Минусы состояния невесомости для человека. Влияние невесомости на живые организмы. н евесомость состояние, при котором сила взаимодействия тела с опорой (вес тела), возникающая в связи гравитационным. Эволюционный экскурс, или обретение точки опоры

Всякий раз, запинаясь и падая, мы проклинаем гравитацию самыми последними словами, но в состоянии невесомости человеку тоже приходится несладко. Последствия влияния невесомости на человека очень существенны.

Влияние на рост

Одна из интересных особенностей воздействия невесомости на организм человека - это увеличение роста. Из-за невесомости ослабевают мышцы, обеспечивающие плотное прилегание позвонков друг к другу, мышечный корсет постепенно атрофируется, позвоночный столб теряет свои естественные изгибы. Чтобы минимализировать эти эффекты, космонавты во время пребывания на космической станции одеты в специальные костюмы "Пингвин", которые тонизируют мышцы и специальными встроенными амортизаторами создают нагрузку на опорно-двигательный аппарат.
В среднем космонавты вырастают за время работы в космосе на 3-5 см. Это создает определенные сложности. Дело в том, что для возвращения космонавтов на Землю в посадочной капсуле устанавливает ложемент, который отливается для каждого космонавта индивидуально, с подгонкой до миллиметра. Несоответствие размеров ложемента росту космонавта может угрожать его безопасности. В интервью "Российской газете" Валерий Богомолов рассказывал о том, как в спешном порядке однажды пришлось убирать лишний рост бортинженеру МКС-30 Анатолию Иванишину. И это не единичный случай.

Старение

Влияет невесомость и на процессы старения организма. , опубликованное в журнале The FASEB в августе прошлого года показали, что ускоренное старение в условиях невесомости связано даже не с процессами, происходящими с опорно-двигательным аппаратом, а с эндотелиальными клетками, которые выстилают изнутри все сосуды человека.
В условиях невесомости они испытывают серьезный окислительный стресс, при котором воспалительные процессы ускоряются, ускоряется и процесс старения. Всё это прямым образом влияет на сердечно-сосудистую систему человека.

Главный редактор журнала The FASEB Геральд Вейсманн сказал, что человек эволюционировал в условиях гравитации, которая использовалась для регулирования биологических процессов. Без гравитации, подчеркнул Вайсманн, ткани теряются и быстро стареют.

Невесомость и кости

Невесомость губительным образом влияет на состояние костей человека, кости теряют кальций и постепенно разрушаются. За один месяц пребывания в невесомости костная масса у космонавтом может снизиться на 1-2 %. Это происходит из-за нарушения фосфорного обмена, а также из-за того, что организму нет необходимости поддерживать тело и он почти перестает вырабатывать костный материал. Этот синдром получил название космической остеопатии.

Необходимо сказать и о том, что избыток кальция в крови может негативно сказываться на почках. К счастью, при возвращении на Землю космонавты снова набирают костную массу, но долгое пребывание в невесомости может сказаться на здоровье человека самым фатальным образом. Так, за время трехлетнего путешествия на Марс, космонавт может потерять до 50% костной массы, вернуться на Землю и восстановиться он больше не сможет.

Круглое сердце

Коль идет речь об атрофии мышц в космосе, то необходимо сказать и о главной мышце организма - сердце. Тем более, что не так давно НАСА провело исследование, давшее очень интересные результаты. Оказалось, что сердце не только ослабевает и уменьшается в объемах, но и... округляется. Во время проведения исследования, кардиологи НАСА изучали сердца 12 космонавтов, работавших на МКС. Анализ снимков показал, что в условиях невесомости сердце округляется на 9,4 %. Впрочем, при возвращении на Землю сердце в течение полугода возвращает свою обычную форму и возобновляет "земную" активность. Чтобы представить снижение активности работы сердца, достаточно сказать, что полуторомесячное лежание на кровати равнозначно недельной работе в условиях невесомости.

Не заплачешь

Как Вы уже поняли, жизнь в невесомости мало похожа на сказку, но если на Земле человек может дать себе психологическую разгрузку просто заплакав, то в состоянии невесомости это невозможно. Слезы не только не польются ручьем, они даже не покинут глаз. Шарики из слез останутся внутри и будут не только затруднять зрение, но и ухудшать его, вызывая жжение. Для того, чтобы удалять из глаз лишнюю влагу, космонавты используют специальные "совочки".

Санкт - Петербургский Государственный

Технологический Институт

(Технический Университет)

Кафедра химии и технологии материалов и изделий сорбционной

Факультет 5

Группа 5673

Реферат на тему:

«Влияние невесомости на физиологическое состояние организма»

Проверила: Григорьева Л.В.

Выполнила: Алексеева Е.И.

Санкт-Петербург

2011 Г.

Введение…………………………………………………………………….3

Изучение влияния невесомости на организм……………………………..4

Влияние невесомости на организм ….…………………………………….7

Список литературы…………………………………………………............13

Введение.

Мы живем в век начала освоения космоса, в век полётов космических кораблей вокруг Земли, на Луну и на другие планеты Солнечной системы. Само слово невесомость говорит о том, что у тела отсутствует вес, то есть оно не давит на опору и не растягивает подвес. Причина невесомости заключается в том, что сила всемирного тяготения (взаимное притяжение всех тел во Вселенной) сообщает телу и его опоре одинаковые ускорения. Поэтому всякое тело, которое движется под действием только силы всемирного тяготения, находится в состоянии невесомости.

Длительную невесомость человек испытывает в космосе, в космическом корабле, на орбитальной станции. Невесомость - главное отличие космической жизни от земной. Она влияет на всё: на кровообращение, дыхание, настроение, физиологические и биологические процессы. Невесомость - уникальное явление космического полёта. Тяжесть - самое надежное качество, которым обладает каждый предмет на Земле. Тяжесть - это то, что природа распределила равномерно: поровну на каждую единицу массы. В течение всего времени орбитального полёта космонавты находятся в состоянии невесомости. Они теперь не ходят, а плавают, отталкиваясь как от опоры, от стен или от заземлённых предметов. Космонавты могут, образно говоря, ходить по потолку. Сила притяжения отсутствует, тело делается непривычно лёгким, при этом кровь тоже делается невесомой.

Несмотря на кажущуюся лёгкость, передвижение в невесомости - дело непростое. Оказавшись в невесомости, вся кровь и жидкость приливает в голову. Голова тяжёлая, заложен нос, глаза красные, плохо думается. После длительного полёта в невесомости организм космонавта испытывает резкий переход к большим перегрузкам, которые будут вызваны включением тормозной установки корабля. Длительное пребывание в невесомости - отрицательно сказывается на здоровье космонавта. Влияние невесомости на организм человека так полностью и не разгадано.

Изучение влияние невесомости на организм.

Первые научно-теоретические разработки вопросов, связанных с оценкой возможного влияния на организм человека отсутствия силы тяжести, были проведены К. Э. Циолковским (1883, 1911, 1919). В трудах этого выдающегося ученого, признанного «отцом космонавтики», выдвигаются предположения о том, что при невесомости изменится двигательная функция, пространственная ориентировка, могут возникнуть иллюзорные ощущения положения тела, головокружения, приливы крови к голове. Длительное отсутствие тяжести, по его мнению, может постепенно привести к изменению формы живых организмов, утрате или перестройке некоторых функций и навыков. Циолковский проводил аналогии между состоянием невесомости и условиями, с которыми человек сталкивается на Земле (погружение в воду, пребывание в постели). Он указывал, в частности, что поскольку постоянное пребывание в постели может быть вредным для здоровых людей, то и в «среде без тяжести» можно ожидать развития аналогичных нарушений. И хотя автор предполагал возможность приспособления человека к этому состоянию, «на всякий случай» он предусматривал необходимость создания искусственной тяжести за счет вращения космического корабля. Трудами Циолковского, по существу, были предопределены основные направления экспериментальных исследований влияния невесомости на биологические объекты (изучение сенсорных, двигательных, вегетативных реакций), заложены отправные положения, необходимые для понимания механизмов возникновения тех или иных изменений в условиях невесомости, определен наиболее радикальный путь к предупреждению такого рода расстройств и указаны возможные способы имитации невесомости в наземных условиях.

У нас в стране широко развернута экспериментальная работа с лабораторным моделированием невесомости (погружение в воду, пребывание в горизонтальном положении, ограничение подвижности). В такого рода экспериментах изучаются эффекты, обусловленные снижением величины и отсутствием колебаний гидростатического давления крови, уменьшением весовой нагрузки на опорные структуры, состоянием гиподинамии, т. е. теми факторами, значение которых в развитии нарушений, обусловленных влиянием невесомости на организм, по-видимому, является ведущим.

С помощью иммерсионной модели достаточно оперативно воспроизводятся сдвиги со стороны водно-солевого обмена, ортостатической устойчивости и физической работоспособности. Однако для решения вопроса о влиянии на организм длительной невесомости иммерсионная модель неприемлема. В значительно большей степени этим задачам отвечает состояние гиподинамии в сочетании с горизонтальным положением. Оно в достаточной мере воспроизводит первичные реакции, связанные со многими сторонами действия невесомости, и не содержит сколько-нибудь выраженных побочных эффектов, способных существенно исказить течение основного синдрома. В силу этого названная модель, очевидно, не вносит каких-либо ограничений и в сроки проведения эксперимента, кроме, естественно, тех, которые вытекают из особенностей развития воспроизводимого состояния. С экономической точки зрения путь, основанный на лабораторном моделировании невесомости, является вполне приемлемым, что, в свою очередь, создает предпосылки для проведения многочисленных и разнообразных серий экспериментов и накопления статистического материала. В широко практикуемых экспериментах на животных изучается влияние гиподинамии на клеточные, тканевые структуры, обменные процессы, системные сдвиги, на устойчивость к различным экстремальным воздействиям.

Разумеется, методы экспериментального моделирования невесомости позволяют получить далеко не полный эквивалент реального фактора. Они не воспроизводят, в частности, специфических для невесомости сенсорных реакций. Тем не менее приемлемость методов лабораторного моделирования подтверждается большим количеством сходных черт между реакциями на реальную и имитированную невесомость. Так, прогнозы, сделанные на основе экспериментов с лабораторным моделированием невесомости, в основном подтвердились результатами проведенных космических полетов, что свидетельствует о достаточной адекватности описанных моделей состоянию невесомости. Важно, что модели могут использоваться также в качестве основы при решении таких практически важных вопросов, как разработка и испытание средств профилактики неблагоприятного влияния невесомости на организм человека.

Таким образом, сложная проблема изучения невесомости как экстремального фактора, реально невоспроизводимого в наземных условиях, основывается на синтезе прямых, т. е. получаемых при космических полетах человека, и косвенных экспериментальных данных. Такого рода синтез представляет собой наиболее плодотворный путь, способный обеспечить прогресс в деле успешного освоения человеком космического пространства.

Кандидат физико-математических наук Е. Лозовская

Гравитационное поле, неизменный природный фактор нашего существования, сыграло важнейшую роль в эволюции человека и наземных животных. Однако гравитационная физиология - наука о месте гравитационных сил и взаимодействий в структурно -функциональной организации живых систем - возникла не так давно, всего полвека назад. Чтобы понять, до какой степени живые организмы зависят от силы земного притяжения, потребовалось это притяжение преодолеть, то есть выйти в космос. Специалисты по гравитационной физиологии регулярно встречаются вместе, чтобы рассказать о своих исследованиях и обсудить проблемы. Очередной, 25-й Международный симпозиум по гравитационной физиологии состоялся в Москве в июне 2004 года. В нем принимали участие ученые из России, США, Франции, Германии, Японии и других стран. На симпозиуме побывала специальный корреспондент журнала "Наука и жизнь" кандидат физико-математических наук Е. ЛОЗОВСКАЯ.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Иммерсионная модель (погружение в воду через пленку или в гидрокостюме) позволяет имитировать многие эффекты невесомости.

Камбаловидная мышца, названная так из-за своей плоской формы, несет основную нагрузку по поддержанию тела в вертикальном положении.

Специальный башмак, который имитирует опорную нагрузку. Давление на стопу оказывает сжатый воздух, нагнетаемый компрессором в ритме ходьбы или бега.

Если кость не испытывает нормальной опорной нагрузки, толщина слоев губчатой костной ткани уменьшается.

Притяжение Земли настолько естественно, что мы его почти не замечаем. Да и как можно заметить силу, которая действует всегда и практически постоянна по величине? Тем не менее гравитация "учтена" практически во всех функциональных системах организма, на всех уровнях, от клеток до скелета. Но чтобы человек наконец-то обратил на гравитацию внимание, потребовался прыжок в космос, туда, где сила тяжести практически исчезает. Конечно, догадку о невесомости высказал еще Жюль Верн, а идею орбитальной станции предложил Циолковский, но все же только после первых запусков на орбиту животных и человека люди впервые по-настоящему осознали, насколько сильно функционирова ние живого организма зависит от величины гравитационных сил. Именно с началом космической эры возникла гравитационная биология как наука. У нас в стране такие исследования сосредоточились в Институте медико-биологических проблем РАН.

ЭВОЛЮЦИОННЫЙ ЭКСКУРС, ИЛИ ОБРЕТЕНИЕ ТОЧКИ ОПОРЫ

Жизнь, как известно, зародилась в океане, и первые позвоночные, заселившие толщу воды, находились в состоянии, которое можно назвать псевдоневесомостью. Более точное определение для этих условий - безопорность. И надо сказать, рыбы и другие морские позвоночные животные превосходно адаптированы к существованию в среде без опоры, у них достаточно хорошо развиты системы движения и ориентации в трехмерном пространстве. Гравитационные проблемы возникли с выходом животных на сушу. Надо было не только поддерживать положение тела в пространстве (ведь здесь уже нет выталкивающей архимедовой силы), но и передвигаться, добывать пропитание. Ползание на брюхе или прыжки не самый удобный способ передвижения, доступный к тому же только относительно мелким животным. (Кстати, крупнейшие позвоночные животные - киты - способны существовать только в океане благодаря архимедовой силе, компенсирующей силу тяжести.) На земле крупным животным пришлось приподнимать тело над землей, и с этого момента заработали все закономерности гравитационной физиологии.

Нужны были механизмы, противостоящие силе тяжести, поэтому эволюция и те силы, которые ею управляли, встроили гравитационный фактор почти в каждую систему. Начала формироваться не только усиленная костно-мышечная система с развитыми конечностями, удерживающая тело в пространстве над землей в покое и в движении, но и система обеспечения всех частей тела кислородом и питательными веществами - мощный сердечный насос, способный гнать кровь вверх. А когда предки человека встали на ноги, также потребовалась перестройка механизмов нервной системы, управляющих движением конечностей (об этом на симпозиуме рассказал молодой французский ученый Ж. Куртен).

УВИДЕТЬ В КОСМОСЕ, ИЗУЧАТЬ НА ЗЕМЛЕ

Хотя гравитационная физиология тесно связана с космическими исследованиями, наука эта вполне земная. Ее достижения уже нашли (и еще найдут!) применение в медицине для лечения заболеваний нервной системы и двигательного аппарата. Более того, основные эксперименты с участием человека сейчас проводят не в космосе, а на Земле. Космос позволяет выявить роль гравитации, но не позволяет корректно изучать ее. Физические упражнения, которые помогают космонавтам выжить на орбите, не дают возможности проводить "чистые" эксперименты. К тому же на Земле рядом с испытуемым всегда находится бригада врачей, готовых немедленно оказать помощь. На борту космической станции ситуация иная, там здоровьем и работоспособностью экипажа рисковать никак нельзя.

Строго говоря, космический корабль или спутник, находящийся на околоземной орбите, не обеспечивает состояние полной невесомости. Небольшая сила тяжести там все же есть, и такие условия называют микрогравитацией. Настоящую невесомость можно получить в аппарате, который летит с постоянной скоростью и не испытывает каких-либо гравитационных возмущений со стороны других небесных тел. А полет по орбите вокруг планеты - это, по сути, долгое-долгое падение, вплоть до самой посадки. Однако это отличие, важное с точки зрения физики, для физиологии значения не имеет, и микрогравитацию организм воспринимает как полное отсутствие тяготения.

На Земле состояние невесомости можно получить во время затяжного прыжка (до раскрытия парашюта) или во время полета самолета по параболической траектории снижения. Довольно много экспериментов с параболическими полетами проводят американские ученые, однако состояние невесомости при этом длится 40 секунд - ничтожно мало по сравнению даже с одним витком космического корабля вокруг Земли.

Гораздо более удобными оказались экспериментальные модели, которые имитируют некоторые эффекты уменьшенной гравитации. Одна из таких замечательных моделей, придуманная в нашей стране еще в 1973 году, - иммерсия, или сухое погружение. Бассейн с водой покрывают свободно расположенной водонепроницаемой пленкой, человек ложится на эту пленку, но с водой при этом не соприкасается, вода смыкается над человеком в пленке, и наружу торчит одна голова. Такая модель как раз и обеспечивает ту самую безопорность, которая существует в океане.

Изучение гравитационных воздействий не ограничивается микрогравитацией. Серьезные последствия, причем проявляющиеся сразу, оказывает гипергравитация, или перегрузка. Такие состояния возникают, например, при взлете и посадке самолетов и космических аппаратов, а моделируют их и изучают с помощью центрифуги.

МЫШЕЧНЫЙ ТОНУС ПОМОГАЕТ СОСУДАМ

Как организм узнает, что гравитационное поле такое, а не другое, что оно есть или что его нет, что изменилось его направление?

У животных и человека важнейшая гравитационно-чувствительная система - сердечно-сосудистая. Кровь под действием силы тяжести стремится опуститься вниз, но в организме выработались определенные системы противодействия этому фактору. В том числе барорецепторная система, регулирующая давление крови в верхней части тела, в каротидных артериях, которые снабжают мозг, что жизненно важно. Барорецепторы - это клетки, нервные окончания которых реагируют на давление крови. Например, если давление снижается, они включают систему поддержания давления. Но если падение давления происходит слишком резко и барорецепторы не успевают срабатывать, наступает потеря сознания. Эта ситуация хорошо знакома многим, если не всем людям. Человек просыпается утром, встает - кружится голова. У больного, который постоянно лежит в постели и адаптировался к горизонтальному положению, развивается гравитационная, или ортостатическая, недостаточность: любая попытка принять вертикальное положение ("ортостаз" в переводе с латинского означает "прямо стою") вызывает большие трудности.

Чтобы бороться с такой ситуацией, нужно понять, как организовано поддержание ортостатической функции. В последние годы стало ясно, что помимо барорецепторов существует еще один важнейший механизм регуляции давления крови - так называемый мышечный насос. Раньше ему не придавали большого значения, поскольку вены, по которым кровь поднимается от нижней части тела к сердцу, не имеют такого гладкомышечного слоя, как артерии, то есть почти не обладают собственным насосным действием. Так как же происходит проталкивание крови? Член-корреспондент РАН Инеса Бенедиктов на Козловская выдвинула гипотезу о роли мышечного тонуса в функционировании сосудистой системы. В обычных условиях у человека постоянно напряжены мышцы конечностей, брюшного пресса. Задача удерживать тело и передвигаться требует от них постоянного тонуса. Этот мышечный тонус и позволяет проталкивать кровь чисто механически. Если тонус снижен, проталкивание крови резко ухудшается.

Совсем недавно в совместных российско-французских исследованиях на борту Международной космической станции и в экспериментах с иммерсией было показано, что в невесомости (или при ее моделировании) увеличивается податливость, мягкость вен. На симпозиуме об этих данных сообщили кандидат медицинских наук Г. Фомина и профессор О. Л. Виноградова.

МЫ ЧУВСТВУЕМ ГРАВИТАЦИЮ… ПОДОШВАМИ

Итак, гравитационные изменения в работе сердечно-сосудистой системы связаны с тонусом мышц, но от чего зависит этот мышечный тонус? Самая гравитационно-чувствительная мышца человека - камбаловидная. Находится она на задней поверхности голени в глубине, сразу над ахилловым сухожилием, и закрыта двумя головками икроножной мышцы. Камбаловидная мышца одна "тянет" 70 кг веса человека, а когда он бегает и прыгает - еще больше. Американцы подсчитали, что на эту мышцу при динамических нагрузках приходится до 10 весов тела, конечно, однократно, в момент толчка.

В невесомости или в экспериментах, ее моделирующих, тонус камбаловидной мышцы резко падает. Как мышца узнает о том, что уровень гравитации стал другим? Конечно, поступают какие-то сигналы от нервной системы, но и в самой мышечной ткани, по-видимому, есть клеточные и молекулярные датчики. Сейчас их изучение только началось, появились представления о механочувствительных каналах в мембране клеток, но эта область пока еще остается белым пятном в науке.

Зато удалось выявить существование совершенно нового органа чувств. В учебниках этого еще нет, но гравитационные физиологи уже признали существование новой сенсорной системы, реагирующей на изменение гравитации, - системы восприятия опоры. Роль новых органов чувств выполняют подошвы ног, а точнее, расположенные в них рецепторы глубокой кожной чувствительно сти - так называемые тельца Фатера-Пачини. Они открыты еще в XIX веке, но их роль в гравирецепции установлена совсем недавно. Конечно, мы воспринимаем подошвами не вес тела, а силу реакции опоры, равную весу по величине и противоположную по направлению, но физиологической сущности это не меняет.

Как именно работают тельца Фатера-Пачини, пока не ясно. Ученые полагают, что механическое воздействие силы реакции опоры передается через нервную систему и влияет на состояние определенных клеток спинного мозга - мотонейронов. В результате в зависимости от силы реакции опоры включаются или выключаются системы, управляющие работой тех мышц, которые поддерживают позу, - это так называемая позно-тоническая система. Другая мышечная система - локомоторная - обеспечивает быстрые и резкие движения в пространстве. Кстати, наличие двух мышечных систем - открытие гравитационной физиологии, связанное с именем И. Б. Козловской. Именно тоническая система противостоит силе тяжести.

Любимая экспериментальная модель для изучения мышечного тонуса - иммерсия, о которой речь шла выше. Эта модель действительно обеспечивает безопорность. По законам гидростатики давление со всех сторон одинаково, а потому организм давления не чувствует. Однако если искусственно имитировать опору, то мышечный тонус можно поддерживать на должном уровне и в условиях иммерсии. Для этого в Институте медико-биологических проблем изобрели уникальный тренажер, который представляет собой башмак с пневматическим приводом. Воздух, сжимаясь, оказывает периодическое давление на стопу, имитируя ходьбу. С такими тренировками мышечный тонус у испытуемых после семидневного погружения в воду оставался в норме.

Ученые пытаются понять, как происходит регуляция мышечной активности на уровне клетки. Как система белкового синтеза мышечных волокон узнает, что ей надо прекращать работу? Как система распада белка получает сигнал - атакуй, повышай активность? Ясно, что существует система, которая "чувствует", работает мышца или нет. Один из возможных механизмов связан с ионами кальция. Недавно стало известно, что при разгрузке (и, конечно, в отсутствие мышечных сокращений) уровень кальция в мышечных волокнах повышен. Интересно, что если связать избыточный кальций, то можно избежать многих неблагоприятных эффектов невесомости. Об этих первых экспериментах со связыванием кальция на симпозиуме рассказал Б. С. Шенкман.

ГРАВИТАЦИЯ, СОЛЬ И ВОДА

То, что тело человека состоит на 70% из воды, давно известно, но вода эта, в соответствии с принятой в физиологии моделью, находится в разных секторах: внутриклеточная жидкость, внеклеточная жидкость (сюда относятся жидкости полостей - брюшной, грудной, церебральной) и сосудистая (кровь). Эволюция добилась того, чтобы не только состав, но и объем жидкости организма поддерживался постоянным, поскольку это дает человеку и крупным животным наибольшую свободу в приспособлении к различным условиям внешней среды.

Как обеспечивается такое постоянство состава и объема? У здорового человека работают механизмы как пассивной регуляции, на основе физико-химических законов, так и с помощью биологически активных веществ. Когда что-то разлаживается, возникают отеки или же несахарный диабет, при котором организм не способен задержать выпитую жидкость.

До того как человек полетел в космос, ученые не подозревали, что функция поддержания состава и объема жидкости зависит от гравитации. Но оказывается, что на снижение силы тяжести организм реагирует направленными усилиями по уменьшению объема внеклеточной жидкости. Объем внутрисосудистой жидкости тоже уменьшается. Если бы человеку предстояло всю оставшуюся жизнь провести на борту космической станции, то эту реакцию следовало бы назвать адаптивной: в невесомости с пониженным объемом жидкости легче жить и работать. Но при возвращении на Землю после продолжительных космических полетов (дольше нескольких суток) возникает состояние, при котором сердце не может нормально снабжать кровью мозг. И дело не только в понижении мышечного тонуса, но и в том, что у сердечно-сосудистой системы просто не хватает объема крови, чтобы заполнить все сосудистое русло.

Казалось бы, достаточно дать человеку выпить воды или раствора солей, но все не так просто. Системы регуляции водно-солевого обмена требуют времени для обратной перестройки, и поначалу жидкость в организме не задерживается. На симпозиуме прозвучал доклад Мартины Хеер из кельнского Центра авиакосмической физиологии. Она рассказала, что по данным, полученным в полетах немецких космонавтов, в условиях реальной невесомости в коже и соединительных тканях начинает откладываться натрий, но не в виде иона, а в связанной с белком форме. Подобный механизм "запасания" минеральных веществ существует у млекопитающих, которые впадают в спячку. Почему это происходит у космонавтов - пока не ясно.

КОСМИЧЕСКИЙ ОСТЕОПОРОЗ И КАК С НИМ БОРОТЬСЯ

Изучение костной системы - один из важнейших разделов гравитационной физиологии. Отсутствие нагрузок на кости в условиях микрогравитации приводит к понижению минеральной плотности кости, что очень похоже на остеопороз. Кости теряют кальций неравномерно. Сильнее всего он вымывается из участков кости, которые формируют суставы, то есть испытывают наибольшую нагрузку в земных условиях. В нижних конечностях процесс потери кальция выражен сильнее, чем в верхних, а в черепе кальций даже откладывается. Как показали исследования доктора медицинских наук В. С. Оганова, процесс восстановления нормальной минеральной плотности занимает в 2-3 раза больше времени, чем длится космический полет, и после продолжительных космических экспедиций растягивается на годы.

Предотвратить потерю кальция - насущная задача, поскольку космонавт, возвращаясь на Землю, испытывает перегрузки посадки. Если кость потеряла прочность, перегрузка может привести к компрессионному перелому позвонков или даже к перелому трубчатых костей.

Для изучения процессов в костной ткани в земных экспериментах используют модель с вывешиванием крыс за хвост. При этом крыса опирается о пол передними лапками, а вот задние как бы находятся в состоянии невесомости. В нормальных условиях кости скелета у крысы растут до самой старости, а при вывешивании их рост затормаживается. Замедляется и процесс ремоделирования - постоянного обновления костной ткани. В экспериментах, которые проводила И. М. Ларина, потерю кальция у крыс удалось предотвратить с помощью ибандроната - препарата, который замедляет рассасывание костной ткани. Возможно, в ближайшем будущем этот препарат войдет в состав космической бортовой аптечки.

КЛЕТКИ НЕ ИСКЛЮЧЕНИЕ

Первые исследования на клетках, которые проводили до полета человека в космос, давали противоречивые результаты. Исследовательская техника была несовершенна, модели не отработаны, случалось, что клетки гибли, и тогда скептики начинали утверждать - космос для человека закрыт. Но по мере усовершенствования экспериментального оборудования и моделей выяснилось, что на клеточном уровне все не так страшно. Клетки в космосе размножались, продуцировали обычные для них вещества. На некоторый период возобладало мнение, что невесомость на клетки вообще не действует, что клетка слишком маленькая, силу тяжести она не ощущает, и только на физиологическом уровне можно уловить какой-то эффект. И лишь исследования последних лет убедительно показали: микрогравитация все-таки влияет на клетки, но ее влияние неразрушительно, и одна из точек приложения - цитоскелет. Структурные элементы цитоскелета - актиновые нити, которые в норме равномерно заполняют объем клетки, сдвигаются к краям. При этом изменяется функционирование и рецепторов, и ионных каналов. Клетка как бы адаптирует свою жизнедеятельность под уменьшенную гравитацию.

Можно ли как-то использовать микрогравитацию в биотехнологических целях? Обсуждаются проекты выращивания клеток хряща или костной ткани, но для этого требуется оборудование, которое не так-то просто разместить в ограниченном пространстве космической станции.

Пока что на МКС проходят более простые, но не менее важные эксперименты с иммунными клетками, о которых рассказала на симпозиуме Л. Б. Буравкова. Объектами исследования стали так называемые естественные киллеры, составляющие 5-8% среди всей популяции лимфоцитов, которые распознают и уничтожают опухолевые клетки, а также клетки, пораженные вирусом, и клетки с отклонениями от нормы. Первые эксперименты показали, что микрогравитация не нарушает межклеточного взаимодействия, но активность киллеров может меняться. Сейчас ученые приступили к изучению влияния микрогравитации на стволовые клетки.

КОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ЛЕЧЕНИИ ЗЕМНЫХ БОЛЕЗНЕЙ

Одна из задач гравитационной физиологии - понять, как невесомость действует на здоровье космонавтов, и помочь в разработке профилактических мер. Однако многие полученные результаты могут быть востребованы и в практике земной медицины.

Весьма перспективная область исследования - поведение мышечных ферментов при миопатиях. Заболевания эти тяжелые, нередко приводящие к смертельному исходу в молодом возрасте. Например, при миодистрофии Дюшенна больные редко доживают до 20 лет, а в России с таким диагнозом рождаются 3 человека на 10 тысяч.

У здорового человека при интенсивной мышечной нагрузке в кровь из мышечных волокон выходит довольно значительное количество фермента креатинфосфокиназы. Почему это происходит, пока не совсем ясно, видимо, мембрана мышечных клеток под нагрузкой становится "дырявой". Аналогичное явление, но без больших физических нагрузок наблюдается у больных миопатией, при этом концентрация фермента в крови еще выше. А вот в космосе и в экспериментах с иммерсией поступление молекул этого фермента в кровь резко снижается. Эти результаты дают надежду, что с помощью иммерсии удастся снизить повреждающее воздействие факторов, которые приводят к миопатии. В лаборатории Б.С. Шенкмана пока проводят соответствующие исследования на животных.

Некоторые методы, разработанные в отделе сенсомоторной физиологии и профилактики, которым руководит И. Б. Козловская, уже активно внедряются в клинику. С помощью нагрузочных костюмов сейчас лечат детский церебральный паралич, инсульт, болезнь Паркинсона. На очереди применение искусственной опоры - того самого пневматического башмака, о котором уже говорилось. К его испытаниям приступают в нервной клинике Российского государственного медицинского университета.

Исследования в космической области помогают разработать новые способы фармакологического воздействия на водно-солевой обмен, лечения состояний, связанных с обезвоживанием.

КАК ДОЛЕТЕТЬ ДО МАРСА

Физиологическим проблемам полета на Марс был посвящен доклад директора Института медико-биологических проблем академика А. И. Григорьева. Успехи космонавтики последних десятилетий делают такой проект достаточно реальным. Накоплен опыт биомедицинской поддержки долговременных экспедиций на орбитальных станциях и полетов на Луну, где сила гравитации меньше земной примерно в 6 раз. А после Луны естественная ближайшая цель космических исследований - Марс. Благодаря непилотируемым полетам наши знания о Красной планете существенно возросли.

Какие основные трудности ждут человека во время такого полета? Минимальная расчетная продолжительность экспедиции - 500 суток, то есть полтора года, причем полет будет проходить в автономном режиме. Если на станцию, расположенную на околоземной орбите, всегда можно выслать корабль с дополнительным продовольствием и топливом, то в дальней экспедиции экипажу придется рассчитывать только на свои силы. Факторов, которые будут "подтачивать" эти силы, очень и очень много: стресс из-за вынужденного нахождения в ограниченном пространстве и искусственном окружении, космическая радиация, отсутствие привычного магнитного поля. Но прежде всего - изменение гравитационного поля. Во время пилотируемого полета на Марс человек столкнется с разными уровнями гравитации. Во-первых, это гипергравитация (перегрузка) во время взлета и посадки. Во-вторых, микрогравитация (невесомость) в течение длительного межпланетного перелета. В-третьих, гипогравитация на поверхности Марса, которая составляет 38% от земной силы тяжести.

Перегрузки тяжелы для организма: это огромное напряжение для мышц, костей, сосудов. Меняется и метаболизм: возрастает потребление кислорода, падает температура тела, нарушается суточный ритм. По счастью, такие нагрузки кратковременны, и подготовиться к ним можно, тренируясь на центрифугах.

Казалось бы, по сравнению с перегрузкой невесомость должна доставлять более приятные ощущения. Но, как уже говорилось выше, отсутствие силы тяжести чревато неприятными последствиями для самых разных систем организма: происходит перераспределение жидкости в организме, снижаются сократительная способность мышечных волокон и минеральная плотность костной ткани, усиливается риск переломов и образования камней в почках.

В космическом полете изменяется состояние вестибулярного аппарата и сенсорных систем. Происходит расстройство всех форм зрительных движений. Причем микрогравитация влияет как на скорость, так и на точность зрительной реакции. А ведь задача человека в длительном полете - не просто выдержать нагрузки, но и сохранить способность к сложной операторской деятельности. Долетев до Марса, надо будет посадить на поверхность планеты спускаемый модуль, а затем стартовать. А для успешной работы на Марсе необходима быстрая адаптация к марсианской гравитации после долгого пребывания в невесомости.

Как справиться с проблемой неблагоприятного влияния невесомости в условиях длительного полета? Первым делом приходит в голову мысль о создании искусственной гравитации. Идею искусственной гравитации, создаваемой с помощью вращения, впервые выдвинул еще Циолковский. Она была реализована на искусственном спутнике "Космос-936", в котором летали крысы. Однако результаты первых исследований показывают, что всех проблем искусственная гравитация не снимает. Сейчас осуществляется международный проект по изучению физиологического действия искусственной гравитации, в котором участвуют Россия, Германия и США.

Опыт орбитальных станций показывает, что более перспективно использование бортового комплекса тренажеров, который работает по принципу обратной связи и автоматически определяет нагрузку, необходимую космонавту.

В любом случае, если посылать человека на Марс, надо сделать все, чтобы он вернулся обратно, и вернулся здоровым.

РАЗМЫШЛЕНИЯ ПОСЛЕ СИМПОЗИУМА

Симпозиумы по гравитационной физиологии имеют свою историю. В середине 1970-х годов четыре выдающихся ученых: американцы Артур Смит и Нелло Пейс, швед Хилдинг Бьюрштедт и Олег Георгиевич Газенко, в то время директор Института медико-биологических проблем, - собрались вместе и учредили так называемую Гравитационную комиссию, а точнее, Комиссию по гравитационной физиологии Международного союза физиологических наук. С заседаний этой комиссии и начались регулярные встречи специалистов, изучающих влияние гравитации на живое, которые проходят в атмосфере неформального, дружеского общения.

"Мы все давно знаем друг друга, и каждая такая встреча - праздник, - говорит ответственный секретарь оргкомитета Б. С. Шенкман. - Такие симпозиумы нужны для того, чтобы учить молодежь, приучать наших молодых исследователей общаться и работать на международном уровне. В космической отрасли почти все эксперименты - международные. И, к сожалению, у нашей науки здесь те же проблемы, что и у страны в целом. Мы проводим хорошие, интересные эксперименты, а тонкими аналитическими технологиями (включая дорогостоящее оборудование), позволяющими исследовать клеточные и молекулярно-биологические механизмы, часто владеют только наши западные коллеги. Иначе говоря, нам крысу в космос запустить - запросто, а вот исследовать у нее гены - уже гораздо труднее. Тем не менее наша область науки выходит из прорыва. В лабораториях появляются новые приборы. Все больше молодых сотрудников возвращаются из-за границы после длительных стажировок вооруженные последними методическими достижениями. И позволю себе высказать крамольную мысль: может быть, нужно больше денег вкладывать в тонкие базисные эксперименты, новое экспериментальное оборудование. К сожалению, не все понимают, что проводить практические разработки без фундаментального научного обеспечения будет означать всего лишь возвращение к допотопному методу "проб и ошибок" (что в итоге обойдется обществу гораздо дороже). Не надо ждать от науки каждодневных сенсаций, не надо требовать от нее сиюминутных чудес. Как показывает исторический опыт, вложения в науку всегда окупаются, но не всегда - сразу".

Редакция благодарит доктора биологических наук Б. С. Шенкмана, доктора медицинских наук И. М. Ларину и доктора медицинских наук Л. Б. Буравкову за помощь в подготовке материала.

НЕВЕСОМОСТЬ - отсутствие веса, т. е. силы, с к-рой тело под влиянием тяготения давит на опору и испытывает со стороны этой опоры ответное противодавление; вызывает ряд изменений в биологических объектах. Теоретически Н. может возникать при отсутствии тяготения или при отсутствии опоры. Первое условие характерно для точки пространства, где силы тяготения либо отсутствуют, либо взаимно уравновешиваются (так наз. статическая невесомость). Отсутствие опоры (второе условие) означает отсутствие внешних сил, прилагаемых к поверхности тела и способных вызвать его деформацию. При соблюдении этого условия тело свободно движется (падает) под действием гравитационных или инерционных сил и становится невесомым (динамическая невесомость). Динамическая Н. может возникать не только в условиях свободного падения, но и при движениях по более сложным траекториям, обусловленных взаимодействием гравитационных и инерционных сил. Подброшенное какой-либо силой тело невесомо на тех отрезках траектории своего полета, где оно не испытывает влияния внешних сил и движется под воздействием сил инерции или тяготения. Космический корабль вместе с расположенными в нем предметами, приобретя необходимую скорость, при определенных соотношениях между силами инерции и тяготения становится либо спутником планеты, либо удаляется от нее в космическое пространство, пребывая в обоих случаях в состоянии полной Н. Приложение внешних сил, напр, включение двигательной установки, прерывает Н., воспроизводит местные напряжения и деформации в конструкциях корабля, приводит к перемещению подвижных предметов до положения, при к-ром они обретают опору. Возникающие при контакте с опорой силы могут быть меньше или больше веса данного предмета в наземных условиях, что зависит от величины ускорения, сообщаемого космическому кораблю работающим двигателем. В зависимости от величины сил, действующих на тело в процессе движения с ускорением, пользуются понятиями «невесомость», «пониженная весомость», «сила земной гравитации», «повышенная весомость» (перегрузка К С точки зрения механики, вес, невесомость, перегрузка - это частные явления одного и того же порядка, различающиеся наличием или отсутствием внешних сил, прилагаемых к поверхности тела. В связи с этим физические и биол, проявления Н. целесообразно рассматривать в сопоставлении с проявлениями весомости. Физические свойства тел в статике и динамике, а также протекание ряда физ.-хим. процессов существенно зависят от наличия или отсутствия веса. Для Н. характерно: отсутствие напряжений и деформаций, к-рые в наземных условиях вызываются силами взаимодействия с опорой; изменение поведения жидкостей (оно определяется преимущественно силами поверхностного натяжения и сцепления); отсутствие распределения взвешенных частиц по плотности; снижение роли тепловой конвекции в механизмах теплообмена; невозможность протекания разнообразных физических и физ.-хим. процессов, осуществляемых в наземных условиях с участием веса (колебания маятника, горение и др.).

Для биол, объектов Н. представляет собой в первую очередь необычную среду обитания, хотя в повседневной жизни человек встречается с частичной Н. при качании на качелях, при прыжках, беге, спуске на лифте и т. д. Структура, функция, форма и поведение всех представителей животного и растительного мира, населяющих нашу планету, обусловлены, в частности, длительным приспособлением к весу, или гравитации. Поэтому Н. не может быть безразличной для живых организмов и должна вызывать у них возникновение ряда функциональных и структурных перестроек.

Попытки оценить влияние Н. на биол, объекты предпринимались еще К. Э. Циолковским. Успехи в развитии космической техники и наметившиеся реальные возможности осуществления полетов человека в космическое пространство привели к необходимости проведения экспериментальных исследований по проблеме Н. Моделирование нек-рых явлений, характерных для Н., достигалось погружением тела в жидкость с плотностью, равной плотности тела, или длительным пребыванием человека на постельном режиме (см. Гиподинамия , Гипокинезия). Вертикальные запуски баллистических ракет позволили на достаточно продолжительное (до 10 мин.) время воспроизводить реальное состояние Н., что дало возможность впервые провести исследование ее влияния на живые организмы (культуры тканей, растения, млекопитающие). Большой практический интерес представляет также метод воспроизведения состояния Н. с помощью самолетов - при полете по параболической кривой. Продолжительность невесомости в этом случае обычно составляет 20- 30 сек. Воздействие длительной Н. изучалось при полетах биоспутников и пилотируемых космических кораблей.

Анализ проведенных экспериментов с водной иммерсией и гиподинамией, а также результатов медико-биологических исследований в космических полетах позволил с достаточной достоверностью выделить ряд характерных изменений в организме человека, обусловливаемых воздействием Н. Различают первичные и опосредованные реакции биол, объектов на невесомость. К первичным реакциям относятся снятие весовой нагрузки на опорные структуры, отсутствие гидростатического давления крови и других биол, жидкостей, изменения в деятельности афферентных систем, гл. обр. специфических гравирецепторов. Каждая из таких первичных реакций в свою очередь служит пусковым механизмом в цепи вторично обусловленных сдвигов - опосредованных реакций. Отсутствие веса тела предрасполагает к развитию общей детренированно-сти и к связанному с этим снижению физической работоспособности и устойчивости по отношению к рабочим нагрузкам; развиваются деструктивные изменения со стороны костномышечной системы (деминерализация костной ткани, уменьшение мышечной массы, отрицательный азотистый баланс). Н. способствует снижению газо энергообмен а, уменьшает требования к системе транспорта кислорода, меняет условия функционирования сердечно-сосудистой системы, вызывая ее детренированность. Лишенная веса кровь переполняет органы верхней половины тела, что создает ощущение тяжести в голове и вызывает отечность тканей лица. Ответная защитная реакция организма в этом случае состоит в уменьшении объема циркулирующей крови за счет возрастания водопотерь и уменьшения водопотребления. Это в свою очередь ухудшает переносимость человеком вертикальной позы при возвращении на Землю. Потеря мышечной массы, а также воды и ряда минеральных веществ служит причиной уменьшения веса (точнее массы) тела. Невесомость в сочетании с другими факторами полета вызывает астенизации), изменение реактивности и иммунитета, снижение устойчивости по отношению к стрессовым воздействиям, появление неврол, расстройств, изменений гормональных функций, а также морфол, и физ.-хим. показателей крови и органов кроветворения. Изменения в деятельности афферентных систем приводят к возникновению иллюзий пространственного положения тела, к вестибулярным расстройствам (см. Вестибулярный симптомокомплекс) и сопровождаются перестройкой двигательных навыков.

Т. о., физиол, последствия пребывания человека в условиях Н. чрезвычайно обширны, а многие признаки адаптационных изменений в различных системах организма проявляются совершенно отчетливо. Н. является причиной таких изменений саморегуляции целостного организма, к-рые приводят к установлению новых взаимоотношений с окружающей средой. Адаптация к Н. выражается в форме постепенно (обычно в течение 3 - 7 сут.) угасающих дискомфортных ощущений и в существенно более длительном процессе функциональных и структурных перестроек, протекающих по типу «неупотребления» или «атрофии от бездействия». При этом, хотя состояние адаптированного организма адекватно условиям Н., оно одновременно характеризуется еще и потенциальной недостаточностью по отношению к гравитационным и другим (стрессовым в данных условиях) воздействиям.

После возвращения на Землю эта недостаточность проявляется в ощущении излишней тяжести тела, в затруднениях по поддержанию вертикальной позы, в нарушениях координации движений, в т. ч. при ходьбе, в быстрой утомляемости. Адаптационные перестройки развиваются во времени и, судя по опыту, накопленному в длительных космических полетах (продолжительностью до полу-года), являются обратимыми, хотя теоретически нельзя исключить возникновения более глубоких изменений, могущих возникнуть при длительном пребывании живых организмов в невесомости, в т. ч. со сменой поколений. Поэтому необходимо дальнейшее проведение исследований по разработке мед. прогнозов и определению допустимых с точки зрения сохранения здоровья и работоспособности космонавтов сроков пребывания в условиях Н. Большое значение имеет также установление взаимосвязи между характером и степенью функц, перестройки организма в Н. и выраженностью реадаптационных сдвигов после возвращения на Землю.

Борьба с отрицательными последствиями длительного пребывания человека в состоянии Н. основана на совр, представлениях о патогенезе нарушений, возникающих при этом в организме. Для предупреждения сдвигов, обусловленных преимущественно неблагоприятным влиянием на организм состояния гиподинамии, экипажи космических кораблей используют различные методы и средства физической тренировки.Особенно оправдал себя в этом отношении комплексный тренажер для физических упражнений, обеспечивающий статическую нагрузку в направлении продольной оси тела, динамические нагрузки (ходьба, бег, приседания), а также инерционно-ударные воздействия (прыжки). Дополнительным средством тренировки служит постоянное ношение * космонавтами специальных костюмов, конструкция к-рых способствует распределению нагрузки на различные мышечные группы. Для профилактики гиподинамического синдрома используют и другие тренажеры (велоэргометр, эспандеры), а также методы аутогенной тренировки (см. Психотерапия) и электростимуляции (см.). Для имитации гидростатического давления крови в условиях Н. применяется специальное устройства (вакуумная емкость), обеспечивающее декомпрессию нижней части тела. Создаваемое при этом отрицательное давление притягивает кровь к нижней половине тела, как это имеет место на Земле. Методика воздействия отрицательного давления на нижнюю половину тела может периодически применяться как функц, проба (см. Ортостатические пробы) и как тренирующее средство гл. обр. на заключительном этапе космического полета.

Из других средств профилактики отрицательного действия Н. следует отметить использование фармакологических и гормональных препаратов, оказывающих общетонизирующий стимулирующий эффект и нормализующих водно-солевой и белковый обмен организма. Немаловажное значение имеет рационально построенный режим труда, отдыха и питания космонавтов в полете, соблюдение требований личной гигиены, а также другие мероприятия, направленные на повышение неспецифической сопротивляемости организма. Важно объединение различных профилактических воздействий в единый защитный комплекс, к-рый позволит получить наибольший профилактический эффект. К этому следует добавить систему врачебного контроля за состоянием космонавтов в полете и возможность досрочного прекращения полета по мед. показаниям.

Изменения в организме человека после длительного пребывания в условиях Н. требуют проведения специальных мероприятий и при возвращении на Землю. В первые часы и сутки пребывания на Земле космонавты обычно надевают специальный противоперегрузочный костюм, препятствующий оттоку крови в нижнюю половину тела. Восстановительные мероприятия в послеполетный период включают постепенное увеличение нагрузок, применение общеукрепляющих и тонизирующих средств, регламентацию режима труда, отдыха и питания.

Библиография: Коваленко Е. Л. Основные методы моделирования биологических эффектов невесомости, Косм, биол, и авиакосм, мед., т. И, № 4, с. 3, 1977; JI а вник ов А. А. Основы авиационной и космической медицины, М., 1975; Невесомость (медико-биологические исследования), под ред. В. В. Парина и др., М., 1974; Основы космической биологии и медицины, под ред. О. Г. Газенко и М. Кальвина, т. 2, кн. 1, с. 324, М., 1975; Пестов И. Д. Экспериментальные подходы к исследованию регуляции внутренней среды организма в состоянии невесомости, Труды Третьих чтений, посвящен. разработке науч. наследия К. Э. Циолковского, с. 48, М., 1969, библиогр.; Савин Б. М. Гипервесомость и функции центральной нервной системы, JI., 1970, библиогр.; Человек в космосе, под ред. О. Г. Газенко и X. Бюрстедта, с. 76, М., 1974.

ВЛИЯНИЕ НЕВЕСОМОСТИ НА ЧЕЛОВЕКА Сенсорные изменения проявляются в нарушении или зат­ руднении ориентации возникает ощущение крена, «перевернутости», головокружение и пр. Артериальное давление неустойчиво, чаще снижено. Дыхание, вна­чале несколько учащенное, быстро нормализуется, а в дальнейшем за­медляется. После длительного пребывания в невесомости значительно уменьшается _масса.тела, главным образом за счет потери воды (усиле­ние диуреза) Длительное состояние невесомости сопровождается усиленным вы­ведением кальция из организма точность движений может несколько снижаться. Чаще нарушаются тонкие координационные акты. Несколько уменьшается мышечная сила. увеличению мочеотделения, потере натрия, дегид­ратации и уменьшению объема циркулирующей крови.

1) лица, которые переносят невесомость без ухудшения общего самочувствия; 2) лица, испытывающие в состоянии невесомости иллюзорные ощущения положения тела в пространстве; 3) лица, у которых быстро развиваются симптомы воздушной болезни (слюнотечение, тошнота, рвота)

М ЕТОДЫ БОРЬБЫ С ПОСЛЕДСТВИЯМИ НЕВЕСОМОСТИ. интенсивные физические упражнения, профилактический костюм, имитирующий земное притяжение, нагружающий кости человека в продольном направлении, который приходится носить в течение 12 часов в сутки. тренировки на тренажере «бегущая дорожка» при тяге 60 кг. Все это по часу утром и вечером.