ПУТИ РАЗВИТИЯ КОСМИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ

Перейти к: навигация, поиск

По вопросам, близким к освещаемой теме, в БМЭ опубликованы статьи Авиационная медицина, Космическая биология, Космическая радиобиология, Медицина космическая, Полеты и др.

Освоение космоса является одной из самых значительных вех в истории человечества. В Советском Союзе в 1957 г. был создан и запущен в космическое пространство первый в мире искусственный спутник Земли, а в последующие годы осуществлена грандиозная программа орбитальных космических полетов, в т. ч. многомесячных полетов на борту пилотируемых комплексов «Салют» — «Союз».

Задачи, стоящие перед космонавтикой, обусловили появление новых отраслей знания — космической биологии и космической медицины, в развитие к-рых внесли свой вклад многие медико-биологические, инженерно-технические и социально-психологические дисциплины. Космическая биология и космическая медицина сыграли существенную роль в выдающихся научных достижениях нашей страны в области космонавтики. Были решены такие важные проблемы, как изучение жизнедеятельности организма человека в условиях космического полета и космического пространства, разработка принципов и методов медицинского обеспечения пилотируемых космических полетов. В настоящее время исследования в области космической биологии и медицины способствуют развитию различных отраслей знания; появилась возможность проведения экспериментов в уникальных условиях, получены ценные научные данные, открывающие новые перспективы и являющиеся основой для важных теоретических обобщений.

Этапы развития космической биологии и медицины

В историческом аспекте условно можно выделить три этапа развития космической биологии и медицины. Первый этап — это биологическая индикация космических трасс и подготовка полета человека в космическое пространство. Основной задачей исследований на этом этапе являлось определение принципиальной возможности полета человека в космос и создание систем, обеспечивающих пребывание человека в кабине космического корабля во время орбитального полета. Для решения этих задач в СССР на протяжении 1949—1959 гг. была проведена серия экспериментов с животными (собаки, мыши) при вертикальных запусках ракет на высоты до 450 км и выше с продолжительностью пребывания в условиях невесомости до 10 мин. При этом не было выявлено существенных расстройств в организме животных в период кратковременной невесомости, катапультирования и свободного падения с последующим спуском на Землю с помощью парашюта. Большое внимание при этих исследованиях уделялось также изучению биологического действия первичного космического излучения. Важной вехой в развитии космической биологии и медицины явился многосуточный орбитальный космический полет собаки Лайки в 1957 г., подтвердивший предположение ученых о принципиальной возможности космического полета человека.

Годы, предшествовавшие первому полету человека в космос, были периодом наиболее интенсивного развития исследований в области космической биологии и медицины. Этому, в частности, способствовали создание и запуск в 1960—1961 гг. возвращаемых космических кораблей-спутников, позволивших изучить реакции организма животных не только в полете, но и после его завершения. В качестве подопытных объектов в полетах на кораблях-спутниках использовали различные организмы— от вирусов до млекопитающих. Результаты исследований доказали возможность безопасного (с точки зрения сохранения здоровья) кратковременного полета человека в космическое пространство. Вместе с тем они показали, что факторы космического полета, в первую очередь невесомость, не являются безразличными для многих физиологических систем организма. В этот же период был успешно решен ряд задач по обеспечению жизнедеятельности человека в космическом полете: созданы системы регенерации и кондиционирования атмосферы кабины, специальные рационы, система сбора отходов жизнедеятельности, разработаны методы медицинского контроля за состоянием человека на различных этапах космического полета.

Второй этап — этап кратковременных полетов человека в космос — начался 12 апреля 1961 г., когда был осуществлен полет первого в мире космонавта, гражданина Советского Союза Ю. А. Гагарина на корабле «Восток». В последующие годы на одноместных кораблях «Восток» и многоместных кораблях «Восход» и «Союз» были выполнены многочисленные полеты космонавтов длительностью от 1 до 18 суток. В 1965 г. во время полета корабля «Восход-2» космонавт А. А. Леонов впервые совершил выход в открытый космос. Разработанные на данном этапе методики отбора и подготовки космонавтовг контроля за их состоянием и работоспособностью обеспечили надежность и безопасность кратковременных пилотируемых космических полетов. Медицинские исследования, проведенные в этих полетах, доказали возможность пребывания человека и его разносторонней деятельности в условиях космического полета, в т. ч. в условиях открытого космоса. Одновременно была накоплена обширная информация, свидетельствующая о появлении в организме человека под действием основного фактора космического полета — невесомости — определенных сдвигов со стороны ряда физиологических систем как во время, так и после окончания полета.

Третий этап ознаменовался длительными (около месяца и более) полетами пилотируемых станций (в СССР — «Салют», в США — «Скайлэб»). Он начался 19 апреля 1971 г. с запуска первой долговременной орбитальной станции «Салют-1». На борту станции оказалось возможным разместить комплекс аппаратуры для медико-биологических исследований, средства профилактики неблагоприятного воздействия невесомости, а также создать для космонавтов комфортные условия быта. На орбитальных станциях в СССР выполнено 14 длительных (продолжительностью от 1 до 8 мес.) полетов с участием 22 космонавтов (7 космонавтов дважды участвовали в длительных полетах); в США — 3 полета (длительностью от 28 до 84 суток) с участием 9 астронавтов.

Рис. 1. Отработка методики исследования сердечно-сосудистой системы методом эхокардиографин, проводимая членами советско-французского экипажа космического корабля (лежит Ж.-Л. Кретьен, сидят А. С. Иванченков, В. А. Джанибеков). Рис. 2. Предполетная тренировка членов экипажа космического корабля «Салют-7»; проведение пробы ОДНТ-приложение отрицательного давления к нижней части тела (слева направо В. А. Соловьев, О. Ю. Атьков, Л. Д. Кизим). Рис. 3 Экспериментальная капсула для тренировки обезьян перед полетом на биоспутнике. Рис. 4. Обезьяны Верный и Гордый после завершения семисуточного полета на биоспутнике «Космос-1677».
Рис. 1. Отработка методики исследования сердечно-сосудистой системы методом эхокардиографин, проводимая членами советско-французского экипажа космического корабля (лежит Ж.-Л. Кретьен, сидят А. С. Иванченков, В. А. Джанибеков). Рис. 2. Предполетная тренировка членов экипажа космического корабля «Салют-7»; проведение пробы ОДНТ-приложение отрицательного давления к нижней части тела (слева направо В. А. Соловьев, О. Ю. Атьков, Л. Д. Кизим). Рис. 3 Экспериментальная капсула для тренировки обезьян перед полетом на биоспутнике. Рис. 4. Обезьяны Верный и Гордый после завершения семисуточного полета на биоспутнике «Космос-1677».

Важным дополнением к программам медицинских исследований в условиях пилотируемых полетов является проведение биологических экспериментов в космосе с целью более глубокого и всестороннего изучения механизма влияния факторов космического полета на процессы жизнедеятельности. В СССР периодически запускаются биоспутники, специально предназначенные для проведения биологических экспериментов. На их борту осуществляются эксперименты с различными организмами (обезьянами, крысами, черепахами, бактериальными клетками, низшими грибами, семенами и проростками высших растений, насекомыми, культурами растительных и животных клеток, рыбами, амфибиями, ракообразными, яйцами птиц), целью к-рых являются исследование влияния невесомости на основные процессы жизнедеятельности, изучение механизма адаптации различных физиологических систем к невесомости и реадаптации к земной силе тяжести, комбинированного воздействия на организм невесомости и космического излучения, анализ биологических эффектов искусственной тяжести и т. д. (цветн. рис. 1—4).

Влияние факторов космического полета на организм

В космических полетах на современных космических летательных аппаратах на организм человека оказывает влияние комплекс факторов физической природы. К наиболее значимым факторам относятся галактическое космическое излучение, гиподинамия, гипокинезия и невесомость. Роль каждого из этих факторов в изменении физиологических функций организма неоднозначна. Так, космическое излучение при полетах на орбитах ниже радиационных поясов Земли не оказывает самостоятельного заметного влияния на организм, поскольку эквивалентная доза излучения, поглощаемая телом космонавта, даже при 7—8-месячных полетах не превышает 5 бэр (0,05 Зв.). При межпланетных полетах космическое излучение может приобрести важное биологическое значение. Оно является наиболее высокоэнергетической составляющей корпускулярного потока в космическом пространстве и по своей проникающей способности превышает все другие виды ионизирующего излучения.

Состав атмосферы в современных орбитальных станциях близок к земному и при нормальной работе систем регенерации и кондиционирования воздуха не оказывает существенного влияния на организм. Гигиенические и социальные ограничения, в определенной степени характерные для условий жизнедеятельности космонавтов в полете, по мере увеличения обитаемого объема и совершенствования летательных аппаратов, а также рациональной организации досуга будут терять свое значение. Неблагоприятное влияние дефицита двигательной активности (гипокинезии) в определенной степени нивелируется достаточно большим внутренним объемом современных орбитальных станций, а воздействие дефицита мышечных нагрузок (гиподинамии) частично компенсируется физическими тренировками и физической работой.

Невесомость — непременный постоянно действующий фактор современного космического полета. Возникающие под ее влиянием функциональные сдвиги в организме человека представляют собой сочетание изменений, являющихся результатом непосредственного влияния этого фактора, и проявлений развивающихся при этом приспособительных реакций. В условиях космического полета влияние невесомости в значительной степени компенсируется комплексом профилактических средств.

На Земле все процессы жизнедеятельности протекают на фоне действия гравитации. Чувствительность различных организмов к влиянию гравитационного поля зависит от их размеров и массы. При размерах меньше 1 мм доминирующую роль играют силы молекулярного происхождения (диффузия), а при больших размерах преобладает влияние гравитации, определяемое массой организма. Под действием гравитации происходит деформация отдельных органов или всего организма и смещение жидких сред в направлении вектора гравитации. Поэтому в механизме влияния невесомости снятие деформации и механического напряжения структур организма является главным звеном всех изменений физиологических функций. Это проявляется увеличением длины тела космонавтов, наблюдающимся на протяжении длительного полета. Ведущими факторами, вызывающими различные физиологические сдвиги в организме человека в условиях невесомости, являются изменения афферентации, снижение нагрузки на ряд систем организма и перераспределение жидких сред.

На основе анализа функционирования механорецепторов была предложена гипотеза об изменении в услови-виях невесомости соотношения афферентной импульса-ции с различных рецепторных групп, приводящем к нарушению функциональной системности в работе анализаторов организма. Дефицит импульсации с механорецепторов в этих условиях может сопровождаться уменьшением активности дорсального отдела гипоталамуса и ретикулярной формации, ослаблением ее восходящего и нисходящего влияний, что обусловливает, с одной стороны, снижение тормозящего влияния коры головного мозга на подкорковые образования, а с другой — способствует улучшению прохождения афферентной импульсации по проводящим путям. Эти механизмы, вероятно, имеют приспособительное значение в поддержании необходимого уровня возбуждения в центральной нервной системе в условиях невесомости. Параллельно с этим вследствие снижения активности дорсального отдела гипоталамуса может снижаться активность гипота-ламо-гипофизарно-надпочечниковой системы, что приводит к уменьшению секреции АКТГ, кортикостероидов и катехоламинов.

Следует учитывать, что нервно-эмоциональное напряжение при космическом полете оказывает на высшие отделы центральной нервной системы и гипоталамо-гипофизарную систему активирующее влияние. При этом конечная реакция на одновременное влияние невесомости и эмоционального стресса зависит от длительности воздействия факторов полета и индивидуальных особенностей человека.

Исчезновение гидростатического давления в невесомости вызывает частичное перемещение крови и других жидких сред в верхнюю часть тела: в сосудистых областях ниже уровня сердца снижается трансмуральное давление и уменьшается растяжение стенок венозного русла и капилляров, а также сокращается сосудистый объем и количество депонированной крови, что приводит к образованию в области голени зон свободной растяжимости вен и преобладанию перехода жидкости из межклеточного во внутрисосудистое пространство; в областях тела, расположенных выше области сердца, возникают противоположные изменения. В полете непосредственные эффекты такого перемещения крови и других жидких сред заключаются в смещении центра тяжести (массы) по направлению к голове, в развитии ощущения прилива крови к голове, в появлении отечности лица, переполнении и растяжении вен в области шеи и головы. Наблюдается также первоначальное увеличение ударного и минутного объемов крови.

Быстрые приспособительные реакции, возникающие одновременно с развитием непосредственных эффектов невесомости, проявляются уменьшением (под влиянием гидростатических и нейрогуморальных факторов) активности ренин-ангиотензин-альдостероновой системы, торможением секреции антидиуретического гормона, что приводит к частичной потере организмом жидкости и электролитов, уменьшению объема плазмы и общего объема крови. Стимуляция механорецепторов низкого давления сердечно-легочной области может вызывать торможение вазомоторного центра, рефлекторное сужение легочных сосудов, расширение сосудов большого круга кровообращения, депонирование крови во внутренних органах и уменьшение объема циркулирующей крови, что в конечном итоге ограничивает поступление крови в сердечно-легочную область.

Отставленные (медленные) приспособительные реакции «включаются» и протекают на более поздних стадиях (дни, недели) процесса адаптации к перераспределению жидких сред организма в условиях невесомости. Уменьшение объема плазмы стимулирует активность ренин-ангиотензин-альдостероновой системы, но тормозит образование эритроцитов, что приводит к уменьшению общего объема массы эритроцитов и количества гемоглобина и способствует дальнейшему уменьшению объема циркулирующей крови.

Т. о., изменения показателей водно-солевого баланса и сердечно-сосудистой системы, являющиеся следствием снятия гидростатического давления, отражают процесс приспособления организма к перераспределению крови и других жидких сред организма в условиях невесомости.

Уменьшение позно-тонической и двигательной активности при статической и динамической работе в условиях космического полета вызывает перестройку координации движений и функций нервно-мышечного аппарата, снижение интенсивности метаболизма в костной и мышечной тканях, уменьшение роли мышечной системы в общей гемодинамике.

В условиях невесомости теоретически ожидаемое снижение интенсивности газообмена и энерготрат должно сопровождаться уменьшением потребности в продукции макроэргических соединений, снижением синтеза и замедлением ресинтеза АТФ. Доказательством изменения биоэнергетики в мышечной ткани под влиянием невесомости служит выявленное у крыс после 18—22-суточных полетов на биоспутниках снижение интенсивности тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования в мышцах, а также уменьшение степени сопряжения дыхания с фосфорилированием, что указывает на возможность увеличения потребления кислорода и кислородного долга без адекватного увеличения энерготрат.

Функциональная «недогруженность» ряда систем организма (прежде всего костно-мышечной) в состоянии невесомости может привести к снижению интенсивности пластического обеспечения функций. По-видимому, вследствие этого в длительных космических полетах повышается белковый катаболизм и уменьшается масса мышц, что сопровождается уменьшением количества митохондрий и их общей поверхности, снижением синтеза АТФ и выработки энергии, обеспечивающей мышечное сокращение, и в итоге снижением мышечной работоспособности.

Тем не менее результаты медицинских исследований, выполненных в кратковременных и длительных космических полетах, показали, что человек достаточно хорошо приспосабливается и эффективно работает в условиях невесомости. Сохранению хорошего состояния здоровья и достаточной работоспособности в длительных космических полетах, а также относительно высокого адаптационного потенциала в послеполетном периоде способствует рациональное использование комплекса профилактических мероприятий, в первую очередь специализированных физических тренировок, а также рационального режима труда и отдыха. Важное значение имеют научно обоснованные отбор и формирование экипажей (с учетом обеспечения психологической совместимости), а также всесторонняя физическая, профессиональная и медицинская подготовка.

Изменение основных функций организма человека в космических полетах

Во время космических полетов в организме происходит ряд функциональных и структурных перестроек, к-рые рассматриваются ниже.

Космическая форма болезни движения в той или иной степени выраженности наблюдается примерно у 50—60% космонавтов в первые шесть суток полета. У нек-рых космонавтов признаки болезни движения появляются также и в первые сутки после возвращения на Землю. Этот синдром характеризуется гл. обр. комплексом вестибулярных нарушений (бледность кожных покровов, повышенное слюно- и потоотделение, головокружение, тошнота, рвота), а также изменениями в структуре дыхательного цикла, снижением минутного и ударного объема крови, уменьшением пульсового давления, сосудистого тонуса, рядом других функциональных расстройств различных органов и систем.

Существует несколько гипотез объяснения причин возникновения космической формы болезни движения. Наиболее обоснована гипотеза о рассогласовании в условиях невесомости функций анализаторов, осуществляющих пространственную ориентировку (что проявляется развитием сенсорных конфликтов), в связи с поступлением из различных сенсорных систем информации, не соответствующей сформировавшемуся на основе предыдущего жизненного опыта интегральному чувственному образу, отображающему определенное положение и перемещение тела в пространстве.

К настоящему времени получены данные, свидетельствующие об изменении в условиях невесомости функции вестибулярного аппарата и о нарушении вестибулогла-зодвигательного взаимодействия. Подтверждением этой гипотезы являются экспериментальные данные о роли отолитовой асимметрии в развитии болезни движения в полете и после его завершения. Определенное значение в развитии болезни движения принадлежит гемодинами-ческим сдвигам (перемещение крови в верхнюю половину тела), к-рые могут привести к повышению внутричерепного давления, нарушению микроциркуляции в зоне вестибулярных ядер и вестибулярного аппарата, изменению гормонального статуса организма.

Важное значение в развитии космической формы болезни движения и последующих приспособительных реакций, устраняющих это состояние, вероятно, имеют особенности формирования функциональной системы статокинетики и пространственной ориентировки, к-рые проявляются поступлением в центральную нервную систему обстановочной афферентации, характеризующей окружающую среду. Уникальность ситуации, о к-рой сигнализирует обстановочная афферентация (т. е. невесомость), и отсутствие модели этой ситуации в эволюционной памяти затрудняют формирование программы действия и избирательную блокаду функциональных связей нейронов. Все это требует определенного времени для приспособления к реальной ситуации и сглаживания возникших симптомов болезни движения.

Изменения антропометрических показателей выражаются в основном в уменьшении массы тела (максимальная потеря составляет 6—7 кг). Объем голени закономерно снижается у всех космонавтов. Основными причинами указанных изменений являются перемещение крови в верхнюю часть тела, частичная дегидратация организма, уменьшение массы мышц вследствие их детренированности и др.

Изменения в двигательной сфере характеризуются сдвигами в системах управления движениями, что выражается в распаде привычных, выработанных на Земле программ движений, изменении координационной структуры моторного акта, снижении точностных характеристик и регуляции вертикальной позы. В начале полета обычно возрастает время выполнения нек-рых рабочих операций и затрудняется оценка мышечных усилий, необходимых для выполнения ряда движений. Однако уже через несколько суток полета в условиях невесомости устанавливается новый стереотип движений — появляется необходимая точность, уменьшаются требуемые усилия для их выполнения, возрастает эффективность двигательной работоспособности.

При обследовании космонавтов после длительных полетов выявляются атония задней группы мышц голени, уменьшение их силы, а также снижение порогов виброчувствительности опорных зон стопы и пяточного рефлекса. У крыс, находившихся в невесомости в течение 18— 22 суток, были обнаружены уменьшение площади поперечного сечения преимущественно медленных мышечных волокон и частичная трасформация медленных мышечных волокон в быстрые.

Основными причинами этих сдвигов являются снятие статической нагрузки на большую группу мышц, обеспечивающих сохранение позы и формирование тонического компонента движений, и уменьшение потока импульса-ции от гравирецепторов.

Изменения водно-солевого обмена в первую неделю полета заключаются в общей дегидратации, увеличении экскреции с мочой калия, натрия и альдостерона с тенденцией к уменьшению экскреции антидиуретического гормона; после длительных полетов отмечались задержка жидкости в организме, уменьшение ее внеклеточного объема, уменьшение экскреции с мочой натрия и увеличение экскреции калия, кальция, альдостерона и антидиуретического гормона, рассогласование регуляции экскреции жидкости и нек-рых ионов. Такие изменения водно-солевого обмена в условиях невесомости, по-видимому, отражают процесс приспособления организма к перемещению жидких сред в краниальном направлении. Возникающее при этом растяжение центральных вен и предсердий воспринимается их рецепторами как увеличение объема крови, что приводит к частичной потере воды и электролитов путем включения механизмов, тормозящих секрецию антидиуретического и, вероятно, других гормонов. Вследствие этого происходит уменьшение массы тела, снижение объема циркулирующей крови, плазмы крови и межклеточной жидкости. Возможен и другой механизм изменения водно-солевого обмена. Исследование крыс, находившихся в невесомости, показало, что таким механизмом является изменение функционального состояния почек. Об этом свидетельствует увеличение массы почек и увеличение числа функционирующих капилляров в их мозговом веществе, уменьшение содержания калия в тканях различных зон почки. Увеличение экскреции почками ионов натрия на фоне повышенной секреции альдостерона может быть связано с другими механизмами регуляции, в частности с повышением продукции натрийуретического фактора и, возможно, простагландинов. Т. о., отрицательный баланс калия в условиях невесомости может быть следствием увеличения активности ренин-ангиотензин-альдостероновой системы или развития детренированности мышечной системы и уменьшения ее калийдепонирующих возможностей, что сопровождается увеличением катаболизма белков и частичной потерей мышечной массы.

Изменения кальциевого обмена проявляются уменьшением минеральной насыщенности костной ткани, повышением уровня содержания в плазме крови кальция и фосфора и их экскреции с мочой во время и после полетов. Во время полета отмечается повышение содержания паратгормона в крови и увеличение выведения с мочой гидроксипролина и азота. Процессы, происходящие в костной ткани, обусловлены уменьшением нагрузки на скелет и перераспределением сил деформации, изменениями гемодинамики и метаболизма костной ткани.

Состояние костной ткани в условиях невесомости, как это показано в экспериментах на крысах, характеризуется уменьшением скорости периостального костег образования, замедлением созревания остеоида, остео-порозом трубчатых отделов, замедлением скорости роста кости в длину, снижением содержания кальция и уменьшением механической прочности.

Снятие силы тяжести и уменьшение мышечной нагрузки на костную систему в условиях невесомости вызывают уменьшение деформации костной ткани. Кроме того, отмечается уменьшение пьезоэлектрического эффекта на поверхности раздела коллаген-гидроксилапатит (см. Пьезоэлектрические явления). В результате изменяется характер перемещения ионов и заряженных молекул, а также процессов регуляции обменных процессов в костной ткани. Эти изменения в сочетании с предполагаемым уменьшением секреции соматотропина, тироксина и кальцитонина и тенденцией к увеличению содержания в крови паратгормона тормозят синтетические процессы в костной ткани и усиливают ее резорбцию, вызывают высвобождение ионов кальция и фосфора из депо, увеличивая их экскрецию с мочой. В конечном итоге развивается деминерализация костной ткани.

Следует заметить, что даже в самых длительных полетах потеря кальция у человека, а следовательно, и изменение прочности скелета не имели угрожающего характера. Однако эти явления при отсутствии соответствующих профилактических мер могут оказаться препятствием для дальнейшего увеличения продолжительности космических полетов человека.

Изменения функции эндокринных органов у человека во время полета проявляются уменьшением содержания в плазме крови АКТГ и тенденцией к увеличению концентрации кортизола, уменьшением или отсутствием изменений экскреции с мочой суммарных 17-гидроксикортикостероидов при одновременном увеличении экскреции кортизола и суммарных 17-кетостероидов. При обследовании крыс, находившихся в невесомости, обнаружены также снижение уровня соматотропного гормона в плазме крови и гипоплазия лимфоидной ткани вилочковой железы, селезенки и лимфатических узлов.

При исследовании щитовидной и паращитовидных желез у человека в космическом полете выявлены увеличение концентрации трийодтиронина и тироксина в плазме крови и периодические колебания уровня паратгормона. У крыс сразу же после окончания полета уменьшалось, а через двое суток после окончания полета увеличивалось количество С-клеток, продуцирующих ти-реокальцитонин. В паращитовидных железах в этот же период времени отмечались морфологические признаки повышения их функциональной активности (очаговая гиперплазия паратиреоцитов и увеличение размеров их ядер), что может служить показателем усиления продукции паратгормона.

Изменение функций сердечно-сосудистой системы. В длительных космических полетах у человека наблюдается тенденция к увеличению частоты сердечных сокращений и. уменьшению ударного объема сердца в покое и при воздействии отрицательного давления на нижнюю часть тела, а также менее выраженный прирост ударного объема сердца при дозированной физической нагрузке. Перестройка фазовой структуры сердечного цикла в покое характеризуется развитием признаков усиления сердечного сокращения, к-рые при воздействии отрицательного давления на нижнюю часть тела трансформируются в фазовый синдром гиподинамии миокарда («недогрузка объемом»), а при дозированной физической нагрузке — в фазовый синдром гипердина-мии миокарда. Однако формирование этих синдромов происходит за счет иного соотношения длительности фаз, чем в предполетном периоде, что свидетельствует об определенной роли перераспределения крови, происходящего в условиях невесомости. Артериальное давление во время длительных полетов несколько снижается (за исключением конечного систолического давления)* Ве-нозпое давление в яремной вене во время полетов увеличивается в 2—4 раза, а в области сосудов голени снижается и приближается к венозному давлению в области предплечья. Растяжимость сосудов венозного резервуара голени увеличивается при одновременном уменьшении их сократимости.

Во время космического полета в ряде случаев наблюдались признаки физической и ортостатической детренированности, наиболее выраженные в послеполетный период.

На протяжении первого месяца полета происходит формирование приспособительных реакций и переход на новый уровень функционирования всей сердечнососудистой системы. В дальнейшем наблюдается ее относительная стабилизация как в покое, так и при функциональных пробах.

При исследовании миокарда крыс, находившихся в невесомости в течение 18—22 суток, не выявлено существенных структурных изменений в митохондриях и сократительном аппарате мышечных клеток. Абсолютный вес сердца не изменялся. Не отмечалось также изменений спектра лактатдегидрогеназы и увеличения общего количества свободных липидов в миокарде. Вместе с тем в кардиомиоцитах обнаружено появление миелиноподобных структур, что свидетельствует о недогрузке мышечного аппарата сердца в условиях невесомости. На это же указывает значительное снижение АТФ-азной активности миозина миокарда крыс, являющееся одним из показателей ухудшения сократительных свойств сердечной мышцы, т. е. частью симптомокомплекса детренированности сердечно-сосудистой системы.

Факторами, играющими, по-видимому, ведущую роль в изменении кровообращения в этих условиях, являются: перемещение жидких сред организма в краниальном направлении и возникающие при этом изменения соотношения между процессами фильтрации и абсорбции жидкости в капиллярах; уменьшение вследствие недогрузки и развития детренированности роли мышечной системы (периферических «мышечных сердец» и «мышечных помп») в движении крови и ее венозном возврате; первичные и опосредованные (за счет перераспределения крови) изменения афферентации с механорецепторов сосудов сердца и легких, опорно-двигательного аппарата и внутренних органов, что приводит к изменению состояния центральных регуляторных механизмов системы кровообращения.

Увеличение кровенаполнения верхних отделов туловища, вероятно, приводит к возникновению рефлекторных реакций (с рецепторов сосудов сердца и легких за счет их растяжения увеличенным объемом крови), направленных на уменьшение объема циркулирующей крови, ограничение ее притока в сердечно-легочную область и установление в итоге сбалансированного притока крови к сердцу. Одновременно частично компенсируются развивающиеся в условиях невесомости сдвиги в фазовой структуре сердечного цикла, снижается артериальное давление и периферическое сосудистое сопротивление.

Изменения функции кроветворения. В длительных полетах развивается так наз. синдром функциональной анемии, характеризующийся уменьшением объема плазмы крови, массы эритроцитов и гемоглобина, уровня эритропоэтинов, числа эритроцитов в периферической крови, уменьшением их размера, увеличением в нек-рых случаях числа аномальных эритроцитов (эхиноцитов, сферических и куполообразных форм). Уменьшение числа эритроцитов и содержания гемоглобина в единице объема крови, а также нарастание рети-кулоцитоза достигают максимальной выраженности на 2—3-й неделе полета. Уровень эритропоэтинов в плазме крови и моче на 7—10-е сутки полета увеличивается в несколько раз. Вероятно, снижение уровня физической активности, дегидратация организма и уменьшение объема плазмы, увеличение гематокрита, относительное увеличенпе массы эритроцитов тормозят эритропоэз. Эксперименты на крысах показали, что под влиянием невесомости происходит также нек-рое сокращение продолжительности жизни эритроцитов.

После полета быстро восстанавливается объем плазмы крови, что приводит к еще большему уменьшению содержания эритроцитов и гемоглобина в единице объема крови; постепенное восстановление показателей красной крови до нормы происходит на протяжении 1 V2—2 мес. после окончания полета.

Изменения внешнего дыхания в космических полетах в большинстве случаев проявляются возрастанием ряда его показателей. Механизмы этих изменений, особенно в длительных полетах, во многом еще остаются неясными. Увеличение потребления кислорода может быть связано с изменением вентиляционно-перфузионных отношений в легких, рефлекторным увеличением легочной вентиляции вследствие предполагаемого переполнения малого круга кровообращения и необходимости оксигенации большего, чем на Земле, объема венозной крови, поступающей в сосуды легких. В первые дни полета определенное влияние на газообмен оказывают выработка нового стереотипа движений, состояние эмоционального стресса, явление компенсированного ацидоза (вследствие отрицательного баланса калия) и другие факторы. На более поздних этапах полета, по-видимому, уменьшается степень сопряжения окисления с фосфорилированием. Однако это не согласуется с отсутствием в ряде случаев интенсификации газообмена при физической нагрузке в невесомости. Последнее, вероятно, связано с уменьшением затраты энергии при вращении педалей велоэргометра и эффектом тренированности при систематическом воздействии нагрузки на одни и те же мышечные группы.

Состояние иммунологической реактивности. В условиях длительного космического полета изменяются нек-рые показатели естественного иммунитета (уменьшение содержания в крови Т-лимфоцитов, активности Т-помощников и естественных киллеров при неизменной супрессорной активности), что способствует повышению вероятности заболеваний как во время, так и после окончания полета. Иногда увеличивается микробная обсемененность кожи и слизистых оболочек, развиваются дисбактериотические сдвиги (в т. ч. кишечной флоры), повышается устойчивость к нек-рым антибиотикам; у некоторых микроорганизмов появляются признаки патогенности. Сдвиги в системе человек-микроорганизмы не имеют четкой зависимости от длительности полета и определяются главным образом объемом профилактических мероприятий, особенностями питания, индивидуальными свойствами организма человека и изменчивостью самих микроорганизмов. Возможно, именно с этими причинами связано изменение ряда показателей естественного иммунитета у космонавтов.

Общие закономерности адаптации к невесомости

Процесс приспособления организма к невесомости направлен на сохранение гомеостаза жизненно важных констант организма. Следует иметь в виду, что адаптация к невесомости достигается за счет частичной утраты свойств и качеств, приобретенных организмом в процессе эволюции в условиях действия гравитационного поля Земли. Постоянное и длительное воздействие невесомости приводит к формированию долговременных приспособительных реакций. Особенностью долговременных приспособительных реакций является снижение потребности организма в макроэргических соединениях, очевидно, вследствие уменьшения функциональной нагрузки на мышечную систему, что ведет к уменьшению синтеза белков, снижению мощности системы энергообеспечения. В результате при недостаточном использовании профилактических средств в невесомости развивается детренированность к физическим нагрузкам, или деадаптация, характеризующаяся изменением метаболизма и структуры скелетных мышц, а также снижением мышечной работоспособности. Аналогичные процессы, служащие проявлением долговременной адаптации, развиваются в костной ткани: снижается активность костеобразования, усиливается резорбция костной ткани и постоянно сохраняется отрицательный баланс кальция. С другой стороны, увеличение нагрузки на нек-рые регуляторные механизмы, осуществляющие, напр., поддержание нового уровня функционирования системы кровообращения и водно-солевого равновесия, сопровождается повышением мощности соответствующих физиологических систем, образованием в головном мозге новых, достаточно устойчивых связей, гиперфункцией соответствующих структур (включая корковые нейроны), активизацией в них синтеза нуклеиновых кислот и белков.

Процесс приспособления организма человека к невесомости можно условно разделить на ряд периодов, обусловленных отклонением конечных приспособительных эффектов от константного уровня и возникновением первичных реакций на невесомость. Начальный период адаптации (продолжительность ок. 1 недели) характеризуется перестройкой практически всех функций организма и его регуляторных систем с возникновением компенсаторно-приспособительных реакций. Именно в этот период развивается космическая форма болезни движения, происходит перераспределение крови и других жидких сред в краниальном направлении, увеличивается экскреция жидкости и солей, уменьшаются общий объем циркулирующей крови, объем плазмы, масса эритроцитов, а также масса тела, возникают двигательные нарушения. Уменьшение нагрузки на опорно-двигательный аппарат является пусковым механизмом последующих изменений метаболизма костной ткани, повышенного выхода кальция в кровь и его выведения из организма. Одновременно с возникновением перечисленных сдвигов наблюдается развитие механизмов, препятствующих дальнейшему прогрессированию неблагоприятных для организма изменений и даже в определенной степени компенсирующих их.

Период завершения адаптивных перестроек (продолжительность 4—8 нед.) характеризуется дальнейшим развитием компенсаторно-приспособительных реакций в условиях невесомости и частичным или полным становлением конечных приспособительных эффектов для большинства функций организма.

Период относительной стабилизации процессов жизнедеятельности связан с установлением нового уровня функционирования основных систем организма в условиях невесомости на длительный срок при отсутствии чрезмерных возмущающих воздействий.

Средства и методы профилактики функциональных нарушений, обусловленных факторами полета

Исследования, проведенные во время полетов на орбитальных станциях показали, что сдвиги, возникающие под влиянием невесомости и других факторов полета, могут быть в достаточной степени компенсированы и предотвращены с помощью следующих средств профилактики: физических методов, направленных на уменьшение перераспределения крови и других жидких сред организма в условиях невесомости и в период реадаптации к земной гравитации, а также на стимуляцию нервно-рефлекторных механизмов, регулирующих кровообращение в вертикальном положении тела (создание отрицательного давления на нижнюю часть тела, применение эластичных и противоперегрузочных костюмов, надувные манжеты, накладываемые на руки и ноги, электростимуляция мышц и т. д.); физических нагрузок в целях поддержания тренированности наиболее важных систем организма и стимуляции нек-рых групп рецепторов с помощью физических упражнений и нагрузочных костюмов; целенаправленного воздействия на основные функции организма; регуляции питания (добавление в пищу солей, аминокислот и витаминов, нормирование питания и потребления воды); оптимизации среды обитания, режима труда и отдыха и средств психологической поддержки.

Впервые обширный комплекс профилактических средств был применен во время полетов космонавтов на орбитальных станциях «Салют». Этот комплекс включал ежедневное выполнение физических упражнений на беговой дорожке и велоэргометре; создание постоянной нагрузки на опорно-двигательный аппарат (ежедневное пребывание в течение 10—12 час. в нагрузочных костюмах); тренировки с приложением отрицательного давления к нижней части тела (на заключительном этапе полета); прием водно-солевых добавок за сутки до окончания полета и в день приземления; ношение противо-перегрузочного костюма после полета.

Не исключено, что в будущих длительных космических полетах одним из эффективных средств поддержания оптимального функционального состояния организма человека может стать искусственная тяжесть. В экспериментах с крысами на биоспутнике «Космос-936» было показано, что создание искусственной тяжести с помощью бортовой центрифуги предотвращало возникновение в космическом полете таких неблагоприятных изменений, как снижение АТФ-азной активности миозина миокарда, нарушение водно-солевого равновесия, ухудшение сократительных свойств и изменение метаболизма скелетных мышц, снижение механической прочности костей конечностей, изменения состояния органов эндокринной системы.

Использование достижений космической биологии и медицины в других отраслях науки и в практическом здравоохранении

Результаты медико-биологических исследований, проведенных в космических полетах, и экспериментов, посвященных проблемам космической биологии, расширили наше представление о границах возможного распространения жизни, о биосфере, об адаптивных возможностях живых организмов. Была обнаружена, в частности, высокая устойчивость микроорганизмов и спор бактерий к экстремальным условиям существования (низкие величины температуры и барометрического давления, интенсивное ультрафиолетовое и ионизирующее излучение, другие факторы).

Одним из направлений космической биологии является разработка и создание искусственных замкнутых биологических систем — моделей биогеоценозов, к-рые могут быть положены в основу разработки будущих биологических систем жизнеобеспечения человека при длительном пребывании в космосе и под водой. Нек-рые из этих моделей в перспективе могут быть использованы для решения фундаментальных проблем взаимоотношений человека и среды обитания, увеличения производства продуктов питания в глобальном масштабе и др.

Изучение механизма действия на организм человека и животных разнообразных факторов космического полета и космического пространства обогащает экологическую физиологию, углубляет понимание общефизиологических закономерностей взаимодействия организма и среды, способствует выявлению функциональных резервов организма. Все это имеет важное значение не только для космической медицины, но и для других областей медицинской науки. Примером может послужить проблема выработки стандартов физиологических показателей, необходимых для уточнения понятий «здоровье» и «болезнь».

Исследования в области космической биологии расширяют существующие представления о закономерностях адаптации, демонстрируют более широкие, чем это считалось ранее, адаптационные возможности организма человека.

Успехи космической медицины способствуют решению нек-рых проблем практической медицины. Так, одним из важных достижений космической медицины является разработка методов и приборов для дистанционного медицинского контроля, а также для исследования сердечно-сосудистой системы, обмена веществ и других функций организма. Малогабаритная аппаратура, применяемая для проведения медицинских исследований в космических полетах (тетраполярный реограф для измерения показателей центрального и регионарного кровообращения, эхограф и др.), перспективна для использования на машинах скорой помощи, для обследования населения в отдаленных районах с помощью передвижных лабораторий, а также для дистанционной передачи эхокардиограмм в кардиологические центры.

Сосудистые катетеры, разработанные для изучения системы кровообращения в космическом полете и обладающие высокой биологической, химической и механической устойчивостью, способностью сохранять заданную эластичность и имеющие атромбогенную поверхность, прошли клинические испытания и в настоящее время внедрены в практику обследования кардиологических больных.

На основе космической бортовой диагностической аппаратуры в СССР разработан и изготовлен опытный образец передвижной автоматизированной лаборатории, предназначенной для экспресс-оценки функциональных особенностей организма и выработки рекомендаций по сохранению и укреплению здоровья. Подобные передвижные лаборатории могут способствовать дальнейшему совершенствованию системы диспансеризации населения.

Для обследования и отбора кандидатов в космонавты были усовершенствованы экспертные методы, применяемые при отборе летчиков, разработан ряд новых методов выявления скрытой патологии, обоснованы нек-рые новые экспертные подходы при оценке состояния здоровья человека. Многие из этих методов уже используются в клинической практике и при экспертизе летчиков.

В результате специальных исследований по проблеме жизнеобеспечения экипажей космических кораблей и орбитальных станций были сформулированы и вошли в гигиеническую практику нормативы ряда гигиенических параметров среды обитания человека, произведена токсикологическая оценка значительного количества новых полимерных материалов и выполнены другие исследования, важные для практической медицины.

Космическая медицина стимулирует также проведение многочисленных исследований, направленных на изучение влияния на организм снижения двигательной активности (гипокинезии). Как известно, гипокинезия имеет большое значение как этиологический фактор ряда заболеваний, прежде всего заболеваний сердечно-сосудистой системы. Исследование влияния этого фактора на организм здорового человека показало, с одной стороны, социальную значимость проблемы гипокинезии, а с другой — выявило, что такое распространенное и испытанное средство лечения, как строгий постельный режим, представляет собой отнюдь не нейтральную процедуру и требует критического осмысливания. В этой связи первостепенное значение для здравоохранения приобретает разработка эффективных профилактических средств, уменьшающих гипокинезию у людей в земных условиях. В ходе проведения исследований на здоровых добровольцах в условиях гипокинезии были научно обоснованы и разработаны принципы и методы реабилитации, к-рые широко используются при лечении заболеваний и способствуют сокращению сроков лечения и нетрудоспособности больных различного профиля (неврологического, травматологического, кардиологического и др.).

Космическая биология и космическая медицина наряду с решением практических задач стимулируют развитие ряда областей общей биологии и практического здравоохранения, обогащая их новыми идеями и научными открытиями.


Библиогр.: Авиационная медицина, под ред. H. М. Рудного и др., М., 1986; Биологические исследования на биоспутниках «Космос», под ред. Е. А. Ильина и Г. П. Парфенова, М., 1979; Влияние динамических факторов космического полета на организм животных, под ред. А. М. Генина, М., 1979; Воробьев Е. И. ид р. Результаты медицинских исследований при проведении длительных пилотируемых полетов по программе «Салют-6», Косм. биол. и авиакосм, мед., т. 18, № 1,с. 14, 1984; Второй групповой космический полет и некоторые итоги полетов советских космонавтов на кораблях «Восток», под ред. H. М. Сисакяна, М., 1965; Космические полеты на кораблях «Союз», Биомедицинские исследования, под ред. О. Г. Газенко и др., М., 1976; Основы космической биологии и медицины, под ред. О. Г. Газенко и М. Кальвина, т. 1 — 3, М., 1975; Первые космические полеты человека, под ред. H. М. Сисакяна и В. И. Яздовского, М., 1963; Первый группой космический полет, под ред. H. М. Сисакяна и В. И. Яздовского, М., 1964; Biomedical results from skylab, ed. by R. S. Johnston a. L. F. Di-etlein, Washington, 1977; Biotechnology inc. Bioastronautics data book ed. by J. F. Parker a. V. R. West, Washington, 1973.


Источник: Большая Медицинская Энциклопедия (БМЭ), под редакцией Петровского Б.В., 3-е издание

Рекомендуемые статьи