55 лет назад Юрий Гагарин, первый землянин, взлетевший на орбиту своей планеты, доказал, что в космосе можно жить. С тех пор человечество и учится жить в безвоздушном пространстве — оказалось, это намного сложнее, чем до него долететь. Напомним: конструктор Сергей Королев планировал полет к Марсу еще в начале 1960-х, но вопрос о том, по силам ли человеку шагнуть так далеко после своего первого взлета, открыт и в начале XXI века. Хватило ли нам полвека, чтобы научиться жить без опоры под ногами и без крыши над головой? Выдержат ли далекие звездные путешествия наш организм и наша техника? «Огонек» попытался найти ответы на эти вопросы.
Фото: NASA/ZUMAPRESS/ТАСС
Фото: ИМБП РАН
Фото: ИМБП РАН
Пробежать километр за 3 минуты 35 секунд, 14 раз подтянуться, прыгнуть в длину на 2 метра 30 сантиметров, уметь долгое время находиться в одиночестве в замкнутом помещении — это лишь часть требований, которые предъявляет сегодня к космонавтам Роскосмос. С тех пор как в 2012 году в России был впервые объявлен открытый набор в отряд космонавтов (подать заявку может любой), поток желающих не иссякает.
— Пишут, отправьте меня, пожалуйста, хоть на Луну, хоть на Марс, у меня суперорганизм! — рассказывает «Огоньку» и.о. заместителя директора, заведующий лабораторией разработки и реализации медико-биологических программ Института медико-биологических проблем РАН (ИМБП РАН) Георгий Самарин, который за более чем 40 лет работы в космонавтике многое повидал.— Конечно, любого человека отправить в космос нельзя, несмотря на то, что сегодня требования к здоровью космонавтов несколько снизились. Можно, например, лететь к звездам в очках, или пережить до полета небольшую хирургическую операцию, полностью восстанавливающую состояние здоровья... Раньше такого нельзя было и представить!
До и после полета
Отчасти эти послабления связаны с тем, что на орбиту стали попадать «случайные» люди — космические туристы. Их появление — знак того, что полеты в космос со временем будут становиться явлением все более массовым и медикам придется с этим смириться. Именно из-за туристов, кстати, появились и новые правила предполетного обследования. Например, теперь кандидатам в космонавты делают МРТ мозга, а также особую спиральную томографию, чтобы определить содержание кальция в сердечной мышце, ужесточили требования и по анализам на стафилококк, ввели тест на туберкулез.
— В первые годы развития пилотируемой космонавтики вопрос о подготовке человека к полету стоял особо,— напоминает Георгий Самарин.— Правильнее говорить о медицинском отборе космонавтов. Понимаете, тогда вообще не знали, сможет ли человек жить за пределами Земли в совершенно новой для него среде. На основании проведенных полетов с животными ученые могли только предполагать, что и полет человека возможен…
В самом деле, в 1960-е требования к кандидатам в первый отряд космонавтов были весьма жесткими: летчики должны были переносить запредельные для организма перегрузки, вибрации, перепад температур. В итоге, как известно, отобрали 20 человек, каждый из которых обладал уникальными данными. С дистанции сошла только пара человек, один из них, космонавт Валентин Бондаренко, за 19 дней до старта погиб во время эксперимента «испытание тишиной».
Этот эксперимент представляет собой «заточение» на 10 суток в одиночестве в сурдобарокамере. Бондаренко в последний день перед выходом протер кожу ватой, смоченной в спирте, и случайно кинул ее на раскаленную спираль электроплитки, после чего кислород в барокамере мгновенно вспыхнул…
А перед самим стартом, как известно, размышляя, кому отдать предпочтение — Гагарину или Титову, главный советский конструктор и основоположник практической космонавтики Сергей Королев писал в дневнике, что сложно выбрать, потому что ты отправляешь человека либо на гибель, либо к славе на все времена. Тот факт, что выбрали Гагарина, каждый до сих пор объясняет по-своему.
— Николай Гуровский, организатор первого набора космонавтов, рассказывал, что Юрий Алексеевич был самым контактным из всех членов отряда, как говорится, душа коллектива,— подчеркивает Георгий Самарин.— К тому же Гагарин был из простой крестьянской семьи, так сказать, тип настоящего советского человека. В чем-то это решение было политическим.
Одно из существенных опасений медиков, связанное с воздействием невесомости, касалось нервной системы летчика. Предполагалось, что отсутствие гравитации способно вызвать помутнение рассудка и непредсказуемую реакцию психики. Поэтому на корабле «Восток-1», на котором летел Гагарин, чтобы перейти на ручное управление, космонавт должен был ввести особый код — так он подтверждал свою адекватность.
Но если с сохранностью рассудка на орбите «Востока-1» все оказалось благополучно, то довольно скоро стало ясно другое: длительное отсутствие гравитации негативно сказывается почти на всех жизненно важных системах человека. Под ударом оказались опорно-двигательная система, иммунная, сердечно-сосудистая, страдали зрение и слух. Мало того, в прошлом веке не знали, что без гравитации, без опоры под ногами у человека деградируют не только мышцы, но и мозг — если он не получает достаточного количества сигналов от ступней, то клетки, грубо говоря, включают программу самоуничтожения. Примерно то же происходит с организмом в старости. Не так давно в медицине даже появилось целое направление, которое сравнивает воздействие на организм невесомости и процессы старения. Можно сказать, что без особой профилактики человек в долговременных полетах переживает ускоренное старение.
— Конечно, сейчас, как и 55 лет назад, у нас есть одна мечта, чтобы космонавт после длительного полета встал и пошел, как сегодня это делают пассажиры авиалайнеров,— говорит Самарин.— Пока же до этого далеко. Мы видим, что космонавтам помогают выйти из спускаемого аппарата, они уставшие, мокрые от пота, им сложно стоять, потому что из-за действия земной гравитации у них развивается так называемая статическая неустойчивость. Им помогают дойти до палатки, помогают переодеться и т.д. Между тем еще в советское время в инструкции для космонавтов было написано, что если ты садишься в нештатном районе, то должен выйти из аппарата, достать пистолет и никого не подпускать к аппарату. Сейчас инструкция осталась та же самая, но, насколько я знаю, выполнить ее удалось бы немногим, хотя прецеденты были: по окончании 6-й экспедиции МКС, спускаемый аппарат «Союз ТМА-1» в мае 2003-го приземлился в 440 километрах от расчетной точки. В итоге Николай Бударин действительно сам вышел из него и помог другим членам экипажа… Так что организмы разные, но нам-то надо, чтобы все космонавты были после посадки в нормальном состоянии. Кто их будет встречать на Марсе?
Без опоры под ногами
Количество медицинских экспериментов, проведенных в недавно завершившемся первом годовом полете на МКС космонавтами Корниенко и Келли, беспрецедентно: вместо обычных 5–6 российских экспериментов Корниенко выполнял 14 плюс еще 5 иностранных. Подобную интенсивность медики объясняют просто: сроки межпланетных полетов все ближе, а многие вопросы так и не решены. Годовой полет на МКС должен был смоделировать ситуацию посадки на Марс, поэтому сразу после того, как спускаемый аппарат с космонавтами приземлился, медики провели так называемый полевой тест — оценили способность ходить, реагировать, перешагивать через ступеньки.
Второй тест под названием «Созвездие» провели через два дня. Он моделировал ситуацию, когда астронавт прибывает на планету, а через короткий промежуток времени снова стартует. С этой целью наших космонавтов после двух дней на Земле одели в скафандры, попросил выполнить ряд работ, а затем посадили в центрифугу, имитируя нагрузку, получаемую организмом при ускорении.
— Было бы хорошо провести эксперимент по отправке космонавтов в космос через короткое время после их возвращения на Землю,— рассуждает завлабораторией разработки и реализации медико-биологических программ ИМБП РАН Георгий Самарин.— Если мы хотим всерьез осваивать другие планеты, нужно понять, как реагирует организм на частые взлеты и посадки. После этого мы сможем понять, какие факторы будут самыми негативными, и приступим к поискам того, как компенсировать их нагрузку.
Собственно, вся космическая медицина по такому алгоритму и действует: медики получали какой-то факт, моделировали космические условия на Земле, чтобы проверить их воздействие на организм, а потом придумывали, как с этим справиться. В 1970-м, например, экипаж «Союза-9» в составе Андрияна Николаева и Виталия Севастьянова чуть не погиб после 18-суточного полета: у космонавтов атрофировались мышцы, в том числе те, что обеспечивают работу легких и сердца. В итоге они не могли двигаться и еле дышали.
— В невесомости не нужно многое из того, что природа миллионами лет наработала в условиях земной гравитации,— рассказывает «Огоньку» заведующая Лабораторией гравитационно-сенсорномоторной физиологии и профилактики ИМБП РАН Инесса Козловская (одна из самых известных специалистов по подготовке к полетам в космос).— Не нужен столь мощный скелет, сильные мышцы, вернее — позно-тоническая мышечная система, которая и появилась под влиянием гравитации. Она выключается, как только вы теряете опору под ногами.
После полета Севастьянова и Николаева казалось, что мечтам о дальних полетах пришел конец. СССР и США собрали несколько научных конференций (само по себе это было в те времена чудом!) и постановили, что человек не должен находиться в космосе дольше 17 суток, так как иначе космонавты не смогут выжить в земных условиях. Медикам был дан приказ срочно разработать систему профилактических мер, которая бы укрепила все необходимые системы организма. И такую систему придумали.
— На «Салюте-1», где работали Добровольский, Пацаев, Волков, уже в 1971-м находились тренажеры. Они были разработаны в Институте авиационной и космической медицины ВВС,— рассказывает Георгий Самарин.— Одним из разработчиков был биомеханик Виктор Ильич Степанцов. Он изобрел как сами аппараты, так и систему работы на них, а позже Инесса Бенедиктовна Козловская из нашего института разработала обширную программу профилактики, которая действует и поныне с различными дополнениями и изменениями.
Советские и американские медики работали параллельно. Наши провели до сих пор не превзойденные опыты, имитирующие длительное, до года, воздействие невесомости на организм. Например, одни добровольцы год лежали на кроватях с приподнятыми ногами, другие проводили схожий опыт в условиях иммерсии (погружения) — год лежали в бассейне, накрытом специальной непромокаемой тканью (последний способ вызывает у организма ощущения, наиболее близкие к невесомости).
— Благодаря всем этим работам мы сделали целый ряд открытий,— рассказывает Инесса Козловская.— Дело в том, что с тех пор, как далекие предки человека несколько миллионов лет назад выбрались из океана на сушу, наш организм приспосабливался к жизни именно в условиях гравитации. Вот почему, попадая на длительное время в невесомость, он жестоко страдает. До космических полетов как специальная сенсорная система, связанная с гравитацией, рассматривался только вестибулярный аппарат и немножко зрение. Но, оказалось, это далеко не все. Есть вторая система, и она не менее важна для нормальной работы нашего организма,— это система опорных раздражений, сенсорная система кожи.
Таким образом, специалисты по космической медицине создали учение о второй гравитационной системе, которое стало вкладом в мировую фундаментальную науку. Сегодня они тщательно изучили проблему, включая возможность компенсации этой системы за счет других.
Волшебные ботинки
Совместный полет Корниенко и Келли должен был прояснить, чья же система профилактики работает лучше. Целый год они занимались каждый по своей программе, а ученые отслеживали параметры.
Наши ученые считают наиболее адекватным средством профилактики от невесомости бег, потому что это чисто гравитационная функция, ее в невесомости нет. При беге как раз тренируется позно-тоническая мускулатура, которая удерживает наш организм в вертикальном положении, а также сердце, мышцы и т.д. Бегают космонавты, кстати, по особой системе: чередуются периоды быстрого бега и ходьбы, при этом дорожка должна быть не бегущая, а пассивная, то есть космонавт двигает полотно ногами. Мало того, согласно научным рекомендациям, на орбите космонавт должен бежать 30 процентов своего времени. А вот у американцев основным элементом профилактики являются силовые нагрузки.
— В последнее время ученые пытаются разгадать проблему, связанную с изменениями со стороны зрительной системы,— обращает внимание Георгий Самарин.— Американские коллеги выявили нарушения у ряда астронавтов, у наших космонавтов такого нет. Мы полагаем, что это связано с разным характером профилактической нагрузки, которую получают космонавты. Будет интересно проверить нашу гипотезу.
А еще космонавты носят на орбите нагрузочные костюмы, которые имитируют притяжение, и специальные ботинки, которые создают иллюзию ходьбы. В стельку этих устройств вмонтированы электроды, которые раздражают ступню, и мозг думает, что организм идет: на МРТ видно, что работают системы, связанные с напряжением и расслаблением мышц. Похожую обувь, кстати, сегодня применяют в России в некоторых больницах для обездвиженных пациентов.
Время для поцелуев
Отдельное место в космических полетах занимает борьба с инфекциями. Микробы для космонавтов особо опасны, потому что в полете иммунная система ослабляется.
— На МКС стерильности в том смысле, в каком ее представляют обычно, нет,— уточняет Георгий Самарин.— Ее обеспечивают на стартовом комплексе: при подготовке корабля к запуску обрабатывают все доступные поверхности дезинфицирующим раствором, «продувают» системы корабля, и вместе с тем, когда он выходит на орбиту, космонавты отмечают появление пыли! Космонавты сами заносят туда свою микрофлору, она оседает на стенках обитаемых отсеков, начинает размножаться, мутировать, портить, как это было не так давно, станции, провода, стекла иллюминатора. В общем, наши «друзья»-микробы поедают все подряд — и стекло, и железо…
В 1970-е годы заместителем министра здравоохранения СССР, курировавшим космонавтику, был Аветик Бурназян. Он очень волновался, что космонавты могут подхватить какое-то инфекционное заболевание сразу по возращении на Землю, поэтому возмущался, что космонавты после приземления целуются со встречающими. Вдруг кто-то из них болен! В итоге Бурназян ввел ограничительные обсервационные режимы: космонавт уезжал на 21 день до старта и после него в резервацию на Байконур, так что теперь его никто не имел права целовать. Сейчас обсервационный период тоже есть, но он более демократичный.
— Мы видим, что у космонавтов действительно под воздействием факторов космического полета возникает иммунодепрессивное состояние,— рассказывает ведущий научный сотрудник лаборатории метаболизма и иммунитета ИМБП РАН Марина Рыкова.— Это выяснили в лаборатории иммунологии ИМБП под руководством профессора Ирины Константиновой еще в 1960–1980-х. Если речь идет о кратковременных полетах, то иммунная система по возвращении полностью восстанавливается.
Теперь ученым важно понять: а возможно ли восстановление после длительных полетов в условиях повышенного радиационного поля? Сегодня известно, что длительный космический полет негативно влияет как на врожденный, так и на приобретенный иммунитет. Причем изменения затрагивают очень глубокие механизмы — на клеточном уровне и на уровне генов, участвующих в развитии иммунных реакций. В лаборатории иммунитета ИМБП РАН установлено, что если полет длится от 4 до 14 месяцев, это может приводить к длительному напряжению, а затем к перенапряжению и истощению функциональных резервов иммунитета, поэтому у космонавтов высок риск развития заболеваний, связанных с нарушениями иммунореактивности. Путешествие на Марс займет примерно полгода, и это без учета работы на поверхности.
Алерт!
Команда «Алерт» — «Внимание, опасность!» означает, что на Солнце произошла вспышка и космонавты на МКС, защищаясь от радиации, должны срочно переместиться в каюты, которые оборудованы необходимой защитой.
— Такая команда звучит не каждый день, и в целом доза радиации, которую обычно получает экипаж, вполне сопоставима с тем, что получают операторы атомных электростанций,— говорит Георгий Самарин.— Но МКС находится на низкой орбите, то есть ее надежно защищают радиационные пояса Земли. При полете же к Марсу корабль подвергнется мощному воздействию космического излучения, что случится с экипажем и техникой, мы до сих пор достоверно не знаем. Согласно исследованиям одной из лабораторий ИМБП на обезьянах и крысах, жесткое излучение нарушает в первую очередь когнитивные функции организма, у животных страдают навыки операторской деятельности, расстраивается поведение и т.д.
Биофизики из радиационной лаборатории ОИЯИ РАН в Дубне доказали, что при жестком излучении страдает в первую очередь нервная система, но помимо нее мутации могут возникнуть в любых клетках, так как частицы разрывают двойную нить ДНК.
Сложность в том, что в космосе от излучения нельзя спрятаться за толстым слоем свинца, как это делают на Земле. Космическое излучение представляет собой тяжелые ионы высоких энергий. Попав в вещество, они буквально выбивают из него дополнительные протоны, и возникает так называемое вторичное излучение. Пока решения этой проблемы нет, есть только творческие размышления на эту тему: можно сократить действие излучения, если лететь к Марсу быстрее или изобрести лекарства, которые каким-то образом защитят клетки от повреждения.
— Специалисты ИМБП по радиационной безопасности в рамках эксперимента «Матрешка» (изучает распределение радиации внутри МКС.— «О») предложили использовать изделие «Шторка защитная»,— говорит Георгий Самарин.— Для этого космонавты складывают в накопители вокруг кают полиэтиленовые мешки, наполненные влажными салфетками и полотенцами. Считается, что вода — действенная преграда для радиации, неспроста все атомные реакторы стоят в воде. Но в невесомости воду в жидком виде использовать не получится, поэтому возможны и такие нестандартные варианты.
Самую интересную программу, связанную с медициной и Марсом, Роскосмос планирует провести в 2019–2020 годах. Тогда в космос отправится спутник «Бион -М2» — ему и предстоит дать ответ на вопрос, что же происходит с живыми организмами в условиях жесткого излучения (до сих пор все эксперименты ставили на Земле). Просторный модуль «повезет» на высокую орбиту в 500 километров гекконов, мышей, улиток, плодовых мушек и прочую живность. Еще один спутник (и тоже с живностью) планируют отправить в путешествие по большой орбите-эллипсу с отдалением от Земли в 200 тысяч километров. Считается, что после этого станет ясно, можно ли жить в дальнем космосе или нам предстоит еще поработать над своим организмом.
Вот такая, спустя 55 лет после полета Гагарина, повестка дня…