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Sciences de la vie

Les expériences en sciences de la vie de la mission STS-78 portaient sur deux domaines distincts : la physiologie humaine et la biologie spatiale. Cinq aspects de la physiologie humaine ont été étudiés, soit les muscles squelettiques, le métabolisme, les fonctions pulmonaires, le comportement et la performance de l'être humain et les neurosciences. La biologie spatiale a fait l'objet de trois expériences, soit la croissance de gaulis, le développement d'embryons de poissons et les modifications osseuses observées sur des rats de laboratoire.

Physiologie humaine

Expériences musculosquelettiques - Les muscles squelettiques, qui sont attachés aux os et permettent d'effectuer des mouvements, étaient au coeur des expériences sur le système musculosquelettique réalisées durant la Mission Spacelab sur la vie et la microgravité ( LMS). Pendant un vol spatial, le corps humain n'est plus soumis aux forces de la gravité et le système musculosquelettique fonctionne différemment en réponse aux nouvelles conditions auxquelles il doit s'adapter. Comme les astronautes flottent à l'intérieur de l'engin spatial en orbite, les muscles de leurs jambes et de leur dos ne sont plus assujettis aux contraintes de poids existant sur Terre où ils doivent porter le corps entier. Bien que les muscles squelettiques continuent de commander la position et les mouvements du corps, les fibres des muscles rapetissent (s'atrophient) en l'absence de gravité.

Six expériences de la Mission Spacelab sur la vie et la microgravité ont permis de réaliser l'étude de caractérisation des effets de l'apesanteur sur le fonctionnement, l'efficacité et la biochimie des muscles squelettiques. Chaque expérience portait sur un aspect distinct de l'adaptation des muscles. Certaines étudiaient les membres droits, d'autres, les membres gauches. L'efficacité des bras, puis celle des jambes, ont ainsi été scrutées minutieusement. L'étude des caractéristiques fonctionnelles de l'ensemble des muscles a été étayée par un examen des différentes fibres constituant chacun de ces muscles. Les données recueillies ont expliqué de façon détaillée le comment et le pourquoi des effets immédiats ou à plus long terme d'un séjour en apesanteur sur les mouvements des membres du corps. En contribuant à l'amélioration des programmes de réadaptation fonctionnelle à la suite d'une blessure ou d'un alitement prolongé, les retombées de ces études portant sur l'affaiblissement des muscles sont d'une grande utilité sur Terre 

Expériences métaboliques - Les vols spatiaux et l'adaptation à la microgravité soumettent l'organisme humain à divers stress et provoquent des changements de nature biochimique. Des recherches antérieures ont montré que, dès l'entrée en orbite, une quantité supplémentaire de calcium passe du système osseux au circuit sanguin. Il ressort, en effet, de certaines études préliminaires que la microgravité altère l'équilibre calcique en augmentant le taux de résorption osseuse (déperdition osseuse de calcium au profit du système de circulation sanguine). Cette déperdition calcique pose un important problème aux planificateurs de mission qui se penchent sur les possibilités de séjours spatiaux de longue durée. Les chercheurs veulent savoir ce qui déclenche cette réaction, si le processus est cumulatif et s'il est réversible après un séjour prolongé dans l'espace. Bref, si les astronautes peuvent espérer un rétablissement complet de la situation à leur retour sur Terre. En outre, comme les symptômes sont semblables à ceux de l'ostéoporose, les physiologistes espèrent tirer des études menées en orbite des informations utiles sur la cause et le traitement de cette maladie débilitante. On pense que d'autres processus biochimiques peuvent être altérés par les effets de la microgravité, notamment ceux du métabolisme des protéines et du bilan énergétique. Afin de mieux quantifier et comprendre ces changements biochimiques, les chercheurs de la LMS ont entrepris deux expériences liées à l'équilibre physiologique de l'organisme humain et aux mécanismes qui le poussent à s'adapter à l'apesanteur.

Expérience pulmonaire - Les poumons de l'être humain sont largement influencés par les forces de la gravité. Par conséquent, on constate sur Terre des différences marquées dans les flux sanguins et gazeux ainsi que dans les échanges gazeux entre la partie supérieure et la partie inférieure du poumon. Les chercheurs ont longtemps cru que ces différences résultaient essentiellement de l'attraction terrestre. Cependant, on a remarqué, lors d'études exhaustives menées au cours de missions antérieures du Spacelab, que ce déséquilibre des flux sanguins et gazeux entre les deux portions du poumon demeurait pratiquement inchangé en microgravité. Ces résultats permettent de constater que, même si la pesanteur joue un rôle dominant dans ce manque d'uniformité dans les fonctions pulmonaires, d'importants effets autres que ceux liés aux forces de la gravité entrent également en ligne de compte. Dans le cadre de la mission STS-78, les chercheurs ont modifié les paramètres de tests réalisés lors de la deuxième mission du Spacelab afin de mieux cerner ce processus fondamental.

Expériences sur le comportement et la performance des humains - La capacité de l'être humain de réagir rapidement aux changements qui surviennent dans son environnement et de relever les défis physiologiques que cela suppose revêt une importance capitale pour la vie sur Terre et dans l'espace. Cette capacité repose en fait sur un système de communication hautement structuré qui, non seulement réagit à divers stimulus (lumière, son, substances chimiques, pression), mais qui fait également appel à des mécanismes efficaces de transmission de l'information à divers centres de reconnaissance. Sur Terre, cet état de vigilance mentale est influencé par un certain nombre de facteurs, comme la fatigue, la maladie, le sommeil et les changements dans les cycles de travail/repos et les conditions sociales. Dans l'espace, cependant, l'effet de ces facteurs catalyseurs peut être amplifié ou même inhibé et entraîner un bouleversement des processus physiologiques normaux ainsi qu'une diminution de la performance.

Les comportements physiologiques de la plupart des organismes vivants sont réglés sur des cycles de 24 heures qu'on appelle les rythmes circadiens. Ces rythmes sont générés par une horloge biologique interne qui réagit à des conditions externes comme les cycles diurne et nocturne, les changements de saison, la pesanteur et la rotation de la Terre. Les astronautes en orbite autour de la Terre vivent 16 levers et couchers de Soleil en une période de 24 heures. Ils ne subissent plus les effets de la rotation de la Terre, ni les effets saisonniers, et ils évoluent dans un environnement pratiquement dépourvu de pesanteur. Durant un vol spatial, les chercheurs peuvent étudier les rythmes circadiens sans intervention des facteurs externes habituels. Les expériences de la LMS sont conçues de manière à ce que l'on puisse déterminer si les comportements et la performance de l'être humain sont modifiés par le stress inhérent aux vols spatiaux et si les changements au niveau des conditions sociales et du travail nuisent aux cycles normaux du sommeil et à la performance de l'être humain en état de veille.

Expériences neuroscientifiques - L'un des troubles les plus fréquents de l'acclimatation aux conditions d'apesanteur de l'espace est le syndrome de l'adaptation spatiale dont souffrent environ les deux tiers des astronautes et qui se caractérise par des symptômes semblables à ceux du mal des transports que l'on connaît sur Terre. Le syndrome résulte du fait que le système vestibulaire, situé dans l'oreille interne et responsable du sens de l'équilibre et de la perception de l'orientation corporelle, est troublé par les signaux conflictuels que lui transmet un environnement où soudainement il n'y a plus de haut, ni de bas. Les capteurs de pression dont sont dotés les muscles et la peau ont un rôle à jouer, de même que les yeux qui perçoivent la position du corps par rapport à d'autres objets. En conditions d'apesanteur, l'information que le cerveau reçoit de l'oreille interne et d'autres organes de l'appareil sensoriel ne correspond plus aux signaux auxquels l'homme est habitué sur Terre.

Les recherches neuroscientifiques visent donc à expliciter les changements que subit le système neurovestibulaire, à étudier les mécanismes en cause et à cerner les mesures à prendre pour atténuer les effets du mal de l'espace. L'expérience de rotation du torse décrite précédemment est l'une des deux expériences neuroscientifiques effectuées dans le cadre de la mission.

Biologie spatiale

Les résultats des recherches spatiales en biologie peuvent mener à une meilleure compréhension des nombreux mécanismes fondamentaux liés à la physiologie animale et végétale. Les mécanismes qui régissent les divers processus de développement et de croissance de cellules aussi bien que d'organismes complets peuvent être identifiés, étudiés et éventuellement contrôlés. Par exemple, on a constaté dans les échantillons sanguins prélevés chez les astronautes en mission une augmentation des taux de corticostéroïdes (hormones normalement produites en réaction au stress). Cette surproduction hormonale empêche la croissance des os et entraîne une perte de masse osseuse. Au cours de la mission, on a étudié l'incidence de cette augmentation des corticostéroïdes sanguins chez 24 rats mâles. L'expérience a eu d'importantes retombées, notamment pour les personnes qui subissent des traitements prolongés aux corticostéroïdes et ressentent des effets secondaires, comme l'ostéoporose.

Les chercheurs de la LMS ont effectué trois expériences pour tenter de faire la lumière sur ce phénomène et d'autres semblables. L'enceinte de recherche animale (AEM) a transporté des rats de laboratoire pour l'étude sur la déperdition osseuse; le module spatial d'étude sur la perte tissulaire (STLM ) a permis d'observer le développement embryonnaire chez le poisson et l'installation de croissance végétale (PGF) a été utilisée dans le cadre d'une étude sur les effets de la microgravité sur les parois cellulaires des semis de conifère.