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Publicação
Jumping on the Moon : a potential cardiovascular countermeasure during long-term lunar gravity exposure
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Orientador(es)
Resumo(s)
A exploração espacial tem um plano detalhadamente estruturado pelas agências espaciais
integrantes da International Space Exploration Coordination Group (ISECG) e National
Aeronautics and Space Administration (NASA), que coloca o principal foco na Lua como
primeiro passo em direção a Marte. A escolha da Lua justifica-se pelas suas condições favoráveis
para sustentar a humanidade bem como testes de preparação para missões tripuladas a Marte. O
iminente regresso à Lua e a ânsia por estadias prolongadas sustentáveis enfatizam a necessidade
de medidas eficazes para manter a saúde e a integridade fisiológica dos astronautas durante a
exposição prolongada à gravidade Lunar (17% da gravidade terrestre).
A ausência de gravidade afeta significativamente a saúde e bem-estar dos astronautas, causando
atrofia e degeneração de múltiplos sistemas. Este declínio pode prejudicar a performance e
capacidade de cumprir as missões com precisão e segurança, que terá tendência a intensificar-se
com o prolongamento da duração da missão. Atrofia muscular é uma complicação notória de
exposição a microgravidade, visto que os músculos requerem uso frequente para manter a sua
função e estrutura. O grau de atrofia varia entre músculo dependendo da sua função, sendo que
os chamados músculos antigravidade (músculos nos membros inferiores e lombar) são os mais
afetados, que chegam a registar reduções de 10-25 % em missões de longa duração. Em média,
os astronautas apresentam declínios entre 10 e 20 % em massa muscular em missões curtas em
microgravidade, podendo aumentar para 50 % sem um esforço consciente para mitigar este
declínio com contramedidas (exercício, nutrição, fármacos).
A microgravidade induz também perda de densidade óssea, devido à remoção de forças a atuar
no esqueleto. Este declínio de perda óssea inicia-se poucos dias após o começo da ausência de
gravidade com perdas mensais entre 1 e 1.5 %, aproximadamente. Previamente, declínios na
ordem dos 20 % foram registados em missões de longa duração (6 meses). Semelhantemente aos
músculos, os ossos responsáveis pelo suporte do peso - membros inferiores e quadril - são mais
afetados do que outros ossos não implicados no suporte do peso - membros superiores. O sistema
cardiovascular é também afetado em microgravidade dado que a gravidade apresenta um papel
importante na dinâmica de fluídos corporais, resultando numa redistribuição significativa dos
fluídos, que muda a pressão hidrostática no áxis longitudinal do corpo e, consequentemente, causa
um movimento cefálico do volume sanguíneo. Esta alteração resulta num aumento do volume
sistólico e, por consequência, um aumento do débito cardíaco.
Outros sistemas como o somatossensorial, propriocetivo e vestibulares ficam comprometidos em
resposta à ausência de gravidade. Os astronautas relatam mudanças na forma como processam e
interpretam informação sensorial e motora durante e após missões em microgravidade. O
equilíbrio e orientação são afetados, devido ao funcionamento deficiente dos otólitos e os canais
semicirculares, que necessita de gravidade para gerar informação sobre a orientação do corpo e
garantir equilíbrio. A adaptação do sistema nervoso central às novas informações provenientes do
sistema vestibular pode ocorrer em apenas duas semanas. No entanto, mobilidade reduzida e
declínio do equilíbrio são relatos frequentes de astronautas em missões de longa duração. O
sistema propriocetivo sofre transformações a nível da interpretação da informação sensorial nos
músculos, tendões e articulações. Esta alteração no processamento de informação causa
desorientação espacial, enjoo, náuseas e movimentos corporais descontrolados. Com uma
exposição prolongada a microgravidade, o sistema nervoso central adapta-se, permitindo uma
melhoria do controlo corporal e movimento. Adicionalmente, os astronautas relatam um
decréscimo na coordenação motora fina, que os levava a completar tarefas no dobro do tempo ao
que tinham estipulado. De forma geral, os declínios do funcionamento dos vários sistemas podem
resultar em incapacidade de executar tarefas diárias, missões ou saídas repentinas em caso de
emergência.
As soluções atuais não são perfeitas na prevenção da atrofia multissistémica, particularmente, a
nível dos sistemas cardiovascular, respiratório e musculoesquelético. Futuras missões
exploratórias requerem novas ideias que usem o exercício de uma forma criativa sem depender
de equipamento, mas que mantenham ou aumentem a eficácia em comparação com as
contramedidas atuais.
O exercício pliométrico apresenta-se como uma potencial solução, visto que responde às
necessidades evidenciadas em publicações recentes que relatam a capacidade que esta modalidade
de exercício tem para provocar uma estimulação multissistémica eficaz. Neste estudo, o exercício
pliométrico elegido foi o salto bilateral, elegido não apenas pela conveniência de não suscitar a
necessidade de equipamento, como também pela capacidade de estimular os sistemas mais
suscetíveis à degeneração induzida pela inexistência de gravidade. Embora o treino pliométrico
tenha sido sugerido anteriormente, o seu custo metabólico ainda não foi investigado.
Deste modo, este estudo relata os efeitos do salto com apenas o peso corporal em gravidade Lunar
simulada no sistema cardiorrespiratório, concentrações de ácido lático e o pico de força vertical
máxima de reação ao solo durante o salto. Para tal, uma amostra de 19 participantes realizaram
um teste de salto de altura incremental em gravidade Lunar simulada até à exaustão ou
incapacidade de atingirem a altura de salto exigida. Os participantes completaram uma visita ao
laboratório onde foram suspensos no sistema de suspensão (Variable Gravity Suspension System),
que permite realizar exercício (neste caso, saltar) em gravidade Lunar simulada. O teste consistiu
num exercício com intensidade crescente, onde a altura-alvo dos saltos aumentava 5 cm entre
cada etapa. Entre etapas, existia um intervalo de um minuto, que possibilitava a medição de ácido
lático e extração de medidas percetuais à cerca da dificuldade do exercício. Dados sobre alterações
respiratórias e frequência respiratória foram adquiridos durante todo o teste. Após o término do
teste, os participantes completaram um teste de esforço máximo para que fosse possível traçar
uma comparação entre o seu esforço máximo no teste de salto em gravidade Lunar simulada e o
verdadeiro esforço máximo em condições normais.
Verificou-se um aumento geral em todos os parâmetros cardiorrespiratórios (frequência cardíaca,
consumo de oxigénio, produção de dióxido de carbono, RER e ventilação minuto), com um pico
máximo de % VO2max de aproximadamente 70 % na última etapa, onde a altura de salto era mais
elevada. As concentrações de ácido lático mostraram um crescimento quasi-exponencial em
resposta às alturas de salto incrementais, culminando com concentrações entre 3 e 8 mm∙ 𝐿
−1
. Na
última etapa, o custo metabólico oscilou entre 75 e 100 % da frequência cardíaca máxima. As
forças verticais máximas de reação ao solo também aumentaram linearmente com a altura do
salto, atingindo um pico de 127 % do peso corporal. Em alguns participantes, atingiu-se forças
entre 200 e 300 % do peso corporal, que podem ser potencialmente explicadas pela técnica (mais
rígida) usada para iniciar e amortizar o salto. Deste modo, o saltar em gravidade Lunar simulada
parece capaz de produzir forças verticais máximas de reação ao solo equivalentes ou até maiores
do que as geradas durante exercícios terrestres, como caminhar e correr.
Estes resultados sugerem que o exercício pliométrico não parece capaz de produzir intensidade
máxima de exercício (≥ 90% VO2max) na maioria dos indivíduos, no entanto pode proporcionar
estímulos submáximos eficazes com potencial para evitar a inevitável atrofia cardiovascular e
decréscimo de força musculoesquelética, corroborando o potencial do salto bilateral como uma
contramedida eficaz de exercício. A dificuldade dos participantes em manter a postura no sistema
durante o exercício e as restrições associadas ao sistema de suspensão podem ter dificultado ou
impedido os participantes de atingir o seu potencial máximo, sendo apresentadas como possíveis
limitações do estudo. No seguimento destes resultados, sugere-se a continuação da investigação
focada em otimizar o custo metabólico do salto em hipogravidade.
The imminent return to the Moon and the explicit desire for prolonged crewed missions emphasize the need for effective countermeasures to maintain astronauts’ health and physiological integrity during long-term exposure to Lunar gravity (17 % of Earth’s gravity). Concurrent aerobic and resistive exercises currently used at the International Space Station are not perfect for preventing multi-system deconditioning. Therefore, upcoming exploratory missions demand the proposal of innovative and creative forms of exercise that rely on little equipment, while maintaining or improving the level of efficacy of current exercise countermeasures. Plyometric exercise has emerged as a potential solution as recent publications highlight its ability to protect against multi-system physiological deconditioning during long-term bedrest. Jumping on the Moon may constitute a viable form of exercise; however, it has never been explored how metabolically stimulating this could be. The present study, therefore, examined the effects of bodyweight jumping in simulated Lunar gravity on the cardiorespiratory system, blood lactate concentrations, and peak ground reaction forces. Nineteen participants took part in the study and performed an incremental jumping test in simulated Lunar gravity. An overall increase in all cardiorespiratory parameters was observed, with a maximum %VO2 of approximately 70 % at the highest jump height. Blood lactate concentrations show a near-exponential growth in response to incremental jump heights. Peak vertical ground reaction forces also increased linearly with jump height, peaking at 127 % bodyweight. These findings suggest that jumping on the Moon can provide an effective cardiovascular stimuli by allowing the user to exercise in moderate and heavy intensity domains, corroborating the potential of plyometrics as a potential exercise countermeasure in surface exploration missions.
The imminent return to the Moon and the explicit desire for prolonged crewed missions emphasize the need for effective countermeasures to maintain astronauts’ health and physiological integrity during long-term exposure to Lunar gravity (17 % of Earth’s gravity). Concurrent aerobic and resistive exercises currently used at the International Space Station are not perfect for preventing multi-system deconditioning. Therefore, upcoming exploratory missions demand the proposal of innovative and creative forms of exercise that rely on little equipment, while maintaining or improving the level of efficacy of current exercise countermeasures. Plyometric exercise has emerged as a potential solution as recent publications highlight its ability to protect against multi-system physiological deconditioning during long-term bedrest. Jumping on the Moon may constitute a viable form of exercise; however, it has never been explored how metabolically stimulating this could be. The present study, therefore, examined the effects of bodyweight jumping in simulated Lunar gravity on the cardiorespiratory system, blood lactate concentrations, and peak ground reaction forces. Nineteen participants took part in the study and performed an incremental jumping test in simulated Lunar gravity. An overall increase in all cardiorespiratory parameters was observed, with a maximum %VO2 of approximately 70 % at the highest jump height. Blood lactate concentrations show a near-exponential growth in response to incremental jump heights. Peak vertical ground reaction forces also increased linearly with jump height, peaking at 127 % bodyweight. These findings suggest that jumping on the Moon can provide an effective cardiovascular stimuli by allowing the user to exercise in moderate and heavy intensity domains, corroborating the potential of plyometrics as a potential exercise countermeasure in surface exploration missions.
Descrição
Tese de Mestrado, Engenharia Biomédica e Biofísica, 2025, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências
Palavras-chave
Exercício pliométrico Medidas preventivas de exercício Hipogravidade Cardiorrespiratório Musculoesquelético Teses de mestrado - 2025