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Le mal de l'espace

EVA de Edward H.White durant la mission Gemini IV le 9 juin 1965. Doc NIX.

Un milieu hostile (I)

L'étude du mal de l'espace remonte avant la seconde guerre mondiale, en 1939, lorsqu'un groupe de chercheurs de la British Interplanetary Society se mirent à inventer les scénarios les plus horribles et les effets les plus inattendus qu'était supposé provoquer l'état d'apesanteur sur les astronautes et les futurs pilotes au long cours galactique. A l'époque personne ne savait comment le corps réagirait en état d'apesanteur, si même il y survivrait.

Plus tard en 1957, en préparant la conquête de la Lune, les Soviétiques ont envoyé une chienne, Laika, dans une fusée pour étudier son comportement dans ce milieu hostile à l'homme. Elle y perdit malheureusement la vie.

Les Américains firent de même avec des singes et plus tard avec toute une série de vivarium portatifs contenant des batraciens mais également des araignées et des mouches. Les effets des radiations ionisantes furent également mesurés sur des matériaux inertes et des tissus organiques (bactéries, champignons, plantes, etc).

Plus récemment les effets de l'apesanteur ont été étudiés à loisir sur les êtres humains au cours de vols balistiques en avion-cargo (par exemple l'Airbus A300 Zero-G de l'ESA ou de société privée), durant des chutes libres dans des "tours du vide" et lors d'expériences d'impesanteur réalisées en ballon stratosphérique ou embarquées sur des satellites artificiels éloignés de tout influence terrestre. Plus récemment des civils volontaires ont participé à des programmes de recherche sur les effets liés à l'état d'apensateur en vivant la tête en bas durant plusieurs semaines sous contrôle médical.

Avec le recul d'un demi-siècle d'expériences en apesanteur et plusieurs années d'analyses médicales continues grâce au bon vouloir de civils et surtout des cosmonautes et autres astronautes embarqués pour des séjours prolongés dans les stations Skylab, Spacelab, Saliout, Mir et à présent ISS, on peut dire aujourd'hui que la majorité des organismes s'adaptent à l'état d'apesanteur mais au détriment de transformations sur les plans physiologique et biomécanique. Quant aux créatures les plus primitives (insectes, etc.) elles parviennent difficilement à coordonner leurs mouvements dans cet espace privé de gravité et parfois soumis à un intense bombardement corpusculaire du Soleil. En revanche, les bactéries s'adaptent très bien à l'apesanteur et ce n'est pas nécessairement une bonne chose quand elles parasitent les êtres humains ou dégradent leur matériel en l'enveloppant dans un biofilm !

Nous allons décrire les principaux effets auxquels notre organisme est sensible, les moyens mis en oeuvre pour les contrer ou les diminuer et les conséquences que provoque ce changement d'environnement après le retour sur Terre.

Les effets de l'apesanteur

En 1968, dans le célèbre film "2001: l'Odyssée de l'espace" (dont voici un résumé ASX de 499 KB, Ainsi parlait Zarathustra, Le Danube), Arthur C. Clarke et le réalisateur Stanley Kubrik mettaient en scène une prestigieuse station spatiale tout confort qui tournait lentement sur elle-même au rythme de la valse de Strauss afin que la force centrifuge procure à ses habitants une sensation de poids comparable à celle de la pesanteur terrestre, ce qui leur permettait de marcher au plafond ! Effet garanti ! En quelques instants on avait l'impression de vivre la tête à l'envers... L'effet de l'apesanteur nous faisait perdre le sens de l'orientation, il n'existait plus de "haut" ni de "bas". Mais comme nous allons le découvrir tout ceci n'est pas sans conséquence sur l'organisme et sa façon de s'adapter aux forces qui régissent le monde qui nous entoure.

La station SS5, vedette du célèbre film d'anticipation "2001: l'Odyssée de l'espace" d'Arthur C. Clarke et Stanley Kubrik. Une prestigieuse station spatiale comme on n'en verra sans doute jamais. Seule une entreprise privée pourrait un jour nous inviter dans une station de cette catégorie. Image restaurée par l'auteur en hommage à S.Kubrik et S.Kubrik/Warner Bros Entertainment.

En inventant cette roue, les chercheurs avaient trouvé une solution simple pour éviter que les astronautes ne soient pris du mal de l'espace et ne subissent une crise cardiaque suite à l'emballement du rythme du coeur en l'absence de gravité, comme le pensaient à l'époque certains spécialistes. Et de fait pourrions-nous dire, le seul être qui ait jamais subit les effets du mal de l'espace dans ce palace spatial fut HAL 9000, Carl, l'ordinateur de bord pris d'une folie meurtrière envers l'équipage en mission vers Jupiter... Allez, assez halluciné[1] !

Si les auteurs de science-fiction ont eu plus d'une fois des idées avant-guardistes, ou plutôt si certaines de leurs inventions ont été récupérées par les ingénieurs, aucun n'a vraiment déliré sur le mal de l'espace même si certains ont prétendu avoir inventé une pilule miracle pour éviter les effets sur l'organisme des vols dans l'hyperespace comme il en existe pour le mal de mer.

Car quoi qu'en disaient à l'époque Arthur C.Clarke et ses conseillers scientifiques de la NASA, si la station orbitale en forme de roue et tournant sur elle-même permet de simuler une force de gravité, de part sa conception elle est plus difficile à protéger des rayons nocifs et des impacts qu'une colonie cylindrique de O'Neill. Mais qu'elle soit en forme de roue ou de grappes cylindriques, ces merveilleux laboratoires ne peuvent éviter à leurs occupants de subir un mal bien inattendu.

Car il y a bel et bien un mal dont les deux tiers des astronautes sont victimes lorsqu'ils s'affranchissent de la gravité terrestre, c'est le mal de l'apesanteur dont certains effets sont vraiment surnois et n'apparaissent qu'après une analyse fine de tout l'organisme.

Ci-dessus, configurations de vol balistique de l'avion KC-135A de la NASA photographié le 4 mai 2001. Ci-dessous de gauche à droite, l'entraînement de David R.Scoot, du Dr Wernher von Braun en octobre 1968 et de Willam Anders. Documents NIX/John H.Glenn Research Center.

Parmi les malaises qui frappent les astronautes, le plus immédiat est la perte du sens de l'équilibre dès le passage en état d'apesanteur[2]. Il se manifeste par un effet similaire à celui du mal de mer, ce qui donna son surnom à l'avion-cargo Comet de la NASA transformé pour les vols balistiques, surnommé le "Vomit Comet"... A peine êtes-vous passé une ou deux fois en état d'apesanteur que ce désagréable effet se manifeste, forçant même les amateurs de sensations fortes les plus téméraires à user du petit sac adéquat et à abandonner la partie aux vieux baroudeurs.

La perte du sens de l'équilibre et de toute information relative à la gravité terrestre rend également l'esprit confus et les nouveaux arrivants à bord de la station spatiale ISS deviennent sensibles aux hallucinations. Forcés de se déplacer dans des coursives et des modules où il est presque impossible de se repérer, les "bleus" finissent par s'y perdre et sont pris de nausées.

Mais ces phénomènes sont passagés et les astronautes en mission de longues durées dans l'espace finissent par s'habituer à cette absence de gravité et s'adaptent très bien à ce nouvel environnement. Ils jouent de l'absence de pesanteur comme d'une aide précieuse pour se déplacer ou transporter les objets : à chaque action correspond une action de même intensité et de même direction mais de sens contraire. Aussi il suffit de donner une chiquenaude d'impulsion aux objets que l'on veut transmettre à un collègue pour qu'ils leur parvienne en ligne droite, sans même insister sur la force puisqu'il n'y a pas de frottement pour les ralentir, un peu comme le lancé tout en finesse d'une boule de bowling. Et hop une impulsion, et je traverse le module. Génial !

Les joies de l'apesanteur

Gymnastique à bord de Skylab (Mpeg de 2.4 et 2.8 MB).

Mais l'apesanteur à des revers et il serait trop long de citer toutes les situations critiques de la vie quotidienne, des toilettes au lavabo, en passant par les poussières en suspension ou la réaction qu'offre tout objet sur lequel on essaye de s'appuyer. Chaque jour les astronautes de la station ISS perdent en moyenne une dizaine d'objet dans leur cabine, interrompus dans une action par un message radio ou un collègue. Mais ce n'est pas tout.

Si le séjour en apesanteur se poursuit les astronautes subissent une extraordinaire adaptation sur les plans physique et physiologique. Homo sapiens sapiens devient Homo sapiens... cosmicus. Constatez par vous-même.

Redistribution des fluides corporels

Dès que l'astronaute ou le touriste spatial se trouve en état d'impesanteur, on constate une redistribution des fluides corporels qui, libérés de la force de pesanteur, "remontent" dans le corps et envahisssent la poitrine et la tête. Tous les astronautes se plaignent que pendant les premiers jours de leur mission ils éprouvent des migraines mais cela disparait ensuite. Certains se plaignent d'avoir chaud ou présentent une fièvre persistante. On constate physiquement que les veines de leur cou enflent et que leur visage gonfle. Tous les organes augmentent de volume. Le coeur grossit avant de rétrécir. Dans ces circonstances les astronautes ont latéralement du mal à se déplacer et éprouvent des difficultés pour exécuter le moindre exercice.

En réaction à cette redistribution des fluides, le corps rejette du calcium, des électrolytes et du plasma sanguin. Les médecins de bord constatent que les astronautes produisent moins de globules rouges et l'organisme commence à souffrir d'anémie. La tension artérielle se dérégularise. Si cela ne suffisait pas, n'étant plus soumis à la force de gravité, les disques intervertébraux se dilatent et provoquent des douleurs dorsales.

Fièvre persistante

Le cas de la fièvre est un autre problème qui est difficile à résoudre en état d'apesanteur. Selon les résultats d'une étude publiée en 2017 dans la revue "Nature", des mesures effectuées sur 11 astronautes ayant séjourné à bord de la station ISS montrent que leur température corporelle augmenta d'environ 1°C pour atteindre 38°C sur une période de deux mois et demi. Pire, pendant les exercices physiques quotidiens, leur température corporelle dépassait souvent les 40°C lors des efforts. Cela provient du fait qu'en état d'apesanteur la sueur s'évapore plus lentement que sur Terre. Or durant un exercice soutenu, le corps dépense de l'énergie qui est convertie en chaleur. La sueur permet justement d'évacuer l'excédant de chaleur mais les conditions d'apesanteur empêchent de l'éliminer, ce qui explique pourquoi les astronautes ont plus chauds quand ils font de l'exercice dans l'espace.

Pour assurer le bien-être des astronautes lors de séjours de longues durées (et notamment pour les futurs voyages vers Mars et la Lune), si les astronautes veulent éviter de connaître des problèmes d'hyperthermie et de "coups de chauds", il faut que les experts approfondissent ce sujet afin de comprendre comment ils pourraient y remédier.

Si le séjour en état d'apesanteur se prolonge plus de 2 mois, les problèmes biomédicaux s'aggravent sans qu'ils aient de lourdes conséquences immédiates, mais plutôt à long terme après le retour sur Terre ou dans un milieu à gravité contrôlée.

Tout commence au contact de la gravité. Aujourd'hui encore un astronaute sur trois perd connaissance lorsqu'il remet les pieds sur Terre. L'effet est le même que celui qui reste trop longtemps la tête en bas ou allongé sur son lit et se redresse rapidement. Les fluides dont le sang n'ont pas le temps de retraverser tout le corps, et la tension sanguine chute un court instant entraînant un voile noire. Mais cet effet est passagé contrairement aux suivants.

Atrophie musculaire et décalcification osseuse

Les cosmonautes qui ont séjourné à bord de la station orbitale Mir parfois plus d'une année comme Valery Polyakov - 437 jours - ont grandi en moyenne de 10 cm; la masse musculaire a diminué tandis que les muscles porteurs des jambes se sont atrophiés; ils ont subit une diminution de poids et de la densité osseuse et leurs jambes se sont raccourcies; le système immunitaire s'est affaiblit, la structure cellulaire a parfois variée et les cycles du sommeil ont été perturbés. La décalcification osseuse est la plus grave en soi car de la densité de l'os dépend sa résistance mécanique. Malgré des exercices physiques journaliers à raison de 3 heures par jour, les astronautes présentent au niveau des jambes et des os du pelvis qui supportent toute la partie haute du corps avec la colonne vertébrale, une régression qui peut atteindre 2% par mois. Après avoir séjourné de 6 mois à bord de la station ISS, les astronautes ont perdu 7% de densité osseuse alors qu'une femme ménopausée ne perd en moyenne que 2% de densité osseuse par an.

Par extrapolation, à 45 ans un astronaute revenant d'une mission martienne qui dura au total plus d'un an et demi, verra sa densité osseuse passer de 1.2 à moins de 0.8, l'équivalent de celle d'un homme de plus de 70 ans ! Après 5 ans d'étude on ne sait toujours pas si un os brisé pourra se ressouder dans l'espace et personne n'a envie de faire l'essai !

Il va sans dire que ce phénomène d'ostéoporose doit être endigué si nous voulons assurer des missions de longue durée et permettre à l'astronaute de revenir sur Terre en conservant toutes ses facultés et notamment se déplacer sans risquer de se briser les os au moindre geste.

A gauche, zone de minéralisation d'un os in vivo observé en lumière UV. Au centre, la structure trabéculaire osseuse d'aspect spongieux et dense d'un os normal (ni âgé ni d'un sportif). A droite, structure trabéculaire naturelle et de synthèse fabriquée dans le cadre d'applications cliniques. Documents MEDES/LBBTO, Patrick Siemer/Flickr et MEDES/Millenium Biologix.

Mais pourquoi observe-t-on ces bouleversements et un déficit si important de densité osseuse ? Les raisons de ces modifications physiologiques et biomécaniques restent en grande partie mystérieuses. Si on connaît l'origine du problème, son développement demeure obscur. En état d'apesanteur le corps n'a plus besoin de ses muscles pour se déplacer ou porter des objets. Seule la masse qui se manifeste par l'inertie des objets intervient quand il faut porter ou arrêter un objet en mouvement. Ce changement d'habitudes peut provoquer des accidents si les intervenants n'y ont pas été préparés, par exemple en exécutant des exercices en piscine où la force d'Archimède permet de simuler l'absence de gravité tout en conservant l'effet de l'inertie.

Sans muscles porteurs et sans forces à subir le squelette ne doit plus être aussi résistant. Les muscles exercent moins de torsions et de compression sur les os et sur les cuisses, ce qui provoque un mécanisme physiologique encore inconnu qui réduit le renouvellement de la matière osseuse et atrophie les muscles qui ne sont plus sollicités. Inversement, si l'os subit des contraintes comme des vibrations[3] de manière régulière sa structure osseuse se renforce.

A gauche, une colonne vertébrale saine (gauche) et des vertèbres souffrant d'ostéoporose (droite). A droite, un schéma explicatif. Documents U.Utah et Drugs.com

En attendant de pouvoir simuler dans l'espace une gravité artificielle, des exercices de vii-braa-tii-ons seront peut-être un jour intégré aux programmes des astronautes. Mais dans tous les cas le message que l'on leur transmet est clair : "entraînez-vous et tout ira bien. Ne faites aucun excercice et on devra vous porter pour sortir du vaisseau". Aussi, avec le temps, la station ISS comprend dorénavant des appareils d'entraînements et notamment des poulies que les astronautes doivent utiliser quotidiennement afin de simuler l'effet de la gravité. ISS dispose de la salle d'excercice la plus chère au monde !

A l'avenir, les vaisseaux spatiaux (et plus tard les futures bases lunaire et martienne) disposeront d'une salle équipée d'une petite centrifugeuse dans laquelle les astronautes pourront subir l'effet de la gravité (pour un bras mesurant 2 m, à peine 0.5 rpm permet d'atteindre 0.5 g). L'installation ne doit même pas être électrifiée car comme un vélo, elle peut être mise en rotation par la seule force musculaire appliquée par les jambes de l'astronaute en position assis ou couchée. Pour que l'exercice soit efficace, ils devraient l'utiliser à raison d'une séance d'une heure tous les 3-4 jours.

Prochain chapitre

Les radiations

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[1] Le mot est approprié car l'absence de gravité provoque aussi des hallucinations...

[2] Nous continuerons à utiliser le terme apesanteur mais il s'agit en fait d'impesanteur ou de microgravité car tant qu'on évolue dans l'environnement terrestre, il subsiste une infime gravité. Le terme est toutefois peu utilisé dans la littérature grand public.

[3] Le Dr Clinton Rubin et son équipe de l'Harvard Medical School ont démontré à partir d'expériences faites sur des dindes et des moutons que le fait de subir de légères vibrations à raison de 20 minutes par jour durant 1 an pour simuler l'interaction entre les muscles et les os renforçait la densité osseuse.


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