным воспроизведением эффектов действия весовой нагрузки в космическом полетеFominaE. V.ФоминаЕ. В.
Russian Federation
fomin-fomin@yandex.ruSenatorovaN. A.СенатороваН. А.
Russian Federation
fomin-fomin@yandex.ruRomanovP. V.РомановП. В.
Russian Federation
fomin-fomin@yandex.ruBabichD. R.БабичД. Р.
Russian Federation
fomin-fomin@yandex.ruInstitute of Biomedical Problems, RASФГБУН ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАН0407202551312513612062025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0131-1646/article/view/684034

At present, the mechanisms of human adaptation to the action of weightlessness, which humans, as a biological species, have encountered only recently, continue to be intensively studied. Understanding the mechanisms of human adaptation to weightlessness allows us to propose ways of modulating this process with preservation of useful adaptive reactions against the background of suppression of negative syndromes characteristic of space flight and inhibition of mechanisms preventing favorable functioning of physiological systems after returning to the conditions of gravity. One of the integral components of the system of countermeasure of the negative influence of weightlessness is artificial reproduction of the effects of gravity, i.e. imitation of the impact on the human body of the weight load characteristic of the Earth conditions. The article considers the role of artificial reproduction of the effects of the weight load corresponding in value to the weight of the human body before the space flight. The article tests the hypothesis about the possibility of modulation of adaptation processes to weightlessness conditions by providing the necessary sensory inflow to the receptors of gravity-dependent physiological systems and its influence on the processes of re-adaptation to Earth conditions. The “weight” loading used during the flight was analyzed, as well as the data of pre-flight, flight and post-flight tests on the performance of 10 cosmonauts who performed long space flights with an average duration of 173 ± 33 days. It is shown that regular reproduction of the effects of weight load corresponding to the human body mass on Earth allows to modulate the process of human adaptation to weightlessness.

В настоящее время продолжают интенсивно изучаться механизмы адаптации человека к действию фактора невесомости, с которым человек как биологический вид встретился совсем недавно. Понимание механизмов адаптации человека к условиям невесомости позволяет предложить способы модуляции этого процесса с сохранением полезных приспособительных реакций на фоне приглушения негативных синдромов, характерных для космического полета (КП) и торможения механизмов, препятствующих благоприятному функционированию физиологических систем после возвращения в условия действия силы тяжести. Одним из неотъемлемых составляющих системы профилактики негативного влияния невесомости является искусственное воспроизведение эффектов действия силы тяжести, т.е. имитация воздействия на организм человека характерной для условий Земли весовой нагрузки. В статье рассматривается роль искусственного воспроизведения эффектов действия весовой нагрузки, соответствующей по величине массе тела человека до КП. В статье проверяется гипотеза о возможности модуляции процессов адаптации к условиям невесомости с помощью обеспечения необходимого сенсорного притока к рецепторам гравизависимых физиологических систем и ее влияние на протекание процессов реадаптации к условиям Земли. Проведен анализ используемого в ходе полета «весового» нагружения, а также анализ данных дополетных, полетных и послеполетных тестов на работоспособность 10 космонавтов, выполнивших полугодовые КП со средней продолжительностью 173 ± 33 суток. Показано, что регулярное воспроизведение эффектов весовой нагрузки, соответствующей массе тела человека на Земле, позволяет модулировать процесс адаптации человека к невесомости.

long space flightcountermeasure systemcardiopulmonary exercise testingstep-increasing loadisokinetic testingweight load imitation.длительный космический полетсистема профилактикикардиореспираторное нагрузочное тестированиеступенчато-возрастающая нагрузкаизокинетическое тестированиеимитация весовой нагрузкиГоскорпорация «Роскосмос» (Москва)State Corporation Roscosmos (Moscow)Правительство Российской ФедерацииGovernment of the Russian FederationGunga H.C. Human physiology in extreme environments. Academic Press. London, 2020. 349 p.Ajdaraliev A.A., Maksimov A.L. [Human adaptation to extreme conditions: Forecasting experience]. Sankt-Peterburg: «Nauka», 1988. 126 p.Айдаралиев А.А., Максимов А.Л. Адаптация человека к экстремальным условиям: Опыт прогнозирования. Санкт-Петербург: «Наука», 1988. 126 c.Oppedizano M., Luidzhievich D., Artyuh L.Yu. [Human adaptation to extreme conditions of activity. Physiological mechanisms (structural trace of adaptation)] // Forcipe. 2021. V. 4. № 4. P. 18.Оппедизано М., Луиджиевич Д., Артюх Л.Ю. Адаптация человека к экстремальным условиям деятельности. Физиологические механизмы (структурный след адаптации) // Forcipe. 2021. T. 4. № 4. C. 18.Medvedev D.V., Suslina I. [Physiological factors conditioning human physical efficiency at different stages of adaptation for the muscle activity] // Fundament. Res. 2012. № 9–4. P. 820.Медведев Д.В., Суслина И. Физиологические факторы, обусловливающие физическую работоспособность человека на разных этапах адаптации к мышечной деятельности // Фундаментальные исследования. 2012. № 9–4. C. 820.Norsk P. Adaptation of the cardiovascular system to weightlessness: Surprises, paradoxes and implications for deep space missions // Acta Physiol. 2020. V. 228. № 3. P. e13434.Norsk P. Adaptation of the cardiovascular system to weightlessness: surprises, paradoxes and implications for deep space missions // Acta Physiol. 2020. V. 228. № 3. P. e13434.Trudel G., Shahin N., Ramsay T. et al. Hemolysis contributes to anemia during long-duration space flight // Nat. Med. 2022. V. 28. № 1. P. 59.Scott J.M., Stoudemire J., Dolan L., Downs M. Leveraging spaceflight to advance cardiovascular research on earth // Circulat. Res. 2022. V. 130. № 6. P. 942.Grigor’ev A., Orlov O., Baranov V. Space medicine: Scientific foundations, achievements, and challenges // Her. Russ. Acad. Sci. 2021. V. 91. № 6. P. 626.Stavnichuk M., Mikolajewicz N., Corlett T. et al. A systematic review and meta-analysis of bone loss in space travelers // NPJ Microgravity. 2020. V. 6. № 1. P. 13.Tverdokhlib V.P., Tverdokhlib D.V., Mitinsky G.M. et al. [General adaptation mechanisms and prevention determine the health of a healthy person] // Hum. Sport. Med. 2006. № 3–1. P. 99.Твердохлиб В.П., Твердохлиб Д.В., Митинский Г.М. и др. Общие механизмы адаптации и профилактика определяют здоровье здорового человека // Человек. Спорт. Медицина. 2006. № 3–1. С. 99.Naumov I.A., Kornilova L.N., Glukhikh D.O. et al. The effect of afferentation of various sensory systems on the otolith-ocular reflex in a real and simulated weightlessness // Human Physiology. 2021. V. 47. № 1. P. 70.Наумов И.А., Корнилова Л.Н., Глухих Д.О. и др. Влияние афферентации различных сенсорных входов на отолито-окулярный рефлекс в условиях реальной и моделируемой невесомости // Физиология человека. 2021. T. 47. № 1. C. 84.Reschke M.F., Wood S.J., Clément G. Ocular counter rolling in astronauts after short-and long-duration spaceflight // Sci. Rep. 2018. V. 8. № 1. P. 7747.Glukhikh D.O., Naumov I.A., Schoenmaekers C. et al. The role of different afferent systems in the modulation of the otolith-ocular reflex after long-term space flights // Front. Physiol. 2022. V. 13. P. 743855.Noskov V.B. Adaptation of the water-electrolyte metabolism to space flight and at its imitation // Human Physiology. 2013. V. 39. P. 551.Носков В.Б. Адаптация водно-электролитного метаболизма к условиям космического полета и при его имитации // Физиология человека. 2013. Т. 9. № 5. C. 119.Olde Engberink R.H., van Oosten P.J., Weber T. et al. The kidney, volume homeostasis and osmoregulation in space: Current perspective and knowledge gaps // NPJ Microgravity. 2023. V. 9. № 1. P. 29.Fomina E.V., Senatorova N.A., Bakhtereva V.D. et al. The role of fast running in prevention of negative effects of prolonged exposure to weightlessness // Extreme Med. 2023. V. 25. № 4. P. 91.Фомина Е.В., Сенаторова Н.А., Бахтерева В.Д. и др. Роль быстрого бега в предотвращении негативных влияний пребывания человека в невесомости // Медицина экстремальных ситуаций. 2023. T. 25. № 4. C. 98.Fomina E.V., Lysova N.Yu., Rezvanova S.K. et al. [Predictors of cosmonaut's readiness to work on the martian surface on the evidence from orbital missions onboard the International space station] // Aviakosm. Ekol. Med. 2019. V. 53. № 7. P. 19.Фомина Е.В., Лысова Н.Ю., Резванова С.К. и др. Предикторы готовности космонавта к деятельности на поверхности Марса из опыта орбитальных полетов на МКС // Авиакосм. и экол. мед. 2019. T. 53. № 7. C. 19.Neves L.N.S., Gasparini V.H., Alves S.P. et al. Cardiorespiratory fitness level influences the ventilatory threshold identification // J. Phys. Educ. 2021. V. 32. P. e3279.Beaver W.L., Wasserman K., Whipp B.J. A new method for detecting anaerobic threshold by gas exchange // J. Appl. Physiol. 1986. V. 60. № 6. P. 2020.Summers R.L., Martin D.S., Meck J.V., Coleman T.G. Mechanism of spaceflight-induced changes in left ventricular mass // Am. J. Cardiol. 2005. V. 95. № 9. P. 1128.Hughson R.L., Robertson A.D., Arbeille P. et al. Increased postflight carotid artery stiffness and inflight insulin resistance resulting from six-months spaceflight in male and female astronauts // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2016. V. 310. № 5. P. H628.Ghani F., Cheung I., Phillips A. et al. Lung volume, capacity and shape in microgravity: A systematic review and meta-analysis // Acta Astronaut. 2023. V. 212. P. 424.Prisk G.K. Pulmonary challenges of prolonged journeys to space: Taking your lungs to the moon // Med. J. Aust. 2019. V. 211. № 6. P. 271.Baranov V.M., Katuntsev V.P., Tarasenkov G.G. et al. [Studies of the activity of the central respiratory mechanism in long-term space missions] // Aviakosm. Ekol. Med. 2022. V. 56. № 3. P. 5.Баранов В.М., Катунцев В.П., Тарасенков Г.Г. и др. Изучение активности центрального дыхательного механизма в условиях длительного космического полета // Авиакосм. и экол. мед. 2022. Т. 56. № 3. С. 5.Kunz H., Quiriarte H., Simpson R.J. et al. Alterations in hematologic indices during long-duration spaceflight // BMC Hematol. 2017. V. 17. P. 12.Serova A.V., Zhuravleva O.A., Rykova M.P. et al. [Morphofunctional status of cosmonauts' erythrocytes after missions to the International space station of varying duration] // Aviakosm. Ekol. Med. 2024. V. 58. № 4. P. 25.Серова А.В., Журавлева О.А., Рыкова М.П. и др. Морфофункциональное состояние эритроцитов у космонавтов после полетов различной продолжительности на Международной космической станции // Авиакосм. и экол. мед. 2024. T. 58. № 4. C. 25.Scott J.M., Feiveson A.H., English K.L. et al. Effects of exercise countermeasures on multisystem function in long duration spaceflight astronauts // NPJ Microgravity. 2023. V. 9. № 1. P. 11.Moore A.D., Lynn P.A., Feiveson A.H. The first 10 years of aerobic exercise responses to long-duration ISS flights // Aerosp. Med. Hum. Perform. 2015. V. 86. № 12. P. A78.Moore Jr. A.D., Downs M.E., Lee S.M. et al. Peak exercise oxygen uptake during and following long-duration spaceflight // J. Appl. Physiol. 2014. V. 117. № 3. P. 231.Hackney K.J., Scott J.M., Hanson A.M. et al. The astronaut-athlete: Optimizing human performance in space // J. Strength Cond. Res. 2015. V. 29. № 12. P. 3531.English K.L., Downs M., Goetchius E. et al. High intensity training during spaceflight: Results from the NASA Sprint Study // NPJ Microgravity. 2020. V. 6. № 1. P. 21.Greene K.A., Withers S.S., Lenchik L. et al. Trunk skeletal muscle changes on CT with long-duration spaceflight // Ann. Biomed. Eng. 2021. V. 49. P. 1257.Blottner D., Moriggi M., Trautmann G. et al. Space omics and tissue response in astronaut skeletal muscle after short and long duration missions // Int. J. Mol. Sci. 2023. V. 24. № 4. P. 4095.Burkhart K., Allaire B., Bouxsein M.L. Negative effects of long-duration spaceflight on paraspinal muscle morphology // Spine. 2019. V. 44. № 12. P. 879.McNamara K.P., Greene K.A., Moore A.M. et al. Lumbopelvic muscle changes following long-duration spaceflight // Front. Physiol. 2019. V. 10. P. 627.Islamov R., Mishagina E., Tyapkina O. et al. Mechanisms of spinal motoneurons survival in rats under simulated hypogravity on earth // Acta Astronaut. 2011. V. 68. № 9–10. P. 1469.Porseva V., Shilkin V., Strelkov A. et al. Changes in the neurochemical composition of motor neurons of the spinal cord in mice under conditions of space flight // Bull. Exp. Biol. Med. 2017. V. 162. P. 336.Chelyshev Y.A., Muhamedshina Y., Povysheva T. et al. Characterization of spinal cord glial cells in a model of hindlimb unloading in mice // Neuroscience. 2014. V. 280. P. 328.Tyapkina O., Volkov E., Nurullin L. et al. Resting membrane potential and Na+, K+-ATPase of rat fast and slow muscles during modeling of hypogravity // Physiol. Res. 2009. V. 58. № 4. P. 599.