Вторая половина XX в. ознаменовалась не только проведением теоретических исследований по изысканию путей освоения космического пространства, но и практическим созданием и запуском автоматических аппаратов на околоземные орбиты и на другие планеты, первым полетом человека в космос и длительными полетами на орбитальных станциях, высадкой человека на поверхность Луны. Теоретические исследования в области космической техники и конструирования управляемых летательных аппаратов резко стимулировали развитие многих наук, в том числе новой отрасли знаний — космической медицины.
Основными задачами космической медицины являются следующие:
обеспечение жизнедеятельности и безопасности космонавта на всех этапах космического полета, сохранение состояния его здоровья и высокой работоспособности;
исследование влияний условий космического полета на организм человека, включая изучение феноменологии и механизмов возникновения сдвигов физиологических показателей в космическом полете;
разработка способов профилактики и оказания лечебной помощи космонавту при возникновении неблагоприятных явлений, связанных с воздействием условий полета на организм человека;
разработка методов отбора и подготовки космонавтов;
разработка рекомендаций по поддержанию высокой работоспособности космонавта при выполнении космического полета, при выходе в открытое космическое пространство и на поверхность других планет.
Космическая медицина в своем историческом развитии прошла путь от моделирования факторов космического полета в лабораторных условиях и при полетах животных на ракетах и спутниках до исследований, связанных с длительными полетами орбитальных станций и полетами международных экипажей.
В становлении и развитии космической биологии и медицины в СССР важное значение имели труды основоположников космонавтики К.Э. Циолковского, Ф.А. Цандера и других, сформулировавших ряд биологических проблем, разрешение которых должно было явиться необходимой предпосылкой для освоения человеком космического пространства. Теоретические аспекты космической биологии и медицины зиждется на классических положениях таких основоположников естествознания, как И.М. Сеченов, К.А. Тимирязев, И.П. Павлов, В.В. Докучаев, Л.А. Орбели и других, в трудах которых красной нитью отражено учение о взаимодействии организма и внешней среды, разработаны принципиальные вопросы приспособления организма к изменяющимся условиям внешней среды.
Большую роль для формирования ряда положений и разделов космической медицины сыграли работы, выполненные в области авиационной медицины, а также исследования, проведенные на биофизических ракетах и космических кораблях в 50—60-х годах.
Практическое освоение космического пространства с помощью пилотируемых полетов началось с исторического полета Ю.А. Гагарина, первого в мире космонавта, совершенного 12 апреля 1961 г. на корабле «Восток». Все мы помним его простую человеческую фразу. «Поехали», произнесенную во время старта космического корабля «Восток», В этой фразе лаконично и в то же время достаточно емко охарактеризовалось величайшее достижение человечества. Помимо всего прочего, полет Ю.А. Гагарина был экзаменом на зрелость как космонавтики в целом, так и космической медицины в частности.
Медико-биологические исследования, проведенные до этого полета, и разработанная на их основе система жизнеобеспечения обеспечили нормальные условия обитания в кабине космического корабля, необходимые космонавту для выполнения полета. Созданная к этому времени система отбора и подготовки космонавтов, система биотелеметрического контроля за состоянием и работоспособностью человека в полете и гигиеническими параметрами кабины определили возможность и безопасность полета.
Однако вся предшествующая работа, все многочисленные полеты животных на космических кораблях не могли ответить на некоторые вопросы, связанные с полетом человека. Так, например, до полета Ю.А. Гагарина не было известно, как условия невесомости влияют на чисто человеческие функции: мышление, память, координацию движений, восприятие окружающего мира и другое. Только полет первого человека в космос показал, что эти функции не претерпевают существенных изменений в невесомости. Вот почему Ю.А. Гагарина во всем мире называют первооткрывателем «звездных дорог», человеком, проложившим путь всем последующим пилотируемым полетам.
За 20 лет, прошедших с полета Ю.А. Гагарина, человечество неуклонно и всесторонне продолжало осваивать космическое пространство. И в связи с этим славным юбилеем представляется удобный случай не только проанализировать сегодняшние достижения космической медицины, но и сделать исторический экскурс в прошедшее и предшествующее ему десятилетия.
Космические полеты на всем своем развитии можно условно разделить на несколько этапов. Первый этап — это подготовка полета человека в космическое пространство, он охватывал значительный период времени. Его сопровождали такие исследования, как: 1) обобщение данных физиологии и авиационной медицины, изучавших влияние неблагоприятных факторов внешней среды на организм животных и человека; 2) проведение многочисленных лабораторных исследований, в которых имитировались некоторые факторы космического полета и исследовалось их влияние на человеческий организм; 3) специально подготовленные эксперименты на животных при полетах на ракетах в верхние слои атмосферы, а также во время орбитальных полетов на искусственных спутниках Земли.
Основные тогда задачи были направлены на изучение вопроса о принципиальной возможности полета человека в космос и решение проблемы создания систем, обеспечивающих пребывание человека в кабине космического корабля во время орбитального полета. Дело в том, что в то время существовало определенное мнение ряда достаточно авторитетных ученых о несовместимости жизни человека с условиями длительной невесомости, так как при этом могли якобы возникать значительные нарушения функции дыхания и кровообращения. Кроме того, опасались, что человек мог бы не выдержать психологическую напряженность полета.
В нашей стране с начала 50-х годов была осуществлена серия исследований с животными при вертикальном запуске ракет на высоты 100, 200 и 450 км. Всего на ракетах в Советском Союзе было запущено 52 собаки, причем продолжительность невесомости в зависимости от высоты полета составляла от 4 до 10 мин. Анализ результатов этих исследований показал, что при полете на ракетах наблюдались лишь умеренные изменения физиологических показателей, проявлявшиеся в учащении пульса и увеличении артериального давления при воздействии ускорений во время взлета и посадки ракеты (с тенденцией к нормализации или даже снижению этих показателей во время пребывания в невесомости).
В целом воздействие факторов полета на ракетах не вызывало существенных нарушений физиологических функций животных. Биологические эксперименты при вертикальных запусках ракет показали, что собаки удовлетворительно переносят достаточно большие перегрузки и кратковременную невесомость.
В 1957 г. в СССР был осуществлен запуск второго искусственного спутника Земли с собакой Лайкой. Это событие имело принципиальное значение для космической медицины, поскольку впервые позволяло высокоорганизованному животному достаточно длительное время находиться в условиях невесомости. В результате была установлена удовлетворительная переносимость животным условий космического полета. Последующие эксперименты с шестью собаками во время полетов второго, третьего, четвертого и пятого советских кораблей-спутников, возвращаемых на Землю, позволили получить большой материал о реакциях основных физиологических систем организма высокоорганизованных животных (как в полете, так и на Земле, включая послеполетный период).
В кабинах этих же кораблей-спутников размещались различные по сложности организации биологические объекты: микроорганизмы, семена различных растений, культуры эпителиальных опухолевых клеток человека, небольшие консервированные участки кожи кролика и человека, насекомые, черные и белые лабораторные мыши и крысы, морские свинки. Все исследования, проведенные с помощью кораблей-спутников, дали обширный экспериментальный материал, твердо убедивший ученых в безопасности полета человека (с точки зрения здоровья) в космос.
К аналогичным выводам пришли и американские ученые, несколько позже осуществившие исследования на обезьянах, во время суборбитального и орбитального (два витка) полетов космических аппаратов (1961 г.).
В тот же период были решены и задачи по созданию систем жизнеобеспечения космонавтов — системы подачи кислорода в кабину, удаления углекислого газа и вредных примесей, а также питания, водообеспечения, врачебного контроля и утилизации продуктов жизнедеятельности человека. В этих работах принимали самое непосредственное участие специалисты космической медицины.
Второй этап, совпавший с первым десятилетием пилотируемых полетов (1961—1970 гг.), характеризовался кратковременными космическими полетами человека (от одного витка за 108 мин до 18 сут). Он начинается с исторического полета Ю.А. Гагарина.
Результаты медико-биологических исследований, выполненных за это время, надежно доказали не только возможность пребывания человека в условиях космического полета, но и сохранение у него достаточной работоспособности при выполнении различных заданий в ограниченной по объему кабине космического корабля и при работе в безопорном пространстве вне космического корабля. Однако при этом был выявлен ряд изменений со стороны двигательной сферы, сердечно-сосудистой системы, системы крови и других систем человеческого организма.
Было также установлено, что приспособление космонавтов к обычным условиям земного существования после космических полетов длительностью, начиная с 18 сут, протекает с известными трудностями и сопровождается более выраженным напряжением регуляторных механизмов, чем приспособление космонавта к невесомости. Таким образом, при дальнейшем увеличении времени полета требовалось создать системы соответствующих профилактических средств, усовершенствовать системы медицинского контроля и разработать методики прогноза состояния членов экипажей в полете и после его завершения.
Во время пилотируемых полетов по указанным программам, наряду с медицинскими исследованиями экипажей, проводились также и биологические эксперименты. Так, на борту кораблей «Восток-3», «Восток-6», «Восход», «Восход-2», «Союз» находились такие биологические объекты, как лизогенные бактерии, хлорелла, традесканция, клетки хелла; нормальные и раковые клетки человека, сухие семена растений, черепахи.
Третий этап пилотируемых космических полетов связан с длительными полетами космонавтов на борту орбитальных станций, он совпадает с истекшим десятилетием (1971 —1980 гг.). Отличительной особенностью пилотируемых полетов на данном этапе, кроме значительной продолжительности пребывания человека в полете, является увеличение объема свободного пространства жилых помещений — от кабины космического корабля до обширных зон обитания внутри орбитальной станции. Последнее обстоятельство имело двоякое значение для космической медицины: с одной стороны, стало возможным размещать на борту станции разнообразную аппаратуру для медико-биологических исследований и средства профилактики неблагоприятного воздействия невесомости, а с другой — значительно снизить влияние на человеческий организм со стороны факторов ограничения двигательной активности — гипокинезии (т.е. связанной с малыми размерами свободного пространства).
Следует сказать, что на орбитальных станциях могут быть созданы и более комфортные условия быта, личной гигиены и т.д. А применение комплекса профилактических средств может в значительной степени сгладить неблагоприятные реакции организма на невесомость, что имеет большой положительный эффект. Однако, с другой стороны, этим самым в определенной степени сглаживаются реакции человеческого организма на невесомость, что затрудняет анализ возникающих сдвигов для различных систем организма человека, характерных для условий невесомости.
Впервые долговременная орбитальная станция («Салют») была запущена в СССР в 1971 г. В последующие годы осуществлялись пилотируемые полеты на борту орбитальных станций «Салют-3, -4, -5, -6» (причем четвертая основная экспедиция станции «Салют-6» находилась в космосе 185 сут). Многочисленные медико-биологические исследования, выполненные во время полета орбитальных станций, показали, что с увеличением продолжительности пребывания человека в космосе прогрессирования выраженности реакций организма на условия полета в целом не наблюдалось.
Применявшиеся комплексы профилактических средств обеспечили поддержание хорошего состояния здоровья и работоспособности космонавтов в таких полетах, а также способствовали сглаживанию реакций и облегчали приспособление к земным условиям в послеполетном периоде. Важно отметить, что проведенные медицинские исследования не выявили каких-либо сдвигов в организме космонавтов, препятствующих планомерному увеличению продолжительности полетов. Вместе с тем со стороны, некоторых систем организма были обнаружены функциональные изменения, которые являются предметом дальнейшего рассмотрения.
К настоящему времени космические полеты совершили уже 99 человек различных стран на борту 78 космических кораблей и 6 долговременных орбитальных станций2 . Суммарное время путешествий составило около 8 человеко-лет. В СССР на 1 января 1981 г. осуществлено 46 пилотируемых космических полетов, в которых участвовало 49 советских космонавтов и 7 космонавтов из социалистических стран. Таким образом, на протяжении двух десятилетий пилотируемых космических полетов темп и масштабы проникновения человека в космическое пространство стремительно возрастали.
Далее мы рассмотрим основные результаты исследований по космической медицине, выполненных за это время. Во время космических полетов человеческий организм может подвергаться действию различных неблагоприятных факторов, которые условно можно разделить на следующие группы: 1) характеризующие космическое пространство как своеобразную физическую среду (крайне низкое барометрическое давление, отсутствие кислорода, ионизирующее излучение и т.д.); 2) обусловленные динамикой летательного аппарата (ускорение, вибрация, невесомость); 3) связанные с пребыванием космонавтов в герметической кабине космического корабля (искусственная атмосфера, особенности питания; гипокинезия и т.д.); 4) психологические особенности космического полета (эмоциональная напряженность, изоляция и т.д.).
Первая группа факторов преодолевается соответствующими техническими средствами. Так, герметическая кабина вполне защищает космонавтов от температурных влияний и вакуума космического пространства, а система жизнеобеспечения создает необходимые условия для жизни и работы в пространстве кабины. Исключением в этой группе факторов является космическая радиация: при некоторых солнечных вспышках уровень космической радиации может настолько увеличиться, что стенки кабины не смогут защитить космонавта от действия космических лучей.
Не все еще ясно и о действии галактических потоков проникающей радиации, содержащей частицы высоких энергий, обладающие очень высокой проникающей силой. Сложность в решении этой проблемы состоит также и в том, что ученые пока еще не научились моделировать полный спектр космической радиации в условиях Земли. Это естественно создает значительные сложности в изучении биологического действия космической радиации и в разработке мер защиты.
В этом направлении проводятся различные исследования по созданию электростатической защиты космического корабля, т. е. делаются попытки создать вокруг космического корабля электромагнитное поле, которое будет отклонять заряженные частицы, не пропуская их к кабине. Большой объем работ осуществляется и в области разработки фармакохимических средств профилактики и лечения лучевых поражений.
Большинство факторов второй группы с успехом моделируется в условиях земного эксперимента и изучается уже давно (вибрация, шумы, перегрузки). Их действие на человеческий организм вполне понятно, а, следовательно, ясны и меры профилактики возможных расстройств. Наиболее важным и специфичным при космическом полете является фактор невесомости. Следует отметить, что при длительном действии он может изучаться только в условиях реального полета, поскольку в этом случае моделирование его на Земле является весьма приближенным.
Наконец, третья и четвертая группы факторов полета не столько уж и являются космическими, однако условия космического полета вносят так много своего, присущего только этому виду деятельности, что исследование возникающих при этом психологических особенностей, а также режимов труда и отдыха, психологической совместимости и других факторов представляет собой самостоятельную и весьма сложную проблему.
Совершенно очевидно, что многогранность проблем космической медицины не позволяет исчерпывающе рассмотреть все из них, и здесь мы остановимся только на некоторых таких проблемах.
Медицинский контроль и медицинские исследования в полете
В комплексе мероприятий, обеспечивающих безопасность космонавтов в полете, важная роль принадлежит медицинскому контролю, задачей которого является оценка и прогнозирование состояния здоровья членов экипажа и выдача рекомендаций на проведение профилактических и лечебных мероприятий.
Особенность медицинского контроля в космическом полете состоит в том, что «пациентами» врачей являются здоровые, физически отлично подготовленные люди. В этом случае задача медицинского контроля состоит главным образом в выявлении функциональных приспособительных изменений, которые могут возникнуть в человеческом организме под влиянием факторов космического полета (в первую очередь невесомости), в оценке и анализе этих изменений, в определении показаний к применению профилактических средств, а также в; выборе наиболее оптимальных режимов их использования.
Обобщение результатов медицинских исследований в космических полетах и многочисленных исследований с моделированием факторов полета в условиях Земли позволяет получить данные о влиянии разнообразных нагрузок на человеческий организм, о допустимых пределах колебаний физиологических показателей и об особенностях реакций организма в этих условиях.
Следует подчеркнуть, что подобные исследования по космической медицине, уточняющие наши знания о нормальных проявлениях жизнедеятельности человеческого организма и более четко проводящие грань между его нормальными и измененными реакциями, имеют большое значение для выявления начальных признаков отклонений не только у экипажей космических кораблей в полете, но и в клинической практике, при анализе начальных и скрытых форм заболеваний и их профилактике.
В космическом полете в отличие от обычных условий врачи осуществляют медицинский контроль дистанционно, т.е. когда «пациент» находится на расстоянии от нескольких сот до нескольких тысяч километров. В качестве источников информации используются данные бесед врача с космонавтами, отчеты космонавтов о своем самочувствии и результаты само— и взаимоконтроля, анализ радиопереговоров (включая спектральный анализ речи). Важными источниками информации являются данные объективной регистрации физиологических параметров, показателей среды в кабине космического корабля (давление, содержание кислорода и углекислоты, влажность, температура и т.д.), а также анализ результатов выполнения наиболее сложных операций по управлению кораблем и научно-технических экспериментов.
Эта информация с помощью телеметрических систем поступает в центр управления полетом, где обрабатывается с помощью вычислительных машин и анализируется врачами. Физиологические параметры, подлежащие регистрации и передаче на Землю, определяются в соответствии с особенностью программы полета и спецификой деятельности экипажа. При оценке состояния здоровья космонавтов первостепенное значение имеет информация о состоянии наиболее жизненно важных систем человеческого организма (дыхание и кровообращение), а также об изменениях физической работоспособности космонавтов.
Сведения, получаемые в процессе полета, необходимы не только для оценки состояния экипажа в данном полете. Эти данные расширяют наши представления о компенсаторных возможностях человеческого организма б необычной среде обитания, помогают выяснять механизмы изменения физиологических функций и приспособления организма к условиям невесомости. Все это необходимо для разработки средств профилактики и для планирования медицинского обеспечения последующих полетов.
Объем медицинской информации, передаваемой с помощью биотелеметрии на Землю, был в различных полетах неодинаковым. В первых полетах по программе «Восток» и «Восход», когда наши знания о действии факторов космического полета на человеческий организм были весьма ограничены, регистрировался достаточно широкий спектр физиологических параметров, поскольку необходимо было не только контролировать состояние здоровья космонавтов, но и широко изучать его физиологические реакции на условия полета. При полетах по программе «Союз» количество физиологических показателей, передаваемых на Землю, ограничено и было оптимальным для контроля за состоянием здоровья космонавтов.
Во время выполнения программы полетов орбитальных станций «Салют» перечень регистрируемых параметров снова значительно расширился, и изменилась структура контроля. Помимо оперативного медицинского контроля, который был и раньше, во время полетов на орбитальных станциях осуществлялись периодические углубленные медицинские обследования, проводимые раз в 7—10 сут. Последние включали в себя клинические электрокардиографические обследования (в покое и при функциональных пробах), регистрацию показателей артериального и венозного давлений, изучение фазовой структуры сердечного цикла по данным кинетокардиографии, исследования ударного и минутного объема сердца, пульсового кровенаполнения различных областей тела (методом реографии) и ряд других обследований.
В качестве функциональных проб использовалась дозированная физическая нагрузка организма космонавта на велоэргометре («космическом велосипеде»), а также проба с приложением отрицательного давления к нижней части тела. В последнем случае с помощью вакуумного комплекта «Чибис», представляющего собой гофрированные «брюки», создавалось отрицательное давление в области нижней части живота и нижних конечностей, что вызывало прилив крови к этим областям, подобный тому, который имеет место на Земле во время пребывания человека в вертикальном положении.
Такая имитация вертикальной позы позволяет получить дополнительную информацию об ожидаемом состоянии экипажа в послеполетном периоде. Указанное обстоятельство представляется чрезвычайно важным, поскольку, как это было установлено в предыдущих полетах, длительное пребывание в невесомости сопровождается снижением так называемой ортостатической устойчивости, которая проявляется выраженными сдвигами в показателях сердечно-сосудистой системы при нахождении человека в вертикальном положении.
На орбитальной станции «Салют-6» (см. таблицу) проводилось измерение массы тела человека, исследовался объем голени, а также изучалось состояние вестибулярного аппарата и функции внешнего дыхания. В ходе полета осуществлялся забор проб крови и других жидкостей организма, проводилось исследование микрофлоры внешних покровов, слизистых оболочек человека и поверхностей станции, а также осуществлялся анализ проб воздуха. Взятые в полете материалы для исследований доставлялись с экспедициями посещения на Землю для детального анализа.
Методы исследования в космических полетах
Космические корабли Годы запуска Методы физиологических измерений
«Востоки» 1961—1963 Электрокардиография (1—2 отведения, пнемография, сейсмокардиография и кинетокардиография (характеризуют механическую функцию сердца), электроокулография (регистрация движений глаз), электроэнцефалография (регистрация биотоков коры головного мозга), кожно-гальванический рефлекс.
«Восходы» 1964—1965 Электрокардиография, пневмография, сейсмокардиография, электроэнцефалография, регистрация двигательных актов письма.
«Союзы»:
одиночные 1967—1970 Электрокардиография, пневмография, сейсмокардиография, температура тела.
входящие в комплексы «Салют» — «Союз» 1971—1980 Электрокардиография, пневмография, сейсмокардиография, кинетокардиография, сфигмография (регистрация кривой пульса бедренной, лучевой и сонной артерий), тахоосциллография (для измерения показателей артериального давления), флебография (для регистрации кривой пульса яремной вены и определения венозного давления, реграфия (для изучения ударного и минутного объема сердца и пульсового кровенаполнения различных областей тела), измерение массы тела, объема голени, забор крови, изучение внешнего дыхания, микробиологические исследования, а также исследования водно-солевого обмена и др.
Во время длительных полетов на орбитальных комплексах «Салют» — «Союз» важное значение придавалось медицинскому управлению. Медицинское управление является частью (подсистемой) более общей системы «экипаж — корабль — центр управления полетом», и его функции направлены на сохранение максимальной организованности всей системы в целом путем поддержания хорошего состояния здоровья экипажа и необходимой его работоспособности. С этой целью медицинская служба тесно взаимодействовала с экипажем и специалистами по планированию программы полета. Рабочим органом управления была группа медицинского обеспечения в центре управления полетом, вступавшая во взаимный контакт с экипажем, с консультативно-прогностической группой и с другими группами центра управления полетом.
Результаты обследований и формировавшиеся на их основе рекомендации по использованию профилактических средств, режиму труда и отдыха и другим медицинским мероприятиям систематически обсуждались с экипажем и принимались им к исполнению. Все это создавало атмосферу благожелательности и делового сотрудничества между группой медицинского обеспечения и экипажем в решении задачи сохранения здоровья экипажа в полете и в подготовке для встречи его с Землей.
Средства профилактики
Среди проблем космической медицины важное значение имеют исследования механизмов адаптации человеческого организма к факторам космического полета (и в первую очередь к невесомости), что является необходимой предпосылкой для разработки профилактических средств и рациональной системы медицинского контроля в длительных космических полетах. Имеющиеся к настоящему времени данные позволяют сформулировать некоторые рабочие гипотезы, которые могут рассматриваться как схема для проведения дальнейших исследований.
Главным звеном в патогенезе действия фактора невесомости является, по-видимому, снижение функциональной нагрузки на ряд систем человеческого организма в связи с отсутствием веса и связанного с этим механического напряжения структур тела. Функциональная недогруженность человеческого организма в состоянии невесомости проявляется, вероятно, как изменение афферентации с механорецепторов, а также как изменение распределения жидких сред и снижение нагрузки »а опорно-двигательный аппарат космонавта и его тоническую мускулатуру.
В обычных условиях земной жизни под влиянием силы веса в организме человека возникает тенденция к деформации и смещению тканей и органов в направлении вектора действующей силы. В результате в теле человека всегда имеет место напряжение структур, обусловленное силой веса. При этом большое количество мышц, а также связки, некоторые суставы, противодействуя этой тенденции, постоянно находятся под нагрузкой независимо от положения тела человека. Под влиянием веса внутренние органы стремятся и к смещению по направлению к Земле, натягивая фиксирующие их связки.
Многочисленные нервные воспринимающие приборы (рецепторы), находящиеся в мышцах, связках, внутренних органах, сосудах и т.д., посылают импульсы в центральную нервную систему, сигнализируя о положении тела. Такие же сигналы поступают из вестибулярного аппарата, расположенного во внутреннем ухе, где кристаллики углекислых солей (столиты), смещая нервные окончания под влиянием своего веса, сигнализируют о перемещении тела.
Однако при длительном полете и непременном его атрибуте — невесомости — вес тела и отдельных его частей отсутствует. Рецепторы мышц, внутренних органов, связок, сосудов при нахождении в невесомости работают как бы «в другом ключе». Сведения о положении тела поступают главным образом из зрительного анализатора, и нарушается выработанное на протяжении всего развития человеческого организма взаимодействие анализаторов пространства (зрения, вестибулярного аппарата, мышечного чувства и др.). Мышечный, тонус и нагрузка на мышечную систему в целом уменьшаются, поскольку отсутствует необходимость противостоять им силе веса.
В результате в невесомости уменьшается общий объем импульсации с воспринимающих элементов (рецепторов), идущий в центральную нервную систему. Это приводит к снижению активности центральной нервной системы, что, в свою очередь, влияет на регуляцию внутренних органов и других функций человеческого организма. Однако организм человека — структура чрезвычайно пластичная, и через некоторое время пребывания человека в состоянии невесомости отмечается приспособление его организма к этим условиям, причем работа внутренних органов уже происходит на новом, ином (по сравнению с Землей) функциональном уровне взаимодействия между системами.
Важным моментом, обусловливающим ряд изменений: в человеческом организме, также является отсутствие веса крови. В обычных земных условиях, особенно когда человек находится в вертикальном положении, кровь, благодаря ее весу стремится в нижележащие части тела (ноги, нижняя часть живота). В связи с этим организм космонавта вырабатывает систему механизмов, препятствующих такому перемещению. В невесомости ведь нет силы, кроме энергии сердечного толчка, которая бы способствовала перемещению крови к нижним участкам тела. В результате наблюдается прилив крови к голове и органам грудной клетки.
В начальном периоде пребывания космонавта в состоянии невесомости отмечается большое поступление жидкости из тканей в кровяное русло, приводящее к увеличению объема циркулирующей крови и растяжению центральных вен и предсердий. Это является поводом к сигналу в центральную нервную систему о включении механизмов, способствующих уменьшению избытка жидкости в крови. В результате возникает ряд рефлекторных реакций, приводящих к увеличению выведения жидкости, а вместе с ней и солей из организма. В конечном итоге может снизиться вес тела и измениться содержание некоторых электролитов, в частности калия, а также измениться состояние сердечно-сосудистой системы.
Перераспределение крови играет, по-видимому, определенную роль в развитии вестибулярных нарушений (космическая форма укачивания) в начальном периоде пребывания в невесомости. Однако ведущая роль здесь все же принадлежит, вероятно, нарушению слаженной работы органов чувств в условиях невесомости, осуществляющих пространственную ориентировку.
Отсутствие весовой нагрузки на костно-мышечную систему вызывает включение ряда механизмов, приводящих к снижению синтетических процессов в мышцах человека, обеспечивающих функцию их сокращения. Это приводит к соответствующему изменению в так называемых антигравитационных мышцах, снижению их тонуса, атрофии. Снижение тонуса и силы мышц, в свою очередь, способствует ухудшению регуляции вертикальной позы и нарушению походки у космонавта в послеполетном периоде. Вместе с тем причиной этих явлений может быть и перестройка двигательного стереотипа в процессе.
Приведенные представления о механизме изменения некоторых функций человеческого организма в условиях невесомости, естественно, довольно схематичны, еще не во всех своих звеньях подтверждены экспериментально. Мы провели эти рассуждения лишь с целью показать взаимосвязанность всех функций организма космонавта, когда изменения в одном звене вызывают целую гамму реакций различных систем. С другой стороны, важно подчеркнуть обратимость изменений, широкие возможности приспособления человеческого организма к действию самых необычных факторов внешней среды.
Описанные изменения функций организма космонавта в состоянии невесомости могут рассматриваться как отражение приспособительных реакций человека к новым условиям существования — к отсутствию силы веса. Естественно, что эти изменения во многом определяют соответствующие реакции со стороны человеческого организма, которые имеют место при возвращении космонавта на Землю и при последующем приспособлении его организма к условиям Земли, или, как говорят врачи, при реадаптации.
Выявленные после кратковременных полетов в космос сдвиги в ряде функций организма космонавта, прогрессирующие с увеличением продолжительности полетов, поставили вопрос о разработке средств профилактики неблагоприятного влияния невесомости. Теоретически можно было предположить, что применение искусственной силы тяжести (ИСТ) явится наиболее радикальным средством защиты от невесомости. Однако создание ИСТ порождает ряд физиологических проблем, связанных с пребыванием во вращающейся системе, а также технических проблем, которые должны обеспечить создание ИСТ в космическом полете.
В связи с чем исследователи еще задолго до начала космических полетов начали поиски других путей для профилактики неблагоприятных изменений в человеческом организме в условиях космического полета. В ходе этих исследований испытывались многочисленные методы для профилактики неблагоприятного влияния невесомости, не связанные с применением ИСТ. К ним относятся, например, физические методы, направленные на уменьшение перераспределения крови в организме космонавта во время или после окончания полета, а также на стимуляцию нервно-рефлекторных механизмов, регулирующих кровообращение в вертикальном положении тела. Для этого используются приложение отрицательного давления к нижней части тела, накладываемые на руки и ноги надувные манжеты, костюмы для создания перепада положительного давления, вращение на центрифуге малого радиуса, инерционно-ударные воздействия, электростимуляция мышц нижних конечностей, эластичные и противоперегрузочные костюмы и т.д.
Среди других методов подобной профилактики отметим физические нагрузки, направленные на поддержание тренированности организма и стимуляцию некоторых групп рецепторов (физические тренировки, нагрузочные костюмы, нагрузка на скелет); воздействия, связанные с регуляцией питания (добавление солей, белков и витаминов в пищу, нормирование питания и водопотребления); целенаправленное воздействие с помощью так называемых медикаментозных средств и измененной газовой среды.
Профилактические средства против каких-либо неблагоприятных сдвигов в организме космонавта могут быть эффективны лишь в том случае, если они назначаются с учетом механизма этих нарушений. Применительно к невесомости профилактические средства должны быть направлены в первую очередь на восполнение дефицита мышечной активности, а также на воспроизведение эффектов, которые в условиях Земли обусловливаются весом крови и тканевой жидкости.
Группа советских ученых обосновала и внедрила комплекс профилактических средств для использования во время полетов на орбитальных станциях «Салют». Этот комплекс включает в себя: 1) ежесуточное выполнение физических упражнений на беговой дорожке и велоэргометре, а также силовых упражнений с эспандерами; 2) создание постоянной нагрузки на опорно-двигательный аппарат и скелетную мускулатуру космонавта (ежесуточное пребывание в течение 10—16 ч в нагрузочных костюмах); 3) тренировки с приложением отрицательного давления к нижней части тела, проводимые в конце полета; 4) применение водно-солевых добавок в день окончания полета; 5) применение послеполетного противоперегрузочного костюма.
Для проведения физических тренировок на борту орбитальных станций «Салют» установлен тренажер «бегущая дорожка», позволяющий воспроизводить в невесомости движения, характерные для ходьбы, прыжков, приседаний. С помощью специальных костюмов и системы резиновых амортизаторов при выполнении «космической зарядки» создавалась нагрузка величиной 50 кг в направлении продольной оси тела, а также статическая нагрузка на основные группы антигравитационных мышц.
Физические тренировки проводились также и на велоэргометре — аппарате, аналогичном велосипеду, но стоящем на месте. На нем космонавты педалировали ногами или руками, создавая тем самым соответствующую нагрузку на соответствующие мышечные группы.
Нагрузочные костюмы воспроизводили постоянную статическую нагрузку на опорно-двигательный аппарат и скелетную мускулатуру космонавта, что в определенной степени компенсирует отсутствие земной силы тяжести. Конструктивно костюмы выполнены как полуприлегающие комбинезоны, включающие в себя эластичные элементы типа резиновых амортизаторов.
Для создания отрицательного давления на нижнюю часть тела применялся вакуумный комплект в виде брюк, представляющих собой герметический мешок на каркасе, в котором можно создавать разрежение. При уменьшении давления создаются условия оттока крови к ногам, что способствует такому ее распределению, которое характерно для человека, находящегося в вертикальной позе в условиях Земли.
Водно-солевые добавки предназначались для задержки воды в организме и увеличения объема плазмы крови. Послеполетный профилактический костюм, надеваемый под скафандр перед спуском, был предназначен для создания избыточного давления на ноги, что препятствует на Земле скоплению крови в нижних конечностях при вертикальном положении тела и благоприятствует сохранению нормального кровообращения при переходе из горизонтального положения в вертикальное.
Изменение основных функций человеческого организма в невесомости
Главным итогом изучения космического пространства (с медицинской точки зрения) стало доказательство возможности не только длительного пребывания человека в условиях космического полета, но и разносторонней его деятельности там. Это дает теперь право рассматривать космическое пространство как среду будущего обитания человека, а космический аппарат и сам полет в космос — как наиболее эффективный, непосредственный способ изучения реакций человеческого организма в этих условиях. К настоящему времени накопилась достаточно большая информация о реакциях различных физиологических систем организма космонавта в разные фазы полета и в послеполетном периоде.
Симптомокомплекс, внешне сходный с болезнью укачивания (снижение аппетита, головокружение, усиление слюноотделения, тошнота, а иногда и рвота, пространственные иллюзии), в той или иной степени выраженности наблюдается примерно у каждого третьего космонавта и проявляется в первые 3—6 сут полета. Важно отметить, что в настоящее время пока еще невозможно достоверно предсказывать степень выраженности этих явлений у космонавтов в полете. У некоторых космонавтов признаки укачивания проявлялись также и в первые сутки после возвращения на Землю. Развитие симптомокомплекса укачивания в полете в настоящее время объясняется изменением функционального состояния вестибулярного аппарата космонавта и нарушением взаимодействия его сенсорных систем, а также особенностями гемодинамики (перераспределением крови) в условиях невесомости.
Симптомокомплекс перераспределения крови в верхнюю часть тела имеет место почти у всех космонавтов в полете, возникает в первые сутки и затем в различные сроки, в среднем в течение недели, постепенно сглаживается (но не всегда полностью исчезает). Этот симптомокомплекс проявляется ощущением прилива крови и тяжести в голове, заложенностью носа, сглаженностью морщин и одутловатостью лица, увеличением кровенаполнения и давления в венах шеи и показателей кровенаполнения головы. Объем голени уменьшается. Описанные явления связаны с перераспределением крови вследствие отсутствия ее веса в невесомости, что приводит к уменьшению скопления крови в нижних конечностях и увеличению притока в верхнюю часть тела.
Изменения двигательной функции в полете характеризуются выработкой в течение первых трех суток пребывания в невесомости нового стереотипа движений. В первые сутки полета обычно возрастает время выполнения некоторых рабочих операций и затрудняется оценка мышечных усилий, необходимых для выполнения ряда движений. Однако уже в течение нескольких первых суток полета эти движения вновь обретают необходимую точность, уменьшаются необходимые усилия для их выполнения и эффективность двигательной работоспособности возрастает. При возвращении на Землю субъективно увеличивается вес предметов и собственного тела, изменяется регуляция вертикальной позы. При послеполетном исследовании двигательной сферы у космонавтов выявляется уменьшение объема нижних конечностей, некоторая потеря мышечной массы и субатрофия антигравитационной мускулатуры, главным образом длинных и широких мышц спины.
Изменения функций сердечно-сосудистой системы в длительных космических полетах проявляются как тенденция к небольшому снижению некоторых показателей артериального давления, повышение венозного давления в области вен шеи и снижение его в области голени. Выброс крови при сокращении сердца (ударный объем) первоначально увеличивается, а минутный объем кровообращения имеет на протяжении полета тенденцию к превышению предполетных величин. Показатели кровенаполнения головы обычно увеличивались, нормализация их происходила на 3—4 месяцах полета, а в области голени уменьшались.
Реакция сердечно-сосудистой системы на функциональные пробы с приложением отрицательного давления к нижней части тела и физической нагрузкой претерпевала некоторые изменения в полете. При пробе с приложением отрицательного давления реакции космонавта в отличие от земных были более выраженными, что указывало на развитие явлений ортостатической детренированности. Вместе с тем переносимость проб с физической нагрузкой в полугодовых полетах практически во всех обследованиях оценивалась как хорошая, и реакции качественно не отличались от предполетного периода. Это свидетельствовало о том, что с помощью профилактических мероприятий удается стабилизировать реакцию организма на функциональные пробы и даже в ряде случаев достигнуть их меньшей выраженности, чем в предполетном периоде.
В послеполетном периоде при переходе из горизонтального положения в вертикальное, а также при проведении ортостатической пробы (пассивное вертикальное положение на наклонном столе) выраженность реакций больше, чем до полета. Это объясняется тем, что в условиях Земли кровь снова обретает свой вес и устремляется к нижним конечностям и вследствие снижения у космонавтов тонуса сосудов и мышц здесь может скапливаться больше крови, чем обычно. В результате происходит отток крови от мозга.
Увеличение частоты сердечных сокращений является защитной мерой человеческого организма, направленной на поддержание достаточного кровоснабжения мозга в этих условиях. Если эта защитная мера окажется недостаточной, может резко снизиться артериальное давление, мозг будет испытывать недостаток крови, а следовательно, и кислорода.
Изменения водно-солевого обмена и функции почек: проявляются после полета как снижение веса, объема плазмы крови и общего содержания обмениваемого калия в организме, а также как задержка воды и некоторых солей после полета. Сразу после полетов уменьшается выведение жидкости почками и увеличивается выведение ионов кальция и магния, а также ионов калия. Отрицательный баланс калия в сочетании с увеличением выведения азота, вероятно, указывает на уменьшение клеточной массы и снижение способности клеток в полном объеме ассимилировать калий. Исследования некоторых функций почек с помощью нагрузочных проб выявили рассогласование в системе ионорегуляции в виде разнонаправленного изменения экскреции жидкости и некоторых ионов. При анализе полученных данных складывается впечатление, что сдвиги в водно-солевом балансе обусловлены изменением систем регуляции и гормонального статуса под влиянием фактора полета.
Уменьшение минеральной насыщенности костной ткани (потеря кальция и фосфора костями) отмечено в ряде полетов. Так, после 175— и 185-суточных полетов эти потери составляли 3,2—8,3%, что существенно меньше, чем после длительного постельного режима. Такое относительно небольшое уменьшение минеральных компонентов в костной ткани является весьма существенным обстоятельством, поскольку рядом ученых деминерализация костной ткани рассматривалась как один из факторов, который может явиться препятствием для увеличения длительности космических полетов.
Биохимические исследования показали, что под влиянием длительных космических полетов происходит перестройка процессов метаболизма, обусловленная приспособлением организма космонавта к условиям невесомости. Выраженных изменений обмена веществ при этом не наблюдается.
Гематологические изменения проявляются как уменьшение общей массы гемоглобина и количества эритроцитов, причем уменьшение количества эритроцитов прогрессирует в течение некоторого времени после приземления и восстанавливается примерно через 1—1,5 месяца после полета. Исследования содержания эритроцитов в крови во время и после полетов представляют большой интерес, поскольку, как известно, средняя продолжительность жизни эритроцитов составляет 120 сут.
Уменьшение содержания эритроцитов и эритроцитарной массы объясняется следующим образом. Перераспределение крови, возникающее в условиях невесомости приводит к рефлекторной потере жидкости и уменьшению объема плазмы крови. В результате включаются компенсаторные механизмы, стремящиеся сохранить основные константы циркулирующей крови, что приводит (вследствие уменьшения объема плазмы крови) к адекватному уменьшению эритроцитарной массы. Быстрое же восстановление эритроцитарной массы после возвращения на Землю невозможно, поскольку образование эритроцитов происходит медленно, в то время как жидкая часть крови (плазма) восстанавливается! значительно быстрее. Такое быстрое восстановление объема циркулирующей крови приводит к кажущемуся дальнейшему уменьшению содержания эритроцитов, которое восстанавливается через 6—7 недель после окончания полета.
Таким образом, результаты гематологических исследований, полученные во время и после длительных космических полетов, позволяют оптимистически оценивать возможность приспособления системы крови космонавта к условиям полета и ее восстановление в послеполетном периоде. Это обстоятельство является чрезвычайно важным, поскольку в специальной литературе возможные гематологические изменения, ожидаемые в длительных космических полетах, рассматриваются как одна из проблем, способная воспрепятствовать дальнейшему увеличению продолжительности полетов.
Следует еще раз подчеркнуть следующее важнейшее обстоятельство. Все изменения, которые наблюдаются у космонавтов в полете, являются функциональными, т.е. обратимыми, они бесследно исчезают в разное время после полета. Необходимо все же сказать, что мы еще не все знаем о реакциях космонавтов в длительном полете, не со всеми неблагоприятными явлениями можем бороться. Работы в этом плане предстоит еще много.
|
