Достижения и перспективы развития космической биологии. Биологические исследования в космосе

Мощные силы сговорились против вас - в частности, гравитация. Если объект над поверхностью Земли хочет летать свободно, он должен буквально выстрелить вверх со скоростью, превышающей 43 000 км в час. Это влечет большие денежные затраты.

Например, чтобы запустить марсоход “Любопытство” на Марс, потребовалось почти $200 миллионов. А если говорить о миссии с членами экипажа, то сумма значительно увеличится.

Сэкономить деньги поможет многоразовое использование летающих кораблей. Ракеты например, разрабатывались для многоразового использования, и как нам известно, уже есть попытки удачного приземления.

2. Полет

Лететь сквозь космос легко. Это - вакуум, в конце концов; ничто не замедляет вас. Но при старте ракеты возникают сложности. Чем больше масса объекта, тем больше силы нужно, чтобы переместить его, и ракеты имеют огромную массу.

Химическое ракетное топливо отлично подходит для первоначального ускорения, но драгоценный керосин сгорает за считанные минуты. Импульсное ускорение позволит долететь до Юпитера за 5-7 лет. Это чертовски много фильмов в полете. Нам нужен радикальный новый метод для развития скорости полета.

Поздравляем! Вы успешно запустили ракету на орбиту. Но прежде чем вы вырветесь в космос, откуда не возьмись появится обломок старого спутника и врежется в ваш топливный бак. Все, ракеты больше нет.

Это проблема космического мусора, и это очень реально. “Американская Сеть Наблюдения” за космическим пространством обнаружила 17,000 объектов - каждый, размером с мяч - мчащийся вокруг Земли на скоростях больше чем 28 000 км в час; и еще почти 500,000 обломков размером менее 10 см. Адаптеры запуска, крышки для объективов, даже пятно краски могут пробить воронку в критических системах.

Щиты Уиппла - слои металла и кевлара - могут защитить от крохотных частей, но ничто не может спасти вас от целого спутника. Их насчитывается около 4000 на орбите Земли, большинство погибших в воздухе. Управление полетом помогает избежать опасных путей, но не идеально.

Вытолкнуть их из орбиты не реалистично - это займет целую миссию, чтобы избавиться лишь от одного мертвого спутника. Так что теперь все спутники будут падать с орбиты самостоятельно. Они будут выбрасывать за борт дополнительное топливо, а затем использовать ракетные ускорители или солнечный парус, чтобы направиться вниз к Земле и сгореть в атмосфере.

4. Навигация

“Сеть Открытого космоса”, антенны в Калифорнии, Австралии, и Испании, являются единственным навигационным инструментом для космоса. Все, что запускается в космос – от спутников студенческих проектов до зонда “Новые горизонты”, блуждающего через Пояс Копейра, зависит от них.

Но с большим количеством миссий, сеть становится переполненной. Коммутатор часто занят. Так что в ближайшем будущем, НАСА работает над тем, чтобы облегчить нагрузку. Атомные часы на самих кораблях сократят время передачи в половину, позволяя вычислять расстояния с единственной передачей информации из космоса. И увеличение пропускной способности лазеров будет обрабатывать большие пакеты данных, таких как фотографии или видео-сообщения.

Но чем дальше ракеты отдаляются от Земли, тем менее надежным становится этот метод. Конечно, радиоволны путешествуют со скоростью света, но передачи в глубокий космос по-прежнему занимают несколько часов. И звезды могут указать вам направление, но они слишком далеко, чтобы указать вам, где вы находитесь.

Эксперт по навигации открытого космоса Джозеф Гинн хочет проектировать автономную систему для будущих миссий, которая собрала бы изображения целей и соседних объектов и использовала бы их относительное местоположение, чтобы разбить на треугольники координат космического корабля, не требующее никакого наземного управления.

Это будет как GPS на Земле. Вы ставите GPS приемник на свое авто и проблема решена.

5. Радиация

Вне безопасного кокона атмосферы Земли и магнитного поля, вас ждет космическая радиация, и это смертельно. Кроме рака, это может также вызвать катаракту и возможно болезнь Альцгеймера.

Когда субатомные частицы стучат в атомы алюминия, из которого сделан корпус космического корабля, их ядра взрываются, испуская еще больше сверхбыстрых частиц, называемых вторичной радиацией.

Решение проблемы? Одно слово: пластик. Он легкий и крепкий, и он полон водородных атомов, маленькие ядра которых не производят много вторичной радиации. НАСА тестирует пластик, который сможет смягчить радиацию в космических кораблях или космических скафандрах.

Или как насчет этого слова: магниты. Ученые на космическом радиационном проекте “Щит Сверхпроводимости” работают над диборидом магния – сверхпроводник, который отклонил бы заряженные частицы далеко от судна.

6. Еда и вода

В августе прошлого года астронавты на ISS съели несколько листьев салата, который они вырастили в космосе, впервые. Но крупномасштабное озеленение в нулевой гравитации – это сложно. Вода плавает вокруг в пузырях вместо того, чтобы сочиться через почву, поэтому, инженеры изобрели керамические трубы, чтобы направлять воду вниз к корням растений.

Некоторые овощи уже довольно космически-эффективны, но ученые работают над генетически модифицированной карликовой сливой, высотой меньше метра. Белки, жиры и углеводы могут восполнятся за счет более разнообразного урожая - как картофель и арахис.

Но все это будет зря, если вы исчерпаете всю воду. (На ISS системе переработки мочи и воды необходим периодический ремонт, и межпланетные экипажи не смогут рассчитывать на доукомплектование новых частей.) ГМО здесь тоже могут помочь. Майкл Флинн, инженер научно-исследовательского центра НАСА, работает над водным фильтром, сделанным из генетически модифицированных бактерий. Он сравнил это с тем, как тонкий кишечник перерабатывает то, что вы пьете. В основном вы – система рециркуляции воды, со сроком полезного использования 75 или 80 лет.

7. Мышцы и кости

Невесомость разрушает тело: определенные иммунные клетки не в состоянии выполнять свою работу, а эритроциты взрываются. Это способствует появлению камней в почках и делает ваше сердце ленивым.

Астронавты на ISS тренируются, чтобы бороться с атрофией мышц и потерей костной массы, но они все еще теряют массу кости в космосе, и те циклы вращения невесомости не помогают другим проблемам. Искусственная гравитация исправила бы все это.

В своей лаборатории в массачусетском технологическом институте, бывший астронавт Лоуренс Янг проводит испытания на центрифуге: испытуемые лежат на боку на платформе и вращают ногами педали на стационарном колесе, а вся конструкция постепенно раскручивается вокруг своей оси. Результирующая сила воздействует на ноги космонавтов, отдалённо напоминая гравитационное воздействие.

Тренажёр Янга слишком ограничен, его можно использовать использовать больше часа или два в день, для постоянной гравитации, целый космический корабль должен будет стать центрифугой.

8. Психическое здоровье

Когда у человека случается инсульт или сердечный приступ, врачи иногда понижают температуру пациента, замедляя их метаболизм, чтобы уменьшить повреждение от отсутствия кислорода. Это – уловка, которая могла бы работать и для астронавтов. Межпланетное путешествие в течение года (как минимум) , проживание в тесном космическом корабле с плохой едой и нулевой частной жизнью - рецепт для космического безумия.

Вот почему Джон Брэдфорд говорит, что мы должны спать во время космического путешествия. Президент проектной фирмы SpaceWorks и соавтор отчета для НАСА на длинных миссиях, Брэдфорд считает, что криогенная заморозка экипажа сократит расходы еды, воды, и сохранит команду от психического расстройства.

9. Посадка

Планета, привет! Вы были в космосе в течение многих месяцев или даже несколько лет. Далекий мир наконец виднеется через ваш иллюминатор. Все, что вы должны сделать – приземлиться. Но вы кренитесь через лишенное трения пространство со скоростью 200,000 миль в час. О, да, и еще есть гравитация планеты.

Проблема приземления все еще одна из самых актуальных, которую предстоит решить инженерам. Вспомните неудачную на Марс.

10. Ресурсы

Когда космические корабли отправятся в долгое путешествие, они возьмут с собой запасы с Земли. Но вы не можете взять с собой все. Семена, кислородные генераторы, возможно несколько машин для строительства инфраструктуры. Но поселенцы должны будут сделать все остальное сами.

К счастью космос не совсем бесплоден. “У каждой планеты есть все химические элементы, хотя концентрации отличаются”, говорит Иэн Кроуфорд, планетарный ученый из Биркбека, Лондонского университета. У луны есть много алюминия. У Марса есть кварц и окись железа. Соседние астероиды – большой источник углеродных и платиновых руд - и воды, как только первопроходцы выяснят, как взорвать материю в космосе. Если взрыватели и бурильщики слишком тяжелы, чтоб взять их на корабль, они должны будут извлечь ископаемые другими методами: таяние, магниты или переваривающие металл микробы. И НАСА изучает процесс 3D печати, чтобы напечатать целые здания - и не будет никакой потребности импортировать специальное оборудование.

11. Исследование

Собаки помогли людям колонизировать Землю, но они не выжили бы на . Чтобы распространиться в новом мире, нам будет нужен новый лучший друг: робот.

Колонизация планеты требует много трудной работы, и роботы могут весь день рыть, не имея необходимость есть или дышать. Текущие прототипы - большие и громоздкие, они с трудом передвигаются по земле. Таким образом, роботы должны быть не похожи на нас, это может быть лёгкий управляемый бот с клешнями в форме экскаваторного ковша, разработанный НАСА, чтобы вырыть лед на Марсе.

Однако, если работа требует ловкости и точности, то тут не обойтись без человеческих пальцев. Сегодняшний космический скафандр разработан для невесомости, а не для пеших прогулок по экзопланете. У прототипа НАСА Z-2 есть гибкие суставы и шлем, который дает четкое представление о любой тонкой фиксации потребностей проводки.

12. Космос огромен

Самой быстрой вещью, которую когда-либо строили люди, является зонд по имени Гелиос 2. Он уже не функционирует, но если бы в космосе был звук, то вы услышали бы его крик, поскольку он до сих пор вращается вокруг солнца на скоростях больше чем 157,000 миль в час. Это почти в 100 раз быстрее, чем пуля, но даже в при такой скорости потребовалось бы приблизительно 19,000 лет, чтобы достигнуть ближайшую к нам звезду – Альфа Центавра. Во время такого длительного полета сменилось бы тысячи поколений. И вряд ли кто-то мечтает умереть от старости в космическом корабле.

Чтобы победить время нам нужна энергия – очень много энергии. Возможно вы могли бы добыть на Юпитере достаточное количества гелия 3 для термоядерного синтеза (после того, как изобретем термоядерные двигатели, конечно же). Теоретически, околосветовых скоростей можно добиться с помощью энергии аннигиляции материи и антивещества, но заниматься подобным на Земле – опасно.

“Вы никогда не хотели бы делать это на Земле”, говорит Ле Джонсон, техник НАСА, который работает над сумасшедшими идеями звездолета. “Если вы сделаете это в открытом космосе, и что-то пойдет не так, вы не разрушаете континент”. Слишком сильно? Как насчет солнечной энергии? Все, что вам потребуется – это парус, размером с Техас.

Намного более изящное решение взломать исходный код вселенной - с помощью физики. Теоретический двигатель Мигеля Алькубьерре сжал бы пространство-время перед вашим кораблем и расширил бы позади него, так вы могли бы перемещаться скоростью, превышающую скорость света.

Человечеству будут нужны еще несколько Эйнштейнов, работающих в местах как Большой Адронный Коллайдер, чтобы распутать все теоретические узлы. Вполне возможно, что мы сделаем некоторое открытие, которое изменит все, но этот прорыв вряд ли спасет сложившуюся ситуацию. Если вы хотите больше открытий, вы должны вкладывать в них большие деньги.

13. Есть только одна Земля

Пара десятилетий назад, научно-фантастический автор Ким Стэнли Робинсон изобразил схематически будущую утопию на Марсе, построенном учеными из перенаселенной, перенапрягшей Земли. Его “Марсианская трилогия” сделала мощный толчок для колонизации . Но, на самом деле, кроме науки, почему мы стремимся в космос?

Потребность исследовать заложена в наши гены, это единственный аргумент - первопроходческий дух и желание узнать свое предназначение. “Несколько лет назад мечты о покорении космоса занимали наше воображение, - вспоминает сотрудник NASA, астроном Хайди Хаммел. - Мы говорили на языке отважных покорителей космоса, но всё изменилось после того, как станция «Новые горизонты» в июле 2015 года. Перед нами открылось всё многообразие миров Солнечной системы».

А что же с судьбой и предназначением человечества? Историки знают лучше. Расширение Запада было захватом земли, и великие исследователи были главным образом в нем ради ресурсов или сокровищ. Человеческая охота к перемене мест выражается только в обслуживании политического или экономического желания.

Конечно, нависшее разрушение Земли может быть стимулом. Исчерпайте ресурсы планеты, измените климат, и космос станет единственной надеждой на выживание.

Но это опасный ход мыслей. Это создает моральную опасность. Люди думают, что если мы , то можем начать с чистого листа где-нибудь на Марсе. Это неправильное суждение.

Насколько нам известно, Земля – единственное пригодное для жилья место в известной нам Вселенной. И если мы собираемся покинуть эту планету, то это должно быть нашим желанием, а не следствием безвыходного положения.

Отрасль медицины, которая призвана обеспечить здоровье космонавтов, может улучшить благосостояние людей и на Земле.

Космическая медицина как отдельная дисциплина берет начало в 50-х годах прошлого века. Когда люди только начали покорять космос - среду, не предназначенную для жизни человека, она была призвана справляться с непосредственным воздействием микрогравитации на физиологию человека. Постепенно космическая медицина столкнулась и с отдаленными последствиями влияния почти полной невесомости, радиации и длительной изоляции участников экспедиций от остального мира.

Первыми космонавтами, конечно, стали военные летчики-испытатели, однако было очевидно, что в космос необходимо отправить и врачей, чтобы те могли на месте изучить реакцию организма на факторы космического полета. Первым врачом-космонавтом стал Борис Егоров - в октябре 1964 года он провел более суток на борту корабля “Восход-1” и собрал значительный материал по действию перегрузок и микрогравитации на вестибулярный аппарат.

NASA подключила врачей к разработке космических программ и оборудования (в том числе систем жизнеобеспечения, скафандров, шлюзов и т.д) в 1967 году. Первым из них стал Стори Масгрейв, который позже сам принял участие в шести полетах по программе “Спейс Шаттл”.

Хотя космическая медицина с тех пор значительно шагнула вперед, она по-прежнему в большой мере опирается на возможность вернуть космонавта на Землю в том случае, если ему требуется серьезная врачебная помощь. Однако в свете планируемых долгосрочных миссий в космос (в частности, полет на Марс), разрабатываются новые способы диагностики и лечения в условиях невесомости.

Диагностика, операции и восстановление в космосе

При возникновении той или иной медицинской ситуации на борту космического корабля или станции, для постановки диагноза может потребоваться специальное оборудование. Рентген и КТ отпадают, поскольку используют излучение, недопустимое в условиях космической среды. Самым оптимальным вариантом становится УЗИ, поскольку позволяет делать снимки различных органов и тканей и не требует тяжелой габаритной аппаратуры. Небольшие, размером с лэптоп, аппараты УЗИ уже используются NASA для проверки состояния глаз и зрительного нерва у астронавтов, которые проводят длительное время на орбите.

Сканер МРТ дает большие, чем УЗИ, возможности для диагностики, но он очень тяжел и дорог. Однако недавно сотрудники Университета Саскачевана (Канада) разработали компактный аппарат МРТ, который весит менее тонны (вес среднестатистического сканера - 11 тонн), стоит около 200 тысяч долларов и не влияет на работу электронного оборудования на борту.

Для проведения абдоминальных лапароскопических телеопераций в космосе американская компания Virtual Incision совместно с NASA разработала хирургический робот размером с кулак человека. Управлять им будет врач на Земле. Чтобы в условиях микрогравитации биологические жидкости при проведении оперативного вмешательства не распространялись по всему модулю, исследователи из Университета Карнеги-Меллона и Луисвиллского университета создали специальную хирургическую систему, AISS (Aqueous Immersion Surgical System). Она представляет собой прозрачную коробку, которая накладывается на рану и заполняется стерильным физиологическим раствором - он не позволяет крови вытекать наружу. Система позволяет хирургам работать с раной, а также, при изменении давления в ней, проводить забор крови, чтобы потом, при необходимости, ее можно было вернуть в систему кровообращения.

Космос воздействует на вирусы и бактерии так же, как на людей. Согласно проведенным исследованиям, условия микрогравитации увеличивают вирулентность таких организмов; они начинают активнее размножаться, быстрее мутируют, лучше сопротивляются антибиотикам. В качестве альтернативы последним для уничтожения вирусов и бактерий может использоваться холодная плазма. В лабораторных условиях было установлено, что она убивает большинство микроорганизмов и увеличивает скорость затягивания раны.

Общие проблемы здоровья в космосе

Врачам и космонавтам приходится столкнуться с целым рядом разнообразных проблем. Среди них - “космическая болезнь” (головокружения и потеря равновесия при выходе из земной гравитации и возвращении в нее), “космическая остеопения” (потеря костной массы во время пребывания в условиях микрогравитации, в среднем 1% в месяц), потеря мышечной массы, поскольку мускулам не требуется преодолевать гравитацию, ухудшение зрения из-за повышенного внутричерепного давления и многие другие.

Из зафиксированных на данный момент заболеваний и состояний, от которых страдали участники различных космических экспедиций, - инфекции верхних дыхательных путей, вирусный гастроэнтерит, дерматит, бессонница, “морская болезнь”, аритмия, почечная колика, однако очевидно, что во время продолжительных миссий на далекие расстояния людям придется столкнуться и с другими проблемами медицинского характера.

Каждая из них, в особенности серьезное заболевание или травма, может потенциально негативно повлиять на ход экспедиции, привести к ее провалу и потере членов экипажа. Возвращение на Землю будет либо невозможным, либо очень сложным, в зависимости от уже пройденного пути, поэтому оказание врачебной помощи (включая неотложную и психологическую) должно быть полностью или максимально автономным.

Медицина земная и космическая

Разработки, сделанные для космических экспедиций, могут пригодиться и для Земли. Некоторые из них уже стали реальностью. Например, технологии цифровой обработки изображений, которые разрабатывались в NASA для получения более качественных снимков Луны, нашли применение в аппаратах МРТ и КТ. Пеноматериал с эффектом памяти, который сегодня применяется в ортопедических матрасах и подушках, также был изначально создан для обеспечения удобства и безопасности пилотов.

И это - лишь малая часть подобных “ответвлений” космических исследований. Космическая медицина, развиваясь, может не только привести человека к звездам, но и сделать лучше его жизнь дома - на Земле.

Наука биология включает в себя массу разных разделов, больших и малых дочерних наук. И каждая из них имеет важное значение не только в жизни человека, но и для всей планеты в целом.

Второе столетие подряд люди пытаются изучать не только земное разнообразие жизни во всех ее проявлениях, но и узнать, есть ли жизнь за пределами планеты, в космических просторах. Этим вопросам занимается особая наука - космическая биология. О ней и пойдет речь в нашем обзоре.

Раздел

Данная наука относительно молодая, но очень интенсивно развивающаяся. Основными аспектами изучения являются:

1. Факторы космического пространства и их влияние на организмы живых существ, жизнедеятельность всех живых систем в условиях космоса или летательных аппаратов.
2. Развитие жизни на нашей планете при участии космоса, эволюция живых систем и вероятность существования биомассы вне пределов нашей планеты.
3. Возможности построения замкнутых систем и создания в них настоящих жизненных условий для комфортного развития и роста организмов в космическом пространстве.

Космическая медицина и биология являются тесно связанными друг с другом науками, совместно изучающими вопросы физиологического состояния живых существ в космосе, их распространенности в межпланетных просторах и эволюции.

Благодаря исследованиям этих наук стало возможным подбирать оптимальные условия для нахождения людей в космосе, причем не нанося при этом никакого вреда здоровью. Собран огромный материал по наличию жизни в космосе, возможностям растений и животных (одноклеточных, многоклеточных) жить и развиваться в невесомости.

История развития науки

Корни космической биологии уходят еще в древнее время, когда философы и мыслители - естествоиспытатели Аристотель, Гераклит, Платон и другие - наблюдали за звездным небом, пытаясь выявить взаимосвязь Луны и Солнца с Землей, понять причины их влияния на сельскохозяйственные угодья и животных.

Позже, в средние века, начались попытки определения формы Земли и объяснения ее вращения. Долгое время на слуху была теория, созданная Птолемеем. Она говорила о том, что Земля - это а все остальные планеты и небесные тела движутся вокруг нее

Однако нашелся другой ученый, поляк Николай Коперник, который доказал ошибочность этих утверждений и предложил свою, гелиоцентрическую систему строения мира: в центре - Солнце, а все планеты движутся вокруг. При этом Солнце - тоже звезда. Его взгляды поддерживали последователи Джордано Бруно, Ньютон, Кеплер, Галилей.

Однако именно космическая биология как наука появилась много позже. Только в XX веке русский ученый Константин Эдуардович Циолковский разработал систему, позволяющую людям проникать в космические глубины и потихоньку их изучать. Его по праву считают отцом этой науки. Также большую роль в развитии космобиологии сыграли открытия в физике и астрофизике, квантовой химии и механике Эйнштейна, Бора, Планка, Ландау, Ферми, Капицы, Боголюбова и других.

Новые научные исследования, позволившие людям совершить-таки давно планируемые вылеты в космос, позволили выделить конкретные медицинские и биологические обоснования безопасности и влияния внепланетных условий, которые сформулировал Циолковский. В чем была их суть?

1. Ученым было дано теоретическое обоснование влияния невесомости на организмы млекопитающих.
2. Он смоделировал несколько вариантов создания условий космоса в лаборатории.
3. Предложил варианты получения космонавтами пищи и воды при помощи растений и круговорота веществ.

Таким образом, именно Циолковским были заложены все основные постулаты космонавтики, которые не потеряли своей актуальности и сегодня.

Невесомость

Современные биологические исследования в области изучения влияния динамических факторов на организм человека в условиях космоса позволяют по максимуму избавлять космонавтов от негативного влияния этих самых факторов.

Выделяют три главные динамические характеристики:

• вибрация;
• ускорение;
• невесомость.

Самой необычной и важной по действию на организм человека является именно невесомость. Это состояние, при котором исчезает сила гравитации и она не заменяется другими инерционными воздействиями. При этом человек полностью теряет способность контролировать положение тела в пространстве. Такое состояние начинается уже в нижних слоях космоса и сохраняется во всем его пространстве.

Медико-биологические исследования показали, что в состоянии невесомости в организме человека происходят следующие изменения:

1. Учащается сердцебиение.
2. Расслабляются мышцы (уходит тонус).
3. Снижается работоспособность.
4. Возможны пространственные галлюцинации.

Человек в невесомости способен находиться до 86 дней без вреда для здоровья. Это было доказано опытным путем и подтверждено с медицинской точки зрения. Однако одной из задач космической биологии и медицины на сегодня является разработка комплекса мер по предотвращению влияния невесомости на организм человека вообще, устранению утомляемости, повышению и закреплению нормальной работоспособности.

Существует ряд условий, которые соблюдают космонавты для преодоления невесомости и сохранения контроля над телом:

Для того чтобы добиться хороших результатов в преодолении невесомости, космонавты проходят тщательную подготовку на Земле. Но, к сожалению, пока современные не позволяют создать в лаборатории подобные условия. На нашей планете преодолеть силу тяжести не представляется возможным. Это также одна из задач на будущее для космической и медицинской биологии.

Перегрузки в космосе (ускорения)

Еще одним немаловажным фактором, воздействующим на организм человека, находящегося в космосе, являются ускорения, или перегрузки. Суть этих факторов сводится к неравномерному перераспределению нагрузки на тело при сильных скоростных движениях в пространстве. Выделяют два основных типа ускорения:

• кратковременное;
• длительное.

Как показывают медико-биологические исследования, и то и другое ускорение имеет очень важное значение в оказании влияния на физиологическое состояние организма космонавта.

Так, например, при действии кратковременных ускорений (они длятся менее 1 секунды) могут произойти необратимые изменения в организме на молекулярном уровне. Также, если органы не тренированы, достаточно слабы, есть риск разрыва их оболочек. Такие воздействия могут осуществляться при отделении капсулы с космонавтом в космосе, при катапультировании его или при посадках корабля на орбитах.

Поэтому очень важно, чтобы космонавты прошли тщательное медицинское обследование и определенную физическую подготовку перед полетом в космос.

Длительно действующее ускорение возникает при запуске и посадке ракеты, а также во время полета в некоторых пространственных местах космоса. Действие таких ускорений на организм по данным, которые предоставляют научные медицинские исследования, следующее:

• учащается сердцебиение и пульс;
• учащается дыхание;
• наблюдается возникновение тошноты и слабости, бледность кожи;
• страдает зрение, перед глазами появляется красная или черная пленка;
• возможно ощущение боли в суставах, конечностях;
• тонус мышечной ткани падает;
• нервно-гуморальная регуляция меняется;
• становится иным газообмен в легких и в организме в целом;
• возможно появление потливости.

Перегрузки и невесомость заставляют ученых-медиков придумывать различные способы. позволяющие приспособить, натренировать космонавтов, чтобы они могли выдерживать действие этих факторов без последствий для здоровья и без потери работоспособности.

Один из самых эффективных способов тренировки космонавтов на ускорения - это аппарат центрифуга. Именно в нем можно пронаблюдать все изменения, которые происходят в организме при действии перегрузок. Также он позволяет натренироваться и приспособиться к влиянию этого фактора.

Полет в космос и медицина

Полеты в космос, безусловно, оказывают очень большое влияние на состояние здоровья людей, особенно нетренированных или имеющих хронические заболевания. Поэтому важным аспектом являются медицинские исследования всех тонкостей полета, всех реакций организма на самые разнообразные и невероятные воздействия внепланетных сил.

Полет в невесомости заставляет современную медицину и биологию придумывать и формулировать (вместе с тем и осуществлять, конечно) комплекс мер по обеспечению космонавтам нормального питания, отдыха, снабжения кислородом, сохранения работоспособности и так далее.

Кроме того, медицина призвана обеспечить космонавтам достойную помощь в случае непредвиденных, аварийных ситуаций, а также защиту от воздействий неизвестных сил других планет и пространств. Это достаточно сложно, требует много времени и сил, большой теоретической базы, использования только новейшего современного оборудования и препаратов.

Кроме того, медицина наравне с физикой и биологией имеет своей задачей защитить космонавтов от физических факторов условий космоса, таких как:

• температура;
• радиация;
• давление;
• метеориты.

Поэтому исследование всех этих факторов и особенностей имеет очень важное значение.

в биологии

Космическая биология, как и любая другая биологическая наука, обладает определенным набором методов, позволяющих проводить исследования, накапливать теоретический материал и подтверждать его практическими выводами. Эти методы с течением времени не остаются неизменными, подвергаются обновлениям и модернизации в соответствии с текущим временем. Однако исторически сложившиеся методы биологии все равно остаются актуальными и по сей день. К ним относятся:

1. Наблюдение.
2. Эксперимент.
3. Исторический анализ.
4. Описание.
5. Сравнение.

Эти методы биологических исследований базовые, актуальные в любые времена. Но существует ряд других, которые возникли с развитием науки и техники, электронной физики и молекулярной биологии. Именно они называются современными и играют наибольшую роль в изучении всех биолого-химических, медицинских и физиологических процессах.

Современные методы

1. Методы генной инженерии и биоинформатики. Сюда относится агробактериальная и баллистическая трансформация, ПЦР (полимеразные цепные реакции). Роль биологических исследований такого плана велика, поскольку именно они позволяют найти варианты решения проблемы питания и насыщения кислородом и кабин для комфортного состояния космонавтов.
2. Методы белковой химии и гистохимии . Позволяют управлять белками и ферментами в живых системах.
3. Использование флуоресцентной микроскопии , сверхразрешающей микроскопии.
4. Использование молекулярной биологии и биохимии и их методов исследования.
5. Биотелеметрия - метод, который является результатом сочетания работы инженеров и медиков на биологической основе. Он позволяет контролировать все физиологически важные функции работы организма на расстоянии при помощи радиоканалов связи тела человека и компьютером-регистратором. Космическая биология использует этот метод как основной для отслеживания воздействий условий космоса на организмы космонавтов.
6. Биологическая индикация межпланетного пространства . Очень важный метод космической биологии, позволяющий оценивать межпланетные состояния среды, получать сведения о характеристиках разных планет. Основу здесь составляет применение животных со встроенными датчиками. Именно подопытные животные (мыши, собаки, обезьяны) добывают информацию с орбит, которая используется земными учеными для анализа и выводов.

Современные методы биологических исследований позволяют решать передовые задачи не только космической биологии, но и общечеловеческие.

Проблемы космической биологии

Все перечисленные методы медико-биологических исследований, к сожалению, не смогли пока решить все проблемы космической биологии. Существует ряд злободневных вопросов, которые остаются насущными и по сей день. Рассмотрим основные проблемы, с которыми сталкивается космическая медицина и биология.

1. Подбор подготовленного персонала для полета в космос, состояние здоровья которого смогло бы удовлетворять всем требованиям медиков (в том числе позволило бы космонавтам выдерживать жесткую подготовку и тренировки для полетов).
2. Достойный уровень подготовки и снабжения всем необходимым рабочих космических экипажей.
3. Обеспечение безопасности по всем параметрам (в том числе и от неизведанных или инородных факторов воздействия с других планет) рабочим кораблям и авиаконструкциям.
4. Психофизиологическая реабилитация космонавтов при возвращении на Землю.
5. Разработка способов защиты космонавтов и от
6. Обеспечение нормальных жизненных условий в кабинах при полетах в космос.
7. Разработка и применение модернизированных компьютерных технологий в космической медицине.
8. Внедрение космической телемедицины и биотехнологии. Использование методов этих наук.
9. Решение медицинских и биологических проблем для комфортных полетов космонавтов на Марс и другие планеты.
10. Синтез фармакологических средств, которые позволят решить проблему оснащенности кислородом в космосе.

Развитые, усовершенствованные и комплексные в применении методы медико-биологических исследований обязательно позволят решить все поставленные задачи и существующие проблемы. Однако когда это будет - вопрос сложный и довольно непредсказуемый.

Следует отметить, что решением всех этих вопросов занимаются не только ученые России, но и ученый совет всех стран мира. И это большой плюс. Ведь совместные исследования и поиски дадут несоизмеримо больший и быстрый положительный результат. Тесное мировое сотрудничество в решении космических проблем - залог успеха в освоении внепланетного пространства.

Современные достижения

Таких достижений немало. Ведь ежедневно проводится интенсивная работа, тщательная и кропотливая, которая позволяет находить все новые и новые материалы, делать выводы и формулировать гипотезы.

Одним из главнейших открытий XXI века в космологии стало обнаружение воды на Марсе. Это сразу же дало повод к рождению десятков гипотез о наличии или отсутствии жизни на планете, о возможности переселения землян на Марс и так далее.

Еще одним открытием стало то, что учеными были определены возрастные рамки, в пределах которых человек максимально комфортно и без тяжелых последствий может находиться в космосе. Данный возраст начинается от 45 лет и заканчивается примерно 55-60 годами. Молодые люди, отправляющиеся в космос, чрезвычайно сильно страдают психологически и физиологически по возвращении на Землю, тяжело адаптируются и перестраиваются.

Была обнаружена вода и на Луне (2009 г.). Также на спутнике Земли были найдены ртуть и большое количество серебра.

Методы биологических исследований, а также инженерно-физические показатели позволяют с уверенностью сделать вывод о безвредности (по крайней мере, не большей вредности, чем на Земле) воздействия ионной радиации и облучения в космосе.

Научные исследования доказали, что длительное пребывание в космосе не налагает отпечаток на состояние физического здоровья космонавтов. Однако проблемы остаются в психологическом плане.

Были проведены исследования, доказывающие, что высшие растения по-разному реагируют на нахождение в космических просторах. Семена одних растений при исследовании не проявили никаких генетических изменений. Другие же, наоборот, показали явные деформации на молекулярном уровне.

Опыты, проведенные на клетках и тканях живых организмов (млекопитающих) доказали, что космос не влияет на нормальное состояние и функционирование данных органов.

Различные виды медицинских исследований (томография, МРТ, анализы крови и мочи, кардиограмма, компьютерная томография и так далее) позволили сделать вывод о том, что физиологические, биохимические, морфологические характеристики клеток человека остаются неизменными при пребывании в космосе до 86 дней.

В лабораторных условиях была воссоздана искусственная система, позволяющая максимально приблизиться к состоянию невесомости и таким образом изучить все аспекты влияния этого состояния на организм. Это позволило, в свою очередь, разработать ряд профилактических мер по предотвращению воздействия этого фактора при полете человека в невесомости.

Результатами экзобиологии стали данные, свидетельствующие о наличии органических систем вне биосферы Земли. Пока стало возможным только теоретическое формулирование этих предположений, однако в скором времени ученые планируют добыть и практические доказательства.

Благодаря исследованиям биологов, физиков, медиков, экологов и химиков были выявлены глубокие механизмы воздействия людей на биосферу. Добиться этого стало возможным путем создания искусственных экосистем вне планеты и оказания на них такого же влияния, как и на Земле.

Это не все достижения космической биологии, космологии и медицины на сегодняшний день, а только основные. Существует большой потенциал, реализация которого и есть задача перечисленных наук на будущее.

Жизнь в космосе

По современным представлениям жизнь в космосе может существовать, так как последние открытия подтверждают наличие на некоторых планетах подходящих условий для возникновения и развития жизни. Однако мнения ученых в этом вопросе делятся на две категории:

• жизни нет нигде, кроме Земли, никогда не было и не будет;
• жизнь есть в необъятных просторах космического пространства, но люди еще не обнаружили ее.

Какая из гипотез верная - решать каждому лично. Доказательств и опровержений и для одной, и для другой достаточно.

Западное медицинское исследование и наблюдение за 12 астронавтами показало, что при продолжительном нахождении в условиях микрогравитации сердце человека на 9,4 процента сильнее приобретает сферическую форму, что в свою очередь может вызывать самые различные проблемы с его работой. Особенно актуальной эта проблема может стать при длительных космических путешествиях, например, к Марсу.

«Сердце в космосе работает совсем не так, как оно работает в условиях земной гравитации, что в свою очередь может привести к утрате его мышечной массы», — говорит доктор Джемс Томас из NASA.

«Все это повлечет за собой серьезные последствия после возвращения на Землю, поэтому в настоящий момент мы ищем возможные способы, которые позволят избежать или по крайней мере снизить эту потерю мышечной массы».

Специалисты отмечают, что после возвращения на Землю сердце обретает свою изначальную форму, однако никому не известно, как один из важнейших органов нашего организма поведет себя после долгих перелетов. Докторам уже известны случаи, когда вернувшиеся обратно астронавты испытывали головокружение и дезориентацию. В некоторых случаях отмечается резкое изменение в артериальном давлении (происходит его резкое снижение), особенно когда человек пытается встать на ноги. Помимо этого, у некоторых астронавтов во время миссий наблюдается аритмия (нарушение сердечного ритма).

Исследователи отмечают необходимость в разработке методов и правил, которые позволят путешественникам дальнего космоса избежать данные виды проблем. Как отмечается, такие методы и правила могли бы пригодиться не только космонавтам, но и обычным людям на Земле — испытывающим проблемы работы сердца, а также тем, кому прописан постельный режим.

В настоящий момент началась пятилетняя исследовательская программа, задачей которой будет определение уровня воздействия космоса на ускорение развития у космонавтов атеросклероза (болезнь кровеносных сосудов).

Пьянство и психические расстройства

Несмотря на то, что проведенный NASA анонимный опрос снял подозрения в частом употреблении астронавтами алкогольных напитков, в 2007 году произошли два случая, когда фактически пьяных астронавтов из NASA допустили для полета внутри российского космического корабля «Союз». При этом лететь людям разрешили даже после того, как медики, готовившие этих астронавтов к полету, а также другие участники миссии рассказали начальству о весьма горячей кондиции своих коллег.

Согласно политике безопасности того времени, NASA говорило об официальном запрете употребления астронавтами алкоголя за 12 часов перед тренировочными полетами. Действие этого правила также негласно предполагалось и на время космических полетов. Однако после вышеописанного инцидента, NASA возмутила такая беспечность астронавтов, что агентство решило сделать это правило в отношении космических полетов официальным.

Бывший астронавт Майк Маллэйн рассказал однажды о том, что астронавты употребляли алкоголь перед полетом для дегидратации организма (алкоголь обезвоживает), чтобы в конечном итоге снизить нагрузку на мочевой пузырь и в момент запуска внезапно не захотеть в туалет.

Свое место среди опасностей в рамках космических миссий имел также и психологический аспект. Во время космической миссии Skylab 4 астронавтам настолько «надоело» общаться с центром управления космическими полетами, что они почти на сутки отключили радиосвязь и игнорировали поступающие от NASA сообщения. После этого инцидента ученые стараются определить и решить потенциальные негативные психологические эффекты, которые могут возникнуть в рамках более стрессовых и продолжительных миссий к Марсу.

Недостаток сна и использование снотворных

Десятилетнее исследование показало, что последние недели перед запуском и во время начала космических миссий астронавты явно недосыпают. Среди опрошенных три из четырех признавались, что употребляли медицинские средства, которые помогали им уснуть, даже невзирая на то, что употребление подобных медикаментов могло быть опасным во время управления космическим аппаратом и при работе с другим оборудованием. Опаснее всего ситуация в таком случае могла бы оказаться тогда, когда астронавты принимали одно и то же лекарство и в одно и то же время. В таком случае в момент возникшей чрезвычайной ситуации, требующей экстренного решения, они могли бы ее просто проспать.

Несмотря на то, что NASA приписало каждому астронавту спать как минимум восемь с половиной часов в день, большинство из них каждодневно отдыхали всего около шести часов во время выполнения миссий. Серьезность такой нагрузки на организм усугублялась еще и тем, что в течение последних трех месяцев тренировок перед полетом люди ежедневно спали менее шести с половиной часов.

«Будущие миссии на Луну, Марс и дальше потребуют разработки более эффективных мер для решения вопросов нехватки сна и оптимизации производительности человека во время космического полета», — говорит старший исследователь данного вопроса доктор Чарльз Кзейлер.

«Эти меры могут включать изменения графика работ, которые будут выполняться с учетом воздействия на человека определенных световых волн, а также изменения в поведенческой стратегии экипажа для более комфортного входа в состояние сна, которое обязательно необходимо для восстановления здоровья, сил и хорошего настроения на следующий день».

Потеря слуха

показали, что еще со времен миссий космических шаттлов у некоторых астронавтов отмечались случаи временной значительной и менее значительной потери слуха. Отмечались они чаще всего при воздействии на людей высоких звуковых частот. У членов экипажа советской космической станции «Салют-7» и российского «Мира» также регистрировались незначительные или весьма значительные эффекты снижения слуха после возвращения на Землю. Опять же во всех этих случаях причиной частичной или полной временной потери слуха являлось воздействие высоких звуковых частот.

Экипажу Международной космической станции предписано каждодневное ношение беруш. Для снижения шума на борту МКС, помимо прочих мер, было предложено использование специальных звукоизоляционных прокладок внутри стен станции, а также установка более тихих вентиляторов.

Однако, помимо шумного фона, на потерю слуха могут влиять и другие факторы: например, состояние атмосферы внутри станции, повышение внутричерепного давления, а также повышенный уровень углекислого газа внутри станции.

В 2015 году NASA планирует с помощью экипажа МКС начать изучение возможных способов избегания эффектов потери слуха во время годичных миссий. Ученые хотят посмотреть, насколько долго можно избегать подобных эффектов, и выяснить приемлемый риск, связанный с потерей слуха. Ключевой задачей эксперимента будет определение того, как минимизировать потерю слуха полностью, а не только во время конкретно взятой космической миссии.

Камни в почках

У каждого десятого человека на Земле рано или поздно проявляется проблема камней в почках. Однако данный вопрос становится гораздо острее, когда речь заходит об астронавтах, потому как в условиях космоса кости организма начинают терять полезные вещества еще быстрее, чем на Земле. Внутрь организма выделяются соли (фосфат кальция), которые проникают через кровь и накапливаются в почках. Эти соли могут утрамбовываться и обретать форму камней. При этом размер этих камней может варьироваться от микроскопического до вполне себе серьезного — вплоть до размера с грецкий орех. Проблема заключается в том, что эти камни могут блокировать сосуды и другие потоки, которые питают орган или выводят из почек лишние вещества.

Для астронавтов риск развития почечных каменей опаснее тем, что в условия микрогравитации может снижаться объем крови внутри организма. Кроме того, многие астронавты не пьют по 2 литра жидкостей в день, которые, в свою очередь, могли бы обеспечить полную гидратацию их организма и не позволять камням застаиваться в почках, выводя их частички вместе с мочой.

Отмечается, что как минимум у 14 американских астронавтов развилась проблема с камнями в почках практически разу же после завершения их космических миссий. В 1982 году был зафиксирован случай острой боли у члена экипажа на борту советской станции «Салют-7». Космонавт в течение двух дней мучился от сильнейших болей, в то время как его товарищу ничего не оставалось, как беспомощно наблюдать за страданиями своего коллеги. Сначала все подумали на острый аппендицит, однако через время вместе с мочой у космонавта вышел небольшой почечный камень.

Ученые весьма долгое время разрабатывали специальную ультразвуковую машину размером с настольный компьютер, которая позволяет обнаруживать камни в почках и выводить их с помощью импульсов звуковых волн. Думается, на борту корабля, следующего к Марсу, такая штука могла бы определенно пригодиться.

Заболевания легких

Несмотря на то, что мы пока с точностью не знаем, какие негативные эффекты для здоровья может вызывать пыль с других планет или астероидов, ученым все же известны некоторые весьма неприятные последствия, которые могут проявляться в результате воздействия лунной пыли.

Самый серьезный эффект вдыхания пыли, вероятнее всего, отразится на легких. Однако невероятно острые частицы лунной пыли могут нанести серьезные повреждения не только легким, но и сердцу, заодно вызвав целый букет различных недугов, начиная от сильнейшего воспаления органов и заканчивая раком. Аналогичные эффекты может вызывать, например, асбест.

Острые частицы пыли могут нанести вред не только внутренним органам, но и вызывать воспаление и ссадины на коже. Для защиты необходимо использование специальных многослойных кевлароподобых материалов. Лунная пыль может с легкостью повредить роговицы глаз, что в свою очередь может оказаться наиболее серьезной экстренной ситуацией для человека в космосе.

Ученые с сожалением отмечают, что неспособны смоделировать лунный грунт и провести полный набор тестов, необходимых для определения воздействия лунной пыли на организм. Одна из сложностей в решении этой задачи заключается в том, что на Земле частицы пыли не находятся в вакууме и не подвергаются постоянному воздействию радиации. Лишь дополнительные исследования пыли непосредственно на поверхности самой Луны, а не в лаборатории, смогут обеспечить ученых необходимыми данными для разработки эффективных методов защиты от этих крошечных токсичных убийц.

Сбой иммунной системы

Наша иммунная система меняется и отвечает на любые, даже самые малейшие изменения в нашем организме. Недостаток сна, недостаточный прием питательных веществ или даже обычный стресс — все это ослабляет нашу иммунную систему. Но это на Земле. Изменение же иммунной системы в космосе может в конечном итоге обернуться обычной простудой либо нести потенциальную опасность в развитии куда более серьезных заболеваний.
В космосе распределение иммунных клеток в организме изменяется не сильно. Куда большую угрозу для здоровья могут повлечь за собой изменения в функционировании этих клеток. Когда функционирование клетки снижается, уже подавленные вирусы, находящиеся в человеческом организме, могут заново пробудиться. И сделать это фактически скрытно, без проявления симптомов болезни. При повышении активности иммунных клеток иммунная система слишком остро реагирует на раздражители, вызывая аллергические реакции и другие побочные эффекты вроде сыпи на коже.

«Такие вещи, как радиация, микробы, стресс, микрогравитация, нарушение сна и даже изоляция — все они могут повлиять на изменение работы иммунной системы членов экипажа», — говорит иммунолог NASA Брайан Крушин.

«В рамках долгих космических миссий будет повышаться риск развития инфекций, гиперчувствительности, а также аутоиммунных проблем у астронавтов».

Для решения проблем с иммунной системой NASA планирует использовать новые методы антирадиационной защиты, новый подход к сбалансированному питанию и лекарствам.

Радиационные угрозы

Нынешнее очень необычное и весьма продолжительное отсутствие солнечной активности может способствовать опасным изменениям уровня радиации в космосе. Ничего подобного не происходило почти в течение последних 100 лет.

«Несмотря на то, что подобные события необязательно являются останавливающим фактором для долгих миссий к Луне, астероидам и даже к Марсу, галактическая космическая радиация сама по себе является тем фактором, который может ограничить запланированное время проведения этих миссий», — говорит Нэйтан Швадрон из Института земных, океанических и космических исследований.

Последствия такого рода воздействия могут быть самыми разными, начиная от лучевой болезни и заканчивая развитием рака или поражением внутренних органов. Кроме того, опасные уровни радиационного фона сокращают эффективность антирадиационной защиты космического корабля примерно на 20 процентов.

В рамках всего лишь одной миссии на Марс астронавт может подвергнуться 2/3 той безопасной дозы излучения, которой человек может подвергнуться в худшем случае в течение всей своей жизни. Это излучение может вызвать изменения в ДНК и увеличить риск развития рака.

«Если говорить о накопительной дозе, то это тоже самое, что проводить полное КТ-сканирование организма каждые 5-6 дней», — говорит ученый Кэри Цейтлин.

Когнитивные проблемы

При симуляции состояния нахождения в космосе ученые обнаружили, что воздействие высокозаряженных частиц даже в малых дозах заставляет лабораторных крыс реагировать на окружение гораздо медленнее, и при этом грызуны становятся более раздражительными. Наблюдение за крысами также показало изменение в составе белка в их мозге.

Однако ученые спешат отметить, что не на всех крысах проявлялись одинаковые эффекты. Если это правило действительно и в случае с астронавтами, то, по мнению исследователей, они смогли бы определить биологический маркер, указывающий и предсказывающий скорое проявление этих эффектов у астронавтов. Возможно, этот маркер даже позволил бы найти способ снизить негативные последствия от воздействия радиации.

Более серьезную проблему представляет болезнь Альцгеймера.

«Воздействие уровня радиации, эквивалентного тому, которое придется испытать человеку во время полета на Марс, может способствовать развитию когнитивных проблем и ускорять изменения в работе мозга, которые чаще всего ассоциируют с болезнью Альцгеймера», — говорит невролог Керри О’Бэнион.

«Чем дольше находишься в космосе, тем больше риск развития заболевания».

Один из утешительных фактов заключается в том, что ученые уже успели исследовать один из самых неудачных сценариев воздействия излучения. Они за один раз подвергли лабораторных мышей такому уровню излучения, которое являлось бы характерным для всего времени в рамках миссии на Марс. В свою очередь, люди при полете на Марс будут подвергаться излучению дозированно, в течение трех лет полета. Ученые считают, что человеческий организм может адаптироваться к таким небольшим дозам.

Помимо этого, отмечается, что пластик и легковесные материалы могут обеспечить людям более эффективную защиту от излучения, по сравнению с используемым сейчас алюминием.

Потеря зрения

У некоторых астронавтов отмечается развитие серьезных проблем со зрением после пребывания в космосе. Чем дольше длится космическая миссия, тем вероятнее шанс подобных печальных последствий.

По крайней мере среди 300 американских астронавтов, проходивших медицинскую проверку с 1989 года, проблемы со зрением наблюдались у 29 процентов людей, находившихся в космосе в течение двухнедельных космических миссий, и у 60 процентов людей, которые в течение нескольких месяцев работали на борту Международной космической станции.

Врачи из Техасского университета провели сканирование мозга у 27 астронавтов, проведших в космосе более месяца. У 25 процентов из них наблюдалось уменьшение объема передне-задней оси одного или сразу двух глазных яблок. Такое изменение приводит к дальнозоркости зрения. Опять же отмечалось, чем дольше человек находится в космосе, тем вероятнее данное изменение.

Ученые считают, что объясняться этот негативный эффект может подъемом жидкости к голове в условиях мигрогравитации. В данном случае в черепной коробке начинает накапливаться цереброспинальная жидкость, повышается внутричерепное давление. Просачиваться сквозь кость жидкость не может, поэтому начинает создавать давление на внутреннюю часть глаз. Исследователи пока не уверены, будет ли уменьшаться данный эффект у астронавтов, прибывающих в космосе более шести месяцев. Однако вполне очевидно, что выяснить это будет нужно до того момента, как засылать людей на Марс.

Если проблема вызвана исключительно внутричерепным давлением, то одним из возможных вариантов ее решения будет создание условий искусственной гравитации, каждый день по восемь часов, во время сна астронавтов. Однако говорить о том, поможет ли данный метод или нет — пока рано.

«Эта проблема требует решения, потому что в противном случае она может оказаться главной причиной невозможности длительных космических путешествий», — говорит ученый Марк Шелхамер.

Космическая биология и медицина, как и космонавтика вообще, могла появиться лишь тогда, когда научный и экономический потенциал страны достиг мировых вершин.

Один из ведущих специалистов в космической биологии и медицине — академик Олег Георгиевич Газенко. В 1956 году его включили в группу ученых, которым было поручено медицинское обеспечение будущих космических полетов. С 1969 года Олег Георгиевич возглавляет Институт медико-биологических проблем Министерства здравоохранения СССР.

О. Газенко рассказывает о развитии космической биологии и космической медицины, о проблемах, которые решают ее специалисты.

Космическая медицина

Иногда спрашивают: с чего началась космическая биология и космическая медицина? И в ответ можно порой услышать и прочитать, что начиналась она с опасений, с вопросов типа: сможет ли человек в невесомости дышать, есть, спать и т. д.?

Конечно, эти вопросы возникали. Но все- таки дело обстояло иначе, чем, скажем, в эпоху великих географических открытий, когда мореплаватели и путешественники отправлялись в путь, не имея ни малейшего представления о том, что их ждет. Мы же в основном знали, что ждет человека в космосе, и это знание было достаточно обоснованным.

Космическая биология и космическая медицина начинались не на пустом месте. Они выросли из общей биологии, вобрали в себя опыт экологии, климатологии и других дисциплин, в том числе и технических. Теоретический анализ, который предшествовал полету Юрия Гагарина, основывался на данных авиационной, морской, подводной медицины. Имелись и экспериментальные данные.

Еще в 1934 году, сначала у нас и чуть позже в США, были предприняты попытки исследовать влияния верхних слоев атмосферы на живые организмы, в частности, на механизм наследственности мух-дрозофил. К 1949 году относятся первые полеты животных — мышей, кроликов, собак — на геофизических ракетах. В этих опытах исследовалось влияние на живой организм не только условий верхней атмосферы, но и самого полета на ракете.

Рождение науки

Всегда трудно определить дату рождения какой-либо науки: вчера, мол, ее еще не было, а сегодня появилась. Но вместе с тем в истории любой отрасли знания есть событие, знаменующее ее становление.

И как, скажем, работы Галилея можно считать началом экспериментальной физики, так и орбитальные полеты животных ознаменовали рождение космической биологии — все, вероятно, помнят собаку Лайку, отправленную в космос на втором советском искусственном спутнике Земли в 1957 году.

Потом была организована еще серия биологических испытаний на кораблях-спутниках, давшая возможность исследовать реакцию животных на условия космического полета, наблюдать за ними после полета, изучать отдаленные генетические последствия.

Итак, к весне 1961 года мы знали, что человек сможет совершить космический полет — предварительный анализ показывал, что все должно быть благополучно. И, тем не менее, поскольку речь шла о человеке, всем хотелось иметь известные гарантии на случай непредвиденных обстоятельств.

Поэтому первые полеты готовились с подстраховкой и даже, если угодно, с перестраховкой. И здесь просто нельзя не вспомнить Сергея Павловича Королева. Можно представить себе, сколько дел и забот было у Главного конструктора, готовящего первый полет человека в космос.

И, тем не менее, он вникал во все детали медико-биологической службы полета, заботясь о максимальной ее надежности. Так, Юрию Алексеевичу Гагарину, полет которого должен был длиться полтора часа и который вообще мог обойтись без еды и воды, дали пищи и других необходимых запасов на несколько суток. И правильно поступили.

Причина тут в том, что нам тогда просто недоставало информации. Знали, например, что в невесомости могут возникнуть расстройства вестибулярного аппарата, но такими ли они будут, как мы их представляем, было неясно.

Другой пример — космическая радиация. Знали, что она существует, но насколько она опасна, определить на первых порах было трудно. В тот начальный период изучение самого космического пространства и освоение его человеком шли параллельно: еще не все свойства космоса были изучены, а полеты уже начались.

Поэтому и защита от радиации на кораблях была мощнее, чем требовали реальные условия. Тут мне хочется подчеркнуть, что научные работы в космической биологии с самого начала были поставлены на солидную, академическую основу, подход к разработке этих, казалось бы, прикладных проблем был весьма фундаментальным.

Развитие космической биологии

Академик В. А. Энгельгардт, будучи в то время академиком-секретарем отделения общей биологии АН СССР, много сил и внимания уделил тому, чтобы дать космической биологии и космической медицине хороший старт.

Много помогал расширению исследований и созданию новых коллективов и лабораторий академик Н. М. Сисакян: по его инициативе уже в начале 60-х годов 14 лабораторий различных академических институтов вели работу в области космической биологии и космической медицины, в них были сосредоточены сильные научные кадры.

Большой вклад внес в развитие космической биологии и космической медицины академик В. Н. Черниговский. Как вице-президент Академии медицинских наук СССР, он привлекал к разработке этих проблем многих ученых своей академии.

Непосредственными руководителями первых экспериментов по космической биологии были академик В. В. Парин, который специально исследовал проблемы космической физиологии, и профессор В. И. Яздовский. Необходимо вспомнить и первого директора Института медико-биологических проблем профессора А. В. Лебединского.

С самого начала дело возглавили крупные ученые, и это обеспечило и хорошую постановку исследований и — как следствие — глубину и точность теоретического предвидения, которое прекрасно подтвердила практика космических полетов.

Три из них следует отметить особо.

— Это биологический эксперимент на втором искусственном спутнике, показавший, что живое существо в космическом летательном аппарате может без вреда для себя находиться в космическом пространстве.

— Это полет Юрия Гагарина, показавший, что космос не оказывает негативного влияния на эмоционально-психическую сферу человека (а такие опасения были), что человек, как и на Земле, может мыслить и работать в космическом полете.

— И, наконец, это выход в открытый космос Алексея Леонова: человек в специальном скафандре находился и работал вне корабля и — главное, что интересовало ученых,- уверенно ориентировался в пространстве.

В этот ряд следует поставить и высадку американских астронавтов на поверхность Луны. Программа «Аполлон» также подтвердила некоторые положения, теоретически разработанные на Земле.

Подтвердился, например, характер движений человека на Луне, где сила тяготения значительно меньше, чем на Земле. Практика подтвердила и теоретический вывод о том, что быстрый пролет через радиационные пояса, окружающие Землю, неопасен для человека.

Под словом «практика» я имею в виду не только полеты людей. Им предшествовали полеты наших автоматических станций типа «Луна» и «Зонд» и американских «Сервейеров», которые основательно разведали обстановку и на трассе и на самой Луне.

На «Зондах», кстати, Луну облетели живые существа и благополучно возвратились на Землю. Так что полет людей на наше ночное светило был подготовлен очень фундаментально.

Как видно из приведенных примеров, самой характерной чертой первого периода космической биологии был поиск ответов на принципиальные вопросы. Сегодня, когда эти ответы, причем довольно подробные, в основном получены, поиск ушел как бы вглубь.

Цена полета в космос

Современный этап характерен более тщательным и тонким изучением глубинных, фундаментальных биологических, биофизических, биохимических процессов, идущих в живом организме в условиях космического полета. И не просто изучением, но и попытками управлять этими процессами.

Чем это объяснить?

Полет человека в космос на ракетном аппарате небезразличен для состояния организма. Конечно, его приспособительные возможности необычайно велики и пластичны, но не беспредельны.

Притом за всякое приспособление всегда надо чем-то платить. Скажем, самочувствие в полете стабилизируется, но эффективность работы снизится.

Приспособишься в невесомости к «легкости необыкновенной», но потеряешь силу мышц и крепость костей… Эти примеры лежат на поверхности. Но, очевидно, и глубинные жизненные процессы подчиняются этому закону (и тому есть подтверждения). Их приспособление не столь заметно, в кратковременных полетах может вообще не проявиться, но ведь полеты становятся все длительнее.

Какова же плата за такое приспособление? Можно с ней согласиться или она нежелательна? Известно, например, что в крови космонавтов во время полета уменьшается число эритроцитов — красных кровяных телец, переносящих кислород. Уменьшение незначительное, неопасное, но это в недолгом полете. А как этот процесс пойдет в полете длительном?

Все это необходимо знать, чтобы построить профилактическую защитную систему и тем расширить возможности человека жить и работать в космосе. И не только для космонавтов — специально отобранных и подготовленных людей, но и для ученых, инженеров, рабочих, может быть, деятелей искусств.

Происходит углубление самого понятия «космическая медицина и биология». По замыслу, это прикладная наука, вырабатывающая на основе данных общей биологии свои рекомендации, свои методы и приемы поведения человека в космосе. Поначалу так оно и было. Но теперь стало ясно, что космическая биология и космическая медицина не производное от общей биологии, а вся биология в целом, только изучающая организмы в особых условиях существования.

Взаимные интересы науки

Ведь все, что делает человек на Земле, он начинает делать и в космосе: ест, спит, работает, отдыхает, в очень далеких полетах люди будут рождаться и умирать — словом, человек начинает в полном биологическом смысле жить в космосе. И поэтому мы теперь не найдем, наверное, ни одного раздела биологических и медицинских знаний, которые были бы нам безразличны.

Вследствие этого возрос масштаб исследований: если в первых шагах космической биологии и космической медицины принимал участие буквально десяток ученых, то сейчас на ее орбиту вышли уже сотни учреждений и тысячи специалистов самого различного и подчас неожиданного, на первый взгляд, профиля.

Вот пример: Институт трансплантации органов и тканей, которым руководит известный хирург профессор В. И. Шумаков. Казалось бы, что может быть общего между изучением здорового организма в особых условиях космического полета и такой крайней мерой спасения безнадежных больных, как пересадка органов? Но общее есть.

Область взаимных интересов относится к проблемам иммунитета — природной защиты организма от воздействия бактерий, микробов и других чужеродных тел. Установлено, что в условиях космического полета иммунологическая защита организма слабеет. Тому есть ряд причин, одна из них заключается в следующем.

В обычной жизни мы везде и всегда встречаемся с микробами. В замкнутом пространстве космического корабля атмосфера почти стерильна, микрофлора значительно беднее. Иммунитет становится практически «безработным» и «теряет форму», как теряет ее спортсмен, если долго не тренируется.

Но и при пересадке органов, чтобы организм не отторгнул их, приходится уже искусственно снижать уровень действия иммунитета. Вот тут и возникают наши общие вопросы: как ведет себя организм в этих условиях, как уберечь его от инфекционных заболеваний?..

Есть и другая область взаимных интересов. Мы полагаем, что со временем люди будут очень долго летать и жить в космосе. Значит, могут и заболеть. Поэтому возникает необходимость, во-первых, представить себе, какие это могут быть заболевания, а во-вторых, обеспечить людей в полете диагностической аппаратурой и, конечно, средствами лечения.

Это могут быть лекарства, но может быть и искусственная почка — нельзя исключить вероятность того, что в дальних экспедициях понадобятся и такие средства. Вот и думаем вместе со специалистами Института трансплантации органов и тканей над тем, как снабдить участников будущих космических экспедиций «запчастями» и какова должна быть «технология ремонта».

Впрочем, операция в космосе — это, конечно, крайний случай. Основную роль будет играть профилактика, предупреждение заболеваний. И тут не последнюю роль может сыграть питание как средство управления обменом веществ и его изменениями, если они возникнут, а также как средство снижения нервно-эмоционального напряжения.

Определенным образом составленная диета с включением в пищу соответствующих препаратов сделает свое дело незаметно для человека, процедура не будет носить характера приема лекарства. Соответствующие исследования мы проводили в течение ряда лет с Институтом питания АМН СССР под руководством академика АМН СССР А. А. Покровского.

Еще пример: Центральный институт травматологии и ортопедии имени Н. Н. Приорова (ЦИТО), который возглавляет академик АМН СССР М. В. Волков. Сфера интересов института — костно-опорный аппарат человека. Причем исследуются не только методы лечения переломов и ушибов, способы протезирования, но и всякого рода изменения костной ткани.

Последнее интересует и нас, ибо в космосе тоже происходят определенные изменения костной ткани. Методы же воздействия на эти процессы, применяемые и в космосе и в клинике, в основе — своей очень близки.

Распространенная в наше время гипокинезия — малая подвижность — в еще большей степени проявляется в космосе. Состояние человека, вставшего с постели после двухмесячной болезни, сравнимо с состоянием космонавта, вернувшегося из полета: обоим надо заново учиться ходить по земле.

Дело в том, что в невесомости часть крови перемещается из нижней части тела в верхнюю, приливает к голове. Кроме того, мышцы, не получая привычной нагрузки, слабеют. Примерно тоже самое происходит при долгом лежании в постели. Когда же человек возвращается на Землю (или встает после долгой болезни), происходит обратный процесс — кровь быстро оттекает сверху вниз, что сопровождается головокружениями и может даже вызвать обморок.

Чтобы избежать подобных явлений, космонавты в полете нагружают мышцы на специальном тренажере, используют так называемую вакуумную систему, которая способствует перемещению части крови в нижнюю половину тела. Вернувшись же из полета, они носят некоторое время послеполетные профилактические костюмы, которые, наоборот, препятствуют быстрому оттоку крови из верхней половины тела.

Теперь подобные средства используются и в лечебных учреждениях. В ЦИТО тренажеры типа космических позволяют больным «гулять», не вставая с постели. А послеполетные костюмы с успехом прошли испытание в Институте хирургии имени А. В. Вишневского — с их помощью пациенты быстрее встают на ноги в буквальном смысле.

Перераспределение крови в организме не просто механический процесс, оно влияет и на физиологические функции и поэтому представляет немалый интерес как для космической биологии и медицины, так и для клинической кардиологии. Тем более что вопросы регуляции кровообращения при изменении пространственного положения тела недостаточно еще исследованы на здоровых людях.

И вот в совместных исследованиях с Институтом кардиологии имени А. Л. Мясникова и Институтом трансплантации органов и тканей мы получили первые интересные данные о том, например, как меняется давление в различных сосудах и полостях сердца при изменении положения тела в пространстве. О том, как и в каком темпе меняется при физической нагрузке биохимический состав крови, оттекающей от мозга, или от печени, или от мышц, то есть отдельно от каждого органа.

Это дает возможность более глубоко судить о его работе и состоянии. Исследования, о которых идет речь, необычайно обогащают наши знания физиологии и биохимии человека, это пример фундаментального изучения биологической сущности человека. И пример не единственный.

Я уже упоминал, что в космосе у человека уменьшается число эритроцитов в крови и что важно разобраться в причинах этого явления. Специальные исследования, в частности на спутнике «Космос-782», показали, что в космосе снижается устойчивость (резистентность) этих клеток, и поэтому они разрушаются чаще, чем в нормальных земных условиях, средняя продолжительность жизни их сокращается.

Теперь, естественно, придется выяснять, каким образом можно было бы поддержать устойчивость эритроцитов. Это важно для космоса, но может оказаться полезным и для борьбы с анемией и другими болезнями крови.

Тот факт, что космическая биология участвует в фундаментальных исследованиях человеческого организма, вполне определенным образом характеризует современный этап ее развития, Фундаментальные исследования закладывают основы дальнейшего развития практической деятельности. В нашем случае закладываются основы дальнейшего продвижения человека в космос.

Кто полетит в космос

Уже сейчас потребности исследования космического пространства заставляют ученых думать о расширении состава специалистов, летающих в космос.

В ближайшие годы можно ожидать появления на орбите ученых — исследователей космоса, инженеров — организаторов внеземного производства различных материалов, которые нельзя получить на Земле, рабочих для сборки космических объектов и обслуживания производств и т. д.

Для этих специалистов придется, по-видимому, расширить довольно узкую сейчас «калитку» медицинского отбора, то есть снизить формальные требования к состоянию здоровья, уменьшить объем подготовительных тренировок.

Вместе с тем, разумеется, должна быть гарантирована и полная безопасность и, я бы сказал, безвредность полета для этих людей.

В орбитальном полете это сделать относительно просто: можно не только наладить постоянный контроль за состоянием экипажа, но и, в крайнем случае, всегда есть возможность за несколько часов вернуть человека на Землю. Другое дело — межпланетные полеты, они будут значительно более автономными.

Экспедиция, скажем, на Марс займет 2,5-3 года. Значит, подход к организации таких экспедиций должен быть иным, чем при полетах на орбите. Здесь, очевидно, нельзя снижать требования к здоровью при отборе кандидатов.

Более того, кандидаты, как мне представляется, должны обладать не только отличным здоровьем, но и некоторыми конкретными свойствами — скажем, способностью легко адаптироваться к меняющимся условиям окружающей среды или же определенным характером реакции на экстремальные воздействия.

Очень важна возможность организма приспосабливаться к изменению биологических ритмов. Дело в том, что свойственные нам ритмы имеют сугубо земное происхождение. Например, самый важный из них — суточный — прямо связан со сменой дня и ночи. Но земные сутки существуют только на Земле, на других планетах сутки, естественно, иные, и к ним придется приспосабливаться.

Что делать во время полета

Очень большое значение приобретают вопросы, связанные с моральным климатом, который установится на борту. И дело тут не только в личных качествах людей, но и в организации их работы, быта — вообще жизни, с учетом потребностей, в том числе и эстетических, каждого члена экипажа. Этот круг вопросов, пожалуй, наиболее сложный.

Например, проблема свободного времени. Считают, что во время перелета к тому же Марсу рабочая нагрузка на каждого члена экипажа составит не более 4 часов в сутки. Отведем 8 часов на сон, останется 12. Чем их занять? В ограниченном пространстве космического корабля, при неизменном составе экипажа сделать это не так просто. Книги? Музыка? Фильмы? Да, но не любые. Музыка, даже любимая, может вызвать излишнее эмоциональное возбуждение, усилить чувство отрыва от дома.

Книги и фильмы драматичного или трагедийного плана тоже способны вызвать негативные реакции, а вот жанр приключений, фантастики, книги путешественников, полярников, спелеологов, в которых есть материал для сравнения, сопереживания, будут, бесспорно, восприняты хорошо. Решать кроссворды, ребусы можно, а играть в шахматы или шашки едва ли будет рекомендовано, ибо в таких играх есть элемент соперничества, нежелательный в подобной ситуации.

Все эти соображения возникли в результате уже ведущихся исследований. Они, на мой взгляд, весьма стимулируют пристальное изучение психологии человека, и я думаю, что со временем, когда названные проблемы будут достаточно разработаны, они принесут большую пользу и земной практике — в организации труда и отдыха людей.

Жизнеобеспечение экспедиций

Особое место в разработке межпланетных полетов занимает жизнеобеспечение экспедиций. Сейчас космонавты все, что им нужно в полете, просто берут с Земли (лишь частично регенерируется атмосфера; в некоторых полетах проводили экспериментальную регенерацию воды).

Но на три года запасов с собой не возьмешь. На межпланетном корабле предстоит создать замкнутую экологическую систему, наподобие земной, но в миниатюре, которая будет снабжать экипаж пищей, водой, свежим воздухом и утилизировать отходы жизнедеятельности.

Задача невероятно сложная! По существу, речь идет о конкуренции с природой: то, что она создавала многие миллионы лет на всей планете, люди пытаются воспроизвести в лаборатории, чтобы потом перенести в космический корабль.

Такие работы ведутся уже много лет в нашем институте, в Красноярском институте физики имени Л. В. Киренского. Кое- что уже сделано, но все-таки еще нельзя говорить о больших здесь успехах. Многие специалисты вообще полагают, что реальный практический успех, может быть, достигнут лишь лет через 15-20. Возможно, конечно, и раньше, но ненамного.

Генетика

Наконец, проблемы генетики, воспроизводства потомства. В нашем институте совместно с МГУ и Институтом биологии развития АН СССР ведутся исследования, цель которых определить влияние невесомости на эмбриогенез и морфогенез.

Эксперименты, в частности на спутнике «Космос-782», показали, что насекомым (дрозофилам) невесомость не мешает давать нормальное потомство, а у более сложных организмов — рыб, лягушек — в ряде случаев были обнаружены нарушения, отклонения от нормы. Это говорит о том, что им для нормального развития на самых первых этапах жизни зародыша нужна сила земного тяготения, и, стало быть, эту силу следует создавать искусственно.

Проблематика длительных космических полетов

Итак, проблематика длительных космических полетов — самое существенное в нашей сегодняшней работе. И тут правомерен вопрос: а насколько длительным может быть пребывание человека в космосе? Точно сейчас ответить нельзя. В организме во время полета происходит ряд процессов, которыми пока не удается управлять. Они не изучены до конца, человек ведь еще не летал долее трех месяцев, и мы не знаем, как пойдут эти процессы при более продолжительных сроках полета.

Необходима объективная, экспериментальная проверка, и вопрос о возможности, скажем, трехлетнего пребывания человека в космосе должен быть решен на околоземной орбите. Только тогда у нас появится гарантия, что такая экспедиция пройдет благополучно.

Но я думаю, что человек не встретит на этом пути неодолимых препятствий. Такой вывод можно сделать на основе уже сегодняшних знаний. Ведь космическая эра человечества только началась, и, образно говоря, мы сейчас только собираемся в ту дальнюю дорогу, которая предстоит человечеству в космосе.