Наиболее распространенным фактором среды является естественная гравитация , действие которой проявляется во всех звеньях вселенной (от атомов до галактик), но в большей мере в мега- и макромире по следующей причине. Силы гравитации по сравнению с внутриядерными, внутриатомными и даже внутримолекулярными силами ничтожны (так, гравитационное притяжение между двумя протонами относится к электростатическим силам взаимного отталкивания как 1:10 36), в связи с чем влияние гравитационных сил на биологические объекты должно проявляться лишь на уровне структур, имеющих размеры от микронов и выше. Более мелкие же структуры (например, некоторые бактериофаги) из-за своих слишком малых размеров выходят из-под непосредственного влияния гравитационных сил и живут лишь в поле действия молекулярных электрических сил.

Величина гравитационного воздействия на живой организм напрямую зависит от его собственной массы (с увеличением массы гравитационное воздействие Земли возрастает). Вместе с тем гравитационное поле Земли является одной из немногих констант окружающей среды: с момента зарождения жизни на Земле на протяжении многих миллионов лет изменялись почти все параметры среды – температура, влажность, газовый состав атмосферы, атмосферное давление, спектр достигающих Земли электромагнитных колебаний, за исключением гравитационного воздействия Земли, зависящего от ее массы и размеров. При этом только благодаря стабильному гравитационному полю Земли, атмосфера и водные бассейны удерживаются на ней и не рассеиваются в космическое пространство, во многом предопределяя климатические условия планеты.

Гравитационное воздействие Земли (которое является частью механических условий окружающей среды ) оказывает существенное влияние на процессы развития живых организмов, индуцируя формирование антигравитационных механизмов, уравновешивающих организмы с окружающей средой. Механические условия окружающей среды , действующие на живой организм, складываются из следующих видов сил:

ü гравитационных (земного притяжения, интенсивность которого зависит от собственного веса организма), действуют одновременно на все структуры тела.

ü внутренних (внутримолекулярных и внутриатомных сил)

ü внешних (механических сил, возникающих в теле при сокращении скелетной и гладкой мускулатуры), их действие носит локальный характер, возникает в месте сокращения мышечной ткани и может проявляться в локальной деформации (изменении механического напряжения структур в ограниченных участках тела), либо изменении взаимного расположения одних частей тела относительно других , либо в сообщении телу ускорения , обуславливающему изменение кинетики движения. Действие внешних сил независимо от конечного эффекта приводит к возникновению в теле деформаций, которые могут быть преходящими (упругими, или обратимыми, в случае, если исчезают после прекращения внешней силы) или необратимыми (не исчезающими после применения внешней силы и приводящими к возникновению в теле различного рода травм).

Действие гравитационных сил на организм ощущается в случае затруднения его движения в гравитационном поле (при наличии опоры, силы трения) и проявляется возникновением субъективного ощущения собственного веса. Так, при контакте человека с опорой возникает внешняя сила, действующая на организм в виде реакции опоры, которая распространяется лишь на структуры организма, имеющие непосредственный контакт с опорой; все же остальные структуры продолжают перемещаться в гравитационном поле до тех пор, пока внутри самого тела не возникнут противодействия в виде упругих сил (упругих деформаций, представляющих собой изменение взаимного расположения отдельных элементов тела без нарушения целостности структур), уравновешивающих их массу. Иными словами, действие гравитационных сил на человека, касающегося какой-то опоры (будь-то поверхность земли, пола, кровати), проявляется в его некотором сжатии (под действием земного притяжения), но при этом и развитии в тканях собственного упругого сопротивления (упругих деформаций), препятствующего дальнейшему сжатию. В теле человека и животных деформации, противодействующие сжатию, вызванному земным притяжением, проявляются в виде сжатия и растяжения кожи, надкостницы, мышц, связок, костей, натяжения и смещения каркасных элементов (соединительнотканных оболочек и стромы) и паренхимы органов, перемещения жидкостей в межклеточном пространстве (межклеточных щелях, сосудах, полостях тела и органов), растяжения стенок сосудов в связи с перемещением масс крови и лимфы. В связи с существенными различиями механических свойств разных тканей, а также особенностями анатомического строения тела (предопределяющими механические связи между различными его структурами) возникающие в теле человека деформации являются неоднородными и могут проявляться в виде сжатия, растяжения, сдвига или кручения. При этом в связи с тем, что различные слои тела должны уравновешивать различные массы тела, величина упругих сил в разных слоях тела оказывается неодинаковой (деформации тем сильнее, чем больше величина действующих сил и чем слабее механические связи между структурами тела), и это обуславливает возникновение в теле сложного поля эластических сил, во многом предопределяющего субъективное восприятие веса собственного тела. Наибольшие напряжения возникают в опорно-связочном аппарате , в связи с тем, что, во-первых, через него передается действие внешних сил на организм, а, во-вторых, на него приходится основная нагрузка по уравновешиванию весомой массы органов и тканей тела. Возникновение поля эластических сил в теле человека под действием гравитационного притяжения Земли служит причиной раздражения различных механорецепторов, одни из которых реагируют только на начало процесса упругой деформации тканей, тогда как другие сохраняют свою активность на протяжении всего периода существования поля эластических сил, обуславливая постоянное ощущение человеком собственного веса.

Характер поля эластических сил и выраженность деформаций в теле под действием гравитации не являются постоянными и зависят от положения тела относительно вектора гравитационного поля, площади и области тела, через которую передается реакция опоры , а также от характера движений человека. Так, при вертикальном положении человека кости его нижних конечностей, таза и позвоночника испытывают деформацию сжатия, тогда как в костях верхних конечностей, закрепленных в плечевом поясе, напротив, возникают деформации растяжения. В случае, когда человек сидит , не касаясь опоры ногами , местом приложения внешних сил опоры является поверхность бедер и ягодиц, в которых возникает сжатие, тогда как в голени, наоборот, рястяжение.

Ощущение собственного веса исчезает лишь тогда, когда на тело не действуют никакие внешние силы и соответственно существующие между его структурами механические связи не испытывают никаких напряжений (состояние невесомости ). Подобное состояние возникает в начальный период свободного падения (когда сопротивление воздуха еще столь незначительно, что не оказывает тормозящего действия на тело, и тело перемещается в направлении вектора гравитационного поля с ускорением в 1g) или в космосе, когда космонавты вместе с кораблем находятся в состоянии как бы непрерывного падения (т.н. динамическая невесомость). Таким образом, все случаи динамической невесомости связаны с прекращением действия на тело внешних сил опоры, в результате чего оно начинает перемещаться под действием гравитационного поля земли.

При погружении тела человека в воду поле эластических сил, обусловленное действием гравитации, ослабевает настолько, сколько весит вытесненная телом жидкость. Однако возникающее при этом субъективное ощущение потери веса связано не с прекращением действия внешних сил, обуславливающих эффект веса, а с тем, что выталкивающая сила воды, выступающая в роли внешней силы, действует на большую часть поверхности тела, а не на ограниченную область, как это имеет место когда человек стоит, сидит или лежит на мягкой кровати. Однако, подобно тому, как члены экипажа подводной лодки при погружении ее в воду не теряют своего веса, так и все органы и ткани тела при погружении человека в жидкость продолжают сохранять неизменным свой первоначальный вес, а, следовательно, и упругие напряжения, обусловленные их деформацией. Более того, в состоянии динамической невесомости наши внутренние органы также сохраняют свой вес, что имеет существенное значение в механизме нарушений координации движений тела.

В случае действия на организм человека внешних сил, вызванных ускорением, превышающим ускорение силы тяжести , выраженность деформаций и упругих напряжений, противодействующих этим силам, будет гораздо большей гравитационных деформаций, что может послужить причиной развития необратимых деформаций (травм). Таким образом, с точки зрения физических процессов, вес, перегрузка и динамическая невесомость имеют единую природу и исключительно количественные различия, определяемые величиной внешних сил, действующих на организм и соответственно степенью собственного упругого напряжения тканей. Все они отражают особенности механического состояния тела: выраженность деформаций и напряженность поля эластических сил в теле. Но при этом, если эффект веса возникает в результате механических напряжений в тканях, противодействующих гравитационным силам, то перегрузка – механических напряжений в тканях, противодействующих силам, превосходящим гравитационные. Для динамической невесомости же характерно такое состояние тела, при котором в нем отсутствуют какие-либо механические напряжения, обусловленные действием внешних сил.

Гравитационное поле Земли оказывает наиболее выраженное влияние на процессы эмбриогенеза живых существ, развитие опорно-двигательного аппарата и деятельность сердечно-сосудистой системы. В частности, еще К.Э. Циолковский выдвинул предположение, согласно которому между линейными размерами тела живых существ и величиной гравитационного поля Земли, зависящей от ее размеров, должна существовать обратная зависимость. С одной стороны, чем выше сила гравитационного притяжения, тем меньше будут размеры тела животных, что было экспериментально доказано при культивировании некоторых животных в условиях гипергравитации. С другой стороны, действие гравитационного поля должно проявляться тем сильнее, чем больше масса организмов, в связи с увеличением напряженности поля эластических сил у крупных животных. Дело в том, что с увеличением размеров тела его масса растет пропорционально кубу линейных размеров, тогда как прочность структур тела – пропорционально квадрату линейных размеров. Таким образом, механические свойства тканей уже сами по себе предопределяют конечные размеры биосистемы. Если учесть, что масса наименьшего организма (вируса) отличается от массы наиболее крупного организма (кита) на 23 порядка, то, очевидно, что и влияние сил гравитации на эти организмы должно быть различным. Именно этим, по-видимому, объясняется то, что бактерии могут переносить ускорения даже в 50 000 g, тогда как кит, будучи выброшенным волной на берег, погибает под действием собственной тяжести. Несмотря на то, что размеры организмов определяются многими факторами, тем не менее хорошо известно, что животные-гиганты обитают только в водной среде, где выталкивающая сила воды способствует снятию большей части нагрузки с опорно-двигательного аппарата. Масса даже самых крупных наземных животных – бегемотов и слонов – в десятки раз меньше массы некоторых водных животных. В условиях искусственно создаваемой гравитации, величина которой в несколько раз превышает величину естественной, масса и размеры тела мышей, крыс, хомяков, цыплят даже в процессе онтогенеза оказываются значительно меньшими, чем у животных, выращенных в нормальных условиях. Длительная гипервесомость оказывает заметное влияние на строение костно-опорного аппарата, развитие антигравитационной мускулатуры, массу и размеры большинства органов (за исключением селезенки). Переход из водной в наземную среду обитания по существу представлял собой переход в гипергравитационную среду и был сопряжен с необходимостью не только уравновешивания массы тела, но и постоянного преодоления действия гравитационных сил при локомоциях. Все это в процессе эволюции привело к значительному увеличению массы скелета, появлению хорды, заменившейся в дальнейшем в процессе эволюции позвоночным столбом, и развитию мощной антигравитационной мускулатуры. Данные эволюционной морфологии свидетельствуют о том, что относительная масса скелета у наземных животных и птиц, для которых естественной средой обитания является суша, больше таковой водных животных. Причем у наземных животных и птиц почти 50% от общей массы скелета приходится на те его отделы, которые имеют непосредственное отношение к уравновешиванию силы тяжести. Более того, направление костных трабекул в губчатом веществе большинства костей полностью совпадает с направлением действия упругих сил, вызванных гравитационным полем (расположение трабекул таково, что они всегда "работают" только на сжатие, но не на изгиб или скручивание). Установлено, что расположение даже целых групп костей подчиняется этой же закономерности. Расположение трабекул в костной ткани не является генетически обусловленным, при изменении поля упругих сил происходит перестройка трабекулярной системы (так, при оперативном удалении большеберцовой кости у щенка происходит компенсаторное действию гравитационных сил 5-6-кратное усиление роста соседней малоберцовой кости; в случае неправильно сросшихся переломов также перестраивается трабекулярная система соседних участков кости). Высокие нагрузки всегда ведут к компенсаторному росту костей (закон Вольфа). Рядом исследователей показано, что длительная гипервесомость животных сопровождается утолщением костей, разрастанием соединительной ткани, увеличением содержания коллагена в связочном аппарате (иными словами, резкое усиление напряженности поля эластических сил обуславливает изменения не только функционального, но и морфологического характера). Действие динамической невесомости, напротив, приводит к потере кальция и фосфора костной тканью, уменьшению ее прочности. Проявлением данной закономерности является некоторая редукция скелета у вторично водных млекопитающих (тюленей, дельфинов, китов), у которых выталкивающее действие воды частично компенсирует гравитационное притяжение Земли. Между тем перемещение в воде сопряжено с преодолением значительно большего сопротивления среды и требует соответственно большего развития локомоторной мускулатуры.

Вместе с тем на формирование скелета повлияли не только гравитационные силы, но и характер передвижения животных в среде обитания, предопределяющий сопротивление движению. Если первые обитатели суши использовали преимущественно ундулирующий способ передвижения, то в дальнейшем в качестве основного получил развитие рычажный способ с помощью ходных конечностей. Несмотря на то, что передвижение с помощью конечностей привело к значительному сокращению трения с почвой, благодаря чему при той же мощности локомоторного аппарата затраты энергии, связанные с передвижением тела, значительно уменьшились, тем не менее такая форма локомоций потребовала, с одной стороны, возможности динамической фиксации подвижных сочленений, а, с другой – сохранения нормального положения тела в системе пространственных координат как в состоянии покоя, так и при движениях. Все это обусловило развитие специальных мышечных групп и формирование центров автоматического поддержания тонуса мускулатуры со сложной системой статических и статокинетических рефлексов. Отмеченные изменения достигли наибольшей выраженности у человека в связи с вертикальной позой. Влияние силы тяжести при вертикальном положении человека привело к более выраженному развитию ряда структур, обеспечивающих уравновешивание массы тела, а также тканей, выполняющих роль амортизационных устройств (межпозвоночные диски, мениски), появлению изогнутости позвоночного столба, сводчатости стопы, значительному развитию тазовых костей, обеспечивающих наряду с мышцами живота уравновешивание массы органов брюшной полости. Ортостаз человека обуславливает повышенную нагрузку не только на нижние конечности, но и на осевой скелет.

Таким образом, изменение кинетики роста, размеров тела, структурной организации костной ткани под влиянием гравитационных воздействий представляет собой лишь завершающий этап целой цепи процессов, начальным звеном которых являются изменения физиолого-биохимического характера. Пусковым механизмом этих реакций являются происходящие в различных структурах тела изменения напряженности поля эластических сил.

Наряду с костной системой, большой вклад в уравновешивание механических условий окружающей среды вносит скелетная мускулатура, фило- и онтогенетическое развитие которой во многом предопределяется действием гравитационных сил и характером передвижения животных. Выход животных на сушу обусловил резкое увеличение весовой нагрузки на костно-опорный аппарат, что вызвало компенсаторное усиление мышц-разгибателей и усложнение организации деятельности всей антигравитационной мускулатуры. Если у водоплавающих животных сохранение равновесия достигается сравнительно легко даже при неустойчивом равновесии, когда центр тяжести находится выше геометрического центра тела, то у наземных организмов достижение равновесия оказалось возможным лишь при условии постоянного перераспределения тонуса антигравитационной мускулатуры, обеспечивающей уравновешивание различных областей тела.

Развитие рычажного способа передвижения и удлинение конечностей привело к перемещению центра тяжести на значительное расстояние от поверхности земли, что потребовало не только обеспечение постоянного противодействия силе тяжести, но и сохранение равновесия тела как в состоянии покоя, так и при перемещениях отдельных его частей в связи с изменением позы и локомоциями. Передвижение с помощью конечностей связано с необходимостью постоянного преодоления поля гравитационных сил, так как при такой форме движения происходит постоянное перемещение массы тела относительно направления гравитационного поля. Все это в процессе эволюции привело к значительному развитию скелетной мускулатуры, на долю которой у большинства наземных организмов приходится до 40% от массы тела. Наибольшее развитие получила экстензорная мускулатура, формирование которой начинается раньше в процессе онтогенеза, а атрофия в старости происходит позже. Причем для создания постоянного антигравитационного усилия нужна экстензорная мускулатура с преобладанием медленных фазных единиц, способных к длительному тоническому напряжению.

Влияние естественной гравитации на сердечно-сосудистую систему человека осуществляется прямым и опосредованным путем. Прямое действие гравитационных сил связано с непосредственным их влиянием на массу крови (т.е. с появлением весомой массы крови под действием силы тяжести) и проявляется в возникновении гидростатического давления. Опосредованное действие гравитации на аппарат кровообращения состоит в том, что механические условия окружающей среды создают определенный запрос на развитие и функционирование антигравитационной мускулатуры, во многом определяющей уровень энергозатрат организма, а, следовательно, и интенсивность работы сердечно-сосудистой системы, от которой зависит доставка к периферическим тканям субстратов окисления и кислорода. Уровень доставки питательных веществ и кислорода, в свою очередь, определяет не только массу циркулирующей крови, но и в определенной мере степень развития всей сердечно-сосудистой системы, в том числе и размеры сердца. Наличие такой взаимосвязи подтверждается четкой взаимозависимостью, существующей у различных представителей позвоночных, между величиной сердца и весовыми особенностями тех отделов скелета, которые обеспечивают уравновешивание силы тяжести. Так, с увеличением роста животного организма увеличиваются и размеры сердца, масса циркулирующей крови и величина артериального давления. В частности, у жирафов при росте 3,5-4 метра давление в артериях дистальных отделов конечностей составляет 350-400 мм рт.ст. Такое высокое гидростатическое давление необходимо для обеспечения достаточного для нормального кровоснабжения давления в артериях головного мозга, поскольку из-за большой удаленности головного мозга от сердца (при расстоянии по вертикали от сердца до головного мозга в 1,2-1,4 метра), величина гидростатического давления на этом участке сосудистого русла падает на 90-100 мм рт.ст. Кроме гораздо более высокого, чем у других млекопитающих, артериального давления, для жирафов характерно наличие клапанов в артериях шеи, препятствующих обратному току крови в период диастолы, который возможен из-за значительного градиента давления в данной части сосудистого русла. Наконец, у этих млекопитающих имеет место более низкое расположение сердца, благоприятствующее венозному притоку к правому предсердию, а также исключительно жесткая кожа на конечностях, практически исключающая возможность растяжения венозных сосудов и депонирования в них крови. В строении сердечно-сосудситой системы тетрапод (ленивцев, летучих мышей и некоторых других), для которых нахождение головой вниз является вполне естественным, имеется также ряд существенных особенностей, предотвращающих развитие у них нарушений мозгового кровообращения при необычном направлении действия гидростатических сил.

Вертикальная поза человека и достаточно большие конечные размеры его тела обусловили значительные эволюционные перестройки в аппарате кровообращения. Так, в связи с тем, что крупные магистральные сосуды расположены вдоль вертикальной оси тела, наибольшей величины гидростатическое давление при вертикальной позе достигает в сосудах нижних конечностей, что обеспечивает увеличение и венозного давления, а, значит, само по себе облегчает венозный возврат от нижних конечностей к сердцу (из-за повышения градиента давления между венами нижних конечностей и венами, доставляющими кровь к сердцу). В то же время при одинаковой степени повышении давления в артериях и венах емкость вен в силу большей растяжимости их стенок возрастает в несколько раз больше, чем артерий, что может способствовать возникновению некоторого венозного застоя при длительном вертикальном положении тела. Между тем, препятствуют значительному венозному застою клапаны, имеющиеся в изобилии в венах нижних конечностей, а способствует венозному оттоку из нижних конечностей сдавливающее вены сокращение окружающих их скелетных мышц конечностей, имеющее место при ходьбе, беге, любых позных движениях. В случае же прекращения мышечной активности, в особенности, сочетающейся со снижением тонуса венозных сосудов, длительный ортостаз из-за скопления крови в нижних конечностях и нарушения ее притока к правой половине сердца может послужить причиной коллапса. Резкая перемена положения тела в пространстве с горизонтального на вертикальное приводит к первоначальному уменьшению венозного возврата по сосудам нижних конечностей и венам туловища, лежащим ниже уровня сердца, что сопровождается уменьшением кровенаполнения правой половины сердца, значительным уменьшением ударного объема сердца (до 45%) и минутного объема кровотока (на 20-40%, до 1-1,5 л/мин). Компенсаторно с целью нормализации кислородного снабжения тканей возрастает артерио-венозная разность по кислороду (почти на 70% по сравнению с исходным уровнем) и запускаются рефлекторные реакции в ответ на снижение активности прессорецепторов магистральных сосудов (вследствие снижения системного артериального давления) и повышения активности хеморецепторов магистральных сосудов (пониженным рО 2 и повышенным рСО 2). Отмеченные рефлекторные реакции проявляются в активации прессорного отдела сосудодвигательного центра и симпатических центров регуляции деятельности сердца, что приводит к возникновению тахикардии (способствующей нормализации минутного объема кровотока), повышению тонуса артериол, преходящим увеличением тонуса вен, а также интенсификацией присасывающего действия грудной клетки (вследствие усиления дыхания в ответ на повышение активности хеморецепторов сосудистого русла). При этом, если сердечный компонент компенсаторных реакций начинает проявляться почти одновременно с возникновением изменений гидростатических условий, то сосудистый – достигает своего максимума лишь через 10-20 с, тогда как основную роль в компенсации гемодинамических сдвигов в данный момент времени играет сокращение мышц нижних конечностей и живота, которое может обеспечить значительное повышение давление в сосудах брюшной полости и стремление к нормализации венозного возврата крови к сердцу. Сокращение же мышц нижних конечностей (преимущественно экстензорных, т.е. антигравитационных) возникает рефлекторно с целью поддержать ортостаз.

Если в начальный период ортостаза компенсация гемодинамических сдвигов обеспечивается преимущественно рефлекторным путем, то при длительном пребывании человека в вертикальном положении уравновешивание гидростатического давления достигается благодаря дополнительному подключению гуморальных механизмов, действие которых следует рассматривать как проявление адаптационных реакций организма, направленных на изменение емкости сосудистой системы и объема циркулирующей крови до уровня, соответствующего обменным процессам организма. Сущность этих гуморальных механизмов, принимающих участие в поддержании необходимого уровня артериального давления и объема циркулирующей крови, состоит в увеличении продукции антидиуретического гормона передним гипоталамусом, альдостерона клубочковой зоной коры надпочечников (секреция их возрастает в ответ на снижение артериального давления и соответственно активности прессорецепторов магистральных сосудов, способствуют уменьшению диуреза и увеличению объема циркулирующей крови) и активации ренин-ангиотензиновой системы (выброс ренина усиливается в ответ на понижение давления в приносящих артериолах почечных клубочков, оказывает влияние как на тонус артериол, так и на объем циркулирующей крови).

НЕВЕСОМОСТЬ - отсутствие веса, т. е. силы, с к-рой тело под влиянием тяготения давит на опору и испытывает со стороны этой опоры ответное противодавление; вызывает ряд изменений в биологических объектах. Теоретически Н. может возникать при отсутствии тяготения или при отсутствии опоры. Первое условие характерно для точки пространства, где силы тяготения либо отсутствуют, либо взаимно уравновешиваются (так наз. статическая невесомость). Отсутствие опоры (второе условие) означает отсутствие внешних сил, прилагаемых к поверхности тела и способных вызвать его деформацию. При соблюдении этого условия тело свободно движется (падает) под действием гравитационных или инерционных сил и становится невесомым (динамическая невесомость). Динамическая Н. может возникать не только в условиях свободного падения, но и при движениях по более сложным траекториям, обусловленных взаимодействием гравитационных и инерционных сил. Подброшенное какой-либо силой тело невесомо на тех отрезках траектории своего полета, где оно не испытывает влияния внешних сил и движется под воздействием сил инерции или тяготения. Космический корабль вместе с расположенными в нем предметами, приобретя необходимую скорость, при определенных соотношениях между силами инерции и тяготения становится либо спутником планеты, либо удаляется от нее в космическое пространство, пребывая в обоих случаях в состоянии полной Н. Приложение внешних сил, напр, включение двигательной установки, прерывает Н., воспроизводит местные напряжения и деформации в конструкциях корабля, приводит к перемещению подвижных предметов до положения, при к-ром они обретают опору. Возникающие при контакте с опорой силы могут быть меньше или больше веса данного предмета в наземных условиях, что зависит от величины ускорения, сообщаемого космическому кораблю работающим двигателем. В зависимости от величины сил, действующих на тело в процессе движения с ускорением, пользуются понятиями «невесомость», «пониженная весомость», «сила земной гравитации», «повышенная весомость» (перегрузка К С точки зрения механики, вес, невесомость, перегрузка - это частные явления одного и того же порядка, различающиеся наличием или отсутствием внешних сил, прилагаемых к поверхности тела. В связи с этим физические и биол, проявления Н. целесообразно рассматривать в сопоставлении с проявлениями весомости. Физические свойства тел в статике и динамике, а также протекание ряда физ.-хим. процессов существенно зависят от наличия или отсутствия веса. Для Н. характерно: отсутствие напряжений и деформаций, к-рые в наземных условиях вызываются силами взаимодействия с опорой; изменение поведения жидкостей (оно определяется преимущественно силами поверхностного натяжения и сцепления); отсутствие распределения взвешенных частиц по плотности; снижение роли тепловой конвекции в механизмах теплообмена; невозможность протекания разнообразных физических и физ.-хим. процессов, осуществляемых в наземных условиях с участием веса (колебания маятника, горение и др.).

Для биол, объектов Н. представляет собой в первую очередь необычную среду обитания, хотя в повседневной жизни человек встречается с частичной Н. при качании на качелях, при прыжках, беге, спуске на лифте и т. д. Структура, функция, форма и поведение всех представителей животного и растительного мира, населяющих нашу планету, обусловлены, в частности, длительным приспособлением к весу, или гравитации. Поэтому Н. не может быть безразличной для живых организмов и должна вызывать у них возникновение ряда функциональных и структурных перестроек.

Попытки оценить влияние Н. на биол, объекты предпринимались еще К. Э. Циолковским. Успехи в развитии космической техники и наметившиеся реальные возможности осуществления полетов человека в космическое пространство привели к необходимости проведения экспериментальных исследований по проблеме Н. Моделирование нек-рых явлений, характерных для Н., достигалось погружением тела в жидкость с плотностью, равной плотности тела, или длительным пребыванием человека на постельном режиме (см. Гиподинамия , Гипокинезия). Вертикальные запуски баллистических ракет позволили на достаточно продолжительное (до 10 мин.) время воспроизводить реальное состояние Н., что дало возможность впервые провести исследование ее влияния на живые организмы (культуры тканей, растения, млекопитающие). Большой практический интерес представляет также метод воспроизведения состояния Н. с помощью самолетов - при полете по параболической кривой. Продолжительность невесомости в этом случае обычно составляет 20- 30 сек. Воздействие длительной Н. изучалось при полетах биоспутников и пилотируемых космических кораблей.

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 Н. Различают первичные и опосредованные реакции биол, объектов на невесомость. К первичным реакциям относятся снятие весовой нагрузки на опорные структуры, отсутствие гидростатического давления крови и других биол, жидкостей, изменения в деятельности афферентных систем, гл. обр. специфических гравирецепторов. 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 детренированно-сти 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). Н. способствует снижению газо энергообмен а, уменьшает требования к системе транспорта кислорода, меняет условия функционирования сердечно-сосудистой системы, вызывая ее детренированность. 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 астенизации), изменение реактивности и иммунитета, снижение устойчивости по отношению к стрессовым воздействиям, появление неврол, расстройств, изменений гормональных функций, а также морфол, и физ.-хим. показателей крови и органов кроветворения. Изменения в деятельности афферентных систем приводят к возникновению иллюзий пространственного положения тела, к вестибулярным расстройствам (см. Вестибулярный симптомокомплекс) и сопровождаются перестройкой двигательных навыков.

Т. о., физиол, последствия пребывания человека в условиях Н. чрезвычайно обширны, а многие признаки адаптационных изменений в различных системах организма проявляются совершенно отчетливо. Н. является причиной таких изменений саморегуляции целостного организма, к-рые приводят к установлению новых взаимоотношений с окружающей средой. Адаптация к Н. выражается в форме постепенно (обычно в течение 3 - 7 сут.) 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 Н., оно одновременно характеризуется еще и потенциальной недостаточностью по отношению к гравитационным и другим (стрессовым в данных условиях) воздействиям.

После возвращения на Землю эта недостаточность проявляется в ощущении излишней тяжести тела, в затруднениях по поддержанию вертикальной позы, в нарушениях координации движений, в т. ч. при ходьбе, в быстрой утомляемости. Адаптационные перестройки развиваются во времени и, судя по опыту, накопленному в длительных космических полетах (продолжительностью до полу-года), являются обратимыми, хотя теоретически нельзя исключить возникновения более глубоких изменений, могущих возникнуть при длительном пребывании живых организмов в невесомости, в т. ч. со сменой поколений. Поэтому необходимо дальнейшее проведение исследований по разработке мед. прогнозов и определению допустимых с точки зрения сохранения здоровья и работоспособности космонавтов сроков пребывания в условиях Н. Большое значение имеет также установление взаимосвязи между характером и степенью функц, перестройки организма в Н. и выраженностью реадаптационных сдвигов после возвращения на Землю.

Борьба с отрицательными последствиями длительного пребывания человека в состоянии Н. основана на совр, 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). Дополнительным средством тренировки служит постоянное ношение * космонавтами специальных костюмов, конструкция к-рых способствует распределению нагрузки на различные мышечные группы. Для профилактики гиподинамического синдрома используют и другие тренажеры (велоэргометр, эспандеры), а также методы аутогенной тренировки (см. Психотерапия) и электростимуляции (см.). Для имитации гидростатического давления крови в условиях Н. применяется специальное устройства (вакуумная емкость), обеспечивающее декомпрессию нижней части тела. 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 функц, проба (см. Ортостатические пробы) и как тренирующее средство гл. обр. на заключительном этапе космического полета.

Из других средств профилактики отрицательного действия Н. 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, к-рый позволит получить наибольший профилактический эффект. К этому следует добавить систему врачебного контроля за состоянием космонавтов в полете и возможность досрочного прекращения полета по мед. показаниям.

Изменения в организме человека после длительного пребывания в условиях Н. 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.

Библиография: Коваленко Е. Л. Основные методы моделирования биологических эффектов невесомости, Косм, биол, и авиакосм, мед., т. И, № 4, с. 3, 1977; JI а вник ов А. А. Основы авиационной и космической медицины, М., 1975; Невесомость (медико-биологические исследования), под ред. В. В. Парина и др., М., 1974; Основы космической биологии и медицины, под ред. О. Г. Газенко и М. Кальвина, т. 2, кн. 1, с. 324, М., 1975; Пестов И. Д. Экспериментальные подходы к исследованию регуляции внутренней среды организма в состоянии невесомости, Труды Третьих чтений, посвящен. разработке науч. наследия К. Э. Циолковского, с. 48, М., 1969, библиогр.; Савин Б. М. Гипервесомость и функции центральной нервной системы, JI., 1970, библиогр.; Человек в космосе, под ред. О. Г. Газенко и X. Бюрстедта, с. 76, М., 1974.

Реакции организма на невесомость

Первые научно-теоретические разработки вопросов, связанных с оценкой возможного влияния на организм человека отсутствия силы тяжести, были проведены К. Э. Циолковским (1883, 1911, 1919). В трудах этого выдающегося ученого, признанного «отцом космонавтики», выдвигаются предположения о том, что при невесомости изменится двигательная функция, пространственная ориентировка, могут возникнуть иллюзорные ощущения положения тела, головокружения, приливы крови к голове. Длительное отсутствие тяжести, по его мнению, может постепенно привести к изменению формы живых организмов, утрате или перестройке некоторых функций и навыков. Циолковский проводил аналогии между состоянием невесомости и условиями, с которыми человек сталкивается на Земле (погружение в воду, пребывание в постели). Он указывал, в частности, что поскольку постоянное пребывание в постели может быть вредным для здоровых людей, то и в «среде без тяжести» можно ожидать развития аналогичных нарушений. И хотя автор предполагал возможность приспособления человека к этому состоянию, «на всякий случай» он предусматривал необходимость создания искусственной тяжести за счет вращения космического корабля. Трудами Циолковского, по существу, были предопределены основные направления экспериментальных исследований влияния невесомости на биологические объекты (изучение сенсорных, двигательных, вегетативных реакций), заложены отправные положения, необходимые для понимания механизмов возникновения тех или иных изменений в условиях невесомости, определен наиболее радикальный путь к предупреждению такого рода расстройств и указаны возможные способы имитации невесомости в наземных условиях.

Началом систематических экспериментальных исследований влияния невесомости на биологические объекты было осуществление у нас и в США (начиная с 1951) серии вертикальных запусков ракетных систем с подопытными животными на борту. Биологические исследования были затем продолжены с помощью искусственных спутников Земли. Результаты исследований, выполненных при суборбитальных и орбитальных полетах подопытных животных, явились той основой, на которой был сформулирован вывод о возможности осуществления космического полета человека. В порядке подготовки к этому важному и ответственному событию были проведены исследования влияния на организм человека кратковременной (до 45 с) невесомости, воспроизводимой при полетах самолета по параболической траектории. После выдающегося орбитального полета Ю. А. Гагарина 12 апреля 1961 года начался период бурного освоения человеком космического пространства. Возможности проведения медицинских и физиологических исследований влияния невесомости на организм человека существенно возросли, однако одновременно повысилось и значение прикладных медицинских задач, связанных с прогнозированием, обеспечением безопасности и эффективности еще более продолжительных перспективных полетов.

Последовательное увеличение продолжительности космических экспедиций само по себе создает достаточно хорошие предпосылки для суждения о возможности и безопасности очередных более длительных полетов. Однако этот путь, по-видимому, не может быть единственным в формировании прогноза. Для него, в частности, характерны и довольно существенные ограничения, связанные с небольшим количеством наблюдений, методов исследования, отсутствием опережающей информации, а следовательно, и наличием известного риска при планировании длительных полетов. Кроме того, в этом случае неизбежны и некоторые другие недостатки: отставание в создании защитных мероприятий, большие затраты времени, неэкономичность. Указанные ограничения удачно восполняются за счет использования чисто экспериментального подхода к изучению проблемы невесомости.

У нас в стране широко развернута экспериментальная работа с лабораторным моделированием невесомости (погружение в воду, пребывание в горизонтальном положении, ограничение подвижности). В такого рода экспериментах изучаются эффекты, обусловленные снижением величины и отсутствием колебаний гидростатического давления крови, уменьшением весовой нагрузки на опорные структуры, состоянием гиподинамии, т. е. теми факторами, значение которых в развитии нарушений, обусловленных влиянием невесомости на организм, по-видимому, является ведущим.

С помощью иммерсионной модели достаточно оперативно воспроизводятся сдвиги со стороны водно-солевого обмена, ортостатической устойчивости и физической работоспособности. Однако для решения вопроса о влиянии на организм длительной невесомости иммерсионная модель неприемлема. В значительно большей степени этим задачам отвечает состояние гиподинамии в сочетании с горизонтальным положением. Оно в достаточной мере воспроизводит первичные реакции, связанные со многими сторонами действия невесомости, и не содержит сколько-нибудь выраженных побочных эффектов, способных существенно исказить течение основного синдрома. В силу этого названная модель, очевидно, не вносит каких-либо ограничений и в сроки проведения эксперимента, кроме, естественно, тех, которые вытекают из особенностей развития воспроизводимого состояния. С экономической точки зрения путь, основанный на лабораторном моделировании невесомости, является вполне приемлемым, что, в свою очередь, создает предпосылки для проведения многочисленных и разнообразных серий экспериментов и накопления статистического материала. В широко практикуемых экспериментах на животных изучается влияние гиподинамии на клеточные, тканевые структуры, обменные процессы, системные сдвиги, на устойчивость к различным экстремальным воздействиям.

Разумеется, методы экспериментального моделирования невесомости позволяют получить далеко не полный эквивалент реального фактора. Они не воспроизводят, в частности, специфических для невесомости сенсорных реакций. Тем не менее приемлемость методов лабораторного моделирования подтверждается большим количеством сходных черт между реакциями на реальную и имитированную невесомость. Так, прогнозы, сделанные на основе экспериментов с лабораторным моделированием невесомости, в основном подтвердились результатами проведенных космических полетов, что свидетельствует о достаточной адекватности описанных моделей состоянию невесомости. Важно, что модели могут использоваться также в качестве основы при решении таких практически важных вопросов, как разработка и испытание средств профилактики неблагоприятного влияния невесомости на организм человека.

Таким образом, сложная проблема изучения невесомости как экстремального фактора, реально невоспроизводимого в наземных условиях, основывается на синтезе прямых, т. е. получаемых при космических полетах человека, и косвенных экспериментальных данных. Такого рода синтез представляет собой наиболее плодотворный путь, способный обеспечить прогресс в деле успешного освоения человеком космического пространства.

Механизмы адаптации к невесомости. В настоящее время накоплен обширный экспериментальный материал, характеризующий многообразные реакции организма человека на невесомость и ее лабораторные модели. Существует и целый ряд концепций относительно вероятных механизмов формирования этих реакций. Наиболее распространенные из них связывают возникновение всей совокупности изменений со стороны организма с отсутствием весовой нагрузки на костно-мышечную систему, а также с первичным влиянием невесомости на функцию афферентных систем и распределение жидкой среды в организме.

Переход к состоянию невесомости, по существу, означает функциональную деафферентацию обширных рецепторных полей, которые в наземных условиях реагируют на гравитационные силы и в значительной мере обеспечивают функцию пространственного анализа, пространственной координации движений, а также регуляцию постоянства внутренней среды организма. К числу этих рецепторных полей в первую очередь относятся:

– отолитовая часть вестибулярного аппарата, которая является специфическим гравирецептором и обеспечивает восприятие гравитационной вертикали;

– проприоцептивный аппарат опорно-двигательной системы. Значение баро-, механо– и волюморецепторов сосудистого русла и внутренних полостей, заполненных подвижными органами, в создании специфического для действия силы тяжести комплекса ощущений еще недостаточно изучено. Однако нельзя сомневаться в участии этих видов рецепции в общей реакции на невесомость и формировании тех новых взаимоотношений, которые устанавливаются между афферентными системами в этом состоянии.

Изменения в деятельности афферентных систем состоят в возникновении специфических субъективных ощущений («легкости тела», падения, подъема, переворота, вращения), которые характеризуются различной выраженностью, длительностью и приобретают разнообразную эмоциональную окраску (страх, радость) в зависимости от индивидуальных особенностей, опыта и тренированности испытуемого. Основное содержание этих ощущений состоит в утрате представлений о направлении гравитационной вертикали и пространственном положении тела, в особенности при отсутствии зрительного и тактильного контроля. Хотя зрительный анализатор в безопорном состоянии остается единственным информационным каналом, обеспечивающим пространственную ориентировку, он также может оказаться, особенно в первоначальный период пребывания в невесомости, источником возникновения иллюзорных ощущений пространственного расположения окружающих предметов, что выражается в кажущемся смещении рассматриваемых объектов и «промахивании» при попытках их достижения.

Изменение взаимоотношений в деятельности афферентных систем в состоянии невесомости рассматривается также в качестве одной из возможных причин возникновения симптомов, характерных для болезни движения или укачивания.

Существует, в частности, мнение, что длительное постоянное возбуждение отолитовых рецепторов вестибулярного аппарата подавляет реакции с полукружных каналов. С этой точки зрения функциональная деафферентация отолитового прибора должна способствовать растормаживанию рефлексов с полукружных каналов и повышать их чувствительность к воздействию угловых ускорений.

К объяснению вегетативных проявлений вестибулярного происхождения может быть привлечен также закон Вебера – Фехнера. Поскольку постоянно действующая величина адекватного раздражителя вестибулярного аппарата при переходе к невесомости уменьшается, его чувствительность к ускорениям в этом состоянии в соответствии с законом Вебера – Фехнера должна быть выше, чем в наземных условиях. Действительно, резкие движения головой и туловищем в начале полета вызывали у некоторых космонавтов головокружение и другие сенсорные реакции, которые на Земле обычно проявлялись при более сильном воздействии, например при вращении на кресле Барани. Впрочем, возникновение тошноты и рвоты, характерных для болезни движения, может в состоянии невесомости определяться не только характером вестибулярной афферентации. Существует предположение, что необычное распределение газов и жидкостей в различных областях пищеварительного тракта в невесомости может провоцировать тошноту. В экспериментах на делабиринтированных собаках показано, что возбудимость рвотного центра при действии угловых ускорений может повышаться и за счет интероцептивной афферентации, исходящей от органов брюшной полости. Была также выдвинута гипотеза об участии гемодинамического механизма, связанного с увеличением кровенаполнения черепно-мозговых сосудов, в генезе вестибуловегетативных расстройств.

Со стороны соматического компонента вестибулярной реакции (нистагм) и порогов чувствительности вестибулярного аппарата к неадекватным раздражениям (к постоянному току) в условиях длительной невесомости не было выявлено существенных отличий от данных предполетного периода. Вместе с тем при кратковременной невесомости на самолете нистагм в ответ на вращательную пробу и электростимуляцию подавлялся. На основании этих фактов исследователи рассматривают невесомость как своеобразный «минус-раздражитель» отолитового аппарата. Отсутствие калорического нистагма в невесомости имеет иную причину и связано с тем, что конвекция любых жидкостей, в том числе и эндолимфы, в этом состоянии физически невозможна.

Полеты на орбитальных станциях, проведенные в последние годы, показали, что по мере адаптации к невесомости нарушения, связанные с действием ускорений, возникающих при перемещении космонавтов в кабине и при исследованиях на вращающемся кресле, полностью исчезают. С другой стороны, появились сообщения о возникновении вестибулярных расстройств после завершения длительных космических полетов, в то время как изменения со стороны пороговой чувствительности отолитового аппарата к линейным ускорениям отсутствовали. Таким образом, продолжение исследований по оценке вестибулярной функции в космическом полете остается актуальной задачей, в особенности применительно к разработке систем искусственной весомости.

Одним из проявлений уравновешивания организма с внешней средой в состоянии невесомости может быть изменение функционального состояния рецепторных образований. Нейрофизиологическая основа этого процесса может состоять в развитии адаптации рецепторов или изменении их «настройки» в результате центробежных влияний. Если допустить, что длительное отсутствие гравитационных стимулов также сопровождается изменением чувствительности соответствующих рецепторных образований, то возникает вопрос: в какой мере обратимы эти изменения? Стойкие изменения функционального состояния рецепторов способны неблагоприятно отразиться на переносимости стрессовых воздействий, характерных для космического полета, и на течении послеполетного периода.

Анализ особенностей процесса реадаптации у космонавтов, а также наблюдения, проведенные при длительной гиподинамии, свидетельствуют об изменениях со стороны общей реактивности, регуляции вегетативных и двигательных функций. Происхождение упомянутых сдвигов трудно связать исключительно с изменениями рецепторного, афферентного звена рефлекторной дуги, но в принципе такая связь возможна.

Несовершенством обратной афферентации можно объяснить нарушения координации движений в статике и динамике после окончания космических полетов.

С изменением функционального состояния рецепторов можно связать и некоторые особенности регуляции водного обмена у космонавтов в полете и послеполетном периоде.

На функциональное состояние организма в длительном космическом полете немаловажное влияние может оказать также уменьшение потока внешних раздражений, связанное с отсутствием гравитационных стимулов и с однообразными условиями обитания в замкнутом пространстве кабины космического корабля, недостатком привычных колебаний параметров внешней среды и т. д. Хотя опыт проведенных космических полетов не выявил отчетливых ограничений, вытекающих из этого фактора, при дальнейшем увеличении продолжительности он может привести к изменениям общего психического тонуса, эмоционального настроя, самочувствия и работоспособности космонавтов. Так, в исследованиях с длительной гиподинамией, при которых однообразие внешней обстановки, пребывание в вынужденной позе, существенное изменение стереотипа повседневной деятельности также являлись причиной обеднения афферентного фона, довольно часто отмечается возникновение неустойчивого настроения испытуемых, раздражительности, навязчивых идей, конфликтных ситуаций, а в отдельных случаях и психических расстройств. Естественно, в генезе этих реакций нельзя исключить значения типологических особенностей испытуемых и разнообразных эндогенных факторов.

Таким образом, первичное влияние невесомости на функцию афферентных систем приводит к развитию многообразных сенсорных, двигательных, вегетативных и психологических реакций, отдельные из которых способны снизить эффективную роль человека в выполнении космической программы и осложнить течение периода реадаптации. Значение изменений со стороны интероцептивной афферентной системы более подробно будет рассмотрено в связи с описанием других первичных механизмов влияния невесомости на организм.

Распределение жидкости в системе эластичных резервуаров определяется законами гидростатики. Гидростатическое давление, величина которого пропорциональна высоте столба жидкости и ее удельному весу, воздействуя на стенки резервуара, вызывает их растяжение и соответствующее перераспределение объемов жидкости вниз. Такого рода закономерность проявляется и в распределении биологических жидкостей (главным образом, крови) у человека и животных в наземных условиях. Пребывание в вертикальном положении сопровождается относительным депонированием некоторого объема крови в нижней половине тела, снижением венозного возврата к сердцу, систолического выброса и комплексом соответствующих компенсаторных реакций.

Ходьба, бег, прыжки, изменения положения тела в пространстве меняют величину и направление гравитационных смещений крови у человека, благодаря чему организм находится в состоянии постоянной готовности к включению компенсаторных реакций, связанных с действием гидростатического фактора. Постоянное пребывание в горизонтальном положении уменьшает величину и изменяет направление гидростатических сил, а погружение в воду способствует их нейтрализации. Поскольку вода через мягкие ткани оказывает эквивалентное противодавление на сосудистые стенки, депонирования крови в нижней половине тела даже при вертикальной позе не происходит. В состоянии невесомости действие гидростатического давления снимается полностью.

Результатом всех этих процессов оказывается перемещение некоторого объема крови из нижней половины тела в верхнюю. Существует мнение, что перераспределение жидкой среды в организме является наиболее важной биологической реакцией на гравитацию. Многие космонавты испытывали в состоянии невесомости ощущение прилива крови к голове. Оно уменьшалось при «закрутке» корабля, если космонавт располагался вдоль радиуса вращения и головой по направлению к его центру. Гиперемия кожных покровов лица, развитие отечности носоглотки и тканей лица в условиях невесомости также могут быть поставлены в связь с перераспределением крови. Электроплетизмографические исследования, проведенные при кратковременной невесомости на самолете, выявили увеличение кровенаполнения сосудов органов грудной клетки. В полете экипажей на орбитальных станциях обнаружено повышение давления в системе яремных вен, а также развитие венозного застоя в бассейне черепно-мозговых сосудов.

Объективные признаки перераспределения крови регистрируются и в экспериментах с имитацией невесомости. Например, при длительном пребывании на постельном режиме выявлена застойная дилятация сосудов глазного дна.

Относительное возрастание центрального объема крови при снижении гидростатического давления составляет у человека, по данным Д. Гауэра и соавторов, приблизительно 400 см 2 . Оно является пусковым механизмом рефлекса, приводящего к изменениям водно-солевого обмена, потере плазмы и уменьшению общего объема циркулирующей крови до величины, при которой заполнение кровью центральных вен возвращается к гомеостатической норме. Рецепторная зона этого рефлекса локализована преимущественно в области левого предсердия. Д. Гауэр и В. Генри установили, что дыхание под отрицательным давлением и раздувание левого предсердия за счет сужения просвета митрального клапана резиновым баллоном увеличивают диурез у собак с 5 мл за 10 мин в норме до 13–21 мл за 10 мин. Импульсация от обнаруженных ими волюморецепторов левого предсердия поступает по вагусу в продолговатый мозг, а затем в супраоптическую область гипоталамуса, затем в нейрогипофиз, где осуществляется секреция антидиуретического гормона. Последний накапливается в нейрогипофизе и при поступлении в кровь, помимо антидиуретического, оказывает вазопрессорное действие, поэтому его называют также вазопрессином. Растяжение левого предсердия при увеличении венозного притока к сердцу тормозит секрецию антидиуретического гормона, что ведет к уменьшению реабсорбции воды и натрия в почках, возрастанию диуреза и потере плазмы. Большое значение в регуляции водно-солевого равновесия придается также механизму осморецепции и выработке в коре надпочечников альдостерона, который усиливает реабсорбцию натрия. Регуляция секреции альдостерона осуществляется, в частности, при участии рецепторов правого предсердия. Вместе с тем в конкуренции объемного и осмотического механизмов регуляции массы циркулирующей крови первому придается более важное значение, поскольку при нарушении постоянства ее объема осмотический механизм может уже не проявлять себя. Гормональные изменения, отмеченные в многосуточном космическом полете, включали в себя уменьшение концентрации в моче антидиуретического гормона, возрастание активности ренина в плазме крови и концентрации альдостерона в моче.

В экспериментах с лабораторной имитацией невесомости потеря плазмы составляла от 300 до 800 мл. При проведении орбитальных полетов у космонавтов также обнаруживалось снижение объема циркулирующей плазмы на 100–500 мл.

Одновременно с полиурией, обусловленной возрастанием центрального объема крови, судя по опыту лабораторных исследований и космических полетов, уменьшается жажда и устанавливается отрицательный водный баланс. Процессы перестройки водно-солевого обмена и развитие относительной дегидратации протекают довольно быстро, преимущественно в течение первых двух суток воздействия, а затем водный обмен устанавливается на новом, более низком балансовом уровне. Уменьшаются интенсивность диуреза, количество потребляемой жидкости, а также скорость обновления воды.

Обусловленное потерей плазмы сгущение крови сопровождается возрастанием показателей гематокрита и вязкости, хотя в дальнейшем может происходить и уменьшение массы эритроцитов. В результате соотношение форменных элементов крови и плазмы нормализуется. Снижение общей массы гемоглобина, отмеченное при послеполетном обследовании космонавтов, обусловлено подавлением эритропоэза и, как показали лабораторные исследования с имитацией невесомости, становится более выраженным, по мере того как возрастает перераспределение крови из нижней половины тела в верхнюю. В поздние сроки экспериментального моделирования невесомости намечается тенденция к восстановлению объема циркулирующей крови. Механизм этого процесса неясен, однако его можно связать с развитием вторичного альдостеронизма или с изменением других механизмов регуляции водного обмена.

Потеря жидкости служит одной из причин снижения веса тела, которое неоднократно регистрировалось в послеполетном периоде. Величина этого снижения составляла в среднем от 2 до 5 % от исходного веса тела, не зависела от продолжительности воздействия и относительно быстро компенсировалась за счет увеличенного потребления воды и пониженного диуреза. Отмечено, правда, что по мере увеличения продолжительности полетов восстановление веса происходило медленнее, что, вероятно, связано с изменением структуры потерь веса и увеличением доли тканевых потерь.

Патогенетическая связь описанных изменений водного обмена с гидростатическим фактором была подтверждена также исследованиями, проведенными на иммерсионной модели невесомости. Оказалось, что уменьшение величины компенсирующего противодавления воды на нижнюю часть тела, при котором действие гидростатического давления крови восстанавливалось, уменьшало диурез, увеличивало жажду, а тем самым эффективно предотвращало дегидратацию и снижение веса тела. Кроме того, было показано, что положение сидя или подъем головного конца кровати на 6° по отношению к горизонтали предотвращали развитие отрицательного водного баланса или потерю общей воды в организме, которые обычно возникают при имитации невесомости методом антиортостатической гиподинамии.

Одним из важных последствий изменений распределения крови при антиортостатической модели невесомости является сдвиг в сторону метаболического ацидоза в крови, оттекающей от мозга. С явлениями ацидоза связываются функциональные сдвиги со стороны вестибулярного, зрительного и вкусового анализаторов, обнаруженные в этом исследовании.

Еще одним специфическим результатом отсутствия гидростатического давления может быть возникновение изменений венозного тонуса (особенно на нижних конечностях), регуляция которого в наземных условиях в значительной мере определяется колебаниями гидростатического давления. В частности, в экспериментах с имитацией невесомости меняются упругоэластичные свойства вен, лишенных этого привычного раздражителя. Возрастает их ригидность, ухудшается растяжимость и сократимость. Эта закономерность подтверждается и результатами послеполетного обследования космонавтов, хотя во время полета при воздействии отрицательного давления обнаружено возрастание растяжимости сосудов на ногах.

Патогенез других изменений сердечно-сосудистой системы в невесомости и при ее лабораторном моделировании более сложен и не может быть в столь определенной степени поставлен в зависимость только от отсутствия гидростатического давления крови.

Теснее всего, хотя и не полностью, связано с этим механизмом ухудшение постуральных реакций сердечно-сосудистой системы. Снижение ортостатической устойчивости обнаружилось уже после первых космических полетов человека. В дальнейшем это наблюдение многократно подтверждалось. Ортостатические нарушения закономерно проявляются и после экспериментов с водной иммерсией и постельным режимом.

Происхождение ортостатических расстройств связывается, в частности, с явлениями дегидратации, а точнее, с уменьшением общего объема циркулирующей крови, поскольку оно усугубляет снижение венозного возврата крови к сердцу при вертикальном положении тела. Следует заметить, что дегидратация любого происхождения (кровопускание, ограниченное потребление воды, тепловой стресс) отрицательно сказывается на переносимости воздействий, связанных с перераспределением крови к ногам. Правда, не все авторы находят четкую корреляцию между степенью дегидратации или уменьшением объема циркулирующей крови, с одной стороны, и выраженностью ортостатических нарушений – с другой, так что этот механизм не является единственным в формировании ортостатической неустойчивости. Большое значение в генезе ортостатических расстройств придается также снижению мышечного тонуса, в особенности на нижних конечностях, утомлению, емкости венозного депо в нижней половине тела, проницаемости сосудистых стенок и выходу плазмы в межклеточное пространство, особенностям нервно-гуморальной регуляции функций в вертикальном положении. Установлено, что ортостатические расстройства после полета бывают более выраженными у тех космонавтов, у которых устойчивость к вертикальной позе была относительно ниже и перед полетом.

Однонаправленность сдвигов при имитации невесомости и ортостатических воздействиях создает предпосылки для суммации эффектов в период перехода к вертикальному положению после окончания гиподинамии. Быстрее исчерпываются компенсаторные возможности сердечно-сосудистой системы и наступает срыв компенсации (предколлаптоидное состояние). Дальнейшее развитие декомпенсации выражается в падении минутного объема, нарушении мозгового кровообращения и появлении обморока.

Наличие связи между изменениями, которые возникают со стороны сердечно-сосудистой системы при имитации невесомости и при ортостатических пробах, позволяет по выраженности сдвигов, зарегистрированных в покое, судить об ожидаемых изменениях ортостатической устойчивости. Еще большие возможности для такого прогнозирования открываются в случае использования функциональных проб, воспроизводящих дозированное затруднение возврату венозной крови к сердцу. Обнаружена, в частности, высокая корреляция между реакциями на ортостатическую пробу и пробу Вальсальва. Особенно информативной является проба с воздействием отрицательного давления на нижнюю половину тела, которая используется во время самого полета, а также при предполетном и послеполетном обследовании космонавтов.

Причины возникновения неустойчивости к этим нагрузкам после имитации или действия реальной невесомости состоят, таким образом, не только в развитии дегидратации, но и в изменениях функционального состояния сердечно-сосудистой системы.

Дегидратация, обусловленная отсутствием или снижением гидростатического давления крови, по-видимому, является также одной из причин ухудшения переносимости ряда других стрессовых воздействий, в частности ускорений и физических нагрузок. Во всяком случае, экспериментальное обезвоживание на величину, составлявшую более 4 % веса тела, привело к нарушениям со стороны изометрического мышечного сокращения, физической работоспособности и переносимости продольных ускорений.

Приведенные данные позволяют констатировать, что конечные эффекты, вытекающие из механизма перераспределения крови в состоянии невесомости, весьма серьезны. Понятно поэтому то большое значение, которое в настоящее время придается разработке мероприятий по профилактике изменений, связанных с отсутствием гидростатического давления крови в невесомости.

Снятие весовой нагрузки на опорно-двигательный аппарат в условиях невесомости служит причиной возникновения системных сдвигов, патофизиологической основой которых является «неупотребление» органов.

Отсутствие необходимости в активном противодействии гравитационным силам и поддержании позы, уменьшение мышечных затрат на перемещение тела и отдельных его частей в пространстве теоретически должно приводить к снижению энергообмена и уменьшению требований к системе транспорта кислорода. Недогрузка мышечной системы и опорных структур, существенная перестройка двигательной координации в безопорном состоянии, кроме этого, создают предпосылки для изменений метаболизма, нарушений нейрогуморальных механизмов регуляции соматических и вегетативных функций и развития так называемого синдрома гиподинамии.

В длительных наземных исследованиях с пребыванием испытуемых на постельном режиме и контролируемым ограничением двигательной активности, ее пространственных (гипокинезия) и силовых (гиподинамия) компонентов чаще всего наблюдается снижение основного обмена в пределах от 3–7 до 20–22 %. Единичные измерения величины газообмена и легочной вентиляции во время космических полетов не дают оснований для окончательных выводов, поскольку отмечено как увеличение, так и уменьшение потребления кислорода.

Выполнение ряда рабочих операций внутри и вне кабины космического корабля осложнено отсутствием привычной опоры и требует существенной перестройки координации движений. В результате мышечные и энергетические затраты на эти операции могут в состоянии невесомости возрасти по сравнению с наземными условиями.

Исследование энергетической стоимости локомоций, выполняемых в условиях экспериментально воспроизводимой гипогравитации, показало снижение энерготрат на выполнение одинаковых по характеру движений по мере уменьшения «веса». Энерготраты американских космонавтов при работе на поверхности Луны (1/6 G) в специальном скафандре составляли в среднем 220–300 ккал/ч, что эквивалентно ходьбе без всякого снаряжения в наземных условиях со скоростью 5 км/ч.

Снижение энергетического метаболизма является одной из причин уменьшения потребности в пище. Такие наблюдения проведены, в частности, в опытах с водной иммерсией и гиподинамией.

К числу специфических последствий гиподинамии относятся и изменения со стороны опорно-двигательного аппарата.

Деминерализация костной ткани, которая неоднократно регистрировалась в наземных исследованиях с гиподинамией и после окончания реальных космических полетов, по-видимому, является следствием снижения весовой нагрузки на скелет.

Нельзя исключить возможности изменений механической прочности скелета вследствие его декальцинации. Снижение нагрузки на опорно-двигательный аппарат уменьшает эритропоэтическую функцию костного мозга.

Недостаточная нагрузка на мышечную систему (даже при кратковременной невесомости выражается отчетливым снижением биоэлектрической активности мышц шеи, спины и бедра) приводит к уменьшению объема мышц и периметров нижних конечностей. Это явление, вероятно, связано с развитием атрофических процессов в мышцах, хотя в начальной фазе полета быстрое уменьшение периметров может зависеть и от уменьшения кровенаполнения нижних конечностей. Одновременно перестраивается белковый обмен, возникает отрицательный азотистый баланс. Уменьшается также общее содержание калия в организме, что свидетельствует о распаде мышечных белков.

Невесомость и экспериментальная гиподинамия приводят к уменьшению тонуса мускулатуры, мышечной силы, выносливости и физической работоспособности.

Уменьшение мышечного тонуса, физической напряженности и энергообмена в состоянии гиподинамии сопровождается развитием детренированности сердечно-сосудистой системы, что, в свою очередь, ухудшает переносимость различных нагрузок.

Большинство авторов констатируют замедление процесса нормализации частоты пульса после воздействия перегрузок и в первые часы пребывания в состоянии невесомости, что, по-видимому, является следствием своеобразной ориентировочной реакции на новизну обстановки и нервно-эмоциональное напряжение. Когда значение эмоционального фактора снижалось, нормализация частоты пульса протекала быстрее. Таким образом, относительная тахикардия в первые часы воздействия невесомости не является результатом ее специфического влияния на сердечно-сосудистую систему. В пределах 5-суточного срока пребывания в невесомости наиболее характерно урежение частоты пульса и увеличение его колеблемости, что связывают с относительным повышением тонуса блуждающего нерва. При более продолжительных полетах после первоначального снижения и последующей стабилизации частоты пульса намечалась тенденция к повышению этого показателя. Аналогичная зависимость проявляется и в экспериментах с имитацией невесомости. Для более продолжительных сроков гиподинамии характерно увеличение частоты пульса.

Обнаруженные в условиях длительной гиподинамии изменения частоты пульса рассматриваются многими авторами как проявление функциональной недостаточности вагуса и связанного с ней преобладания симпатических эффектов в регуляции сердечной деятельности.

Аналогичные изменения соотношений между симпатическими и парасимпатическими влияниями на сердечно-сосудистую систему обнаруживаются в реакциях артериального давления. В экспериментах с имитацией невесомости после первоначального снижения артериального давления в дальнейшем могут наблюдаться как гипотензивный, так и гипертензивный типы реакций с общей тенденцией к возрастанию артериального давления и снижению пульсового давления. В длительных полетах обнаружено повышение артериального давления, что рассматривается как результат высокого рабочего и эмоционального напряжения.

Электрокардиографические исследования, проведенные в условиях космических полетов, не выявили существенных изменений зубцов и интервалов электрокардиограммы. Ряд авторов отмечают, правда, некоторое удлинение времени предсердно-желудочковой или внутрижелудочковой проводимости и тенденцию к снижению амплитуды зубца Т, что свидетельствует об отклонениях со стороны функции проводимости и интенсивности обменных процессов в сердечной мышце в состоянии невесомости. Появление положительного феноменаХеклина, а также случаи экстрасистолии и даже бигемении, имевшие место у американских космонавтов, укладываются в картину гипокалиемии, что находит подтверждение в данных о возникновении отрицательного баланса калия во время космических полетов. В опытах с длительной гиподинамией также обнаружены позиционные сдвиги, замедление внутрисердечной проводимости и снижение амплитуды зубцов R и Т. В грудных отведениях выявляется синдром Т v-1 > Т v-6 , что связывают с увеличением венозного притока к сердцу.

Изменения фазовой структуры сердечного цикла в исследованиях с имитацией невесомости часто укладываются в симптомокомплекс, который В. Л. Карпман именует фазовым синдромом гиподинамии сердца. Отдельные сдвиги, свидетельствующие об уменьшении механической активности сердечной мышцы, выявлены и в условиях космического полета. К их числу относятся уменьшение амплитуды и продолжительности колебательных циклов сейсмокардиограммы, возрастание электромеханической задержки, механоэлектрического коэффициента и механосистолического показателя, а также увеличение периода напряжения и уменьшение периода изгнания. Вскоре после приземления у космонавтов в отдельных случаях зарегистрированы признаки ухудшения сократительной функции миокарда.

Изучение таких гемодинамических показателей, как величина систолического и минутного объемов крови, периферического сопротивления в условиях невесомости, было начато еще при полетах орбитальных станций «Салют». У космонавтов были отмечены признаки как уменьшения, так и увеличения систолического и минутного объемов. Ранее при исследованиях, проведенных во время кратковременной невесомости на самолете, было обнаружено замедление скорости кровотока. При функциональных пробах с физической нагрузкой во время полета отмечены более низкие, чем до полета, величины минутного объема крови.

В модельных экспериментах, по мнению большинства исследователей, систолический объем крови уменьшается. Периферическое сопротивление в условиях гиподинамии возрастает, но может и уменьшаться. В космических полетах сопротивление сосудов менялось в соответствии с динамикой выброса крови. Разноречивы сведения о скорости распространения пульсовой волны по аорте и артериям мышечного типа. Имеются сообщения об отсутствии закономерных изменений этого показателя, его увеличении или, наоборот, снижении. Следует отметить, что для большинства описанных изменений функционального состояния сердечно-сосудистой системы характерна фазовость, что отчасти объясняет разноречивость оценок относительно направленности некоторых сдвигов.

Основываясь на материалах, полученных в реальных космических полетах, различают последовательные фазы адаптации сердечно-сосудистой системы к невесомости. Переходные реакции, связанные с нормализацией показателей после действия перегрузок, сменяются реакциями «разгрузочного» характера и последующей стабилизацией на уровне, отражающем преобладание парасимпатических эффектов в регуляции кровообращения. Однако учитывая опыт лабораторных исследований и полетов, можно заключить, что на этом процесс адаптации не заканчивается. При длительных полетах возможно появление гиподинамически обусловленных реакций, включающих в себя преобладание симпатических эффектов, развитие фазового синдрома гиподинамии миокарда и детренированности сердечно-сосудистой системы.

Общие циркуляторные сдвиги, связанные с гиподинамией и снижением гидростатического давления крови, сопровождаются и изменениями регионарного кровообращения, в частности развитием венозного застоя. После полетов с помощью реографической методики обнаружена асимметрия тонуса мозговых артериол и вен. Нарушения мозговой гемоциркуляции рассматриваются в качестве причины ряда неврологических расстройств при длительной гиподинамии. Последние характеризуются симптомами межполушарной асимметрии и правосторонней пирамидной недостаточности. Асимметрия сухожильных рефлексов с правосторонним преобладанием выявлена и после космических полетов.

Изменяется и биоэлектрическая активность мозга, что авторы объясняют уменьшением функциональной подвижности корковых процессов и активирующего влияния ретикулярной формации. К числу других вероятных неврологических нарушений относят вегетативно-сосудистую дисфункцию, астеноневротический синдром и синдром нейромышечных нарушений.

Условия реального космического полета ограничивают возможности проведения широких исследований обмена веществ, а также крови, мочи и других биологических субстратов. Чаще всего о воздействии невесомости судят по данным послеполетных обследований, хотя трактовка зарегистрированных изменений в ряде случаев затруднена.

В длительных полетах на орбитальных станциях обнаружено снижение числа лейкоцитов и ретикулоцитов, а после приземления отмечались признаки торможения гемопоэза (уменьшение числа ретикулоцитов на 34 %, эритроцитов на 15,2 %, общей массы гемоглобина на 14–23, 6-34 %). К 7-12 суткам реадаптационного периода число ретикулоцитов возрастало почти в 3,5 раза, что сопровождалось постепенным повышением числа эритроцитов и массы гемоглобина.

Увеличение СОЭ, возникновение нейтрофильного лейкоцитоза с лимфо– и эозинопенией, которые довольно часто регистрируются у космонавтов в послеполетном периоде, можно рассматривать как проявление реадаптационного стресса. Об этом, в частности, свидетельствует увеличение концентрации кортикостероидов и катехоламинов в крови и повышение их экскреции с мочой после полета. Напротив, в состоянии невесомости и в процессе проведения модельных экспериментов обнаруживается снижение активности кортикоадреналовой системы.

Сведения о влиянии невесомости и имитирующих ее условий на свертываемость крови разноречивы.

Характер двигательной активности и питания в условиях невесомости влияет на состояние липоидного обмена, о чем можно судить по увеличению содержания в крови холестерина, лецитина и неэстерифицированных жирных кислот.

Изменения белкового обмена, обусловленные явлениями мышечной атрофии и связанные, по-видимому, со снижением ресинтеза белка и скорости включения в него аминокислот, проявлялись у космонавтов в повышении содержания мочевины в крови и в усиленном выведении креатинина с мочой. Важным проявлением изменений белкового обмена служит и снижение синтеза гемоглобина в космическом полете.

Деминерализация костной ткани сопровождается усиленной экскрецией кальция в космическом полете и опытах с имитацией невесомости.

Общая астенизация и довольно выраженные изменения метаболизма, связанные с гиподинамией, сопровождаются снижением иммунологической резистентности и повышением вероятности заболеваний в космическом полете. Увеличение микробной обсемененности кожных покровов и слизистых оболочек создает дополнительные основания для подобных опасений.

Таким образом, снятие весовой нагрузки на костно-мышечный аппарат является самостоятельным и весьма важным пусковым механизмом в развитии разнообразных нарушений, обусловленных невесомостью. Целостная картина изменений, возникающих в состоянии организма человека под влиянием невесомости или имитирующих ее действие условий, включает в себя сложный комплекс реакций со стороны сердечно-сосудистой, костно-мышечной систем, системы крови, обменных функций, механизмов нервной и гуморальной регуляции, общей реактивности и иммунитета, состояния анализаторной и высшей нервной деятельности. Поскольку упомянутые реакции являются преимущественно выражением адаптационных сдвигов, они, как правило, не накладывают сколько-нибудь существенных ограничений на общее состояние и работоспособность космонавтов в процессе самого полета. Тем не менее имеющиеся научные данные не позволяют полностью исключить возможность развития более серьезных изменений при продолжительных полетах (большей выраженности деструктивных процессов, астенизации, возникновения заболеваний, требующих специализированной медицинской помощи, понижения физической и умственной работоспособности).

В настоящее время наиболее критической формой проявления сдвигов, обусловленных влиянием невесомости на организм человека, являются нарушения, которые возникают в реадаптационном периоде. Основные из них состоят в снижении переносимости перегрузок, вертикальной позы, ухудшении физической работоспособности, координации ходьбы и других двигательных актов. Поэтому одной из важных в научно-практическом отношении задач медицинского обеспечения длительных космических полетов является разработка и внедрение системы мероприятий по профилактике расстройств, возникающих у космонавтов при возвращении на Землю.

Наиболее перспективные направления профилактических воздействий определяются механизмами формирования изменений, происходящих в невесомости. На достаточно упрощенной схеме патогенеза нарушений, обусловленных влиянием невесомости (рис. 3.4), показаны некоторые из возможных направлений и средств профилактики (звенья патогенеза и связь между ними обозначены тонкими линиями и стрелками, профилактические средства и направления их воздействия – жирными линиями и стрелками).

Наиболее естественным и практически осуществимым является применение профилактических воздействий на такие первичные, пусковые эффекты невесомости, как снятие гидростатического давления крови и весовой нагрузки на опорно-двигательный аппарат. В случае достаточно надежного блокирования этих первичных эффектов можно рассчитывать на прерывание цепи вторично обусловленных сдвигов, в том числе и тех, которые вызывают наибольшую озабоченность в реадаптационном периоде. Значительно более сложен выбор метода профилактики сдвигов, связанных с изменениями в деятельности афферентных систем. Самым радикальным решением всех проблем выглядит введение искусственной гравитации на космических кораблях, однако в настоящее время еще не накоплено достаточного количества обоснований в пользу этого решения и не проведена оценка возможных побочных эффектов длительного пребывания в постоянно вращающейся системе, чтобы оправдать необходимость в ее разработке. Тем не менее поиски оптимальных параметров системы искусственной гравитации (радиуса, угловой скорости вращения, минимально эффективной величины радиального ускорения) проводятся.

Наиболее логичный путь профилактики последствий необычного распределения крови, связанного с отсутствием гидростатического давления, состоит в искусственном воспроизведении эффекта гидростатического давления. С этой целью в экспериментах с водной иммерсией и постельным режимом были испытаны следующие средства и методы: надувные манжеты на конечностях, дыхание под избыточным давлением и воздействие отрицательного давления на нижнюю половину тела.

Изучались также эффекты, достигаемые использованием центрифуги с коротким радиусом, в которой действие продольных перегрузок имитировало гидростатическое давление, но одновременно оказывало влияние на костно-мышечную систему и гравирецепцию. К рассматриваемой группе средств относятся также воздействия, обеспечивающие инерционные смещения крови вдоль магистральных сосудов при ударных нагрузках, действующих в направлении продольной оси тела.

Рис. 3.4. Схема патогенеза нарушений, обусловленных влиянием невесомости (по: И. Д. Пестов, 1979)

Профилактические воздействия на некоторые промежуточные звенья этой патогенетической цепи могут осуществляться с помощью фармакологических и гормональных препаратов, а конечные эффекты (снижение ортостатической устойчивости после полета) – с помощью средств, оказывающих избыточное давление на нижнюю половину тела.

Таким образом, в отношении профилактики последствий гиподинамического синдрома существует вполне реальная конструктивная основа, состоящая в создании постоянной (с помощью нагрузочных костюмов) и переменной (посредством выполнения комплексов упражнений на специальных тренажерах) нагрузки на костно-мышечный аппарат, использовании фармакологических препаратов и средств неспецифической профилактики.

Разумеется, действие большинства описанных выше профилактических средств не является строго избирательным, часто распространяется на смежные звенья патогенеза и, таким образом, выходит за рамки предложенной классификации, которая подчеркивает лишь преимущественные эффекты, на которые рассчитано то или иное средство. К примеру, действие отрицательного давления на нижнюю половину тела, помимо перераспределения крови, сопровождается также осевой нагрузкой на организм, величина и точки приложения которой определяются особенностями конструкции вакуумной емкости. Кроме того, декомпрессия нижней половины тела способна воспроизводить и ощущения, характерные для действия силы тяжести. Применение вакуумной емкости при постельном режиме вызывает, в частности, ощущение пребывания в вертикальной позе. Другим примером профилактического воздействия, обладающего широким спектром и адресованного, по существу, ко всем пусковым механизмам изменений, связанных с невесомостью, служит применение бортовых центрифуг с коротким радиусом. Тем не менее на современном уровне знаний, теоретической и технической вооруженности достижение относительно гармоничного профилактического эффекта может быть обеспечено лишь комплексом профилактических воздействий, адресованных различным звеньям патогенетической цепи.

В космосе невесомость - постоянное условие жизни и деятельности. Это резко отличает космос от среды, в которой обитает человечество. На Земле человек постоянно борется с силой тяжести, поэтому утрата собственного веса для него непривычна, а опыта пребывания человека в невесомости нет.

Да, эпизодически невесомость испытать можно: например, во время полетов на самолете, когда он попадает в «воздушные ямы» или резко теряет высоту. Ощущение невесомости хорошо знают парашютисты. Невесо́мость - состояние, при котором сила взаимодействия тела с опорой отсутствует.

В условиях невесомости на борту космического аппарата многие физические процессы (конвекция, горение и т.д.) протекают иначе, чем на Земле. Отсутствие силы тяжести требует специальной конструкции таких систем как душ, туалет, системы разогрева пищи, вентиляции и т.д. Во избежание образования застойных зон, где может скапливаться углекислый газ, и для обеспечения равномерного смешивания теплого и холодного воздуха, на МКС, например, установлено большое количество вентиляторов. Прием пищи и питьё, личная гигиена, работа с оборудованием и в целом обычные бытовые действия также имеют свои особенности и требуют от космонавта выработки привычки и нужных навыков. Влияние невесомости учитывается в конструкции жидкостного ракетного двигателя, предназначенного для запуска в невесомости.

Как невесомость воздействует на человека

При переходе из условий земной гравитации к условиям невесомости у большинства космонавтов наблюдается реакция организма, называемая синдромом космической адаптации . По симптомам это состояние похоже на морскую болезнь: снижение аппетита, головокружение, головная боль, усиление слюноотделения, тошнота, иногда встречается рвота, пространственные иллюзии. Все эти эффекты обычно проходят после 3-6 суток полёта. При длительном (несколько недель и более) пребывании человека в космосе отсутствие гравитации начинает вызывать в организме определённые изменения, носящие негативный характер: быстрое атрофирование мышц – мускулатура фактически выключается из деятельности человека, в результате понижаются все физические характеристики организма; следствием резкого уменьшения активности мышечных тканей является сокращение потребления организмом кислорода; из-за возникающего избытка гемоглобина может понизиться деятельность костного мозга, синтезирующего гемоглобин; ограничение подвижности нарушает фосфорный обмен в костях, что приводит к снижению их прочности.

Человеческий организм, попав в условия невесомости, начинает перестраиваться. Человек худеет. Всё тело становится дряблым, как при долгом лежании в постели. Кости становятся хрупкими - они здесь не испытывают нагрузки. Мышцы работают мало. А от бездействия все органы слабеют. Похоже на то, как пролежавший в постели несколько месяцев человек заново учится ходить. Космонавты Николаев и Севастьянов после восемнадцати дней пребывания в невесомости вообще первое время не могли встать на ноги.

Чтобы уменьшить вредное действие невесомости, учёные придумали разные средства: они рекомендуют космонавтам побольше заниматься в космосе физкультурой, в основном с эспандерами. Создали для космонавтов особые нагрузочные костюмы «пингвин». В эти плотно облегающие костюмы вшиты резинки, стягивающие тело в клубочек. Чтобы в таком костюме держаться прямо, приходится всё время слегка напрягать мышцы. А это как раз и нужно, чтобы они не слабели.

Делают на орбитальных станциях и «бегущую дорожку». Чтобы не уплыть, космонавт пристёгивается эластичными тяжами. Они заменяют космонавту его вес, тянут за пояс и за плечи вниз к полу, прижимают к «дорожке». Она под космонавтом бежит назад. А он по ней бежит вперёд. Не все легко переносят невесомость, особенно в первый момент. Многим кажется, что их подвесили вниз головой. У некоторых наступает тошнота. Первые день – два космонавты обычно привыкают к невесомости.

Невесомость возникает при выходе космического корабля на орбиту. Но исчезновение веса нельзя путать с исчезновением гравитационного притяжения – например, на Международной космической станции (на высоте 350 км) оно только на 10% меньше, чем на Земле. Состояние невесомости на МКС возникает не из-за отсутствия гравитации, а за счёт движения по круговой орбите с первой космической скоростью, то есть космонавты как-бы постоянно «падают вперед» со скоростью 7,9 км/с.

Как тренируют космонавтов в невесомости на Земле

На Земле в экспериментальных целях можно создать кратковременное состояние невесомости (до 40 секунд) при полётах самолёта по параболической траектории. Для достижения этого эффекта самолёт должен иметь постоянное ускорение g, направленное вниз (нулевую перегрузку). Длительно такую перегрузку (до 40 секунд) можно создать, если выполнить специальную фигуру пилотажа («провал в воздухе»). Пилоты резко подают на снижение высоты, при стандартной высоте полета 11 000 метров это и дает требуемые 40 секунд «невесомости»; внутри фюзеляжа имеется камера, в которой тренируются будущие космонавты, она имеет специальное мягкое покрытие на стенах, чтобы избежать травм при наборе и сбросе высоты. Подобное невесомости чувство человек испытывает при полетах рейсами гражданской авиации при посадке. Но в целях безопасности полета и большой нагрузки на конструкцию самолета гражданская авиация сбрасывает высоту постепенно, совершая несколько протяженных спиральных витков (с высоты полета в 11 км до высоты захода на посадку порядка 1-2 км). Т.е. спуск производится в несколько заходов, во время которых пассажир только на несколько секунд ощущает, что его отрывает от кресла вверх. Состояние невесомости можно ощутить в начальный момент свободного падения тела в атмосфере, когда сопротивление воздуха ещё небольшое.

Первичными эффектами невесомости являются снятие гидростатического давления крови и тканевой жидкости, весовой нагрузки на костно-мышечный аппарат, а также отсутствие гравитационных стимулов специфических гравирецепторов афферентных систем. Реакции организма, обусловленные длительным пребыванием в невесомости, выражают, по существу, его приспособление к новым условиям внешней среды и протекают по типу «неупотребления» или «атрофии от бездействия»

Состояние невесомости в начальный период часто вызывает нарушения пространственной ориентации, иллюзорные ощущения и симптомы болезни движения (головокружение, дискомфорт в желудке, тошнота и рвота), что связывают главным образом с реакциями вестибулярного аппарата и приливом крови к голове. Наблюдаются также изменения субъективного восприятия нагрузок и некоторые другие изменения, вызываемые реакциями чувствительных органов, которые настроены на земную силу тяжести. В течение первых десяти дней пребывания в невесомости в зависимости от индивидуальной чувствительности человека, как правило, происходит адаптация к указанным проявлениям невесомости и самочувствие восстанавливается.

В условиях невесомости происходит перестройка координации движений, развивается детренированность сердечно-сосудистой системы.

Невесомость влияет на баланс жидкости в организме, обмен белков, жиров, углеводов, минеральный обмен, а также на некоторые эндокринные функции. Наблюдаются потери воды, электролитов (в частности, калия, натрия), хлоридов и другие изменения в обмене веществ.

Ослабление действия внешних сил на структуры, несущие весовую нагрузку, приводит к потере кальция и других веществ, важных для поддержания прочности костей. После длительного воздействия невесомости возможны явления легкой мышечной атрофии, некоторая слабость мускулатуры конечностей и т. д.

К числу наиболее общих проявлений неблагоприятного влияния невесомости на организм в сочетании с другими особенностями условий жизни на космическом корабле относится астенизация, отдельные признаки которой (ухудшение работоспособности, быстрая утомляемость) обнаруживаются уже в процессе самого полета. Однако наиболее заметно астенизация сказывается при возвращении на Землю. Снижение массы тела, мышечной массы, минеральной насыщенности костей, уменьшение силы, выносливости, физической работоспособности ограничивают переносимость стрессовых воздействий, характерных для этого периода перегрузок, и действия земной силы тяжести.

Нарушения двигательной функции в условиях космического полёта, по-видимому, не являются критическими, так как выработка навыков координации движений в невесомости протекает относительно успешно. Значительно более неблагоприятными представляются нарушения координации движений, которые могут развиваться в реадаптационный период в зависимости от продолжительности воздействия гиподинамии и невесомости.

Ортостатическая неустойчивость, характеризующаяся выраженным усилением физиологических изменений, появлением головокружения, слабости, тошноты, и особенно возможностью обморочного состояния при вертикальной позе, представляет весьма серьезную проблему, типичную для послеполетного периода, хотя после кратковременных полетов эти признаки были непродолжительными и легко обратимыми.

Изменения иммунологических реакций и устойчивости к инфекциям сопровождаются возрастанием восприимчивости к заболеваниям, что может привести к возникновению критической ситуации во время полета. В кратковременных полетах значительных изменений со стороны иммунологической реактивности не отмечалось.

Существует определенная вероятность того, что и некоторые другие сдвиги в функциональном состоянии организма могут влиять на продолжительность безопасного пребывания в условиях длительной невесомости. Одни из них определяются процессами перестройки механизмов нервной и гормональной регуляции вегетативных и двигательных функций, другие зависят от степени структурных изменений (например, мышечной и костной ткани), детренированности сердечно-сосудистой системы и обменных сдвигов. Разработка и внедрение системы мероприятий по профилактике этих расстройств являются одной из важных задач медицинского обеспечения длительных космических полетов.

В принципе возможны два способа профилактики влияния невесомости. Первый состоит в том, чтобы предотвратить адаптацию организма к невесомости, создавая на КА искусственную силу тяжести, эквивалентную земной; это наиболее радикальный, но сложный и дорогостоящий способ, причем исключающий прецизионные наблюдения за внешним пространством и возможности экспериментов в условиях невесомости. Второй способ допускает частичную адаптацию организма к невесомости, но вместе с тем предусматривает и принятие мер по профилактике или уменьшению неблагоприятных последствий адаптации. Профилактическое действие защитных средств рассчитано в первую очередь на поддержание достаточного уровня физической работоспособности, двигательной координации и ортостатической устойчивости (переносимости перегрузок и вертикальной позы), поскольку по современным данным изменения этих функций, возникающие в реадаптационный период, представляются наиболее критическими.

Естественным и практически осуществимым является профилактическое воздействие на такие первичные пусковые эффекты невесомости, как снятие гидростатического давления крови я весовой нагрузки на костно-мышечный аппарат, что позволяет исключить или ослабить длинную цепочку вторично обусловленных сдвигов, в том числе и вызывающих наибольшую озабоченность в реадаптационном периоде. Значительно более сложно парирование тех изменений, которые возникают в деятельности афферентных систем в невесомости. Восполнить отсутствие гравитационных стимулов для специфических гравирецепторов, не прибегая к созданию искусственной тяжести, невозможно. Профилактические и терапевтические воздействия могут быть адресованы не только к первичным, или пусковым, эффектам невесомости, но и к более низким уровням патогенетической цепи.

Профилактика реакций, связанных с отсутствием гидростатического давления крови в невесомости во время полета, может состоять, во-первых, в использовании средств и методов, искусственно воспроизводящих эффект гидростатического давления: дыхание под избыточным (выше атмосферного на 15 - 22 мм рт. ст.) давлением, воздействие отрицательным (ниже атмосферного на 25 - 70 мм рт. ст.) давлением на нижнюю половину тела и др., во-вторых, в профилактическом воздействии на некоторые промежуточные звенья патогенетической цепи с помощью фармакологических и гормональных препаратов. В послеполетный период рекомендуется ношение противоперегрузочных костюмов, обычно используемых летчиками (при давлении в камерах 35 - 50 мм рт. ст.), и установление щадящего режима с постепенным, дозированным увеличением времени пребывания в вертикальной позе.

Восполнение дефицита весовой нагрузки на костно-мышечный аппарат в условиях невесомости относится к числу весьма перспективных направлений в разработке профилактических мероприятий и обеспечивается за счет физической тренировки с использованием пружинных или резиновых эспандеров, велоэргометров, тренажеров типа «бегущей дорожки» и нагрузочных костюмов, создающих статическую нагрузку на тело и отдельные мышечные группы за счет резиновых тяг.

В системе профилактики сдвигов, преимущественно обусловленных отсутствием весовой нагрузки на опорно-двигательный аппарат, могут найти применение и другие методы воздействия, в частности, электростимуляция мышц, применение гормональных препаратов, нормализующих белковый и кальциевый обмен, а также различные способы повышения устойчивости организма к инфекциям.

В общей системе защитных мероприятий должна быть учтена также возможность повышения неспецифической сопротивляемости организма за счет снижения неблагоприятного воздействия стресс-факторов космического полета (снижение уровня шумов, оптимизация температуры, создание надлежащих гигиенических и бытовых удобств), обеспечения достаточного водопотребления, полноценного и хорошо сбалансированного питания с повышенной витаминной насыщенностью, обеспечения условий для отдыха, сна и т. д. Увеличение внутреннего объема космических кораблей и создание на них улучшенных бытовых удобств заметно способствуют смягчению неблагоприятных реакций на невесомость.

Следует отметить, что в системе мероприятий по профилактике неблагоприятного влияния на организм человека длительной невесомости самостоятельное значение принадлежит предполетному отбору и тренировке, а также восстановительной терапии, используемой в послеполетном периоде.

На современном уровне знаний достижение относительно гармоничного профилактического эффекта может быть обеспечено лишь при использовании комплекса профилактических средств, адресованных различным звеньям патогенетической цепи. Правильность такого подхода к построению системы профилактических мероприятий наглядно продемонстрировали полеты экипажей орбитальных станций «Салют» (30, 63, 96, 140, 175, 185 и 211 сут) и «Скайлэб» (28, 59 и 84 сут). Эти полеты подтвердили способность человека существовать и функционировать на современных КА при использовании соответствующих средств профилактики, однако необходимо дальнейшее исследование влияния невесомости на организм человека.

Космическое пространство не является однородной средой с постоянными (хотя бы в среднем) свойствами в каждой своей точке, поэтому конкретные условия полета КА будут зависеть от области пространства, траектории и продолжительности полета.

В общем случае полет КА будет происходить:

вне планеты, когда все необходимое для нормального существования КА и его экипажа должно находиться на его борту;

в условиях глубокого вакуума, что вызывает необходимость подбора и разработки удовлетворяющих этому условию конструкционных материалов и смазок, обеспечения герметичности отсеков КА, разработки особых средств обеспечения теплового режима КА и т. п.;

в условиях невесомости, что исключает нормальный конвективный теплообмен и гидростатическое давление жидкостей, вызывает изменение или нарушение жизненно важных функций человеческого организма;

в условиях метеорной опасности, которая требует разработки конструкции, устойчивой к воздействию метеорных частиц;

в условиях радиационной опасности, обусловленной электромагнитным и корпускулярным излучениями солнечного и галактического происхождения, в связи с чем необходимо обеспечение радиационной защиты экипажа и устойчивых к воздействию радиации материалов и аппаратуры.

Следует отметить, что при увеличении длительности космических полетов как в околоземном пространстве, так и при полетах к другим планетам роль фактора внешних физических условий существенно возрастает.

Кроме рассмотренных выше условий полета в космическом пространстве при разработке КА следует учитывать условия полета на участке выведения на орбиту в составе ракетно-космической системы, а для аппаратов, возвращаемых на Землю, - условия полета на участке спуска в атмосфере и приземления.