The accumulated experiences of staying in space for several months and the future possible interplanetary flights of the duration of a few years have made rise to important and hard questions regarding the human physiology and the study of zero-gravity body workouts. It is the Physiologist and the Sport Doctor’s ability to respond adequately to the astronauts needs. From the management of physical conditions in the spaceship, even after years in the space, to a prompt readjustment of the Earth conditions. During the time in space the body goes through many different alterations – which are similar to those that an elderly or disabled person experiences. Thus, the body needs the ability to readjust to the gravity force on earth.

 

Effects of zero gravity

Gravitational force on Earth, of which living beings are subject to, regulates in a significant way the functionality of all our body’s systems. The functioning of the cardiovascular and respiratory system, the distribution of body fluids in the various tissues and in the blood vessels, the bone structure and its ability to maintain the high mineral content, the muscle composition, the complex control of body movements, all of these have been for millennia influenced by gravitational force. Therefore, staying for long periods of time in space, in conditions of zero-gravity, causes a series of imbalances within the body.

 

Bones and the mineral metabolism

On land, the bones are constantly subject to the descaling and calcification processes. These are regulated by numerous factors, such as: muscle contraction and exercising. The maintenance of the upright position on earth is the result of continuous contractions of muscles, which prevent the body from falling forward. The muscles used for this are called spinal erectors (spinal muscles, the front of the thigh and the back of the leg.). Continuous muscle contractions, which are completely unnoticed, are necessary to hold the upright position. By causing continuous bone stress, the stress represents the stimulus for deposition of calcium. Physical activity more or less intense and the interaction of the daily life are a second vital stimulus. In space the upright position does not exist, same as long periods in bed or due to lack of physical movement (elderly, disabled, etc.) Bone loses its ability to regenerate, and the decalcification process (osteoporosis) prevails over the deposition of calcium minerals. After returning from space it can be months before the bone mineral content can recover fully, and this is not at all certain that it can happen after staying in space for long periods.

 

Muscle

Muscle contractions, physical exertion, exercise, the movement against resistance, the same continuous contractions to stand upright allow the muscle to remain efficient. An increase in physical activity, the normal load to which the muscle is subjected, represent the stimulus to increase the muscle volume (muscle hypertrophy). In space, the absence of gravity does not require the maintenance of an upright position and muscle contraction takes place with minimal effort, unless in particular and rare situations. This entails a reduction in muscle mass of 20-30% already after a few weeks of permanence at a greater altitude, as well as the muscle mass tends to shrink on earth with advancing age, with a sedentary lifestyle and with disability conditions of any type. A loss of strength and more specifically of explosive strength (maximum strength), which requires a fine coordination of activation of more muscles, is associated to the reduction of muscle mass. After a year in space the reduction of strength and muscle power reaches 40-60% of pre-flight value. The recovery time, to return to normal state, seems to be longer if the duration of the flight is longer. Recent studies indicate that after 450 days of a flying in space, you need a period of one year for complete recovery even though the astronauts are perfectly fit and healthy. It is still uncertain what could happen in multiannual flights.

 

Heart and circulation

When standing on the ground, the force of gravity moves a considerable mass of blood in the lower limbs. In space there is a tendency for blood mass to accumulate in the large thoracic vessels. This situation, due to an innate reflex mechanism, causes an increase in diuresis. This is abundant for a few days, and consequently results in a decrease of blood mass, which subsequently settles at lower values ​​of 10-20% with respect to what is found on earth. However, this does not cause any damage to the body. Heart and circulation appear to quickly adapt to the new condition of increase in gravity in around ten days. In fact, the pressures in the circulatory system are the same as that on earth, the heart rate remains substantially equal, and the work of the heart muscle, contrary to other muscles, is unchanged. The problem arises upon return to earth. In the first few days, upright posture is hampered by the phenomenon called “orthostatic hypotension”. The rise from suddenly standing on the earth, causes the blood to move in significant amounts in the lower limbs. This then lowers the amount of blood thrust towards the brain, this then leads to a sense of fainting that forces the person to again assume the horizontal position. This phenomenon is gradually reduced and disappears in the astronaut after about ten days.

 

Conclusion

Through pioneering research of YoYo ™, inventors Dr Hans Berg and Dr Per Tesch of the Karolinska Institute of Stockholm describe the effectiveness of the inertial flywheel technology.  They found that fly-wheel technology provides a valuable tool for astronauts to maintain their physical and athletic condition. Because this technology does not rely on gravity, on hydraulics, or an external power source, technically it is the perfect equipment for exercising in space.

Effetti della mancanza della forza di gravità
La forza di gravità alla quale sono sottoposti sulla terra gli esseri viventi e non, regola in modo determinante la funzionalità di tutti gli apparati del nostro organismo. Il funzionamento del sistema cardiocircolatorio e respiratorio, la distribuzione dei liquidi corporei nei vari tessuti e nei vasi sanguigni, la struttura dell’osso e la sua possibilità di mantenerne elevato il contenuto minerale, la composizione del muscolo, il complesso controllo dei movimenti corporei, risultato dell’integrazione di stimoli provenienti da recettori situati alla periferia e nel vestibolo, tutto ciò è stato per millenni condizionato dalla forza di gravità. Pertanto, la permanenza per periodi più o meno lunghi nello spazio, in condizioni di assenza di gravità, provoca una serie di squilibri, ad un organismo perfettamente adattato alla gravità terrestre.

Osso e metabolismo minerale. Sulla terra l’osso è costantemente sottoposto a processi di decalcificazione e ricalcificazione, regolati da numerosi fattori, tra cui, essenziale la contrazione muscolare, l’esercizio fisico. Il mantenimento della stazione eretta sulla terra dipende da continue contrazioni dei muscoli che impediscono al corpo di cadere in avanti. Tali muscoli sono per questo chiamati anti-gravitari (muscoli della colonna vertebrale, della parte anteriore della coscia e posteriore della gamba.). Le continue contrazioni muscolari, del tutto inavvertite, necessarie alla stazione eretta, provocano continue sollecitazioni sull’osso, sollecitazioni che rappresentano lo stimolo alla deposizione di calcio. L’attività fisica, poi, più o meno accentuata e intensa, della quotidiana vita di relazione, rappresentano un secondo stimolo fondamentale. Nello spazio, non esistendo la stazione eretta, così come nella lunga permanenza a letto, o in condizioni di scarso movimento fisico, (anziani, disabili, ecc.), l’osso perde la sua capacità di rigenerarsi, e la decalcificazione (osteoporosi) prevale sulla deposizione di minerali di calcio. Al rientro dallo spazio sono necessari mesi perché il contenuto minerale osseo possa recuperare appieno, e non è affatto certo che ciò possa avvenire dopo una permanenza di qualche anno nello spazio.

Muscolo. La contrazione muscolare, lo sforzo fisico, l’esercizio, il movimento contro resistenza, le stesse continue contrazioni per mantenere la stazione eretta sono i mezzi che permettono al muscolo di mantenersi efficiente. Un aumento dell’attività fisica, del carico abituale cui il muscolo è sottoposto, rappresenta lo stimolo ad aumentarne il volume (ipertrofia muscolare). Nello spazio, l’assenza di gravità non richiede il mantenimento della posizione eretta e la contrazione muscolare avviene, se non in condizioni particolari e in rari momenti, con uno sforzo minimo. Ciò comporta una riduzione della massa muscolare del 20-30% già dopo poche settimane di permanenza in quota, così come la massa muscolare tende a ridursi sulla terra con l’avanzare dell’età, con la sedentarietà e con la disabilità di qualunque tipo. Alla riduzione della massa muscolare si associa una perdita di forza e soprattutto di forza esplosiva (massima potenza muscolare), che richiede una fine coordinazione dell’attivazione di più muscoli. Dopo un anno di permanenza nello spazio la riduzione della forza e della potenza muscolare arriva fino al 40-60% del valore prevolo. Il tempo di recupero, al ritorno sulla terra, pare sia tanto più lungo quanto maggiore è stata la durata del volo. Recenti studi indicano che dopo 450 giorni di volo spaziale, pur essendo gli astronauti perfettamente sani e in piena forma fisica, è necessario un periodo anche di un anno per il completo recupero. Ed è ancora incerto cosa succederà nei voli pluriennali.

Cuore e circolazione. Nell’uomo in piedi sulla terra, la forza di gravità sposta una considerevole massa di sangue negli arti inferiori. Nello spazio vi è tendenza ad accumulare massa sanguigna nei grossi vasi del torace. Tale situazione, a causa di un meccanismo riflesso innato, provoca un abbondante aumento della diuresi per alcuni giorni, e di conseguenza una diminuzione di massa sanguigna, che si assesta successivamente su valori inferiore del 10-20% rispetto a quanto si riscontra sulla terra. Ciò tuttavia non causa alcun danno all’organismo. E per quanto si conosce su un argomento piuttosto complesso e di difficile valutazione in volo, cuore e circolo paiono adattarsi rapidamente alla nuova condizione di agravità, solo una decina di giorni. In effetti, nel sistema circolatorio le pressioni sono le stesse che sulla terra, la frequenza cardiaca rimane sostanzialmente eguale, e il lavoro del muscolo cardiaco, contrariamente ad altri muscoli, è invariato. Il problema insorge al rientro sulla terra. Nei primissimi giorni il mantenimento della stazione eretta è ostacolato da quel fenomeno  chiamato “ipotensione ortostatica”. L’alzarsi di colpo in piedi, sulla terra, fa sì che il sangue si sposti in quantità significativa negli arti inferiori. Viene improvvisamente ridotta, di conseguenza, la quantità di sangue spinta verso il cervello, cui segue, dopo pochi minuti sempre di stazione eretta, un senso di svenimento che costringe ad assumere nuovamente la posizione orizzontale. Tale fenomeno si riduce gradualmente e sparisce nell’astronauta dopo una decina di giorni.

Conclusione
Attraverso la ricerca pionieristica di YoYo ™ gli inventori Svedesi Drs. Hans Berg e Per Tesch del Karolinska Institute di Stoccolma descrivendo l’efficacia della tecnologia inerziale del volano,  hanno sperimentato pratiche allenanti all’interno delle stazioni orbitanti ed hanno fornito un valido strumento agli astronauti per mantenere le loro condizioni fisico-atletiche a livelli più che soddisfacenti. Poiché questa tecnologia non si basa sulla forza di gravità, sull’idraulica, o si di una fonte di alimentazione esterna, tecnicamente essa costituisce la scelta perfetta per l’esercizio di resistenza nello spazio.