12.10.2009 | Наука

На койке к Марсу

Исследования позволили разработать систему профилактики, сделавшую возможными сверхдлительные космические полеты

Сейчас уже трудно поверить, но всего чуть больше полувека назад ученые совершенно серьезно сомневались в том, сможет ли человек перенести даже короткий космический полет, оставшись в живых. Сегодня эти страхи, конец которым положило только успешное приземление Гагарина, кажутся смешными, но в них был определенный резон:

во время полета космонавту приходится сталкиваться со множеством неблагоприятных факторов.

Впрочем, действие большинства из них –  сильных перегрузок, повышенного радиационного фона, замкнутого пространства и т. д. –  на организм человека к началу пилотируемых полетов было более-менее известно и, главное, поддавалось наземному моделированию. Наибольшая неопределенность была связана с воздействием невесомости: до 12 апреля 1961 года люди никогда не сталкивались с этим состоянием, и воспроизвести его в полной мере на Земле было просто невозможно.

Человек, впервые попавший в невесомость, поначалу обычно испытывает восторг: во всем теле ощущается необычайная легкость, и можно лететь в любом направлении, словно во сне.

(Правда, при этом нередки болезненные ушибы: тяготение-то исчезло, а инерция никуда не делась.) Но уже через несколько часов для большинства новичков наступает расплата: они испытывают нечто похожее на морскую болезнь –  усиленное слюноотделение, головокружение, тошноту (часто переходящую в рвоту), пространственные и двигательные иллюзии.

Дело в том, что в той сетке координат, которую строит для себя человеческий мозг, два направления (вперед-назад и вправо-влево) относительны, но вертикальная ось абсолютна. Человек может висеть вниз головой, кувыркаться, крутить «солнце» на турнике или совершать двойное сальто, но верх и низ при этом никогда не меняются местами. Об этом мозгу постоянно сообщает вестибулярный аппарат, в полукружных канальцах которого свободно перекатываются камешки-отолиты. Как бы человека ни повернуло, отолит ляжет на тот или иной участок внутренней стенки, и находящиеся там чувствительные клетки сообщат мозгу, что этот участок сейчас внизу. Но в невесомости этот механизм отказывает: отолиты свободно плавают в заполняющей канальцы жидкости, а если и касаются стенок, то не оказывают на них давления. Не помогают и механорецепторы кожи и мышц: ни одна часть тела не испытывает характерного сдавливания, означающего, что она оказалась внизу.

Мозг в отчаянии обращается к глазам –  но те показывают ему товарища, непринужденно свисающего вниз головой с потолка. Ответом на это и становится «укачивание» –  космическая форма болезни движения.

Впрочем, у нее есть два немаловажных достоинства: она действует только на новичков (во второй раз ее проявления значительно слабее, если вообще заметны) и проходит сама собой в первые 3 –  6 дней полета.

Еще один неприятный эффект –  перераспределение жидкости в организме. На Земле кровь и другие жидкости, повинуясь силе тяжести, все время пытаются стечь в нижнюю половину тела. Этому противостоит повышенный тонус стенок сосудов и скелетных мышц. Но в невесомости этот избыточный тонус буквально выжимает жидкость из нижней половины в верхнюю.

Это проявляется не только в отеке лица, заложенности носа и ощущении «прилива крови» – грудная клетка и само сердце тоже переполняются кровью. Вегетативная нервная система, получая сигналы об избытке крови в сердце, дает команду почкам вывести из организма лишнюю жидкость. Сброс несуществующего «избытка» может вызвать серьезное обезвоживание, но его легко предотвратить, просто потребляя достаточно много жидкости (независимо от ощущения жажды).

Со временем регуляторные механизмы обучаются брать поправку на невесомость, и повышенный тонус в нижней половине тела исчезает.

Но когда космонавт возвращается на Землю, ничто уже не препятствует крови перетечь вниз. А поскольку самая чувствительная к недостатку кислорода ткань –  мозг –  находится как раз на самом верху тела, он может просто отключиться. В первые годы космонавтики обмороки сразу после приземления были обычным делом.

Тонус сосудов –  не единственное, что слабеет в отсутствие силы тяжести. Организм быстро обнаруживает, что в невесомости ему не нужно постоянно напрягать так называемые антигравитационные мышцы (прежде всего мышцы позвоночника и разгибатели нижних конечностей), обеспечивавшие ему на Земле возможность стоять и ходить. Освобожденные от постоянных упражнений, эти мышцы сбрасывают тонус настолько быстро, что когда в 1970 году Адриан Николаев и Виталий Севастьянов вернулись из 18-суточного полета (тогда это было рекордом длительности), врачам пришлось извлекать их из спускаемого аппарата и уносить на носилках к вертолету: их спины и ноги были не в силах удержать их в вертикальном положении.

В более длительных полетах начинает уменьшаться и мышечная масса. В основном опять-таки за счет ног и спины, в то время как мышцы рук могут даже прибавить в весе (поскольку  с их помощью космонавт передвигается). Потери могут составить до четверти общей массы мышц.

Но хуже всего то, что вслед за мышцами начинают терять массу и кости. Принцип тот же: раз больше нет силы тяжести, зачем нужен такой массивный, прочный, укрепленный минеральными солями скелет? В костях распад костной ткани начинает преобладать над ее нарастанием, а из организма усиленно выводятся самые разные ионы: магний, фосфор, калий, но прежде всего –  кальций. У космонавтов развивается что-то вроде остеопороза: кости становятся тонкими, хрупкими, нарастает опасность переломов.

Узнать обо всех этих угрозах можно было только в ходе полетов. Но разработка мер противодействия требовала огромного объема экспериментальной работы, который было немыслимо провести на орбите. Нужны были наземные модели  невесомости, воспроизводящие хотя бы некоторые из ее эффектов.

Простейшая такая модель –  антиортостатическая гипокинезия (американцы называют ее просто bed rest –  «постельный режим»). Испытуемый несколько недель проводит на обычной больничной кровати. Вставать или садиться нельзя и даже приподниматься на локте не рекомендуется. Все физиологические потребности, упражнения и обследования –  только лежа. Для более выраженного эффекта ложе отрегулировано так, что ноги оказываются чуть-чуть (на 5 –  7 градусов) выше головы. В таком положении испытуемый проводит довольно долго: эксперименты с гипокинезией длятся от недели до полугода.

На этом месте многие завистливо вздохнут: мол, бывает же у людей работа –  лежать неделями или месяцами в постели и ничего не делать!

На самом деле это серьезное испытание. Автор этих строк своими глазами видел, как уже в первые дни гипокинезии у некоторых испытуемых –  взрослых здоровых мужчин, прошедших специальное обследование! –  начиналась экстрасистолия (дополнительные, выпадающие из правильного ритма сердечные сокращения). А того, кто завершил эксперимент или досрочно вышел из него, приходилось несколько часов подстраховывать: он мог в любую минуту, прямо посреди фразы «прекрасно себя чувствую!» упасть в обморок.

Именно эксперименты с гипокинезией позволили разработать систему спортивных тренировок, позволяющую в значительной мере компенсировать сосудистые и опорно-двигательные эффекты невесомости. С виду в них нет ничего особенного: ходьба и бег на бегущей дорожке (к которой, правда, космонавт притянут эспандерами, имитирующими гравитационную нагрузку), прыжки и т. д. Но регулярные занятия по этой системе и ношение специального нагрузочного костюма (сквозь него проходят резиновые тяжи, все время пытающиеся «скрючить» человека) позволили врачу-космонавту Валерию Полякову выйти на своих ногах из спускаемого аппарата после 438-суточного полета.

Конечно, гипокинезия – довольно грубая модель невесомости. Воспроизвести ее точнее можно было бы, например, погрузив человека в воду.

Однако в воде у человека начинаются изменения в коже, да и довольно трудно обеспечить безопасность испытуемого, скажем, во время сна. Поэтому поступают несколько по-другому: на поверхность воды стелят с большим запасом специальную пленку и уже на нее укладывают испытуемого. Его тело как бы погружено в воду и висит в ее толще, но при этом воды не касается. Этот метод (так называемая сухая иммерсия) больше похож на реальную невесомость, но имеет более жесткие ограничения по времени: держать испытуемого в такой ванне больше семи суток не рекомендуется. Поэтому в экспериментах с иммерсией обычно исследуются более краткосрочные эффекты полетов.

Наземные и орбитальные исследования позволили разработать систему профилактики, сделавшую возможными сверхдлительные (более года) космические полеты. Однако ученые пока могут ответить не на все вызовы невесомости –  в частности, до сих пор не найдено удовлетворительного решения проблемы деминерализации костной ткани. Поэтому время от времени разработчики космической техники возвращаются к идее, обещающей решить разом все проблемы, –  искусственной гравитации.

Но пока известен единственный способ имитировать силу тяжести –  заставить корабль вращаться.

Эксперименты на животных показали, что тяжесть нарушений при этом (возникающих за счет действия кориолисовых сил) оказываются еще выше.

Источник: «Что нового в науке и технике» № 6, 2009,