Eine Entdeckung, die über die Zukunft von Marsmissionen entscheiden könnte
Wissenschaftler haben den Schwerkraftwert identifiziert, unterhalb dessen Muskeln an Leistungsfähigkeit verlieren – selbst wenn sie nach außen hin völlig gesund wirken. Die Erkenntnisse dieser Forschung könnten darüber entscheiden, ob Menschen auf dem Mars tatsächlich überleben und langfristige Missionen jenseits der Erde bewältigen können.
Auf unserem Planeten arbeiten Muskeln unaufhörlich gegen die Schwerkraft: Wir heben unseren Körper an, gehen, stehen aufrecht und halten unsere Haltung. Im Weltall verschwindet dieser ständige Widerstand. Astronauten erleben Schwerelosigkeit, und die Muskeln – vor allem jene der Beine und des Rumpfes – erhalten keinen „normalen“ Arbeitsreiz mehr.
Warum Muskeln im Weltraum ein so ernstes Problem darstellen
Die NASA und die japanische Raumfahrtbehörde JAXA haben dieses Problem auf sehr konkrete Weise angegangen. Statt sich ausschließlich auf Beobachtungen an Menschen zu stützen, schickten sie 24 Mäuse zur Internationalen Raumstation und platzierten sie in Umgebungen mit unterschiedlichen Schwerkraftniveaus. Das Ziel war eindeutig: den Schwellenwert zu bestimmen, ab dem Muskeln unter kosmischer Mikrogravitation nachzugeben beginnen.
Astronauten an Bord der Internationalen Raumstation trainieren täglich bis zu zwei Stunden – und kämpfen dennoch nach ihrer Rückkehr auf die Erde mit deutlichem Muskel- und Knochenabbau. Die Forscher wollten genau verstehen, ab welchem Punkt dieser Verfall einsetzt.
Das Experiment mit 24 Mäusen: vier Schwerkraftniveaus in der Umlaufbahn
Die Wissenschaftler stellten vier Gravitationsbeschleunigungsstufen ein: die für die ISS typische Mikrogravitation, 0,33 g – entsprechend etwa einem Drittel der Erdanziehungskraft –, 0,67 g – etwas mehr als zwei Drittel unserer gewohnten Schwerkraft – sowie 1 g, gleichbedeutend mit normaler Erdgravitation.
Jede Maus lebte in einer kontrollierten Umgebung, in der die Forscher Verhalten, Körpergewicht und vor allem den Muskelzustand überwachten. Der entscheidende Muskel war der Soleus in der Wade – er reagiert bei Säugetieren besonders empfindlich auf Schwankungen der Gravitation, da er zur Haltungs- und Gangstabilität beiträgt. Mediziner bezeichnen ihn als eine Art „Gravitationssensor“, der rasch anspricht, sobald der Körper aufhört, gegen sein eigenes Gewicht anzukämpfen.
Die Ergebnisse, die niemand erwartet hatte
Sobald die Schwerkraft unter 0,67 g sank, begannen die Muskeln der Mäuse an Kraft zu verlieren. Es handelte sich dabei nicht um einen dramatischen Rückgang des Muskelvolumens, sondern um eine funktionelle Verschlechterung. Bei 0,33 g veränderte sich die Masse des Soleus kaum merklich, doch Griffstärke und Gesamtleistung verschlechterten sich spürbar.
Die Tiere nutzten ihre Muskeln weniger effizient – als würde ihr „Motor“ auf niedrigeren Touren laufen, obwohl die Größe ähnlich blieb. Bei 0,67 g hingegen sah die Lage besser aus: Die Mäuse konnten ihre Griffstärke auf einem Niveau halten, das nahe an jenem unter voller Erdanziehungskraft lag.
Es scheint also eine kritische Schwelle zu geben, die zwischen einem Drittel und zwei Dritteln der Erdgravitation liegt, unterhalb derer der Organismus den Muskeln den Leistungsabfall gewissermaßen „durchgehen lässt“. Genetiker und Mediziner, die an der Auswertung der Ergebnisse beteiligt waren, halten mehrere Schlussfolgerungen für besonders bedeutsam:
- Es gibt einen Gravitationsschwellenwert, oberhalb dessen Muskeln ihre Leistungsfähigkeit erhalten können
- Kraftverlust kann schneller auftreten als ein spürbarer Rückgang der Muskelmasse
- Körperliches Training allein reicht möglicherweise nicht aus, wenn die Schwerkraft zu gering ist
- Der Muskelstoffwechsel verändert sich, bevor sich die Muskelgröße erkennbar verringert
- Der Soleus reagiert als erster auf unzureichende Gravitationsbelastung
Was das alles mit Menschen zu tun hat
Die Studie untersuchte physisch Mäuse, doch die eigentliche Frage war zutiefst menschlich: Wird ein Astronaut auf dem Mars oder in einer Mondbasis normal funktionieren können? Experten für Raumfahrtmedizin betonen, dass Tiere und Menschen nicht identisch reagieren – die Veränderungsmuster tendieren jedoch dazu, ähnlich zu sein.
Die zentrale Frage der Raumfahrtmedizin lautet heute: Ab welchem Schwerkraftniveau werden menschliche Muskeln so reagieren wie jene der Mäuse? Die Ärzte der NASA arbeiten bereits an Folgestudien mit menschlichen Probanden unter Laborbedingungen, die reduzierte Schwerkraft simulieren.
Mars: ein faszinierender Planet mit gefährlich schwacher Anziehungskraft
Die praktisch relevantesten Konsequenzen der Forschung betreffen genau den Mars. Die Schwerkraft auf diesem Planeten beträgt etwa 38 Prozent des Erdwertes – also rund 0,38 g. Dieser Wert liegt deutlich unterhalb der Schwelle von 0,67 g, bei der die Muskeln der Mäuse im Experiment noch eine annähernd erdähnliche Leistung erbringen konnten.
Für bereits geplante bemannte Missionen stellt das eine gewaltige Herausforderung dar. Astronauten auf dem Mars würden monatelang in einer Umgebung leben, die zu schwach ist, um Muskeln auf natürliche Weise fit zu erhalten. Ohne gezielte Gegenmaßnahmen würde die Muskelkraft nachlassen, und die Rückkehr zur Erde nach mehreren Monaten könnte zum harten Zusammenprall mit der vollen Erdgravitation werden.
Die Bedingungen auf dem Mars allein werden aller Wahrscheinlichkeit nach nicht ausreichen, um die muskuläre Leistungsfähigkeit zu erhalten, die Astronauten für eine Rückkehr zur Erde benötigen. Wissenschaftler der Europäischen Weltraumorganisation testen bereits verschiedene Szenarien, um Besatzungen auf lange Aufenthalte in schwerkraftarmen Umgebungen vorzubereiten.
Die möglichen Lösungsansätze auf dem Tisch
Ingenieure und Mediziner arbeiten seit Jahren an verschiedenen Strategien gegen Muskelabbau. Auf der ISS trainieren Astronauten täglich bis zu zwei Stunden mit speziellen Laufbändern, Heimtrainern und Widerstandsgeräten, die Gewichtheben simulieren.
Nach den neuen Ergebnissen werden mehrere Szenarien diskutiert. Das erste sieht aggressiveres Training vor – häufigere und intensivere Kraftübungen unter Niedrigschwerkraftbedingungen. Der zweite Ansatz setzt auf künstliche Schwerkraft durch rotierende Module in Raumschiffen oder Habitaten, die mittels Zentrifugalkraft das Körpergewicht „simulieren“.
Ein dritter Weg betrifft Medikamente und biologische Eingriffe – Substanzen, die den Muskel- und Knochenstoffwechsel beeinflussen und ihren Abbau verlangsamen könnten. Die vierte Option kombiniert mehrere Methoden: kurze Sitzungen künstlicher Schwerkraft zusammen mit Training und angepasster Ernährung. Forscher der Universitäten Tokio und Boston arbeiten bereits an Präparaten, die die Regeneration von Muskelfasern fördern könnten.
Nicht nur Muskeln: Auch Knochen und Organe reagieren auf Mikrogravitation
Muskeln sind nur ein Teil des Puzzles. Wissenschaftler haben bereits angekündigt, dass die nächsten Forschungsphasen Knochen, Herz, Blutgefäße und innere Organe einschließen werden. Geringe Schwerkraft beschleunigt den Verlust der Knochenmineraldichte, verändert den Blutkreislauf und belastet Augen sowie Gehirn.
Bei den Mäusen in der Umlaufbahn beobachteten die Forscher auch Stoffwechselveränderungen – also Veränderungen in der Art, wie der Organismus Energie und Nährstoffe verarbeitet. Ein wichtiges Warnsignal: Selbst wenn ein Muskel äußerlich intakt erscheint, kann seine Biochemie bereits auf Probleme hinweisen. Mediziner der Mayo Clinic untersuchen vergleichbare Phänomene bei Patienten, die längere Zeit immobil sind.
Ein vollständiges Bild des Einflusses von Mikrogravitation auf den Körper erfordert die gleichzeitige Beobachtung von Muskeln, Knochen, Organen und Stoffwechselprozessen. Die Forscher planen weitere Experimente mit Tieren und Menschen, um die detaillierten Mechanismen der Körperanpassung an außerirdische Umgebungen zu entschlüsseln.
Was diese Ergebnisse für den normalen Menschen bedeuten
Für die meisten von uns klingt der Mars noch nach Science-Fiction – doch die Schlussfolgerungen solcher Forschungen betreffen auch weitaus alltäglichere Themen. Muskelabbau trifft bettlägerige Menschen, ältere Personen und Patienten nach langen Krankenhausaufenthalten. Der Mangel an Belastung – völlig unabhängig von Raumflügen – wirkt auf Muskeln ähnlich: Der Körper verliert den Anreiz, ein kostspielig zu erhaltendes Gewebe aufrechtzuerhalten.
Die praktische Lektion ist einfach: Muskeln brauchen ein regelmäßiges Signal, das ihnen sagt, dass sie gebraucht werden. Das kann Treppensteigen sein, ein Spaziergang mit Rucksack oder ein Körpergewichtstraining. Schon unter normalen Bedingungen auf der Erde reichen einige Wochen „Sofa-Mikrogravitation“ aus, um eine spürbare Abschwächung zu verursachen.
Für künftige Bewohner von Raumstationen und außerirdischen Basen wird diese Erkenntnis zur Überlebensbedingung. Bei der Planung des Lebens im Weltall muss Bewegung, Belastung und körperliche Anstrengung fest eingeplant sein – statt darauf zu vertrauen, dass der Körper sich schon selbst zu helfen weiß. Die Ergebnisse von 24 Mäusen auf der ISS zeigen, dass der Körper ziemlich rasch die Gelegenheit nutzt, sich das Leben leichter zu machen – und dabei kurzerhand das loslässt, was aus seiner Perspektive nichts weiter ist als überflüssiger muskulärer Ballast.
