Pulsar / Пульсар / Космічна фізіологія 2.0

Space may be the final frontier

Red Hot Chili Peppers

Люди завжди були допитливими і невгамовними. Нам недостатньо просто жити на певній території. Ми завжди шукаємо щось нове, незвідане. Тому і розселилися по всій Землі, дослідили непролазні джунглі, підкорили найвищі гори, дісталися до океанських глибин, не злякалися спекотних пустель і холодних полюсів. З часом людина дійшла до зірок. Для неї відкрився цілий Всесвіт. У наш час космос став широким полем для наукової роботи. Але які небезпеки він таїть у собі? Чи взагалі безпечно людині там знаходитися? Фізичні умови там настільки відрізняються від земних, що навіть числами важко описати, не те щоб просто уявити.

Фізична преамбула

Як же змінюється перебіг процесів людського організму в космосі під впливом невагомості? Для того, щоб відповісти на це питання, спершу слід пояснити саме поняття «невагомість». Що лежить в основі цього явища? Доведеться пригадати фізику. Вага — це сила, з якою тіло діє на певну опору внаслідок впливу земного тяжіння. Чим більша маса тіла, тим більша сила. То що таке невагомість? Відповідь є в самому терміні — невагомість — «відсутність ваги». Це стан, за якого сила, що виникає під час взаємодії тіла з опорою і зумовлена земним тяжінням, надзвичайно мала, близька до нуля. Коли виникає такий стан? Не тільки в космосі, як можна було б подумати. Це трапляється, коли і опора, і тіло, що тисне на цю опору, будуть падати з однаковою швидкістю. Наприклад, якщо обірвуться троси ліфта, той нещасний, що знаходитиметься у ньому, на деякий час стане невагомим. Саме така природа цього явища і в космосі. Це дивно, але, по суті космічна станція, що обертається навколо Землі, знаходиться в постійному стані падіння. Але, оскільки швидкість її руху досить висока, то вона встигає пройти в горизонтальному напрямку такий шлях, що відстань до поверхні планети не зменшується. Це спричинено тим, що Земля має форму кулі, і пояснюється складними розрахунками, які в цій статті наводити недоречно. Суть в тому, що космічна станція є тією самою опорою, а астронавти — тілами, які діють на неї. Вони знаходяться в стані постійного падіння, при чому з майже однаковою швидкістю, тому їхня вага є майже нульовою. Це і є невагомістю. З цим розібралися.

Власне фізіологія в космосі

А як змінюються фізіологічні процеси в людському організмі в такому стані? Адже багато з них, наприклад кровопостачання різних ділянок тіла, залежать саме від сил земного тяжіння. Відповіді на ці питання шукає досить молода і перспективна наука – космічна фізіологія. Вона вивчає компенсаторні й пристосувальні механізми, які виникають в організмі в умовах фізичних законів космосу. У першу чергу зазнає змін серцево-судинна система. Це і не дивно, бо саме вона найбільш залежна від гравітації і адаптивною до чинників зовнішнього і внутрішнього середовища. У невагомості найсуттєвішим є відсутність гідростатичного фактора. Для чого він потрібен? Для того, щоб ефективно протидіяти силам гравітації. Тобто, в першу чергу, ефективно піднімати кров з нижніх кінцівок до серця проти сили тяжіння. Тому судини цих ділянок тіла мають певні анатомічні й фізіологічні особливості, тоді як у венах голови вони не потрібні, адже ця частина знаходиться вище серця, тому кров відтікає за законами сили тяжіння. У космосі ж їхній вплив відсутній, тому всі типи судин опиняються в однакових умовах. І вони пристосовуються до цього, але не відразу. Саме тому перед польотом в космос потрібні тренування. Без тренувань, у більшості людей в умовах невагомості зіб’ється серцевий ритм, виникне загроза непритомності. Цікавими є зміни іннервації серця. Якщо в нормі є баланс між симпатичними і парасимпатичними впливами, то в умовах невагомості ці впливи чергуються.

Х’юстон, що відбувається?

Перші хвилини в невагомості є колосальним стресом для організму. По-перше, змінюється гемодинаміка. Всі рецепторні зони судин «поспішають» повідомляти про це мозок. Це призводить до активації симпатичної нервової системи, викиду ряду гормонів, зокрема адреналіну. Також відбувається включення багатьох інтракардіальних рефлексів, тобто механізмів саморегуляції. Це призведе до значного зростання частоти і сили серцевих скорочень. Встановлено, що в реальному космосі ці показники повертаються до норми повільно, набагато повільніше, ніж у штучній невагомості на Землі. Але, як не дивно, на 2-3 день частота пульсу досить сильно сповільнюється, особливо уві сні – до 40-45 ударів на хвилину (в нормі 50-60 уд/хв.). Це пов’язано з тим, що за відсутності гравітації серцю набагато легше виконувати свої функції, а також переважають імпульси блукаючого нерва, що і проявляється брадикардією (зменшенням частоти серцевих скорочень) і зниженням систолічного та діастолічного тисків. Тому після адаптації до таких умов, міокард прикладає набагато меншу силу для викиду крові і частота скорочень зменшується. Кардіограма, знята у людини в умовах невагомості, не дуже відрізняється від зробленої на Землі. Помітне значне сповільнення проведення збудження від передсердь до шлуночків, також спостерігається зменшення амплітуди зубця Т (кінцева фаза реполяризації шлуночків), що свідчить про зниження інтенсивності метаболічних процесів у міокарді.

Космоадаптація

Пристосування до нових умов відбувається таким чином: 1) Перші дні у невагомості – переважання впливів нервової системи на серце. 2) Одночасна дія екстра- та інтракардіальної систем регуляції. 3) Більше трьох днів - переважання інтракардіальної регуляції, яка в подальшому буде керувати роботою серця. Периферична судинна система теж зазнає серйозних змін. Це проявляється зниженням артеріального тиску (АТ) внаслідок зменшення тонусу судин, що досить небезпечно, бо може призвести до так званого ортостатичного колапсу (втрата свідомості внаслідок зміни положення тіла через раптове падіння АТ). Важко сказати, що є причиною цього. Можливо, причиною є зменшення чутливої аферентації (передавання нервового збудження) від судин.

Клята гідравліка

Порушується нормальний розподіл води в організмі, більшість її збирається у верхній половині тіла, що призводить до набряків шиї і обличчя. Спостерігається погіршення смакової і нюхової чутливості, закладення носа. Нижня половина тіла при цьому втрачає приблизно 30% маси внаслідок перерозподілу плазми і міжклітинної рідини. Але через декілька днів організм пристосовується і до таких змін: зменшується об’єм циркулюючої крові,через збільшення діурезу (утворення і виведення сечі з організму), знижується потреба у вживанні води. Це може бути небезпечним, бо є ризик тромбоутворення через збільшення в’язкості крові (на тлі втрати води з посиленням діурезу).

Селезінко, ти серйозно?

Важливим є те, що в невагомості зменшується вироблення еритроцитів, що веде до сильного зниження їх вмісту в плазмі крові. Це пов’язують з пригніченням секреції гормону нирок — еритропоетину. Що ж блокує його в космосі? Відомо, що він посилено виробляється в умовах нестачі кисню. То що не так? Справа в тому, що космонавти добре забезпечені ним, іноді навіть більше ніж треба, тому необхідності в більшій кількості еритроцитів немає. Проте ніхто не відміняв термін 120 діб — тривалість життя еритроцита. Після 4 місяців «старожили» відправляються на «кладовище еритроцитів» — селезінку. Вироблення еритропоетину не стимулюється в повній мірі — кількість еритроцитів в одиниці об’єму поступово зменшується, так як забезпечення організму киснем залишається в нормі через постійне поповнення сумішшю газів із балонів. Це лише теорія, а реальної відповіді на це питання поки ніхто не дав. Тому космонавти мають досить високий ризик отримати анемію як бонус до всього вищеперерахованого. Анемія точно дасть про себе знати після повернення на Землю, коли наявна у екс-орбітян кількість еритроцитів не зможе достатньо забезпечити дихальну функцію.

І хребці туди ж

Опорно-руховий апарат також значно змінюється в невагомості. Деякі люди можуть “вирости” на декілька сантиметрів. Це пов’язано з тим, що зменшується тиск маси тіла на хребці і вони перестають бути здавленими, тобто «розслабляються». Тому це не ріст в прямому сенсі цього слова, а лише тимчасові зміни. Після повернення на Землю тіло повертається до свого попереднього стану і зросту зокрема. Найбільш поширене порушення з боку опорно-рухового апарату – космічна остеопенія, тобто втрата кісткової маси. Це відбувається через те, що в невагомості навантаження на кістки значно зменшується, особливо на скелет нижніх кінцівок і хребта. Тому починається резорбція (розсмоктування) кісток, що веде за собою вихід надмірної кількості кальцію в кров. Наслідком цього є ряд порушень: скелетна система стає більш вразливою, кістки – крихкими, що особливо проявляється після повернення з космосу. У крові спостерігається гіперкальціємія, що також негативно впливає на стан здоров’я і характеризується проксимальною м’язовою слабкістю, болем у м’язах, нудотою, заторможеністю, погіршенням пам’яті. Страждає і м’язова система. Звичайно, причиною цього є відсутність гравітації, ажде м’язи «звикли» постійно їй протидіяти, також впливає відсутність звичного тонусу судин, а, отже, порушення живлення. Це призводить до їхньої атрофії (зменшення об’єму і маси). Космонавтам досить важко пристосуватися до земних умов після тривалого перебування у невагомості, тому для цього вони проходять своєрідну реабілітацію.

Сплін на орбіті

Третьою, найбільш чутливою до невагомості системою, є нервова. У першу чергу, потерпає психіка людини, на яку впливають такі фактори: хвилювання, незвична обстановка, відсутність циклу день-ніч (адже на орбіті спостерігають схід і захід сонця по декілька разів на день). Тому в космонавтів можливі депресія та безсоння. Наступним не дуже приємним наслідком є порушення сенсорних систем, особливо вестибулярної і пропріоцептивної (глибока чутливість м’язів, зв’язок та суглобів) тобто тих, що сигналізують про положення нашого тіла. Адже в невагомості людина повністю змінює його, що стає випробовуванням для наших рецепторів. Тому нудота і запаморочення є цілком нормальними реакціями, які з часом проходять. Ще сильніше страждає еферентна, тобто рухова іннервація (шлях від думки до дії), бо динаміка рухів повністю змінюється, потрібно навчитися по-новому керувати своїм тілом, що теж виходить не одразу.

Імунка

Цікавою є відповідь імунної системи на умови невагомості. То пригнічується, то навпаки активізується, причому досить спонтанно. Часто проявляються латентні інфекції, віруси, що дрімали в людині роками, можливі досить сильні алергічні реакції. На думку фахівців, це пов’язано з впливами магнітних полів, радіації та інших фізичних факторів космосу на цитокіни – медіатори імунної системи. Але чому саме вони так чутливі до цих впливів достеменно невідомо.

Джонні Сінс, агов?

На жаль, функціонування репродуктивної системи в космосі вивчене надзвичайно мало, що пов’язано з етичними і технічними перешкодами. У результаті експериментів на щурах стало відомо, що зачаття нового життя у невагомості все ж можливе, але вагітність протікає складно, а плід має високий шанс кривої експресії, що призведе до синдромів, несумісних з життям. Багато важливих систем не мають можливості правильно формуватися без впливів гравітації (особливо нервова та імунна), бо такі процеси пов’язані з посиленою міграцією клітин. До неприємних моментів невагомості слід віднести постійну пітливість. Піт не здатен «розтектись» по шкірі, а потім висохнути, тому просто збирається великими «озерцями». Через це астронавти мають пильніше стежити за своєю гігієною.

Мої очі!

Вкрай неприємною є проблема зі шкірою – в космосі роговий шар епітелію не може нормально відшаровуватися з поверхні. Натомість ці частинки літають в невагомості, що є не лише неприємним, а й небезпечним, бо може спричинити алергію або інфекційне ураження інших членів команди.

Непевна невагомість

Станом на сьогодні, відкритим залишається питання, чи є невагомість цілком безпечною для людини. Пошук відповіді на нього є особливо важливим, адже якщо людство має наміри досліджувати космос, шукати інші планети, то доведеться здійснювати тривалі космічні подорожі. Тому треба мати дійсні уявлення про те, що відбувається з організмом в умовах відсутності гравітації, щоб не наражати дослідників на додаткову небезпеку. Космічна фізіологія є важливою і перспективною наукою, яку треба розвивати.

Космічна фізіологія 2.0