C'est la gravité qui a façonné pendant des millions d'années le monde animal et végétal. Si la gravité n'existait pas nous n'aurions pas besoin d'un système cardio-vasculaire aussi complexe, en particulier avec la mise en place de mécanismes de protection permettant de maintenir une circulation normale lors de l'orthostatisme. Le tissu osseux serait inutile, de même que le tissu musculaire, puisqu'une partie importante du rôle de ces systèmes est de lutter contre la pesanteur. Même remarque en ce qui concerne le système nerveux.

La gravité est indispensable quotidiennement pour conserver ces fonctions. Ce rôle est déjà évident après quinze jours de micropesanteur où l'on voit apparaître des altérations du système cardio-vasculaire, du système osseux, musculaire et nerveux, pour ne citer que les principaux. Même à l'échelon cellulaire, la micropesanteur entraîne des modifications de l'expression des gènes et des altérations de la réponse et de la morphologie des cellules.

Nous passons l'essentiel de notre vie à lutter contre la pesanteur. La démarche scientifique consiste donc, pour mieux connaître un système, à étudier les conséquences de son exclusion. Ceci justifie amplement les études humaines ou animales effectuées lors des vols spatiaux. Il en va de même du règne végétal (gravitropisme).

Les objectifs des projets en cours et à venir sont d'approfondir la connaissance des mécanismes de gravité dépendants qui gèrent le développement humain, mais aussi d'étudier la réversibilité des effets néfastes de la gravité sur le corps et le comportement de l'homme.

Les résultats permettront d'évaluer les possibilités de voir un jour un homme sédentaire sur la Lune et sur Mars, capable de travailler et de se reproduire.

Biologie végétale gravitationnelle

Lors de la mise en place des organes et des tissus les constituant, les végétaux fixés dans un environnement doivent être capables d'intégrer et de répondre spécifiquement aux signaux extérieurs, qu'ils soient d'origine biotique ou abiotique.

Parmi les stimuli perçus, le facteur "gravité" est une force incontournable de l'environnement terrestre. Il joue un rôle essentiel dans l'orientation de la croissance des plantes (le gravitropisme), offrant l'avantage unique aux racines de pénétrer dans le sol pour y puiser les éléments minéraux et aux organes aériens de croître verticalement pour photosynthétiser leurs sucres. Chez les arbres, l'acquisition du port dressé est due à la formation du bois, qui se caractérise par des processus de différenciation (la lignification).

L'étude de la perception de la gravité et de ses conséquences revêt une importance fondamentale dans la compréhension des mécanismes moléculaires et cellulaires de la croissance et du développement des végétaux (gravitropisme et formation du bois). L'étude approfondie de ces mécanismes nécessite une comparaison entre deux situations tranchées : application ou non application du facteur gravité. Au sol, si l'application du facteur gravité est naturelle (1 g) et peut même être amplifiée (expériences en hyper gravité sur centrifugeuse), sa suppression de façon prolongée est impossible. Seuls certains effets de la micropesanteur peuvent être simulés par l'utilisation de clinostats. Les expériences spatiales sont donc incontournables pour placer les végétaux dans des conditions de micropesanteur.

Physiologie et biologie du développement

Tous les aspects complémentaires, du capteur primaire à l'expression comportementale, qui participent à l'intégration de l'information gravitaire au cours du développement ont été abordés dans le cadre d'une approche pluridisciplinaire sous l'égide du CNES. Parmi les résultats obtenus, les plus marquants indiquent que l'exposition précoce à l'hyper gravité induit une modification du capteur gravitaire, indiquant pour la première fois qu'un récepteur primaire peut être modifié par l'information qu'il reçoit.

Il a été montré sur des amphibiens (têtards de Xenopus laevis et Cynops pyrrhogaster) que la micropesanteur modifie significativement la morphologie du capteur lui-même (otoconie). Par ailleurs, il a été montré chez le rat que l'exposition à l'hyper gravité durant le développement modifie les propriétés physiologiques des cellules sensorielles vestibulaires. Le stimulus primaire est donc capable d'influencer, directement au niveau du récepteur sensoriel périphérique, la mise en place des mécanismes moléculaires qui seront nécessaires à la détection des informations sensorielles.

La mise à disposition de la communauté scientifique d'outils spatiaux (accès à l'ISS, et mise en place des modules européens Columbus et Habitat souris) permet l'étude de la reproduction, de la gestation et du développement en vol, ainsi que des aspects associés au retour en normo-gravité. Les expositions à la micropesanteur sur plusieurs générations peuvent être étudiées et, en particulier, leurs éventuels effets sur la dérive de l'expression génique. L'existence de périodes critiques dans le développement des fonctions associées à la perception de la gravité pourra être définitivement vérifiée.

Tissus osseux et espace

Les conditions des missions spatiales entraînent une perte osseuse au niveau des territoires porteurs, aussi bien chez l'homme que chez le rongeur. Cette perte osseuse est rapide dans l'enveloppe trabéculaire, métaboliquement très active, puis elle survient également dans l'enveloppe corticale.

La récupération au sol n'est pas effective lorsque le suivi sur Terre est équivalent à la durée de la mission spatiale. Chez l'animal, il faut au moins deux fois plus de temps au sol qu'en vol pour voir une récupération de la masse osseuse trabéculaire. Ce temps semble plus long encore pour l'enveloppe corticale. Chez l'homme, après six mois de ré-ambulation au sol, temps équivalent à la durée de la mission (station Mir), on est en situation de statu quo.

Un appareil tomographique utilisé au sol avant / après vol est capable d'analyser cette microarchitecture aux niveaux trabéculaire et cortical dans des os porteurs et moins porteurs. Les contre-mesures actuelles utilisent des programmes d'exercice physique qui ont montré leur inefficacité. Des stratégies médicamenteuses et de supplémentations alimentaires seront couplées à l'avenir aux programmes d'exercice physique.

Le muscle

Au cours des vols spatiaux ou en condition de micropesanteur simulée les muscles squelettiques de l'organisme subissent une atrophie particulièrement sévère pour les muscles posturaux de type lent (tel que le soleus dans les membres inférieurs). Cette atrophie se traduit par des pertes de masse et de force associées, d'une part, à une disparition d'une fraction de protéines musculaires impliquées dans la cohésion structurale, l'élasticité, le processus contractile ou le métabolisme musculaire et, d'autre part, à une transformation d'une partie des protéines restantes.

La transformation de diverses protéines des muscles met en évidence une adaptation génique de l'expression de ces protéines. Il est donc indispensable de s'orienter vers la compréhension de l'origine et des mécanismes sous-tendant ces transformations, sur les voies de la génomique et de la protéomique. Des travaux sont amorcés sur un modèle de rat et doivent être développés pour :

caractériser des populations de gènes connus ou inconnus,
déterminer quel type de modifications subissent certaines protéines pouvant, par leurs répercussions fonctionnelles, être des marqueurs précoces de l'atrophie et ouvrir la possibilité de contre-mesures, notamment pharmacologiques.

Système nerveux et perception de la motricité

Au cours des activités journalières le système nerveux doit sans cesse gérer une multitude d'effets induits par la gravité sur le corps humain. Tout d'abord, les effets primaires exercés sur le corps en tant que tel. La gravité dicte les lois du mouvement de notre corps et de nos membres. Par exemple, afin d'éviter les chutes, le maintien de la station debout nécessite une intervention constante de la part du système neuromusculaire et la réalisation d'un simple mouvement du bras requiert une commande musculaire différente selon que le mouvement s'exerce vers le haut ou vers le bas. Les interactions dynamiques entre notre corps et le monde physique environnant sont clairement configurées selon les contraintes imposées par la gravité. De plus, la circulation des fluides au sein du corps est fortement influencée par la pression constante exercée par la gravité, c'est ainsi que la régulation orthostatique correspond à une des fonctions majeures du système nerveux autonome.

Les fonctions cérébrales se sont également développées au cours de l'évolution en tenant compte des contraintes gravitaires imposées à la cognition. Par exemple, le monde dans lequel nous vivons est de prime abord bidimensionnel (à plusieurs couches) en particulier pour les créatures vivantes sur la Terre telles que l'homme. Les processus neuronaux qui nous permettent de naviguer dans ce monde peuvent être ainsi spécialisés pour la représentation de configurations spatiales 2D. Sur la Terre, nous nous attendons aussi à voir les objets disposés d'une façon particulière : les objets se trouvant sur une table seront d'habitude disposés dans une position verticale ou horizontale stable ; les objets accélèrent en chute libre de haut en bas ; de même que nous rencontrons nos semblables en position debout. Le succès qui découle de ces performances prédictives peut être crucial à la survie, comme lors de la fuite face à un prédateur ou l'évitement d'une pierre chutant. Les fonctions cognitives, motrices et autonomes dépendent de la capacité du système nerveux à détecter et anticiper les effets de la gravité sur le corps.

La gravité peut être perçue par l'intermédiaire d'une variété de canaux différents. Les otolithes de l'oreille interne mesurent les accélérations linéaires dues à la gravité. Nous pouvons sentir l'action de poussée de la gravité sur nos membres et nos boyaux. Assis sur une chaise les forces dues à la gravité sont perçues au travers des zones de contacts de notre corps avec le siège et sont transmises sous la forme d'une information cutanée bien spécifique. Nous pouvons même "voir" en quelque sorte la gravité simplement en regardant l'horizon, l'orientation verticale des bâtiments et des arbres et la direction de la pluie tombante. Sur Terre, il est très difficile de séparer l'influence des différentes modalités sensorielles sur les fonctions neuro-régulatrices, car la manipulation de chacune d'entre-elles peut induire des effets parallèles sur les autres. En micropesanteur, nous pouvons en quelque sorte supprimer le point d'ancrage référentiel fournit par le vecteur gravitationnel et examiner indépendamment les effets des répliques sensorielles restantes.

Un programme de recherche utilisant les vols spatiaux et les vols paraboliques est donc en place pour étudier l'interaction entre la gravité et le système nerveux chez l'homme. Les dispositifs sols (centrifugeuse, bedrest, dry immersion) complètent les moyens disponibles pour les scientifiques dans le domaine. Il faut noter l'importance de ces expériences pour les projets de demain.

Une meilleure compréhension des mécanismes d'adaptation du système nerveux humain au nouvel environnement sans gravité, ainsi que sa réadaptation à un environnement habituel (la Terre) ou particulier (Mars, la Lune) devrait nous aider à réussir les missions d'exploration futures de l'homme au-delà de la planète Terre.

Régulation cardiaque et vasculaire périphérique

L'adaptation du système cardio-vasculaire après quelques jours en micropesanteur se traduit par un nouvel équilibre hémodynamique qui demeure stable en vol (7 - 180 j). La pression artérielle et le rythme cardiaque au repos ne sont pas modifiés de façon significative, de même que l'hémodynamique artérielle cérébrale. Le monitoring de l'ECG met en évidence une modification de la balance sympathique/parasympathique. Le volume plasmatique et celui des cavités cardiaques diminuent (8 - 12%). Les conséquences de ces deux dernières observations ne sont observables que lors du retour en gravité 1.

Au niveau périphérique les résistances vasculaires diminuent au niveau des membres inférieurs. Ces modifications importantes ne limitent pas l'activité de l'astronaute, ne présentent pas de danger pour sa santé et sont réversibles rapidement après le vol. Il n'en est pas nécessairement de même pour l'atrophie myocardique (-8 à -15%), qui constitue un handicap à l'effort lors du retour au sol. De même, la distension de la veine jugulaire traduit une stagnation du sang au niveau cérébral qui, à long terme, pourrait induire des modifications tissulaires et fonctionnelles. Un ensemble de contre-mesures physiques, qui permettent de réduire ces deux dernières modifications induites par la micropesanteur (brassards de cuisse, exercice, système à pression négative), ont été validées et leurs effets physiologiques quantifiés.

Plusieurs paramètres permettant de quantifier le déconditionnement cardio-vasculaire induit par la micropesanteur et responsable de l'intolérance orthostatique post vol ont été identifiés : pression artérielle, fréquence cardiaque, flux cérébral, flux fémoral. Après un vol spatial ou un bedrest, 60 % des sujets présentent une intolérance orthostatique, qui se traduit par la baisse de la perfusion cérébrale et de la pression artérielle.

Radiologie de l'espace

L'environnement radiatif de l'espace est très particulier et nécessite des expériences en radiobiologie bien ciblées pour mieux comprendre les risques radiologiques encourus par l'homme dans l'espace. Ces dernières années la recherche soutenue par le CNES s'est focalisée d'abord sur une amélioration de la dosimétrie physique et biologique. En utilisant les compteurs proportionnels équivalents tissu comme Nausicaa (collaboration CNES-IPSN) et la dosimétrie biologique classique, c'est-à-dire la mesure des aberrations chromosomiques, une bonne concordance entre ces deux méthodes a été mise en évidence. Ces travaux fondamentaux soulignent sans aucun doute la génotoxicité des rayonnements rencontrés dans l'espace.

Nutrition et micropesanteur

Le coût de l'activité physique en micropesanteur est plus élevé, probablement en raison d'une réduction du rendement mécanique. La conséquence nutritionnelle directe est que le surcoût énergétique des protocoles d'exercices prescrits en tant que contre-mesures contre les syndromes de déconditionnement peut être significatif. Par exemple, 2,5 heures d'exercices correspondant à 1,7 MJ/h ne représentent pas moins de 49% des besoins journaliers. Ces données démontrent l'importance de mesurer le coût énergétique des différents exercices physiques appliqués en vol.

Les axes prioritaires de recherche en nutrition spatiale peuvent se décliner selon deux modes, l'un purement opérationnel, l'autre fondamental :

L'aspect opérationnel consiste à déterminer les besoins en macro et micronutriments des astronautes en vue des missions de longue durée dans l'ISS mais également lors des missions exploratoires vers la Lune et Mars.
L'aspect fondamental vise à caractériser le rôle du déficit énergétique observé systématiquement en vol dans les différents déconditionnements musculaires, osseux et cardio-vasculaires à la micropesanteur.

Du point de vue expérimental, il convient de travailler en partenariat avec les industries agro-alimentaires pour développer des aliments emballés avec des dates de péremption supérieures à trois ans pour des missions de longue durée, d'où la nécessité d'élaborer de nouvelles techniques de conservation. La NASA a déjà développé un système pour des missions d'un an. Le défi est d'assurer une variété significative dans les menus, ceci de manière à maintenir à la fois le moral et les performances des astronautes.

Toutes les études à planifier en vol doivent être testées au sol lors de simulations (alitement tête déclive) ou en environnements analogues tels que le confinement en base polaire (Concordia). L'avantage de telles études au sol est de permettre une approche mécanistique des problèmes qui n'est pas envisageable en vols.

Confinement et contraintes psychologiques

Les facteurs de risque sur le plan psychologique pour un vol vers Mars dans un scénario de 1 000 jours avec un équipage mixte et multinational de 4 à 6 personnes sont liés aux facteurs de stress de la situation. L'isolement représente la "séparation physique et sociale du reste du monde". Les participants vivent hors de leur cadre quotidien et sont séparés de leurs familles. Il y a une disparition des repères et des sources de gratification habituels, seules les gratifications professionnelles persistent.

Ceci entraîne une réduction des échanges et des rôles sociaux. L'absence de relations affectives et sexuelles, peut provoquer, en plus des frustrations, une peur d'être abandonné, une angoisse devant la réadaptation au retour.

Les réactions des individus à ces facteurs de stress sont de plusieurs ordres :

des troubles physiques comme les troubles du sommeil, la fatigue, des céphalées, des lombalgies, des troubles digestifs, des algies diverses ;
des troubles subjectifs avec une altération de la perception du temps (compression surtout), des hallucinations, une impression d'irréalité ;
des troubles de l'humeur, avec le "mal du pays", mis en évidence par le temps passé à regarder la Terre à travers les hublots et par le besoin de communication avec l'extérieur, une augmentation de l'anxiété et de légers signes dépressifs, parfois une alternance d'apathie et d'excitation euphorique, de l'irritabilité ;
des troubles de la performance, avec parfois des comportements aberrants.

Toutefois, le domaine dans lequel les problèmes apparaissent le plus souvent est celui des relations interpersonnelles. Au niveau collectif, tensions, conflits, hostilité entre les membres d'un équipage sont souvent évoqués. Ces difficultés proviennent souvent de l'hétérogénéité des équipages (cultures, nationalités, langues maternelles différentes).