Особенности протекания биологических процессов в космосе. Биологические исследования в космосе

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.

Вся космическая отрасль и РОСКОСМОС работают над внедрением в медицину космических технологий. Какие изобретения и наработки из космоса помогают спасать жизни и поправлять здоровье после тяжелейших недугов, разбиралась «Лента.ру».

Быстрый результат

Входящие в состав РОСКОСМОСА предприятия решают в том числе и медицинские задачи. Так, например, в Научно-исследовательском институте космического приборостроения создали уникальный анализатор «БИОФОТ-311»: с его помощью можно в кратчайшие сроки проводить экспресс-тесты крови как в космосе, так и на земле. В целом, он предназначен для оперативного проведения биохимических исследований сыворотки и плазмы крови, мочи, а также других биохимических жидкостей и ориентирован на широкое применение.

Кроме того, в НИИ КП разработали внешне похожее на пистолет биопсийное устройство, которое предназначено для диагностики (биопсии) внутренних органов путем забора образца ткани для ее гистологического анализа и, в частности, выявления причин патологических образований в структуре органа, оценки эффективности лечебных мероприятий. Раньше такие технологии использовались исключительно в космической медицине, однако сейчас успешно и эффективно интегрируются в медицину земную.

Орбитальная печать

Передовые технологии, в том числе медицинские, зачастую апробируются именно в космосе. Так, недавно входящая в РОСКОСМОС Объединенная ракетно-космическая корпорация, подписала соглашение с компанией «3Д Биопринтинг Солюшенс» (резидентом Сколково) о создании уникального биопринтера для магнитной биофабрикации тканей и органных конструктов в условиях невесомости на Международной космической станции (МКС).

Создание магнитного биопринтера позволит печатать в космосе тканевые и органные конструкты, сверхчувствительные к воздействию космической радиации - сентинел-органы (например, щитовидную железу) для биомониторинга отрицательного действия космической радиации в условиях длительного пребывания в космосе и разработки профилактических контрмер. В перспективе технология трехмерной магнитной биопечати может быть использована для коррекции повреждений тканей и органов космонавтов при длительных космических полетах. На Земле такая технология может быть применена для более быстрой биопечати человеческих тканей и органов. Планируется, что биопринтер для отправки на борт Международной космической станции будет готов к 2018 году. Все работы по подготовке и проведению эксперимента будут проводиться в тесном сотрудничестве с ПАО «РКК «Энергия» и ГНЦ ИМПБ РАН.

Не просто экзоскелет

Еще до запуска в космос Юрия Гагарина было очевидно, что во время полета человек испытывает колоссальные нагрузки. А по возвращении на Землю космонавту будет необходима реабилитация с привлечением специальных разработок. Дело в том, что из-за нахождения в условиях невесомости у космонавтов более всего подвергается деградации двигательная функция. Причина - отсутствие гравитации, ведь именно она и является тем фактором, благодаря которому у нас с вами появился мощный скелет, развитая мышечная система и опорно-двигательный аппарат.

Более того, так как внеземные экспедиции становились все более продолжительными, период восстановления надо было продумывать все более тщательно. Все началось с технологий, использовать которые экипаж мог бы в условиях невесомости и ограниченного пространства. Одной из первых подобных разработок стал костюм «Пингвин», который предназначался для создания осевой нагрузки на скелетно-мышечный аппарат и компенсации недостатка опорной и проприоцептивной функций космонавтов. Специалисты ИМБП РАН создали костюм еще в конце 1960-х годов, а впервые испытали его в условиях космоса уже в 1971 году.

В начале 1990-х годов российские исследователи решили модифицировать «Пингвин» для лечения и реабилитации больных с двигательными нарушениями, например с ДЦП. Первый созданный прототип получил название «Адель» и использовался для лечения детей с церебральным параличом. Костюм до сих пор позволяет выработать навыки правильной ходьбы и закрепить новый моторный стереотип, восстанавливая функциональные связи и повышая трофику соответствующих тканей.

Помимо этого довольно быстро встал вопрос о создании костюма, который помогал бы восстанавливать двигательные функции людям, перенесшим инсульт или черепно-мозговую травму и страдающим в результате этого от параличей и пареза. Для этого на основе предыдущих наработок и с привлечением нового ноу-хау был создан лечебный костюм аксиального нагружения «Регент».

Система работает так: костюм создает или увеличивает продольную нагрузку на структуры скелета и повышает мышечную нагрузку при выполнении движений, что, в свою очередь, способствует улучшению регуляции обменных процессов. Кроме того, «Регент» компенсирует недостаток проприоцептивной функций, тем самым способствуя полной или частичной реабилитации больных.

Костюм прошел масштабные испытания на сотнях пациентов в подведомственных РАН и Минздраву учреждениях. В результате этого исследователи выяснили, что «Регент» положительно влияет не только на двигательные, но и на высшие психические функции! Так, у многих пациентов после его регулярного применения гораздо быстрее восстанавливались речь и концентрация.

Фото: Управление делами Президента РФ ФГБУ «Клиническая больница №1»

Но на этом в Центре космической медицины не остановились - там же для реабилитации космонавтов был создан аппарат «Корвит», который имитирует опорную реакцию стоп человека. Уникальность прибора в том, что он позволяет имитировать показатели физического воздействия на стопу при ходьбе: величину давления, временные характеристики. Метод опорной стимуляции, на основе которого создан «Корвит», оказался полезен не только космонавтам, но и целым группам пациентов. В частности, его используют для комплексной реабилитации больных с ДЦП, поскольку «Корвит» позволяет максимально нормализовать стояние и ходьбу, улучшить координацию и восстановить баланс мышц-сгибателей и разгибателей.

Также в распоряжении врачей и их пациентов множество тренажеров и других устройств, способствующих их реабилитацию и возвращению к нормальной жизни.

Полная стимуляция

Еще одна интересная технология, которая прежде использовалась исключительно в космической медицине, - низкочастотная электростимуляция. Первоначально этот способ был разработан, чтобы проводить профилактику негативного воздействия нахождения в космосе на организм человека. В частности, речь идет о восстановлении и сохранении функциональных возможностей мышц человека в условиях гипокинезии и микрогравитации.

Для решения соответствующей проблемы ученые разработали полноценный костюм и портативный электростимулятор. Самые первые испытания прошли еще на станции «Мир», впоследствии метод себя полностью зарекомендовал и соответствующие устройства до сих пор применяются РОСКОСМОСОМ на МКС.

Кроме того, низкочастотная электростимуляция успешно применяется на Земле для лечения больных с травматическими заболеваниями, а также тех, кто страдает от различных проблем с опорно-двигательной системой. Особенно актуальна в свете этого возможность посредством метода сохранять и восстанавливать свойства мышц у частично или полностью иммобилизованных пациентов. Эти технологии активно применяются и в спортивной медицине.

Полетаем!

Еще при подготовке первых космонавтов исследователи столкнулись с необходимостью имитировать невесомость на Земле. Одним из плодов этой деятельности стала разработка метода сухой иммерсии, который активно используется для подготовки и последующей реабилитации космонавтов. В частности особо популярно применение так называемых иммерсионных ванн.

Их применение способствует расслаблению мышц, помогает избавиться от спазмов и восстановить мышечный тонус. Кроме того, иммерсионные ванны полезны для избавления от депрессивного, отечного и болевого синдрома, а также оказывают эффект на разгрузку сердца и снижение кровяного давления.

В последнее время подобные комплексы используют для реабилитации и сохранения недоношенных детей. Но еще раньше иммерсионные ванны начали применять для восстановительного лечения в рамках психоневрологии, травматологии, ортопедии и других сферах.

Опасности и не только

Российские ученые при поддержке РОСКОСМОСА разрабатывали медицинский адсорбционный концентратор кислорода для того, чтобы создавать обогащенную кислородом атмосферу непосредственно из окружающего воздуха, например в помещении. Сегодня этот аппарат часто применяют спасатели и сотрудники других экстренных служб при анестезии и реанимации.

Также в распоряжении представителей экстремальной медицины теперь есть термохимические генераторы кислорода, которые изначально создавались как резервный источник кислорода на пилотируемых миссиях в случае отказа основных систем его получения. Сейчас этими генераторами пользуются Министерство обороны, МЧС и МВД России.

Для резервного обеспечения кислородом космических станций был разработан и комплекс «Курьер», который сейчас активно применяется в медицине катастроф для получения кислорода из окружающего воздуха. При этом комплекс способен производить кислород непосредственно на месте потребления и не требует запасов расходуемых материалов.

Наконец, российские исследователи создали аппарат «Малыш» для спасения человека в обитаемом герметичном объекте, например в кабине космического корабля. В основе аппарата - концепция формирования искусственной газовой среды, а теперь он внедряется и для применения экстремальными службами.

Так что космос гораздо ближе, чем кажется: он помогает лечить людей и спасать их жизни. А РОСКОСМОС и его союзники в этой благородной миссии не останавливаются на достигнутом и шагают вперед.

ГОУ лицей № 000

Калининского района г. Санкт-Петербурга

Исследовательская работа

Медико-биологические исследования в космосе

Гуршевым Олегом

Руководитель: учитель биологии

Санкт- Петербург, 2011 г.

Введение 2

Начало медико-биологических исследований в середине XX века. 3

Воздействие космического полёта на организм человека. 6

Экзобиология. 10

Перспективы развития исследований. 14

Список использованных источников. 17

Приложение (презентация, эксперименты) 18

Введение

Космическая биология и медицина - комплексная наука, изучающая особенности жизнедеятельности человека и других организмов в условиях космического полета. Основной задачей исследований в области космической биологии и медицины является разработка средств и методов жизнеобеспечения, сохранения здоровья и работоспособности членов экипажей космических кораблей и станций в полетах различной продолжительности и степени сложности. Космическая биология и медицина неразрывно связана с космонавтикой, астрономией , астрофизикой, геофизикой, биологией, авиационной медициной и многими другими науками.

Актуальность темы довольно большая в наш современный и стремительный XXI век.

Тема «Медико-биологический исследований» меня интересовала последних года два, с тех пор, как я определился в выборе профессии поэтому я решил сделать исследовательскую работу на эту тему.

2011 год является юбилейным – 50 лет со дня первого человеческого полета в космос.

Начало Медико-биологических исследований в середине XX века

Отправными в становлении космической биологии и медицины считаются следующие вехи: 1949 г. - впервые появилась возможность проведения биологических исследований при полетах ракет; 1957 г. - впервые живое существо (собаку Лайку) отправили в околоземный орбитальный полет на втором искусственном спутнике Земли; 1961 г. - первый пилотируемый полет в космос, совершенный. С целью научного обоснования возможности безопасного в медицинском отношении полета человека в космос исследовалась переносимость воздействий, характерных для старта, орбитального полета, спуска и посадки на Землю космических летательных аппаратов (КЛА), а также испытывалась работа биотелеметрической аппаратуры и систем обеспечения жизнедеятельности космонавтов. Основное внимание уделялось изучению влияния на организм невесомости и космического излучения.

Лайка (собака-космонавт) 1957 г.

Р езультаты, полученные при проведении биологических экспериментов на ракетах, втором искусственном спутнике (1957 г.), вращаемых космических кораблях-спутниках (1960-1961 гг.), в совокупности с данными наземных клинических, физиологических, психологических, гигиенических и других исследований фактически открыли путь человеку в космос. Кроме этого, биологические эксперименты в космосе на этапе подготовки первого космического полета человека позволили выявить ряд функциональных изменений, возникающих в организме при действии факторов полета, что явилось основанием для планирования последующих экспериментов на животных и растительных организмах в полетах пилотируемых космических кораблей, орбитальных станций и биоспутников. Первый в мире биологический спутник с подопытным животным - собакой «Лайкой». Выведен на орбиту 03.11.1957 г. И находился там 5 месяцев. Спутник просуществовал на орбите до 14.04.1958 г. На спутнике имелось два радиопередатчика, телеметрическая система, программное устройство, научные приборы для исследования излучения Солнца и космических лучей, системы регенерации и терморегулирования для поддержания в кабине условий, необходимых для существования животного. Получены первые научные сведения о состоянии живого организма в условиях космического полёта.

Достижения в области космической биологии и медицины во многом предопределили успехи в развитии пилотируемой космонавтики. Наряду с полетом , совершенном 12 апреля 1961 г., следует отметить такие эпохальные события в истории космонавтики, как высадку 21 июля 1969 г. астронавтов Армстронга (N. Armstrong) и Олдрина (Е. Aldrin) на поверхность Луны и многомесячные (до года) полеты экипажей на орбитальных станциях «Салют» и «Мир». Это стало возможным благодаря разработке теоретических основ космической биологии и медицины, методологии проведения медико-биологических исследований в космических полетах, обоснованию и внедрению методов отбора и предполетной подготовки космонавтов, а также разработке средств жизнеобеспечения, медицинского контроля, сохранения здоровья и работоспособности членов экипажа в полете.

Команда Апполо 11 (слева на право): Neil. A. Armstrong, Command Module Pilot Michael Collins, Commander Edwin (Buzz) E. Aldrin.

Воздействие космического полёта на организм человека

В космическом полете на организм человека воздействует комплекс факторов, связанных с динамикой полета (ускорения, вибрация, шум, невесомость), пребыванием в герметичном помещении ограниченного объема (измененная газовая среда, гипокинезия, нервно-эмоциональное напряжение и т. д.), а также факторы космического пространства как среды обитания (космическое излучение, ультрафиолетовое излучение и др.).

В начале и конце космического полета на организм оказывают влияние линейные ускорения . Их величины, градиент нарастания, время и направление действия в период запуска и выведения КЛА на околоземную орбиту зависят от особенностей ракетно-космического комплекса, а в период возвращения на Землю - от баллистических характеристик полета и типа КЛА. Выполнение маневров на орбите также сопровождается воздействием ускорений на организм, однако их величины при полетах современных КЛА незначительны.

Старт космического корабля «Союз ТМА-18» к Международной космической станции с космодрома Байконур

Основные сведения о влиянии ускорений на организм человека и способах защиты от их неблагоприятного действия были получены при исследованиях в области авиационной медицины, космическая биология и медицина лишь дополнили эти сведения. Было установлено, что пребывание в условиях невесомости, особенно длительное время, приводит к снижению устойчивости организма к действию ускорений. В связи с этим за несколько суток до спуска с орбиты космонавты переходят на специальный режим физических тренировок, а непосредственно перед спуском получают водно-солевые добавки для увеличения степени гидратации организма и объема циркулирующей крови. Разработаны специальные кресла - ложементы и противоперегрузочные костюмы, что обеспечивает повышение переносимости ускорений при возвращении космонавтов на Землю.

Среди всех факторов космического полета постоянным и практически невоспроизводимым в лабораторных условиях является невесомость. Влияние ее на организм многообразно. Возникают как неспецифические адаптационные реакции, характерные для хронического стресса, так и разнообразные специфические изменения, обусловленные нарушением взаимодействия сенсорных систем организма, перераспределением крови в верхнюю половину тела, уменьшением динамических и практически полным снятием статических нагрузок на опорно-двигательный аппарат.

МКС лето 2008 г.

Обследования космонавтов и многочисленные эксперименты на животных в полетах биоспутников «Космос» позволили установить, что ведущая роль в возникновении специфических реакций, объединяемых в симптомокомплекс космической формы болезни движения (укачивание), принадлежит вестибулярному аппарату. Это связано с повышением в условиях невесомости возбудимости рецепторов отолитов и полукружных каналов и нарушением взаимодействия вестибулярного анализатора и других сенсорных систем организма. В условиях невесомости у человека и животных обнаруживаются признаки детренированности сердечно-сосудистой системы, увеличение объема крови в сосудах грудной клетки, застойные явления в печени и почках, изменение мозгового кровообращения, уменьшение объема плазмы. В связи с тем, что в условиях невесомости изменяются секреция антидиуретического гормона, альдостерона и функциональное состояние почек, развивается гипогидратация организма. При этом уменьшается содержание внеклеточной жидкости и увеличивается выведение из организма солей кальция, фосфора, азота , натрия, калия и магния. Изменения в опорно-двигательном аппарате возникают преимущественно в тех отделах, которые в обычных условиях жизнедеятельности на Земле несут наибольшую статическую нагрузку, т. е. мышцах спины и нижних конечностей, в костях нижних конечностей и позвонках. Отмечаются снижение их функциональных возможностей, замедление скорости периостального костеобразования, остеопороз губчатого вещества, декальцинация и другие изменения, которые приводят к снижению механической прочности костей.

В начальный период адаптации к невесомости (занимает в среднем около 7 сут.) примерно у каждого второго космонавта возникают головокружение, тошнота, дискоординация движений, нарушение восприятия положения тела в пространстве, ощущение прилива крови к голове, затруднение носового дыхания, ухудшение аппетита. В ряде случаев это приводит к снижению общей работоспособности, что затрудняет выполнение профессиональных обязанностей. Уже на начальном этапе полета появляются начальные признаки изменений в мышцах и костях конечностей.

По мере увеличения продолжительности пребывания в условиях невесомости многие неприятные ощущения исчезают или сглаживаются. Одновременно с этим практически у всех космонавтов, если не принять должных мер, прогрессируют изменения состояния сердечно-сосудистой системы, обмена веществ, мышечной и костной ткани. Для предупреждения неблагоприятных сдвигов используется широкий комплекс профилактических мер и средств: вакуумная емкость, велоэргометр, бегущая дорожка, тренировочно-нагрузочные костюмы, электромиостимулятор, тренировочные эспандеры, прием солевых добавок и т. д. Это позволяет поддерживать хорошее состояние здоровья и высокий уровень работоспособности членов экипажей в длительных космических полетах.

Неизбежным сопутствующим фактором любого космического полета является гипокинезия - ограничение двигательной активности, которая, несмотря на интенсивные физические тренировки во время полета, приводит в условиях невесомости к общей детренированности и астенизации организма. Многочисленные исследования показали, что длительная гипокинезия, создаваемая пребыванием в постели с наклоном головного конца (-6°), оказывает на организм человека практически такое же влияние, как и длительная невесомость. Этот способ моделирования в лабораторных условиях некоторых физиологических эффектов невесомости широко использовалось в СССР и США. Максимальная длительность такого модельного эксперимента, проведенного в Институте медико-биологических проблем МЗ СССР, составила один год.

Специфической проблемой является исследование воздействия на организм космических излучений. Дозиметрические и радиобиологические эксперименты позволили создать и внедрить в практику систему обеспечения радиационной безопасности космических полетов, которая включает средства дозиметрического контроля и локальной защиты, радиозащитные препараты (радиопротекторы).

Орбитальная станция «МИР»

В задачи космической биологии и медицины входит изучение биологических принципов и методов создания искусственной среды обитания на космических кораблях и станциях. Для этого отбирают живые организмы, перспективные для включения их в качестве звеньев в замкнутую экологическую систему, исследуют продуктивность и устойчивость популяций этих организмов, моделируют экспериментальные единые системы живых и неживых компонентов - биогеоценозы, определяют их функциональные характеристики и возможности практического использования в космических полетах.

Успешно развивается и такое направление космической биологии и медицины, как экзобиология, изучающая наличие, распространение, особенности и эволюцию живой материи во Вселенной. На основании наземных модельных экспериментов и исследований в космосе получены данные, свидетельствующие о теоретической возможности существования органической материи за пределами биосферы . Проводится также программа поиска внеземных цивилизаций путем регистрации и анализа радиосигналов, идущих из космоса.

«Союз ТМА-6»

Экзобиология

Одно из направлений космической биологии; занимается поисками живой материи и органических веществ в космосе и на других планетах. Основная цель экзобиологии состоит в получении прямых или косвенных данных о существовании жизни в космосе. Основанием для этого служат находки предшественников сложных органических молекул (синильной кислоты, формальдегида и др.), которые обнаружены в космическом пространстве спектроскопическими методами (всего найдено до 20 органических соединений). Методы экзобиологии различны и рассчитаны не только на обнаружение инопланетных проявлений жизни, но и на получение некоторых характеристик возможных внеземных организмов. Для предположения о существовании жизни во внеземных условиях, например, на других планетах Солнечной системы, важно выяснить способность выживания организмов при экспериментальном воспроизведении этих условий. Многие микроорганизмы могут существовать при близких к абсолютному нулю и высоких (до 80-95 °С) температуpax; их споры выдерживают глубокий вакуум и длит, высушивание. Они переносят гораздо большие дозы ионизирующего излучения, чем в космическом пространстве. Внеземные организмы, вероятно, должны обладать более высокой приспособляемостью к жизни в среде, содержащей малое количество воды. Анаэробные условия не служат препятствием для развития жизни, поэтому теоретически можно предположить существование в космосе самых различных по свойствам микроорганизмов, которые могли адаптироваться к необычным условиям, вырабатывая различные защитные приспособления. Эксперименты, осуществлённые в СССР и США, не дали доказательств существования жизни на Марсе, нет жизни на Венере и Меркурии, маловероятна она и на планетах-гигантах, а также их спутниках. В Солнечной системе жизнь есть, вероятно, лишь на Земле. Согласно одним представлениям, жизнь вне Земли возможна только на водно-углеродной основе, свойственной нашей планете. Другая точка зрения не исключает и кремниевоаммиачной основы, однако человечество пока не владеет методами обнаружения внеземных форм жизни.

«Викинг»

Программа «Викинг»

Программа «Викинг» - космическая программа НАСА по изучению Марса, в частности, на предмет наличия жизни на этой планете. Программа включала запуск двух идентичных космических аппаратов - «Викинг-1» и «Викинг-2», которые должны были провести исследования на орбите и на поверхности Марса. Программа «Викинг» была кульминацией серии миссий по изучению Марса начало которым положил в 1964 г. «Маринер-4», продолжены «Маринер-6» и «Маринер-7», пролетевших в 1969, и орбитальными миссиями «Маринер-9» в 1971 и 1972 гг. «Викинги» заняли место в истории освоения Марса как первые, благополучно севшие на поверхность, американские космические аппараты. Это была одна из наиболее информативных и успешных миссий на красную планету, хотя ей и не удалось обнаружить жизнь на Марсе.

Оба аппарата были запущены в 1975 г. с мыса Канаверал, штат Флорида. Перед полётом спускаемые аппараты были тщательно стерилизованы для предотвращения заражения Марса земными формами жизни. Время полета заняло немногим меньше года и к Марсу прибыли в 1976 г. Продолжительность миссий «Викинг» планировалась в 90 дней после приземления, но каждый аппарат проработал значительно больше этого срока. Орбитальный аппарат «Викинг-1» проработал до 7 августа 1980 г., спускаемый аппарат - до 11 ноября 1982 г. Орбитальный аппарат «Викинг-2» функционировал до 25 июля 1978 г., спускаемый аппарат - до 11 апреля 1980 г.

Заснеженная пустыня на Марсе. Снимок «Викинга-2»

Программа «БИОН»

Программа «БИОН» включает в себя комплексные исследования на животных и растительных организмах в полетах специализированных спутников (биоспутников) в интересах космической биологии, медицины и биотехнологии. С 1973 по 1996 г. запущено в космос 11 биоспутников.

Ведущее научное учреждение: ГНЦ РФ - Институт медико-биологически проблем РАН (г. Москва)
Конструкторское бюро: ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г. Самара)
Длительность полетов: от 5 до 22,5 сут.
Место запуска: космодром Плесецк
Район приземления: Казахстан
Страны-участницы: СССР, Россия, Болгария, Венгрия, Германия, Канада, Китай, Нидерланды, Польша, Румыния, США, Франция, Чехословакия

Исследования на крысах и обезьянах в полетах биоспутников показали, что пребывание в невесомости приводит к существенным, но обратимым функциональным, структурным и метаболическим изменениям в мышцах, костях, миокарде и нейро-сенсорной системе млекопитающих. Описана феноменология и изучен механизм развития этих изменений.

Впервые в полетах биоспутников «БИОН» реализована на практике идея о создании искусственной силы тяжести (ИСТ). В экспериментах на крысах установлено, что ИСТ, создаваемая вращением животных на центрифуге, препятствует развитию неблагоприятных изменений в мышцах, костях и миокарде.

В рамках Федеральной космической программы России на период 2006-2015 гг. в разделе «Космические средства для фундаментальных космических исследований » запланировано продолжение программы «БИОН», запуски космических аппаратов «БИОН-М» намечены на 2010, 2013 и 2016 гг.

«БИОН»

Перспективы развития исследований

Современный этап освоения и изучения космического пространства характеризуется постепенным переходом от длительных орбитальных полетов к межпланетным перелетам, ближайшим из которых видится экспедиция на Марс . В этом случае ситуация меняется коренным образом. Она меняется не только объективно, что связано со значительным увеличением длительности пребывания в космосе, посадкой на другую планету и возвращением на Землю, но и, что очень важно - субъективно, поскольку, покинув уже ставшую привычной земную орбиту, космонавты останутся (в весьма небольшой по численности группе своих коллег) «одинокими» на необъятных просторах Вселенной.

Вместе с тем, возникают принципиально новые проблемы, связанные с резким возрастанием интенсивности космической радиации, необходимостью использования возобновляемых источников кислорода, воды и пищи, и главное, решением психологических и медицинских задач.

Mercury" href="/text/category/mercury/" rel="bookmark">Mercury -Redstone 3» с Аланом Шепардом.

Трудность управления такой системой в ограниченном герметически замкнутом объеме настолько велика, что не приходится надеяться на ее скорое внедрение в практику. По всей вероятности переход на биологическую систему жизнеобеспечения будет происходить постепенно по мере готовности ее отдельных звеньев. На первом этапе развития БСЖО, очевидно, произойдет замена физико-химического метода получения кислорода и утилизации углекислого газа - на биологический. Как известно, основные «поставщики» кислорода - это высшие растения и фотосинтезирующие одноклеточные организмы. Более сложной задачей является пополнение запасов воды и пищи.

Питьевая вода очевидно еще очень долгое время будет иметь «земное происхождение», а техническая (используемая для хозяйственных нужд) уже сейчас восполняется за счет регенерации конденсата атмосферной влаги (КДА), мочи и других источников.

Безусловно, главный компонент будущей замкнутой экологической системы - растения. Исследования на высших растениях и фотосинтезирующих одноклеточных организмах на борту космических аппаратов показали, что условиях космического полета, растения проходят все стадии развития, начиная с прорастания семян до образования первичных органов, цветения, оплодотворения и созревания нового поколения семян. Таким образом, была экспериментально доказана принципиальная возможность осуществления полного цикла развития растений (от семени до семени) в условиях микрогравитации. Результаты космических экспериментов были настолько обнадеживающими, что позволили уже в начале 80-х годов сделать вывод о том, что разработка систем биологического жизнеобеспечения и создание на этой основе экологически замкнутой системы в ограниченном герметическом объеме является не столь уж сложной задачей. Однако с течением времени стало очевидно, что проблема не может быть решена окончательно, по крайней мере, до тех пор, пока не будут определены (расчетным или экспериментальным путем) основные параметры, позволяющие сбалансировать массо - и энергопотоки этой системы.

Для возобновления запасов пищи необходимо также ввести в систему животных. Разумеется, на первых этапах это должны быть «малогабаритные» представители животного мира - моллюски, рыбы, птицы, а позже, возможно кролики и другие млекопитающие.

Таким образом, космонавтам во время межпланетных перелетов необходимо не только научиться выращивать растения, содержать животных и культивировать микроорганизмы, но и разработать надежный, способ управления «космическим ковчегом». А для этого, сначала надо выяснить, как растет и развивается отдельно взятый организм в условиях космического полета, а затем какие требования предъявляет сообществу каждый отдельно взятый элемент замкнутой экологической системы.

Моей основной задачей в исследовательской работе было выяснить, какой интересный и захватывающий пусть прошли космические исследования и какой долгий путь им ещё предстоит пройти!

Если только себе представить, какое разнообразие всего живого есть на нашей планете, то что можно предположить тогда о космосе…

Вселенная настолько большая и неизвестная, что такой вид исследований жизненно важен для нас, живущих на планете Земля. А мы ведь только в самом начале пути и нам предстоит столько всего познать и увидеть!

На протяжении всего того времени, когда я делал эту работу, узнал столько всего интересного, о чем никогда не подозревал, узнал прекрасных исследователей как Карл Саган, узнал о интереснейших космических программах, проведенных в XX веке, как США, так и в СССР, узнал много о современных программах, как «БИОН», и много всего другого.

Исследования продолжаются…

Список использованных источников

Большая Детская Энциклопедия Вселенная: Научно-популярное издание. - Русское энциклопедическое товарищество, 1999. Сайт http://spacembi. *****/ Большая энциклопедия Вселенная. - М. : Изд-во «Астрель», 1999.

4. Энциклопедия Вселенная (“РОСМЭН”)

5. Сайт Wikipedia (картинки)

6.Космос на рубеже тысячелетий. Документы и материалы. М., Международные отношения (2000г.)

Приложение.

“Марссоперенос”

"Маpссоперенос" Отработка одного из звеньев будущей биолого-технической системы жизнеобеспечения космонавтов.

Цель: Получение новых данных о процессах газо-жидкостного обеспечения в корнеобитаемых средах в условиях космического полета

Задачи: Экспериментальное определение коэффициентов капиллярной диффузии влаги и газов

Ожидаемые результаты: Создание установки с корнеобитаемой средой для выращивания растений применительно к условиям микрогравитации

· Комплект "Кювета экспериментальная" для определения характеристик влагопереноса (скорости перемещения фронта пропитки и влагосодержания в отдельных зонах)

Видеокомплекс LIV для видеосъемки движения фронта пропитки

Цель: Использование новых компьютерных технологий для повышения комфортности пребывания космонавта в условиях длительного космического полета.

Задачи: Активизация конкретных областей мозга, ответственных за зрительные ассоциации космонавта, связанные с родными местами и семьей на Земле с дальнейшим повышением его работоспособности. Анализ состояния космонавта на орбите путем тестирования по специальным методикам.

Используемая научная аппаратура:

Блок EGE2 (индивидуальный жесткий диск космонавта с альбомом фотографий и опросником)

"VEST" Получение данных для разработки мер профилактики неблагоприятного воздействия условий полета на здоровье и работоспособность экипажа МКС.

Цель: Оценка новой интегрированной системы одежды из различных типов материалов для использования в условиях космического полета.

Задачи:

ношение одежды "VEST", специально разработанной для полета итальянского космонавта Р. Виттори на РС МКС; получение отзыва космонавта в отношении психологического и физиологического самочувствия, то есть комфортности (удобства), носкости одежды; ее эстетики; эффективности теплоустойчивости и физической гигиены на борту станции.

Ожидаемые результаты: Подтверждение функциональности новой интегрированной системы одежды "VEST", в том числе её эргономических показателей в условиях космического полета, что позволит уменьшить массу и объем одежды, планируемой к использованию в долгосрочных космических полетах на МКС.

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.