体重を支えなくてよい環境で、筋肉に何が起きるか

地上で立ったり歩いたりするとき、脚や体幹の筋肉は常に体重を支えて働いています。とくにふくらはぎの筋肉は、立っているあいだ姿勢を保つために休みなく使われています。

微小重力下では、この負荷がほとんどなくなります。体を支える必要がない環境に置かれた筋肉は、使われない状態に近づき、量も力も落ちていきます。長期の宇宙滞在では、こうした筋肉の衰えが、作業能力や帰還後の生活に影響しうる課題とされてきました。

本稿では、国際宇宙ステーション（ISS）に約6か月滞在した宇宙飛行士を対象にした2つの研究をもとに、宇宙での筋肉の変化と、運動による対策の課題を整理します。

ふくらはぎの筋量と力の低下

2009年に報告された研究は、ISSに約6か月滞在した宇宙飛行士9人のふくらはぎの筋肉を、飛行前後に詳しく調べました [1]。宇宙飛行士たちは滞在中、トレッドミル、自転車エルゴメーター、筋力トレーニング装置を使って運動を続けていました。有酸素運動は週に約5時間、筋力トレーニングは週3〜6日行われていました [1]。

それでも、ふくらはぎの筋肉の体積は平均で13％減少しました [1]。ふくらはぎの深い層にあるヒラメ筋（−15％）の萎縮は、表層の腓腹筋（−10％）より大きいものでした。筋肉が発揮できる最大パワーは飛行後に32％低く、さまざまな速度での力の発揮も20〜29％低下していました [1]。

筋線維のタイプも変わる

この研究では、筋肉の一部を採取して、筋線維のタイプも調べています。筋線維には、持久力に優れた遅いタイプと、瞬発力に優れた速いタイプがあります。飛行後の腓腹筋とヒラメ筋では、遅いタイプ（MHC I）の線維が減り、速いタイプの側へ構成が移る変化が12〜17％見られました [1]。

研究者らは、筋量と筋の性能の低下、そして遅いタイプから速いタイプへの移行が、いずれもヒトで筋肉に負荷がかからなくなったときに見られる特徴だと述べています [1]。

脚では大きく、腕ではほとんど変わらない

2010年に報告された別の研究は、ISSに約6か月滞在した男性の宇宙飛行士4人について、筋肉の体積と筋力を飛行前後で比べました [2]。筋肉の体積の減少は、ふくらはぎ（−10〜16％）で太もも（−4〜7％）より大きく、上腕ではほとんど変化がありませんでした（+0.4〜−0.8％）[2]。

筋力は、膝（−10.4〜−24.1％）、足首（−4〜−22.3％）、肘（−7.5〜−16.7％）で低下しました [2]。持久力のテストでは総仕事量が14％減った一方、疲れにくさはむしろ高まっていました [2]。体重を支える役割が大きい下肢ほど、宇宙での影響を強く受けていることがうかがえます。

当時の運動条件では負荷が不足していた

この2010年の研究で注目されるのは、宇宙での運動の負荷を実際に測った点です。靴と足のあいだにかかる力を測定したところ、ISSでのランニングと自転車こぎの最大の力は、地上で同じ運動をしたときより、それぞれ約46％、約50％小さいものでした [2]。

研究者らは、運動による対策を行っていても下肢の筋量と筋力が低下したこと、宇宙での運動では飛行前の日常生活で受けていた力学的な負荷を再現しきれていなかったことを指摘し、運動の強度と時間を見直して運動の「量」を増やす必要があると述べています [2]。2009年の研究も、より長いミッションに向けて、ISSでの運動処方や装置を改善する必要があると結論づけています [1]。

老化研究から見た宇宙の筋肉

宇宙での筋萎縮は、加齢による筋肉の衰え（サルコペニア）と同じものではありません。原因は主に負荷の消失で、数か月という短い期間に起こります。一方、筋量と筋力が落ちることが、転倒や機能低下のリスクにつながりうる点では共通する面があります。サルコペニアの定義と診断の考え方は、サルコペニアの記事で整理しています。

宇宙での研究は、筋肉にとって「負荷がかかること」がいかに重要かを、はっきりした形で示しています。どの程度の負荷をどれだけかければ筋肉を保てるのかという問いは、宇宙飛行士の健康管理だけでなく、地上で筋肉の衰えを防ぐ方法を考えるうえでも共通しています。本稿は一般的な科学解説であり、個別の医学的助言を行うものではありません。

まとめ

ISSに約6か月滞在した宇宙飛行士9人では、運動を続けていてもふくらはぎの筋肉の体積が平均13％減少し、最大パワーは32％低下し、筋線維は遅いタイプから速いタイプへ移る変化を示しました [1]。別の4人の研究では、筋量の減少はふくらはぎで最も大きく、上腕ではほとんど変化がなく、宇宙でのランニングや自転車こぎの足にかかる力は地上より約5割小さいことが分かりました [2]。いずれも9人と4人を対象とした小規模な研究で、当時の装置と運動条件で得られた結果ですが、長期ミッションに向けて運動による対策を改善する必要性を指摘しています。

関連カテゴリ：マイクロバイオームと宇宙 関連記事：