Проблемы космической биологии и медицины
Лекция №3
Тема занятия: Проблемы космической биологии и медицины
Цель и задачи: ознакомить студентов с общей характеристикой космической биологии и медицины, их современными проблемами.
Базовые понятия и термины: КЛА, гипогидратация, дискоординация, невесомость, радиопротектор, дезадаптация, биоритм, ложемент.
Тип занятия: лекция (спецкурс)
Методы: словесный
Студент должен знать:
- основные стадии адаптации человека к невесомости
- современные проблемы космической биологии и медицины, возможные пути их решения
Рекомендуемые материалы
I.Вступление
Организационный момент: проверка общей готовности студентов к занятию, контроль посещаемости занятия
Целевая установка и изучение нового материала:
Цель: ознакомить студентов с основными проблемами космической биологии и медицины
Ретроспекция ранее изученных вопросов: радиобиология – влияние ионизирующего излучения на организм человека
II. Основная часть
Общая характеристика космической биологии и медицины
В успешном развитии космической биологии и медицины большую роль играет участие в космических полетах врачей-исследователей. Они проводят сложные медико-биологические исследования, строго контролируют состояние здоровья космонавтов и своевременно принимают меры по профилактике и лечению заболеваний, что приобретает особое значение в длительных космических полетах. В связи с созданием орбитальных медико-биологических лабораторий планируется расширить участие врачей в космических полетах и привлечь биологов различных специальностей для проведения в космосе экспериментов на животных и растительных организмах.
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 (космический летательный аппарат). Выполнение маневров на орбите также сопровождается воздействием ускорений на организм, однако их величины при полетах современных КЛА незначительны.
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.
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 периостеального 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 суток) 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.
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).
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.
Достижения в области космической биологии и медицины внесли существенный вклад в решение проблем общей биологии и медицины. Расширились представления о границах жизни в пределах биосферы, а созданные экспериментальные модели искусственных биогеоценозов — относительно замкнутым круговоротом веществ позволили дать определенную количественную оценку антропогенных воздействий на биосферу. Большое влияние космическая биология оказала на экологию, в первую очередь экологию человека и изучение взаимосвязи процессов жизнедеятельности с абиотическими факторами окружающей среды. Проведенные исследования позволили лучше познать биологию человека и животных, механизмы регуляции и функционирования многих систем организма.
Проблемы космической биологии и медицины
Важным с точки зрения анализа научных результатов является вопрос о возможных способах и средствах, каковы стратегия и тактика, позволяющие человеку все увереннее чувствовать себя вне Земли. Разработанная российскими специалистами стратегия заключалась в последовательном, постепенном увеличении времени безопасного пребывания человека в космосе без ущерба для его здоровья и с сохранением достаточного уровня работоспособности для выполнения той или иной программы полета.
Тактические шаги по последовательной реализации выработанной стратегии строились следующим образом. Результаты каждого полета, наземных экспериментов, исследований на биоспутниках, равно как и исследования в области общей физиологии и медицины пополняли багаж знаний о влиянии факторов космического полета на человека. Это позволяло постоянно совершенствовать систему отбора и подготовки космонавтов, комплекс средств медицинского контроля за состоянием их здоровья и его прогнозирования, профилактики неблагоприятного действия невесомости, реабилитационных мероприятий после длительных полетов.
Исследования в области космической психологии направлены на повышение психологической и профессиональной надежности космонавтов на основе:
ü совершенствования методов и средств отбора, подготовки и комплектования экипажей и оценки психического состояния космонавтов;
ü профилактики и коррекции психической дезадаптации;
ü исследования особенностей группового взаимодействия;
ü изучения биоритмологических аспектов адаптации;
ü оптимизации профессиональной деятельности космонавтов.
Хотя организация жизнедеятельности экипажа в длительных космических полетах регламентирована возможностями техники, медики и психологи требуют постоянно совершенствовать условия жизни и работы человека в космическом аппарате. Это позволит смягчить психогенные последствия, наносимые человеку искусственной средой обитания.
По общему признанию всех космонавтов, совершивших длительные КП, важным фактором поддержания нормального самочувствия и работоспособности в этих условиях является штатная система психологической поддержки. При этом на первое место ставится, как правило, возможность приватной связи с семьей и сеансы нерегламентированного общения как с близкими, друзьями, так и различными представителями общественной жизни.
Новизна поставленных задач определяется необходимостью существенно повысить надежность технических и медицинских систем, вследствие невозможности быстрого возвращения экипажа на Землю при аварии или заболевании.
В последние годы в России и США проводится теоретический анализ поставленных задач, и экспериментально отрабатываются отдельные медико-биологические аспекты автономного полета. Одним из начальных этапов такой отработки стал 438-суточный орбитальный полет врача-космонавта Валерия Полякова, сотрудника ГНЦ РФ ИМБП, доказавший отсутствие принципиальных медико-биологических ограничений для марсианской миссии.
В отличие от полетов по орбите Земли для марсианской миссии характерны:
Ø длительное (не менее 2 лет) проживание экипажа в условиях искусственной среды, что приведет к накоплению в атмосфере микропримесей биологической и химической природы, формированию необычного микробного сообщества внутри корабля, возможному отклонению параметров микроклимата от границ безопасной зоны;
Ø воздействие гравитационных перегрузок посадки и взлета с Марса и посадки на Землю на детренированный организм;
Ø возможность воздействия галактического космического излучения;
Ø невозможность экстренного возвращения экипажа на Землю или замены заболевшего члена экипажа, что делает совершенно необходимым участие в экспедиции высококвалифицированного врача-космонавта;
Ø необходимость длительного проживания и совместной деятельности в составе экипажа, находящегося в изоляции, с возможным развитием психологической несовместимости и психо-эмоционального стресса.
Предстоит создать более биологически полноценную и экологически обоснованную среду обитания, адекватную долговременным биологическим потребностям человека. На борту марсианского космического корабля необходимо создать аналог земной биосферы, активными компонентами которого будут человек, животные, растения, микроорганизмы. При этом на смену существующим системам придут регенеративные системы жизнеобеспечения с высоким коэффициентом замкнутости циклов. В наземных лабораториях уже сейчас получены обнадеживающие результаты.
Впервые исследователи столкнулись с проблемой появления плесени в КЛА в 1980 году, во время длительного полета станции «Салют-6». Пятый основной экипаж обнаружил белый налет на отдельных деталях интерьера, тренажера для физических упражнений и в некоторых других зонах обитаемых отсеков. Экипаж доставил на Землю микробиологические пробы и стало ясно, что данный налет спровоцирован плесневыми грибами - пенициллами, аспергиллами и фузариумами.
Поначалу этому не придали особого значения, поручив космонавтам время от времени проводить протирку пластиковых поверхностей специальными растворами, уничтожающими плесень. Но когда пять лет спустя, в ходе работы 5-й основной экспедиции уже на орбитальной станции «Салют-7», была выявлена плесень в разъемах и кабелях рабочего отсека, стало понятно, что косметическими мерами тут не отделаешься. При осмотре под микроскопом были выявлены изменения структуры образцов, а на отдельных материалах, в частности на изоляционной ленте, даже обнаружены сквозные дыры. А это уже грозило коротким замыканием и прочими ЧП.
Причем интервенция микробов развивается достаточно быстро. Скажем, стоило одному из транспортных кораблей «Союз» простоять у причала станции «Мир» полгода, как было обнаружено, что плесень поселилась даже на поверхности сверхпрочного кварцевого стекла иллюминаторов и на эмали титановой оправы.
Причем в тех местах, где колонии грибков разрослись особенно бурно, стекло оказалась как бы протравленным, потеряло свою прозрачность и стало матовым.
На самой станции «Мир» был выведен из строя один из блоков системы коммутационной связи. Под металлическим кожухом были обнаружены многочисленные колонии плесневых грибов на изоляционных трубках, контактных колодках, на армированном полиуретане. Это, в конце-концов, привело к повреждению изоляции и окислению медных проводов. О том, что колонии невидимых пришельцев уже прочно обосновались на МКС, космонавты с астронавтами могут видеть невооруженным глазом.
В некоторых модулях станции космонавты заметили белесые следы, похожие на плесень, - это бактерии начали «дегустировать» облицовку станции, кожухи аппаратуры, изоляцию проводов и т. д.
Естественно, бактерии, беспощадно портящие уникальное космическое оборудование и дорогую оптику, радости никому не доставляют. Причем если на Земле ущерб от микробиологических повреждений полимерных материалов составляет всего 2% от общего объема промышленной продукции, то в космосе проблема стоит куда более остро. Тут даже не важно, сколько процентов оборудования будет «съедено». Достаточно какому-нибудь микробу нарушить герметичность того или иного разъема или соединительного узла, нарушив целостность прокладки, и жизнь людей подвергается реальной опасности.
Причем зачастую исследователям не удается предугадать заранее, какая именно часть оборудования подвергнется интенсивной микробиологической атаке. Как показывает опыт, те бактерии, что ныне обитают на МКС, способны расщеплять самые разнообразные химические соединения. Они не ограничиваются лишь пластиками. С тем же успехом микробы поедают краску, способствуют биокоррозии металлов, формируют тромбы в гидромагистралях систем регенерации воды и т. д.
Другой важной проблемой является защита от галактического и солнечного космического излучения, которые значительно возрастут за пределами радиационных поясов. При длительных межпланетных путешествиях придется считаться с риском возникновения мутагенных процессов, а также с угрозой жизни и здоровью космонавтов. Подходами к обеспечению радиационной безопасности при этом могут быть: выбор определенных периодов солнечной активности, создание на борту космического корабля радиационного убежища и возможное использование фармакологических средств защиты.
Пилотируемый полет на Марс потребует решения ряда физиологических проблем, обусловленных длительным пребыванием в невесомости. Симптоматика и механизмы наступающих при этом изменений в организме для полетов имеющейся продолжительности исследованы достаточно детально, однако разработанные меры профилактики нуждаются в дальнейшем совершенствовании. В частности, будет уточнена возможность использования для этих целей ИСТ в случае недостаточной эффективности негравитационных средств профилактики. Вместе с тем, применение ИСТ может привести к возникновению ряда физиологических проблем, связанных с пребыванием человека во вращающейся системе: возникновение сенсорных конфликтов, затруднение в ориентации и движениях, неблагоприятное влияние на вестибулярный аппарат.
Автономность полета потребует значительно большей гарантированной надежности, как технических систем корабля, так и системы медицинского обеспечения полета.
Одним из важнейших условий в обеспечении экспедиции на Марс является также успешное решение комплекса психологических проблем, включая психологическую готовность к риску, к выполнению предельных психических и физических нагрузок и к адекватному решению нестандартных ситуаций в условиях автономной жизни. Обязательным условием для включения в состав экипажа должно быть наличие у кандидатов опыта многомесячных полетов в космос, поскольку межпланетный полет потребует мобилизации всех личностных ресурсов экипажа.
Таким образом, в ближайшие десятилетия будет реализован ряд сложных космических программ, направленных на улучшение жизни в космосе и на Земле. Станут серьезнее требования сохранения здоровья космонавтов, обеспечения эффективной профессиональной деятельности и высокой работоспособности космонавтов, обусловленные увеличением длительности космических экспедиций, объёма внекорабельной деятельности и монтажных работ, усложнением исследовательской деятельности. При осуществлении экспедиций на Луну и, особенно, на Марс, значительно возрастет риск по сравнению с пребыванием на околоземных орбитах. Поэтому многие медико-биологические проблемы будут решаться с учетом новых реалий. Приоритетное развитие "наук о жизни" позволит не только обеспечить успешное решение перспективных задач, стоящих перед космонавтикой, но и внесет неоценимый вклад в земное здравоохранение, на благо каждого человека.
Рекомендуем посмотреть лекцию "Алгоритмизация 1".
III. Заключение (подведение итогов)
Ответы на вопросы студентов.
Рекомендуемая литература:
1) Парин В. В., Душков Б. А., Космолинский Ф. П. Космическая биология и медицина Пособие для учителей. — М.: «Просвещение», 1970. — С. 220.
2) Большой энциклопедический словарь. Космическая биология. — М.: Большая Российская энциклопедия, 2001.
3) Газенко О.Г., Кальвин М. Основы космической биологии и медицины. В трёх томах, четырёх книгах М.: Наука, 1975.
