В ближайшей перспективе перед человечеством встанет беспрецедентная задача: полет первых колонистов к Марсу, а затем и к другим планетам и их спутникам. И разумеется, при этом возникнет ряд совершенно новых, незнакомых ранее проблем. Причем большинство из них будет связано не с технической стороной дела – инженеры уже разрешили большую часть трудностей, которые могут возникнуть во время запуска ракеты к Марсу. В первую очередь ученым придется выяснить, как отреагирует на сверхдальний перелет и долгое пребывание в невесомости человеческое тело.
Нынешний рекорд пребывания человека в космосе – 437 дней в состоянии невесомости – был установлен российским космонавтом Валерием Поляковым. И пусть судить о том, как изменяется состояние организма в сверхдолгом полете, по одному испытуемому сложно, биологи и врачи уже предсказали ряд метаморфоз, ожидающих организмы будущих покорителей Солнечной системы.
Но несмотря на то, что влияние космических полетов на организм человека активно изучается еще с середины XX века, многие проблемы, связанные с метаболизмом, сердечными ритмами, мышечным тонусом, дыхательной и иммунной системами и многими другими физиологическими процессами до сих пор не решены.
Невесомость
Невесомость возникает во время полета в космическом корабле, когда его двигатели уже не работают, он плывет в безвоздушном пространстве по инерции, и сила притяжения Земли на него уже не действует. В невесомости нет опоры, тело постоянно пребывает в состоянии свободного падения.
Космонавт ощущает невесомость не только вестибулярным аппаратом, расположенным в височных областях головы, во внутреннем ухе. На Земле человек ощущает свой вес всей поверхностью тела, например, ступнями, когда стоит, или спиной, если лежит. О нем он может судить по сигналам от мышц. В космосе все эти сигналы исчезают и появляется новое необычное ощущение. Это и есть ощущение невесомости.
Разумеется, люди, рожденные и выросшие на Земле, не привыкли к таким условиям. С первых секунд полета в невесомости у многих возникает чувство страха, ощущение того, что они падают или перевернуты вверх ногами. Со временем космонавты к этому привыкают, однако их тела постепенно меняются, подстраиваясь под нее. А поскольку невесомость для человека – среда совершенно чужеродная, чаще всего эти изменения вовсе не к лучшему.
Сегодня ученые досконально исследуют эти процессы и ищут способы их предотвратить или хотя бы компенсировать. К сожалению, это затрудняется тем, что полеты в космос все еще явление довольно редкое и «подопытных» у них немного.
Дыхание
На современных космических кораблях достаточно воздуха, чтобы космонавты могли дышать без вспомогательных средств. Но в невесомости человек дышит не так, как на Земле. Ученым пока недостает данных о работе легких в космосе, и все же некоторые выводы о влиянии невесомости на дыхание они все-таки сумели сделать. Основное отличие дыхания космонавтов в том, что из-за изменений в системе кровообращения легкие фильтруют меньше воздуха, чем обычно, и с каждым вздохом в кровь поступает меньше кислорода, чем на поверхности планеты. К счастью, это не приводит к патологическим изменениям, а поскольку физическая активность и нагрузки у космонавтов снижены, уменьшение объема поступающего в кровь кислорода не влияет на жизнеспособность организма.
Немного меняется и способ дыхания. Если на Земле людей, которые дышат грудной клеткой или брюшиной, примерно поровну, в космосе удобнее дышать только легкими, не задействуя брюшную полость. Так что у космонавтов даже уменьшается так называемый брюшной охват, что, впрочем, никак не сказывается на их здоровье.
Настоящая проблема дыхания в невесомости – пыль. Откуда же ей взяться в безвоздушном пространстве? Дело в том, что человеческая кожа постоянно регенерирует, и отмершие клетки эпителия, в обычных условиях просто оседающие на землю, в невесомости плавают по всему космическому кораблю. Вдыхать их опасно и вредно: они могут не только засорить легкие, но и вызвать сильнейшую аллергическую реакцию. Именно поэтому система вентиляции на космическом корабле для долгого полета должна быть не просто идеально настроена, но еще и снабжена самыми современными фильтрами пыли.
Опорно-двигательный аппарат
В условиях невесомости нагрузка на кости и мышцы человека сводится практически к нулю. К тому же для нормального функционирования нашего опорно-двигательного аппарата нам необходимо постоянное движение, а люди на космическом корабле в перемещениях ограничены. Именно поэтому в невесомости кости постепенно становятся тоньше: за месяц пребывания в невесомости костная масса космонавта уменьшается в среднем на 1 – 2%. Так что за один полет на орбиту Земли она может снизиться до 20% костной массы, а за время долгого путешествия к Марсу и на все 50%.
Происходит это из-за нарушения фосфорного обмена и активного выброса кальция в кровь – ведь в условиях отсутствия физических нагрузок организму не надо поддерживать кости в рабочем состоянии. Этот синдром назвали космической остеопатией, и из-за нее кости космонавтов становятся очень хрупкими. Опасна она еще и тем, что повышенное содержание кальция в крови может негативно сказаться на здоровье почек.
Почти то же самое происходит в невесомости и с мышцами. Из-за уменьшения физических нагрузок они постепенно атрофируются и становятся тоньше. Ослабевшие мышцы хуже обеспечивают так называемый мышечный корсет тела, призванный удерживать кости и позвонки плотно пригнанными друг к другу. Так что человек, проведший много времени в невесомости, становится выше на 3 – 5 см. Все дело в том, что его позвонки чуть-чуть отдаляются друг от друга, а позвоночный столб теряет свои естественные изгибы.
С первых полетов врачи пытаются как-то помочь космонавтам поддерживать физическую форму даже в невесомости. Например, сейчас каждый член экипажа МКС должен ежедневно проходить часовую кардиотренировку и еще один час посвящать силовым упражнениям. Кроме того, для них разработаны специальные костюмы, которые тонизируют мышцы и создают дополнительную нагрузку на опорно-двигательный аппарат. Но даже несмотря на все эти усилия, когда космонавты возвращаются домой, ходить им поначалу довольно трудно. Так что нет ничего удивительного, если после прилета на Марс люди с непривычки не смогут встать на ноги. Вот только там, в отличие от Земли, их не будут ждать оборудованная по последнему слову техники реабилитационная клиника и профессиональные физиотерапевты…
Кровообращение
Разумеется, система кровообращения человека миллионы лет эволюционировала в условиях земного притяжения, так что максимально эффективно она работает именно на Земле. Человеческое сердце расположено выше многих других внутренних органов – такое положение помогает ему лучше снабжать кровью верхнюю часть тела и, следовательно, головной мозг по малому кругу кровообращения. Но основная масса крови циркулирует в нижней части тела по большому кругу кровообращения. А вот в условиях невесомости все тело человека получает кровь, да и все остальные жидкости, в одинаковом количестве.
Из-за этого ноги космонавтов меньше отекают и становятся более стройными, а голова, наоборот, увеличивается в размерах, вздуваются вены на шее и отекает лицо. Это сбивает с толку человеческий организм, сразу же запускающий режим саморегуляции. При этом мозг начинает принимать сигналы об избытке жидкости в верхней части тела и дает сигнал вывести излишки влаги из организма. Почки начинают работать активнее, тело космонавта обезвоживается, но из-за того, что к голове приливает все еще слишком много крови, человек не испытывает жажды. И, чтобы избежать обезвоживания, космонавтам в невесомости приходится во время всего полета заставлять себя пить по расписанию, даже если им этого не хочется.
Кроме того, из-за неправильного распределения жидкостей в теле космонавты во время полета теряют около 22% объема крови. И, качая меньше крови, сердце со временем может атрофироваться. А ослабленное сердце – это и низкое давление, и головные боли, и частые обмороки, и даже кислородное голодание мозга. Кроме того, человеческое сердце в состоянии невесомости не только уменьшается в объеме и ослабевает, но и слегка меняет форму. Этот факт установили кардиологи NASA, изучив сердца 12 астронавтов, работавших на МКС. Снимки органов показали, что в условиях невесомости они округляются в среднем на 9,4 %. И это уже серьезно, ведь подобные изменения могут впоследствии привести к тяжелым патологиям. Пока известно, что организм вернувшихся с орбиты космонавтов приходит в норму в течение полугода. Но что будет с кровеносной системой человека после сверхдолгого перелета?
Еще одна проблема, связанная с кровью в космосе, – это невозможность проводить в условиях невесомости операции открытого типа. Так что даже простой аппендицит может стать для покорителей космоса серьезной проблемой, ведь врач не сможет сделать достаточно большой разрез на теле человека, чтобы при этом вся его кровь попросту не улетала. Специалисты NASA частично решили этот вопрос, разработав специальную коробку, наполненную физиологическим раствором, в которую помещают поврежденную часть тела. В ней можно безопасно прооперировать руку или ногу. Но вот что делать с полостными операциями и операциями в области головы, ученым пока не ясно.
Мозг
Исследователи из Медицинского университета Южной Каролины выяснили еще один неутешительный факт о влиянии невесомости на здоровье человека. Оказалось, что длительное пребывание в невесомости воздействует и на мозг. Ученым NASA давно было известно, что космонавты нередко страдают от ухудшения зрения, повышенного внутричерепного давления и головных болей. Причина этого явления в том, что из-за неправильного распределения жидкостей в теле человека в состоянии невесомости спинномозговая жидкость приливает к голове и давит на мозг, сжимая его и оттесняя к поверхности черепа. Изменения затрагивают и кору передних полушарий – мозговые извилины становятся более узкими. Это вызывает опасные симптомы, которые в сверхдолгом перелете могут обернуться настоящей катастрофой. Ведь у космонавтов, долгое время пребывавших в состоянии невесомости, в первую очередь страдают области мозга, отвечающие за движения тела, аналитические способности, исполнительные функции и социальное поведение.
«Нарушение исполнительных функций может повлиять на работу космонавта. Любые изменения в области мозга, отвечающей за то, как мы воспринимаем окружающий мир и взаимодействуем с ним, очень нас тревожат. Не хотелось бы столкнуться с подобными проблемами во время миссии. Космонавты, страдающие от таких симптомов, не смогут разглядеть часть объектов, прочитать руководства или провести исследования. Это может также повлиять на восприятие и концентрацию, что приведет к серьезным последствиям», – утверждает один из исследователей, доктор Майкл Антонуччи.
А ведь такие опасные симптомы проявляются у 18,8% космонавтов, участвовавших в краткосрочных миссиях, и у 94% людей, проведших в космосе больше трех месяцев.
Как помочь будущим марсианским колонистам справиться с этой проблемой во время долгосрочного полета, пока не ясно. Врачам, безусловно, известны способы лечения пациентов с повышенным внутричерепным давлением на Земле. Но вот как применить эти методики в невесомости и помогут ли они, учитывая особенности распределения жидкостей в организме человека в космосе, неизвестно.
Нервная система
В сверхдолгом перелете нешуточным испытаниям повергнется и нервная система космонавтов.
В космосе нет разделения на день и ночь. Находясь на орбите, люди видят рассвет и закат по несколько раз за сутки, а в долгом полете будут лишены и этого – солнце будет светить постоянно, и естественная ночь будет просто-напросто отсутствовать. Так что понять, когда пора ложиться спать, а когда – бодрствовать, окажется непросто. Нарушение суточных ритмов негативно отражается на состоянии нервной системы космонавтов, которые начинают испытывать постоянную усталость. В таких условиях им бывает трудно заснуть. Кроме того, они часто бывают перевозбуждены, работают посменно по несколько часов, да еще и вынуждены отдыхать в невесомости в спальных мешках, пристегнутых ремнями к стене, что тоже не способствует здоровому сну. Так что бессонница – частая спутница космонавтов.
Сейчас для борьбы с постоянным недосыпанием на космических кораблях планируют оборудовать специальные спальные отсеки, которые можно будет затемнить в любой момент, создавая искусственную ночь.
Еще одна нерешенная пока проблема нервной системы – управление телом в состоянии невесомости. Это не так легко, как кажется на первый взгляд. В таких условиях человеку довольно сложно рассчитывать расстояния до предметов и совершать, к примеру, хватательные движения. В невесомости человек нередко промахивается, пытаясь взять какой-то предмет, до которого, как ему казалось, он легко дотянется. И поначалу это вводит нервную систему в ступор, так что на адаптацию к таким условиям у космонавтов уходит по несколько месяцев.
Ну и, конечно, вечным врагом космонавтов в длительном полете является стресс. «Психологическое здоровье наших астронавтов всегда занимало нас не меньше, чем их физическое состояние, – говорит специалист NASA доктор Джеффс. – Постоянные поведенческие тренинги, исследование и совершенствование технологий коммуникации – все это призвано помочь предотвратить любые потенциальные проблемы».
Зрение
Доказано, что невесомость влияет и на зрение космонавтов. Это выяснили, проведя целый рад экспериментов.
Например, в полете многим кажется, что нарисованные на белой бумаге геометрические фигуры увеличиваются в размере, расплываются, бледнеют, смещаются вниз и даже раскачиваются. Но если как следует сосредоточиться только на одной из множества фигур или части целой картинки, она становится четкой, перестает двигаться, зато видится очень яркой. А вот все остальные части ведут себя как придется, и на периферии зрения круг становится овалом, квадрат – ромбом, а прямая линия – изогнутой. Эти изменения ученые связывают с расслабленностью мышц, в том числе и управляющих глазными яблоками, которая возникает при невесомости.
Другой любопытный оптический эффект космонавты могут наблюдать в темноте. Если в невесомости смотреть на светящуюся фигуру или кнопку, может показаться, что вокруг нее появляется широкий фиолетовый ореол. Это происходит из-за того, что невесомость действует на вестибулярный и отолитовый аппарат космонавта, что слегка изменяет его способность видеть в темноте.
Еще один эксперимент показал, что в таких условиях меняется и цветовосприятие. Некоторые цвета кажутся особенно яркими, как будто светящимися изнутри. Особенно сильно увеличивается чувствительность к длинноволновому участку спектра, то есть к красному, оранжевому и желтому цветам. Оттенки зеленого в космосе кажутся лишь немногим ярче, чем на Земле, а вот синий и фиолетовый цвета не изменяются вовсе.
Кроме того, более 60% космонавтов жалуются на ухудшение зрения в целом. Возможно, это связано с высоким внутричерепным давлением, с которым им приходится жить месяцами. Но по возвращении на Землю их зрение почти всегда постепенно восстанавливается.
Иммунитет
Многолетние исследования NASA позволили оценить влияние невесомости и на иммунную систему человека. К сожалению, этот сложный и до сих пор не изученный до конца механизм тоже подвержен негативному влиянию невесомости.
Так, ученые выяснили, что в длительном полете иммунная система ведет себя крайне нестабильно – снижается активность одних клеток и, наоборот, резко возрастает активность других. Такая работа иммунитета приводит к тому, что организм становится легкой добычей для бактерий и вирусов. Те из них, что до поры скрывались в организме и были подавлены иммунной системой, начинают вредить человеку порой даже без симптомов заболевания, что куда опаснее, ведь это затрудняет постановку диагноза и назначение лечения. Нередко снижение иммунитета приводит к развитию у космонавтов различных аллергий, которых у них не было до полета.
Исследователи NASA выявили, кроме всего прочего, что в невесомости изменяется количество, а главное, поведение цитокинов – протеинов, которые сообщают организму о вторжении патогена. Да и белые кровяные клетки лимфоциты менее эффективно поглощают чужеродные микроорганизмы в борьбе с инфекциями.
А французские ученые, ставившие опыты на молодых мышах в невесомости, смогли доказать, что космические полеты могут запустить процесс ускоренного старения иммунной системы. Ученые тщательно изучали работу клеток, производящих B-лимфоциты в красном костном мозге, в невесомости и пришли к неутешительным выводам. За время «полета» в костном мозге молодых мышей успели произойти изменения, которые были характерны для старых грызунов. Исследователи предполагают, что аналогичные изменения происходят под действием невесомости и в организме человека.
Ученые планируют использовать эти данные для разработки новых лекарств, которые помогут поддерживать красный костный мозг в рабочем состоянии и укрепить иммунитет космонавтов. Впрочем, подобные препараты пригодятся не только будущим покорителям космоса, но и пожилым людям на Земле.
Но куда больше волнует ученых воздействие на организм космической радиации, ведь человеческий иммунитет пока не в состоянии справиться с последствиями облучения. Даже на МКС, которая находится под защитой магнитного поля Земли и окружена надежными поглощающими щитами, космонавты порой «видят» яркие вспышки света. Причина этих оптических иллюзий в проходящих через их мозг лучах космического излучения.
А дальний космос буквально пронизан радиацией: ведь Солнце и другие звезды – это гигантские ядерные взрывы. Так что за пределами магнитного поля родной планеты космонавты легко могут получить летальную дозу облучения. И пока ученые не решат вопрос с защитой космического корабля для дальнего перелета от радиационного излучения, о путешествиях к другим планетам можно и не мечтать.
Мужчины и женщины в космосе
NASA и Национальный космический биомедицинский исследовательский институт провели широкомасштабное исследование, чтобы выявить основные различия влияния длительного пребывания в невесомости на мужчин и женщин. Они тщательно изучили и сравнили их сердечно-сосудистую и иммунную системы, опорно-двигательные аппараты, моторные функции, зрение, слух и нервную систему. Оказалось, что после длительного пребывания в невесомости мышцы женщин атрофируются сильнее, так что стоять и ходить после приземления им сложнее, чем мужчинам. А вот кости истончаются у мужчин и женщин с примерно одинаковой скоростью, зависящей от начальной массы тела. Кроме того, женщины-космонавты теряют больший процент плазмы крови во время полета. И их организмы больше подвержены влиянию лучевой болезни, для них риск заболеть во время полета раком выше, чем для мужчин. А стало быть, и их защитные скафандры должны быть спроектированы более устойчивыми к радиации.
Зато мужчины во время полета в невесомости чаще страдают от ухудшения зрения, возможно, потому, что внутричерепное давление у них выше, чем у женщин в аналогичных условиях. Во время исследования снижение остроты зрения наблюдалось у 82% мужчин-космонавтов. И только у мужчин зрение после прилета на Землю в некоторых случаях не возвращалось к норме. К тому же у них гораздо быстрее падает острота слуха.
А вот связи между полом и психологическими и поведенческими изменениями ученые не нашли. На качество сна в невесомости пол тоже, как выяснилось, никак не влияет.
Зато обнаружилась еще одна интересная особенность, связанная с иммунитетом космонавтов. Дело в том, что на Земле женская иммунная система реагирует на бактерии и вирусы сильнее, чем мужская. А вот в космосе иммунные системы мужчин и женщин не показывают никакой разницы и реагируют на опасные раздражители совершенно одинаково.
Так что надежды ученых на то, что какой-то из полов окажется более приспособленным к сверхдальнему перелету и освоению Марса, не оправдались.
К сожалению, всем вышеперечисленным проблемы, ожидающие космонавтов в сверхдолгом перелете к Марсу, не исчерпываются. Полет в состоянии невесомости, например, может вызвать приступы морской болезни, острые головные боли и постоянное потоотделение, ведь в космическом корабле у астронавтов нет естественной теплоотдачи, так что и потеют они почти в три раза больше, чем на Земле. Даже привычное чувство вкуса может изменить космонавту – многие из них отмечали, что еда в полете становится пресной, а любимые блюда уже не такие вкусные, как раньше. И даже заплакать у отважных покорителей космоса не выйдет: в невесомости слезы просто-напросто текут, оставаясь в глазницах, ухудшая видимость и вызывая жжение. Для того чтобы удалить лишнюю влагу из глаз, космонавты пользуются специальными совочками. А мелкие приятные бонусы – вроде того, что в космосе никто не храпит и не страдает от отрыжки – вряд ли компенсируют все остальное.
Так что врачам и ученым предстоит еще очень много работы, чтобы решить все эти проблемы и как следует подготовить космонавтов ко всем трудностям их долгого пути.
