VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Медико-биологические аспекты длительных космических полётов
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Космос. Как его воспринимать? Как исследовательскую лабораторию для проверки различных гипотез или как неблагоприятную среду обитания людей. Космическое пространство за пределами земной атмосферы, пожалуй, не является враждебным, но требует специальной подготовки для встречи с ним. Первые полеты человека доказали его способность находиться и вести научные исследования в космосе. Таким образом, осуществленный в XX веке прорыв человека в космос обозначил не только высокий уровень теоретических и практических достижений человечества, но, похоже, ознаменовал новую эру в развитии человеческой цивилизации – человек проявился в принципиально новой среде обитания. Действительно, летящий в космическом пространстве пилотируемый корабль – это крохотный островок жизни в безжизненной среде. Его появление оказалось возможным исключительно благодаря успешному решению не только технических, но и целому ряду смежных проблем, связанных с жизнью и деятельностью человека в необычных условиях космического полета.
Если в целом оценивать медико-биологические аспекты длительного полёта, то на первое место выйдут три: невесомость, космическая радиация и гипомагнитная среда. Какую опасность они несут для человека, и как снизить их влияние при длительных космических полетах я хочу рассказать в данной работе.
Невесомость
Невесомость – состояние, при котором сила взаимодействия тела с опорой (вес тела), возникающая в связи с гравитационным притяжением, действием других массовых сил, в частности силы инерции, возникающей при ускоренном движении тела, отсутствует. На рисунке 1 показан космонавт в состоянии невесомости.
Рис. 1
Анализ проведенных экспериментов с водной иммерсией и гиподинамией, а также результатов медико-биологических исследований в космических полетах позволил с достаточной достоверностью выделить ряд характерных изменений в организме человека, обусловливаемых воздействием невесомости. Различают первичные и опосредованные реакции биологических объектов на невесомость. К первичным реакциям относятся снятие весовой нагрузки на опорные структуры, отсутствие гидростатического давления крови и других биологических жидкостей, изменения в деятельности афферентных систем, главным образом специфических гравирецепторов [1, 2]. В первые дни на орбите отекает лицо из-за перераспределения крови в организме. Голова при этом болит, а ноги мерзнут. Возникает заложенность носа. Каждая из таких первичных реакций в свою очередь служит пусковым механизмом в цепи вторично обусловленных сдвигов – опосредованных реакций. Отсутствие веса тела предрасполагает к развитию общей детренированности и к связанному с этим снижению физической работоспособности и устойчивости по отношению к рабочим нагрузкам; развиваются деструктивные изменения со стороны костномышечной системы (деминерализация костной ткани, уменьшение мышечной массы, отрицательный азотистый баланс). Невесомость способствует снижению газо-энергообмена, уменьшает требования к системе транспорта кислорода, меняет условия функционирования сердечно-сосудистой системы, вызывая ее детренированность [1]. Лишенная веса кровь переполняет органы верхней половины тела, что создает ощущение тяжести в голове и вызывает отечность тканей лица. Ответная защитная реакция организма в этом случае состоит в уменьшении объема циркулирующей крови за счет возрастания водопотерь и уменьшения водопотребления. Это в свою очередь ухудшает переносимость человеком вертикальной позы при возвращении на Землю. Потеря мышечной массы, а также воды и ряда минеральных веществ служит причиной уменьшения веса (точнее массы) тела. Невесомость в сочетании с другими факторами полета вызывает астенизацию, изменение реактивности и иммунитета, снижение устойчивости по отношению к стрессовым воздействиям, появление нервных расстройств, изменений гормональных функций, а также морфологических, и физико-химических показателей крови и органов кроветворения. Изменения в деятельности афферентных систем приводят к возникновению иллюзий пространственного положения тела, к вестибулярным расстройствам и сопровождаются перестройкой двигательных навыков.
Таким образом, физиологические последствия пребывания человека в условиях невесомости чрезвычайно обширны, а многие признаки адаптационных изменений в различных системах организма проявляются совершенно отчетливо. Невесомость является причиной таких изменений саморегуляции целостного организма, которые приводят к установлению новых взаимоотношений с окружающей средой. Адаптация к невесомости выражается в форме постепенно (обычно в течение 3 – 7 суток) угасающих дискомфортных ощущений и в существенно более длительном процессе функциональных и структурных перестроек, протекающих по типу «неупотребления» или «атрофии от бездействия». При этом, хотя состояние адаптированного организма адекватно условиям невесомости оно одновременно характеризуется еще и потенциальной недостаточностью по отношению к гравитационным и другим (стрессовым в данных условиях) воздействиям [2].
После возвращения на Землю эта недостаточность проявляется в ощущении излишней тяжести тела, в затруднениях по поддержанию вертикальной позы, в нарушениях координации движений, в том числе при ходьбе, в быстрой утомляемости. В невесомости все люди прибавляют в росте 5–8 см из-за удлинения позвоночника. После полета он опять укорачивается. Оба процесса сопровождаются болями в спине. После полета подошва ступни становится нежной как у младенца, поэтому ходить в первые дни на Земле космонавтам больно. Больно также и сидеть, поскольку в невесомости люди не только не ходят, но и не сидят. Сесть без силы притяжения невозможно, и ягодицы отвыкают от нагрузки. Адаптационные перестройки развиваются во времени и, судя по опыту, накопленному в длительных космических полетах (продолжительностью до полугода), являются обратимыми, хотя теоретически нельзя исключить возникновения более глубоких изменений, могущих возникнуть при длительном пребывании живых организмов в невесомости, в том числе со сменой поколений. Поэтому необходимо дальнейшее проведение исследований по разработке медицинских прогнозов и определению допустимых с точки зрения сохранения здоровья и работоспособности космонавтов сроков пребывания в условиях невесомости. Большое значение имеет также установление взаимосвязи между характером и степенью функционирования перестройки организма в невесомости и выраженностью реадаптационных сдвигов после возвращения на Землю.
Борьба с отрицательными последствиями длительного пребывания человека в состоянии невесомости основана на современных представлениях о патогенезе нарушений, возникающих при этом в организме. Для предупреждения сдвигов, обусловленных преимущественно неблагоприятным влиянием на организм состояния гиподинамии, экипажи космических кораблей используют различные методы и средства физической тренировки. Особенно оправдал себя в этом отношении комплексный тренажер для физических упражнений, обеспечивающий статическую нагрузку в направлении продольной оси тела, динамические нагрузки (ходьба, бег, приседания), а также инерционно-ударные воздействия (прыжки). На рисунке 2 показано как космонавт Максим Сураев занимается на беговой дорожке, при этом космонавта к дорожке притягивают специальные резиновые ремни. На рисунке 3 Максим Сураев занимается на силовом тренажере, расположенном на американской стороне.
Дополнительным средством тренировки служит постоянное ношение космонавтами специальных костюмов типа «Пингвин», конструкция которых способствует распределению нагрузки на различные мышечные группы. Он представляет собой нагрузочный костюм, состоящий из набора упругих элементов, обеспечивающих осевую нагрузку на костно-опорный аппарат и нагрузку на мышечную систему ног и туловища.
Рис. 2.
Для профилактики гиподинамического синдрома используют и другие тренажеры (велоэргометр, эспандеры), а также методы автогенной тренировки.
Для имитации гидростатического давления крови в условиях невесомости применяется специальное устройства (вакуумная емкость), обеспечивающее декомпрессию нижней части тела (рис. 4). Создаваемое при этом отрицательное давление притягивает кровь к нижней половине тела, как это имеет место на Земле. Методика воздействия отрицательного давления на нижнюю половину тела может периодически применяться как функциональная проба, и как тренирующее средство главным образом на заключительном этапе космического полета.
Рис. 3
Рис. 4.
Из других средств профилактики отрицательного действия невесомости следует отметить использование фармакологических и гормональных препаратов, оказывающих общетонизирующий стимулирующий эффект и нормализующих водно-солевой и белковый обмен организма. Немаловажное значение имеет рационально построенный режим труда, отдыха и питания космонавтов в полете, соблюдение требований личной гигиены, а также другие мероприятия, направленные на повышение неспецифической сопротивляемости организма. Важно объединение различных профилактических воздействий в единый защитный комплекс, который позволит получить наибольший профилактический эффект. К этому следует добавить систему врачебного контроля за состоянием космонавтов в полете и возможность досрочного прекращения полета по медицинским показаниям.
Изменения в организме человека после длительного пребывания в условиях невесомости требуют проведения специальных мероприятий и при возвращении на Землю. В первые часы и сутки пребывания на Земле космонавты обычно надевают специальный противоперегрузочный костюм, препятствующий оттоку крови в нижнюю половину тела. Восстановительные мероприятия в послеполетный период включают постепенное увеличение нагрузок, применение общеукрепляющих и тонизирующих средств, регламентацию режима труда, отдыха и питания.
2. Космическая радиация
Галактическое излучение или космическая радиация – это несущийся со всех направлений и с огромной скоростью поток заряженных частиц, порожденных взрывами сверхновых, деятельностью пульсаров, квазаров и других аномальных звездных тел [3]. Жителей Земли от космической радиации защищает магнитное поле нашей планеты, которое отклоняет потоки заряженных частиц (рис. 5).
В настоящее время медициной установлена максимальная предельная допустимая доза, которую в течение жизни человеку превышать нельзя во избежание серьезных проблем со здоровьем – это 1000 мЗв или 1 Зв. Для сравнения, работники атомных станций, работающие в превышающем природный радиационном фоне, такую дозу могут набрать за 50 лет работы. Космонавты за сутки получают дозу радиации в 200 раз больше, чем человек на Земле – это 5-6 сеансов обследования грудной клетки.
Рис. 5
На земле естественный радиационный фон состоит в основном из гамма-излучения, а в космосе – из заряженных частиц. Качество воздействия на живой организм у потока заряженных частиц и электромагнитного излучения разный. С точки зрения современных нормативов постоянно находиться в космосе нельзя: предельную дозу радиации человек получит за 4 года – это 800 мЗв. Еще 200 мЗв – это запас на непредвиденные обстоятельства. Налетав четыре года и набрав свои законные 800 мЗв, космонавт уже вряд ли будет допущен в новый полет годичной продолжительности, потому что появится угроза превышения лимита.
Еще одним фактором радиационной опасности в космосе является активность Солнца, особенно так называемые протонные выбросы. В момент выброса за короткое время космонавт на МКС может получить дополнительно до 30 мЗв. Хорошо, что солнечные протонные события происходят редко – 1−2 раза за 11-летний цикл солнечной активности. Плохо, что эти процессы возникают хаотично, в случайном порядке, и плохо поддаются прогнозированию. Именно из-за таких внезапно возникающих солнечных протонных событий мы никогда точно не знаем, какую именно дозу привезет с собой космонавт из полета.
В разных отсеках космического корабля доза радиации различается, показания могут разниться даже внутри тела человека. У космонавтов есть различные дозиметры, датчика, по которым можно получить информацию об облучении. В зависимости от солнечной активности, медики рекомендуют экипажу находиться в тех отсеках космической станции, где доза радиации меньше, – это отсеки, которые не выпирают из корпуса.
Что касается защиты от радиации, то учёные Института медико-биологических проблем (ИМБП) проводили на МКС ряд экспериментов, которые показали, что можно использовать в качестве защитных средств гигиенические влажные салфетки и полотенца, которые входят в стандартный гигиенический набор для космонавта [4]. Результатом эксперимента стала разработка устройства с названием «Шторка защитная». Это «матрас» с марлевой тканью, пропитанной водой и запаянной полиэтиленовый мешок. Влажные салфетки заменяют душ космонавтам, их можно не просто складировать на станции, а использовать в качестве дополнительного слоя воды, который защищает космонавта от радиации в отсеках. Вода и полиэтиленовые пластины задерживают вторичные частицы – нейтроны, и доза радиации поглощается эффективнее [4].
Радиационные проблемы у экипажей, отправляющихся на Марс, начнутся еще у Земли. Корабль массой 100 или более тонн придется долго разгонять по околоземной орбите, и часть этой траектории пройдет внутри радиационных поясов. Это уже не часы, а дни и недели. Дальше – выход за пределы магнитосферы и галактическое излучение в его первозданной форме, много тяжелых заряженных частиц, воздействие которых под «зонтиком» магнитного поля Земли ощущается мало.
Проблема в том, что влияние частиц на критические органы человеческого организма (например, нервную систему) сегодня мало изучено. Возможно, радиация станет причиной потери памяти у космонавта, вызовет ненормальные поведенческие реакции, агрессию. И очень вероятно, что эти эффекты не будут привязаны к конкретной дозе. Пока не накоплено достаточно данных по существованию живых организмов за пределами магнитного поля Земли, отправляться в длительные космические экспедиции очень рискованно.
Ученые не стоят на месте и ищут новые материалы для обшвки корабля, позволяющие снизить дозу проникающей радиации. В частности, физики из Университета Центральной Флориды (США) предложили новый способ защиты астронавтов от радиации в дальнем космосе. По мнению ученых, содержащиеся в астероидах глины богаты водородом. Благодаря этому они обеспечивают более высокую (примерно на десять процентов), чем алюминий, защиту пилотируемых кораблей от потоков протонов и космических лучей. Исследователи предлагают создать на основе подобной глины композитный материал. Предполагается, что он будет использован либо в качестве обшивки космических кораблей, либо как составная часть скафандров.
3. Гипомагнитная среда
Человек на планете Земля постоянно находится под воздействием магнитного поля. Человеческое тело также обладает собственным магнитным полем, различным для разных органов. Важным моментом является поддержание относительного баланса между внешними и внутренними магнитными полями. Бесспорным является факт, что внешние магнитные поля в значительной мере определяют состояние наших внутренних магнитных полей.
Исследования влияния магнитного поля на различные функции жизнедеятельности человека проводились в различных условиях: во-первых, в условиях экранирования от геомагнитного поля, во-вторых, в условиях, когда геомагнитное поле было скомпенсировано искусственным полем, а также при естественной возмущенности геомагнитного поля – геомагнитных бурях. На рис. 6 схематично показана природа геомагнитных бурь.
Медицинские исследования показали и неоднократно, что нахождение человека в гипомагнитных полях влияет на нервную систему человека, в частности, снижается скорость реакции [4]. При этом человек испытывал на себе «дефицит» магнитного поля порядка 2-3 дней. Как будет реагировать нервная система на гипомагнитное поле при более длительном времени нахождения в нем пока не известно.
Подобно космонавтам, в гипомагнитных полях находятся подводники. Корпус подводной лодки играет роль экрана для магнитного поля Земли. У людей, находящихся под водой, были обнаружены значительные нарушения функциональных показателей, несмотря на то что условия их жизни были хорошими. Им не хватало магнитного поля Земли, которое не могло проникнуть внутрь металлических стенок помещений лодки. При этом наблюдалось снижение основного обмена веществ, уменьшение общего количества лейкоцитов в периферической крови и угнетение пищеварительного и мочегонного лейкоцитоза. Кроме того, у экипажа нарушалась суточная периодика различных функций, появлялись предвестники различных заболеваний, в частности заболевания желудка.
Рис. 6.
На сегодняшний день в ИМБП было проведено несколько исследований в гипомагнитных камерах, ослабляющих действие МП Земли в 100 и более раз [5]. Часть из них была представлена на международном конгрессе COSPAR 2014. Надо отметить, что результаты у разных групп исследователей вышли неоднозначными.
В силу неоднозначных результатов влияния на животных гипомагнитной среды подобные исследования должны быть проведены на человеке до полёта, чтобы понять, хотя бы примерно, степень опасности влияния этого нового фактора космического полета.
Так же, в экспериментах на Земле мы имеем возможность полностью исключить влияние других факторов и изучить воздействие только гипомагнитной среды, не имея при этом ограничений ни по длительности, ни по живым объектам. Во время полёта на исследуемые объекты будет воздействовать множество факторов космического полёта – от невесомости до радиации, и при анализе результатов будет практически невозможно разделить их влияние на организм.
На сегодня специалисты в ИМБП считают, что гипомагнитный фактор будет, наряду с радиацией, одним из наиболее серьёзных факторов межпланетных космических полётов, который может на нынешнем этапе развития техники препятствовать освоению человеком Солнечной системы.
Заключение
Таким образом, подводя итог всему вышесказанному, можно утверждать, что на сегодняшний день человечество не готово к межпланетным перелетам. На всех этапах развития космонавтики на первое место ставилась безопасность космического экипажа. Пока до конца не будут изучены все факторы, влияющие на здоровье космонавтов во время полета, и не будут придуманы механизмы устранения их пагубного влияния на живой организм, мы будем изучать космическое пространство с геоцентрической орбиты.
Список использованных источников
Григорьев А. И. Экология человека. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. - 240 с.
Н.М. Титкова «Космическая медицина и биология»,– М.: Знание, 1978 г.
PopMech.ru
imbp.ru
nuclphys.sinp.msu.ru