Что происходит с организмом человека в космосе: семь скрытых угроз, о которых мало кто знает
В космосе все привычные земные ориентиры и условия среды кардинально меняются: от ощущений в собственном теле до поведения жидкостей и работы приборов. Первое и самое главное, с чем сталкивается человек в космическом полете — это невесомость. Это не просто экзотическое состояние, а серьезное физиологическое испытание и серьезный вызов, с которым ежедневно имеют дело космонавты, а вместе с ними ученые, инженеры, медики и биологи.
Физический принцип того, что в условиях свободного падения по орбите тело полностью теряет вес, был теоретически обоснован еще Исааком Ньютоном, а на рубеже XIX–XX веков Константин Циолковский детально описал, как эта среда повлияет на быт человека. Долгое время физиологи считали, что отсутствие гравитации может стать смертельным для млекопитающих. Предполагалось, что без силы тяжести откажет система кровообращения, нарушится работа вестибулярного аппарата и наступит коллапс центральной нервной системы.
Эксперименты 1950-х годов с запусками животных на ракетах, а затем и первые пилотируемые космические полеты начала 1961 года доказали: жить, принимать пищу и работать в невесомости можно. Однако именно тогда перед космической медициной встал новый, долгосрочный вызов — изучение скрытых патологических изменений, которые микрогравитация запускает на клеточном и системном уровнях при длительных миссиях.
Суть этого состояния часто понимают неверно. Важно помнить: невесомость — это не отсутствие силы тяжести, а отсутствие сопротивления движению. На Международной космической станции (МКС) гравитация Земли все еще продолжает действовать, но сама станция и все объекты внутри нее движутся с огромной скоростью (около 7,7 км/с на низкой околоземной орбите). Они находятся в состоянии постоянного, бесконечного свободного падения.
Что такое МКС, где она находится и с какой скоростью движется: полный гид
Поскольку и космический аппарат, и люди падают с одинаковой скоростью, тело человека перестает давить на конструкции аппарата. Из-за отсутствия этой опоры исчезает сама сила веса и его ощущение, хотя масса тела — то есть количество вещества в объекте — остается абсолютно неизменной как на Земле, так и в космосе.
В науке это состояние чаще называют микрогравитацией, так как идеальной невесомости на орбите нет из-за торможения об атмосферу, приливных сил, крошечных вибраций и маневров станции [1].
Радикальное изменение физических условий заставляет организм человека проходить через глубокую и сложную перестройку. Те процессы, которые на Земле происходят автоматически — кровообращение, удержание равновесия, работа мышц и скелета — на орбите подвергаются серьезному стрессу и адаптации.
Вестибулярный аппарат и пространственное восприятие
На Земле наш мозг обычно успешно определяет, где «верх», а где «низ». Для этого он комплексно анализирует сигналы от вестибулярного аппарата, зрительной системы и мышечных рецепторов, которые отвечают за чувство опоры.
В условиях орбитального полета привычные сигналы от силы тяжести полностью исчезают, так как тело теряет вес. Из-за этого у космонавтов часто развивается космическая болезнь движения [2]. Этот синдром проявляется потерей ориентации, тошнотой, холодным потом и головной болью. Обычно дискомфорт проходит через несколько дней (в среднем до пяти суток), по мере адаптации мозга к новым условиям.
В основе этого состояния лежит сенсорный конфликт: глаза видят неподвижные стены корабля или станции, а вестибулярный аппарат больше не чувствует гравитацию. Такой сбой приводит к искажению восприятия пространства и различным иллюзиям. Космонавт может физически ощущать, что его тело перевернуто вниз головой или непрерывно вращается, из-за чего временно нарушается даже глазомерная оценка расстояний. Герман Титов, совершивший в августе 1961 года первый суточный полет на корабле «Восток-2», стал первым человеком, открыто столкнувшимся с этой проблемой. Его отчеты о тошноте, головокружении и пространственных иллюзиях заставили ученых экстренно пересмотреть программы тренировок [3].
Жидкие среды организма и сердечно-сосудистая система
В условиях земной гравитации сила тяжести тянет кровь, лимфу и другие жидкости вниз, к ногам. На орбите, из-за отсутствия гидростатического давления, жидкости перемещаются вверх — к груди и голове. Это смещение вызывает характерные физиологические симптомы:
заметная отечность лица и шеи;
постоянное ощущение заложенности носа и притупление вкусовых ощущений;
чувство тяжести в голове и тупые давящие боли в первые дни адаптации.
Сердечно-сосудистая система вынуждена перестраиваться под новые условия. Избыточный приток крови к верхним отделам тела запускает компенсаторные механизмы разгрузки, из-за чего организм активно избавляется от «лишней» влаги. Со временем это приводит к снижению объема циркулирующей крови и некоторому уменьшению ударного объема сердца, которому больше не требуется преодолевать силу тяжести. Главная проблема возникает при возвращении на Землю: из-за резкого оттока крови от головы у космонавтов падает артериальное давление, вызывая слабость и головокружение [4].
Система крови: космическая анемия
Длительное пребывание в условиях микрогравитации оказывает серьезное воздействие на систему крови, провоцируя развитие синдрома, известного как космическая анемия. Находясь на орбите, организм человека начинает разрушать собственные красные кровяные тельца (эритроциты) в среднем на 54% быстрее, чем в земных условиях. Если на Земле у здорового человека ежесекундно отмирает около 2 млн эритроцитов, то в условиях космического полета этот показатель возрастает до 3 млн клеток в секунду [5].
Вопреки старым гипотезам, костный мозг во время полета успешно справляется с возросшей нагрузкой, компенсируя потери и генерируя повышенный объем клеток. Благодаря этому в невесомости у космонавтов не развивается выраженное кислородное голодание, так как физическая активность на станции не требует больших усилий. Почему именно организм начинает так быстро уничтожать свои же клетки, ученые до сих пор точно не знают. Проверяется несколько рабочих гипотез, включая клеточную деформацию и избыточную активность селезенки, для изучения которой было запущено профильное исследование SPARK [6].
Дефицит эритроцитов становится критическим сразу после возвращения экипажа на Землю, когда телу в условиях гравитации резко требуется восстановить прежнюю выносливость. При посадке почти половина космонавтов страдает от клинической анемии. Ситуация усугубляется тем, что на Земле объем жидкой части крови (плазмы) восстанавливается быстрее, чем количество самих эритроцитов, из-за чего кровь временно «разбавляется». На полное восстановление показателей крови у космонавтов уходит от 3 до 4 месяцев [7].
Костно-мышечная система в космосе
Без необходимости постоянно бороться с земным притяжением и удерживать вес собственного тела костно-мышечный аппарат человека стремительно теряет свои функции. Мышечные ткани, особенно мышцы-разгибатели спины, голени и бедра, отвечающие за удержание осанки и вертикальное положение тела, лишаются привычной силовой нагрузки. Без использования нагрузочных костюмов и жесткого графика ежедневных двухчасовых тренировок на специализированных силовых и беговых тренажерах МКС космонавт после полугодового полета рискует потерять до трети мышечной массы нижних конечностей и после приземления буквально не сможет стоять на ногах.
Отсутствие привычного давления на скелет приводит к ускоренному вымыванию солей кальция и фосфора из костной ткани. Этот процесс схож с развитием повышенной хрупкости костей (остеопороза), но протекает в разы агрессивнее. Потеря костной массы в условиях космического полета идет колоссальными темпами и, по данным NASA, составляет от 1% до 1,5% в области бедер и таза всего за один месяц [8].
Для сравнения: пожилая женщина на Земле с выраженным заболеванием теряет такое же количество костной ткани за целый год. Быстрее всего истощаются кости таза, позвоночника и шейки бедра. Вымываемый кальций попадает в кровеносное русло, фильтруется почками и повышает риск формирования почечного «песка» и мелких камней, способных вызвать острую почечную колику [9].
Органы зрения: космический нейроокулярный синдром
У многих космонавтов во время длительного орбитального полета фиксируются изменения структуры глаз, вызванные развитием космического нейроокулярного синдрома (КНОС или SANS). В условиях невесомости перераспределение жидких сред (крови и спинномозговой жидкости — ликвора) к голове приводит к венозному застою и изменению градиента давления между полостью черепа и орбитой глаза.
Развивающийся сбой в циркуляции жидкостей нарушает их естественный отток от головы. Застой вокруг зрительного нерва приводит к механическому давлению на заднюю стенку глаза, физически деформируя и уплощая глазное яблоко [10].
Из-за искажения формы глазного яблока фокус смещается, развивая у космонавтов выраженный сдвиг в сторону дальнозоркости. На орбите зафиксировано множество случаев, когда члены экипажа с идеальным зрением временно теряли способность четко считывать информацию с бортовых дисплеев на близком расстоянии без плюсовых очков [11].
Нарушение циркуляции жидкостей в тканях вызывает отек диска зрительного нерва и появление микроскопических повреждений сетчатки, которые врачи видят в форме белых «ватных» пятен. В редких клинических случаях это может приводить к расширению слепых зон в поле зрения и искажению восприятия (эффекту, при котором прямые линии кажутся человеку изогнутыми или волнистыми).
На сосудистой оболочке глаза образуются физические складки, которые у некоторых членов экипажа не разглаживаются даже спустя годы после возвращения на Землю, создавая риски для необратимого снижения остроты зрения.
Чтобы отслеживать эти изменения в реальном времени, на борту МКС регулярно проводятся сеансы ультразвукового исследования глазного дна и оптической когерентной томографии (ОКТ). В качестве профилактики применяются окклюзионные манжеты «Браслет» и специальные вакуумные костюмы «Чибис», принудительно стягивающие жидкие среды организма к нижним конечностям [12].
Изменения на клеточном уровне: иммунитет, гормоны и обмен веществ
Параллельно происходит серьезная гормональная перестройка. На этапе старта и в первую неделю полета организм переживает острую стресс-реакцию с мощным выбросом гормонов. В ходе дальнейшего полета гормональный фон адаптируется, но приобретает специфические черты. Из-за мышечной разгрузки развивается временное состояние, похожее на диабет: ткани хуже усваивают сахар, а чувствительность клеток к инсулину падает. Как подтверждают клинические обзоры метаболизма в космосе, невостребованные белки мышечной ткани начинают распадаться, из-за чего в крови повышается концентрация мочевины и свободных аминокислот [13].
В космосе защитные силы организма работают со сбоями. На орбите ослабевает противовирусный иммунитет, но одновременно обостряются аллергические реакции. Из-за этого у космонавтов просыпаются скрытые инфекции, которые на Земле организм успешно держал под контролем. Согласно исследованиям на МКС, в биоматериалах экипажа часто фиксируется реактивация вируса Эпштейна — Барр, цитомегаловируса и других герпесвирусов [14].
Изменение активности работы генов и обмена веществ также бьет по кишечной микрофлоре. По данным исследований желудочно-кишечного тракта в космосе, количество полезных лакто- и бифидобактерий падает, а болезнетворные микробы становятся более агрессивными и приобретают повышенную устойчивость к антибиотикам [15].
Психика и когнитивные функции
Космос серьезно испытывает на прочность психику человека. На экипаж давит не только невесомость, но и чувство оторванности от дома, изоляция, груз колоссальной ответственности за успех миссии и постоянный стресс в замкнутом пространстве. Это может приводить к упадку сил, тревоге и вспышкам раздражения. Чтобы не допустить этого и поддержать команду, психологи ЦУПа составляют для космонавтов жесткие, поминутно расписанные графики работы [16].
В когнитивной сфере длительный полет приводит к искажению восприятия пространства и времени. Эксперименты на МКС показали, что в условиях микрогравитации у космонавтов нарушается трехмерное моделирование пространства: высота объектов субъективно кажется им больше, глубина — меньше, а общая дистанция до предметов систематически недооценивается.
Одновременно в невесомости меняется работа «внутренних часов» организма. Многолетние эксперименты ИМБП РАН (в частности, исследование «Тайм») доказали, что в условиях монотонности среды восприятие времени у человека замедляется, а интервалы субъективно растягиваются. Выполняя рутинную операцию, космонавт может ощущать, что прошло пять минут, тогда как на часах прошло всего четыре. Такая переоценка течения времени опасна при стыковке кораблей или работе в открытом космосе, поскольку снижает точность моторных реакций и ведет к операторским ошибкам [17].
Особенности работы и быта в космосе
Жизнь и труд на орбите требуют коренной перестройки как привычных бытовых процессов, так и поведения самого человека. Поскольку внутри станции отсутствуют привычные пространственные ориентиры «верх» и «низ», организм сталкивается с сенсорным конфликтом: вестибулярный аппарат не понимает положения тела, что в первые дни вызывает космическую болезнь движения (головокружение и тошноту). Чтобы помочь мозгу адаптироваться, интерьеры модулей имеют строгую функциональную ориентацию: условный «потолок» всегда оборудован линиями светильников, а надписи на приборных панелях направлены в одну сторону.
Передвигаться по отсекам космонавтам приходится с помощью легких толчков от поверхностей, а фиксировать тело на рабочем месте — системой поручней и специальных тканевых петель. Физика движений на орбите кардинально меняется. Пример: на Земле для перемещения мы задействуем крупные мышцы ног, а на МКС нижние конечности практически не работают. Космонавты «ходят» руками, цепляясь за поручни, из-за чего основная нагрузка ложится на плечевой пояс и кисти, а кожа на тыльной стороне стоп из-за постоянного трения о ременные фиксаторы покрывается мозолями и грубеет.
Организация быта также напрямую подчинена правилам биологической безопасности. Космонавты спят в индивидуальных каютах внутри спальных мешков, закрепленных на стенах. Такая фиксация необходима, чтобы избежать хаотичного дрейфа во сне и травм о выступающие части интерьера. При этом важным фактором для полноценного отдыха во время сна является непрерывная работа вентиляторов каюты. В невесомости теплый воздух не поднимается вверх, и без принудительного обдува вокруг головы спящего быстро скапливается облако выдыхаемого им углекислого газа, что приводит к головной боли и расстройству сна.
В условиях невесомости вода не стекает вниз, а собирается в парящие сферы. Поэтому личная гигиена ограничивается использованием влажных салфеток и шампуней, не требующих смывания водой, а еда поставляется в порционных вакуумных пакетах и консервных банках.
Как космонавты питаются на МКС
Случайно упущенная капля чая или крошка хлеба представляет проблему для экипажа. Летая по станции, эти частицы могут попасть в дыхательные пути человека, вызвав их раздражение, или осесть на защитных сетках вентиляции и за приборными панелями, требуя дополнительной уборки. Чтобы избежать хаотичного перемещения вещей, на орбите повсеместно используются застежки-«липучки» (Velcro) для фиксации мелких инструментов, а также эластичные жгуты для удержания крупных предметов и оборудования.
Как сохранить здоровье в космосе
Поскольку в условиях невесомости организм полностью лишается привычной физической нагрузки, запускаются деструктивные процессы: атрофия мышц и ускоренное вымывание кальция из костей. Чтобы противостоять этому, космонавты обязаны ежедневно около двух часов уделять интенсивным тренировкам. На борту используются специализированные дорожки с системой ременного притяга (включая российскую бегущую дорожку БД-2 с системой виброизоляции), велоэргометры (такие как отечественный ВБ-3М) и уникальный силовой тренажер ARED, который с помощью вакуумных цилиндров имитирует работу со штангой и создает необходимую нагрузку на скелет [18].
Помимо активного спорта, для постоянного поддержания мышечного тонуса в течение дня космонавты используют нагрузочные костюмы «Пингвин», встроенные эластичные амортизаторы которых создают осевую нагрузку на скелет во время повседневной работы. Дополнительно на заключительном этапе полета применяется костюм отрицательного давления «Чибис». С помощью вакуума он перераспределяет кровь к нижней половине тела, готовя сосуды к земным условиям. Непосредственно перед спуском и в первые часы после посадки экипаж надевает компрессионные противоперегрузочные шорты и гетры «Кентавр» для предотвращения резкого оттока крови от головы [19].
Весь комплекс сопровождается приемом специальных водно-солевых препаратов для восстановления объема жидкости в организме, витаминов, средств для защиты костной ткани и специализированной диетой. После приземления всем членам экипажа в обязательном порядке требуется длительный курс медицинской реабилитации для восстановления тонуса мышц, плотности костей и обратной адаптации сердечно-сосудистой системы к земной гравитации [20].
Читайте также:
