La Station spatiale internationale est l’abonnement au gymnase le plus cher de l’humanité.

Depuis les premiers jours des vols spatiaux habités, il est entendu que des voyages plus longs loin de la gravité terrestre peuvent avoir un effet néfaste sur le corps d’un astronaute. Flotter en apesanteur entraîne invariablement une réduction significative de la masse musculaire de la même manière que les muscles d’un patient peuvent s’atrophier s’il passe trop de temps au lit. En l’absence de gravité contre laquelle lutter constamment, les muscles des jambes, du dos et du cou d’un astronaute s’affaibliront en raison d’une inutilisation en moins d’une semaine. Bien que cela ne pose pas de problème immédiat pendant les vols spatiaux, les astronautes qui atterrissent sur Terre dans cet état physiquement diminué courent un risque plus élevé de blessure.

Heureusement, ce problème peut être largement atténué par un exercice rigoureux, et tout vaisseau en orbite suffisamment spacieux pour contenir des occupants humains pendant des semaines ou des mois aura nécessairement suffisamment de volume interne pour l’équiper d’un équipement d’exercice de base tel qu’un tapis roulant ou une machine de résistance. En pratique, chaque station spatiale depuis le Saliout 1 de l’Union soviétique en 1971 a offert à ses occupants un moyen de s’entraîner en orbite. Cela ne remplace pas le fait d’être sur Terre, car les astronautes rentrent toujours chez eux plus faibles qu’à leur départ, mais cela s’est avéré être l’approche la plus pratique pour lutter contre les aspects débilitants des vols spatiaux de longue durée.

Premier concept de la NASA pour créer une gravité artificielle.

Bien sûr, il y a un problème évident avec cela : chaque heure passée à faire de l’exercice dans l’espace est une heure qui pourrait être mieux consacrée à la recherche ou à la maintenance du vaisseau spatial. Compte tenu du coût incroyable non seulement de la mise en orbite d’un humain, mais de son maintien à long terme, le temps est littéralement de l’argent. Ce qui nous ramène à mon point initial : les astronautes qui passent deux heures ou plus chaque jour sur les divers équipements d’exercice de la Station spatiale internationale juste pour éviter la perte musculaire en font l’abonnement au gymnase le plus cher au monde.

La solution idéale, a-t-on soutenu, consiste à concevoir un futur vaisseau spatial capable de conférer un certain degré de gravité artificielle à ses passagers par le biais de la force centripète. La technique est assez simple : il suffit de faire pivoter l’engin le long de son axe et l’équipage va « coller » à l’intérieur de la coque. Malheureusement, simuler la gravité terrestre de cette manière exigerait que le vaisseau soit bien plus grand que tout ce que l’humanité a jamais lancé dans l’espace, ou qu’il tourne à une vitesse dangereusement élevée. C’est beaucoup de risques à prendre pour ce qui n’est finalement qu’une théorie.

Mais un article récent de l’Université de Tsukuba au Japon peut représenter les premières étapes réelles vers le développement de systèmes de gravité artificielle pratiques à bord d’engins spatiaux avec équipage. Alors que leur étude se concentrait sur les souris plutôt que sur les humains, les résultats devraient permettre de codifier ce qui jusqu’à présent était en grande partie de la science-fiction.

Une comparaison imparfaite

Peut-être l’élément le plus intéressant de « Analyse du transcriptome des effets gravitationnels sur les muscles squelettiques de souris sous microgravité et environnement artificiel à bord de 1 g » est que les chercheurs n’avaient pas initialement prévu d’étudier la gravité artificielle en soi. L’objectif était simplement d’en savoir plus sur l’atrophie musculaire chez les mammifères au niveau moléculaire en ce qui concerne les vols spatiaux de longue durée. Traditionnellement, ce type de recherche a été effectué en envoyant un groupe de souris dans l’espace pendant une semaine ou deux, puis en comparant leur tissu musculaire à un groupe de souris témoins restées sur Terre. Mais l’équipe a réalisé très tôt qu’une telle expérience était fondamentalement imparfaite.

L’AEM de la navette a donné aux souris un endroit où rester, mais pas de gravité.

Lorsqu’il y a un groupe témoin et un groupe expérimental, l’idée est d’exposer les deux groupes exactement aux mêmes conditions sauf pour celui que vous souhaitez étudier. De cette façon, vous pouvez être raisonnablement sûr que tous les changements que vous observez ont été causés par cet élément manquant. Mais avec l’approche classique de l’étude des rongeurs dans l’espace, ce n’est tout simplement pas possible.

Considérez un instant le chemin parcouru par nos souris expérimentales. Pour commencer, ils seront mis en orbite par une fusée. Pas exactement un événement quotidien pour une souris. Pendant leur séjour dans l’espace, ils vivront dans un microcosme environnemental maintenu artificiellement par les systèmes de survie du vaisseau spatial, et même avec un blindage, ils seront exposés à un certain degré de rayonnement cosmique. À la fin de leur séjour, ils sont remballés dans un vaisseau spatial de retour et envoyés à toute vitesse dans l’atmosphère, pour mettre fin à leur épreuve en étant plongés dans l’océan. Pendant ce temps, le groupe témoin est resté assis tout le temps dans une cage dans un laboratoire.

Ce sont des expériences difficilement comparables. Certains de ces éléments pourraient certainement être simulés sur Terre pour le groupe témoin, mais pas avec le degré de précision qui serait nécessaire pour les annuler complètement. Il y a tout simplement trop de variables en jeu pour exclure la possibilité qu’elles aient eu un impact sur les résultats de l’expérience. Les chercheurs ont réalisé qu’ils avaient besoin d’un moyen pour que le groupe de contrôle expérimente les mêmes aspects du vol spatial que le groupe expérimental, à l’exception du temps passé en microgravité.

Niveler le terrain

Leur réponse a été le système de recherche en gravité artificielle multiple (MARS). En utilisant une petite centrifugeuse, la Mouse Habitat Unit (MHU) à bord de la Station spatiale internationale est capable de faire tourner la moitié des souris à une vitesse suffisamment rapide pour se rapprocher de la gravité terrestre. Le reste des souris vit dans le bas de l’unité, qui est par ailleurs identique à l’exception du fait qu’elle ne tourne pas. De cette façon, les chercheurs pouvaient être sûrs que toutes les souris de l’unité étaient exposées aux mêmes conditions environnementales, moins la présence de la gravité.

Même encore, le papier explique que la comparaison n’est pas parfaite. Le groupe de contrôle passe encore du temps en microgravité, car il n’y a aucune disposition pour fournir une gravité artificielle pendant qu’ils voyagent vers et depuis l’ISS sur le SpaceX Dragon. Il y a également un certain temps de traitement avant que les souris puissent être retirées du Dragon et déplacées vers le MHU lorsqu’elles arrivent pour la première fois.

Cela dit, le groupe témoin et le groupe expérimental passent par le même processus. Ainsi, alors que le groupe témoin est exposé à quelques périodes de microgravité relativement brèves qu’il n’aurait pas traversées sur Terre, il s’agit toujours d’une condition environnementale partagée avec le groupe expérimental.

Les résultats de l’expérience, qui a en fait été menée en 2016, correspondent exactement à ce que les scientifiques croient depuis des décennies : les souris maintenues sous gravité artificielle pendant leur séjour à bord de l’ISS n’ont pas subi la même perte musculaire que celles en microgravité. De plus, l’expression génique du muscle s’est avérée différente entre les souris des groupes témoins et expérimentaux. Cela suggère fortement que c’est l’absence de gravité qui a causé le changement, et non le rayonnement spatial comme cela était théorisé auparavant.

Il n’y avait aucun doute sur le fait qu’il était possible de générer une gravité artificielle à bord de l’ISS, et le fait qu’il empêchait la perte musculaire dégénérative ressentie en apesanteur était tout aussi prévisible. Cependant, cette expérience a fourni les preuves concrètes exigées par la méthode scientifique. D’autres expériences seront bien sûr nécessaires pour approfondir nos connaissances dans ce domaine, mais pour le moment, on peut dire sans risque de se tromper que faire tourner un vaisseau spatial empêchera en effet la perte musculaire des mammifères lors de longs voyages dans l’espace.

Explorer de nouvelles frontières

Alors que les scientifiques peuvent utiliser une centrifugeuse pour étudier les effets de la gravité au-delà de 1 g ici sur Terre, il n’y a aucun moyen de réduire l’influence de la gravité en laboratoire. Mais comme l’ISS connaît déjà l’apesanteur du fait de sa localisation en orbite, une centrifugeuse peut être utilisée pour produire une gravité artificielle comprise entre 0 et 1 g. Cela place MARS dans une position tout à fait unique car il pourrait permettre aux chercheurs de simuler la gravité sur la Lune ou sur Mars, nous donnant un aperçu de l’impact de longs séjours sur ces corps sur la physiologie humaine.

Ce sont des informations essentielles à avoir si l’humanité veut un jour établir un avant-poste permanent sur la Lune ou mener des missions en équipage vers Mars. La seule connaissance que nous ayons sur l’adaptabilité humaine à la gravité lunaire provient des séjours relativement brefs en surface pendant le programme Apollo, et nous n’avons presque aucune idée de la façon dont le corps humain réagirait à des mois ou peut-être même des années sur la surface martienne.

La recherche pourrait également avoir un impact sur les futures stations spatiales. Et si vous n’aviez besoin que de simuler une fraction de la gravité terrestre pour éviter l’atrophie musculaire ? Déterminer la quantité minimale de force gravitationnelle nécessaire pour ralentir ou même arrêter les effets dommageables des vols spatiaux de longue durée pourrait rendre la production de gravité artificielle beaucoup plus facile qu’on ne le pense actuellement.

À la fin de l’article, les chercheurs suggèrent que c’est précisément le genre d’expérimentation qu’ils espèrent mener à l’avenir :

Bien que l’étude actuelle ait été rendue possible par des dispositifs de pointe qui mettent en œuvre un environnement artificiel à bord de 1 g dans l’ISS, les futures études sur les mammifères valideront l’effet d’une habitation à long terme sous des forces gravitationnelles inférieures à 1 g, ce qui est destiné à simuler la gravité de la Lune et de Mars, connue sous le nom de gravité partielle. Alors que les méthodes expérimentales de biologie spatiale continuent de se développer, de futures études pourraient identifier de manière plus concluante les causes sous-jacentes et proposer des stratégies pour prévenir l’atrophie musculaire.