Выход в открытый космос. Фото: космонавт Роскосмоса Сергей Кудь-Сверчков.
Космическая медицина изучает возможности поддержания здоровья, обеспечения жизнедеятельности человека в экстремальных условиях космического пространства и потенциальные проблемы на этом пути. Согласно модели SHELL, предложенной в 1970–80-х годах Фрэнком Хокинсом и Элвином Эдвардсом, в космосе человек приспосабливается и взаимодействует со следующими факторами, влияющими в различной мере на его здоровье: фактор Software (особенности поведения на борту космического корабля), фактор Hardware (сам корабль), Environment (среда на корабле: невесомость, воздух, температура, влажность и другое), Liveware (поведение человека в космосе) и Liveware (взаимодействие с другими людьми).
Критерии отбора
Космическим полетом принято считать любой полет выше 100 км над уровнем моря. По типу полетов их принято различать следующим образом. Суборбитальные экспедиции, длящиеся несколько часов, где человек находится под воздействием гравитации несколько минут. Пребывание на малой орбите Земли (200–400 км над уровнем моря — например, МКС. И, наконец, дальние космические экспедиции (полеты на Луну, Марс и другие планеты).
В зависимости от типа полета человек будет подвергаться различным неблагоприятным для здоровья воздействиям (перегрузки, невесомость, радиация), которые могут по-разному влиять на его здоровье. Поэтому существуют строгие критерии отбора астронавтов, чтобы не допустить в космос людей с такими заболеваниями, которые могут обостриться во время экспедиции.
Основные критерии отбора в таком случае:
1) отсутствие болезней, приводящих к временной недееспособности (коронарная болезнь сердца, камни в почках, эпилепсия);
2) возможность участвовать в экспедициях разного формата (например, наличие астмы может затруднить нахождение в открытом космосе и атмосфере других планет);
3) отсутствие хронических заболеваний, которые требуют длительного приема различных медикаментов и осмотра врачей, которые, разумеется, невозможны в космосе.
Тем не менее при отборе космических туристов на суборбитальные полеты применяются менее строгие критерии. Например, в 2005 году 60-летний мужчина с легочными и сердечными нарушениями успешно перенес полет в суборбитальном пространстве. А 23-летний пациент с наследственным пороком сердца смог перенести перегрузку в 6g без особых последствий.
Подобные данные позволяют надеяться на скорое развитие массового космического туризма.
Тренировка на велоэргометре Фото Олег Кононенко. Источник: Роскосмос
Негативное воздействие
Так каким же негативным воздействиям подвержен человек в космосе?
В первую очередь это невесомость. По различным данным, от 60 до 80% космонавтов испытывают следующие симптомы, связанные с адаптацией к космическому полету: тошнота, рвота, кашель, бледность кожных покровов.
К другим важным нарушениям здоровья можно отнести отток воды из нижних конечностей в сторону головы у космонавтов в условиях невесомости. Эти нарушения приводят к отекам головы и лица и появлению «симптома куриных ног». Если не применять никаких профилактических мер, то сосуды нижних конечностей, которые детренируются в ходе полета, не смогут справляться с объемом крови, поступающим в них после приземления.
Радиация
Эксперимент VO2MAX: определение работоспособности организма при физических нагрузках в условиях микрогравитации. Источник: Роскосмос
Более длительное пребывание в космосе (самый продолжительный на сегодня достигнутый срок — 485 дней) может привести к гораздо более серьезным нарушениям здоровья. К существенным последствиям обычно приводят два фактора: радиация и длительное нахождение в состоянии невесомости.
В космосе человек подвергается огромным дозам космической радиации, что может стать причиной множества нарушений в работе организма.
На Земле от космической радиации нас защищает атмосфера, но в космосе человеческий организм подвержен прямому воздействию солнечной радиации, галактическому излучению, излучению в виде свободных протонов и электронов.
Впрочем, даже на низкоорбитальных расстояниях магнитное поле Земли надежно защищает от космической радиации. Тем не менее это магнитное поле привело к образованию радиационного пояса Ван Аллена, притягивающего и удерживающего заряженные космические частицы в нашей магнитосфере. Они напрямую воздействуют на космонавтов на орбите.
Вне атмосферы Земли космическая радиация способна разрушать ДНК, приводить к нарушениям иммунной системы и порождать онкологические заболевания. На данный момент максимальное количество радиации, которому может подвергнуться 45-летний астронавт за время своей карьеры, составляет 1500 Зивертов (космических частиц) для мужчин и 900 Зивертов для женщин. Для сравнения: средний уровень радиации на планете составляет 2,2 Зиверта; доза при рентгеноскопическом исследовании молочных желез — 0,2; при полете на самолете в течение года — 2–6; за год на космической станции — 200–300; два года миссии на Марс — 1000 Зивертов.
Космическая радиация, излучение в виде рассеянных протонов и альфа-частиц, вспышки на Солнце тоже серьезно угрожают здоровью человека. Именно потому мониторинг космического пространства и использование защитных материалов, способных поглощать радиацию, также очень важны при полетах в космос.
Атрофия мышц
Очень серьезное воздействие на опорно-двигательный аппарат космонавтов оказывает невесомость. В частности, деминерализация костей (уменьшение костной массы на 1–2% в месяц) может приводить к тяжелым травмам и образованию камней в почках. Кроме того, в отсутствие гравитации происходит атрофия мышц, прежде всего двигательного аппарата. Именно поэтому космонавты во время полета обязаны заниматься различными видами аэробных и силовых упражнений, имитирующих земные условия.
Применяют и специальные компрессионные костюмы Skin Suit, оказывающие гравитационное воздействие на органы человека, а также создание искусственной гравитации на космическом корабле с помощью его постоянного вращения или отдельной центрифуги. Тем не менее ни один из этих методов в полной мере не предотвращает существенную потерю мышечной и костной массы космонавтов после длительных экспедиций.
Елена Томиловская, заведующая отделом сенсомоторной физиологии и профилактики ИМБП РАН:
Космическая болезнь движения наблюдается только в первый, острый период полета. Безусловно, она связана с микрогравитацией. Но самые серьезные эффекты действия микрогравитации заключаются в адаптации различных систем организма к ней, это не очень быстрый процесс, но очень важный. Прежде всего микрогравитацией обеспечивается резкое снижение механической нагрузки на сегменты тела. Человеку не нужно поддерживать позу, значит, работа постуральной мускулатуры, постоянно задействованной на Земле, сводится к минимуму. В результате развивается атония и атрофия мышц. Фактически в космосе больше не нужны сильные мышцы и сильный скелет. Природа так устроена, что все ненужные функции со временем устраняются. Если не нужен сильный скелет — начинается его деминерализация. Если не нужны сильные мышцы — начинается их атрофия.
Физические тренировки являются обязательным условием космического полета длительностью более двух недель. Занятия на беговой дорожке обеспечивают нужную нагрузку сердечно-сосудистой системе и мышцам, а также, что важно, тренируют координацию движений. Они проходят в специальном костюме, который «притягивает» космонавта к дорожке и создает аксиальную нагрузку — от плеч к ногам. Резистивные (силовые) упражнения также важны для поддержания силы и выносливости мышц. Есть целый ряд средств пассивной профилактики, таких как электромиостимуляция и нагрузочный костюм «Пингвин», — они позволяют дополнить активные физические тренировки или заменить их в случае невозможности их проведения (но полностью заменить физические упражнения не могут). Плюсом пассивных средств является то, что их можно применять без отрыва от повседневной деятельности космонавтов.
Зрение
Помимо нарушений опорно-двигательной системы, от 30 до 60% астронавтов испытывают проблемы со зрением: близорукость и дальнозоркость, появление белых точек, воспаление зрительного нерва, атрофия сетчатки. Эти изменения связаны с различными факторами, в частности с избыточным оттоком / притоком жидкостей в организме в условиях невесомости, пониженным количеством углекислого газа и даже радиацией. Так, например, некоторые космонавты на МКС видят вспышки света в темноте как при открытых, так и при закрытых глазах. Это может быть связано с попаданием частиц высокой энергии на сетчатку. Установленное в наземных экспериментах воздействие на сетчатку тяжелых заряженных частиц удовлетворительно объясняет возникновение световых вспышек в глазах космонавтов.
Космонавт Роскосмоса Сергей Кудь-Сверчков выполняет периодическое взвешивание своего тела на установке «Измеритель массы». Источник: Роскосмос
Нервная система
Помимо вышеперечисленных нарушений, длительное пребывание в космосе может также приводить к нарушению функций иммунной системы (снижение уровня Б- и Т-клеток, анемия), дыхательных путей, почек (камни). Из-за сбоя естественных циклов смены дня и ночи нарушается сон, что может приводить к серьезным неврологическим последствиям в будущем.
Воздействие пребывания в космосе на нервную систему было изучено во время миссии STS-90 (Neurolab) в 1998 году, во время которой космонавты изучали воздействие невесомости на вестибулярный аппарат и причины возникновения адаптационного синдрома.
Непредвиденные случаи
Современная космическая медицина прежде всего направлена на мониторинг описанных выше симптомов в космосе и на разработку лекарств для их предотвращения на Земле. Тем не менее, помимо перечисленных факторов, непредвиденные обстоятельства и аварии на космических кораблях представляют серьезную угрозу здоровью человека. По статистике, во время 900-дневного полета на Марс на борту космического корабля может произойти минимум один непредвиденный случай, и современная космическая медицина должна быть готова к таким ситуациям. Первоочередными проблемами в этой области являются анестезия, проведение операций, сердечно-легочная реанимация, а также доставка лекарств и их хранение в космосе.
Денис Гурьев, заведующий лабораторией радиационного канцерогенеза и токсикологии ФГБУ ГНЦ ФМБЦ имени А. И. Бурназяна:
Чтобы оценивать опасность космического излучения, нужно понимать его физические аспекты. Как правило, излучение формируется солнечными протонами высоких энергий, которые имеют широкий диапазон линейной передачи энергии — количество ионизаций в ткани на единицу пробега. Так, чем медленнее движется частица, тем больше актов ионизаций она производит на единицу пробега. Чем быстрее она движется — тем меньше ионизация. Получается, что чем больше энергия частицы, тем меньший вред для здоровья она несет. Поэтому, когда мы говорим о космическом излучении, важно понимать, что оно очень разнородное по физическим характеристикам: от состава до энергий.
В космическом пространстве частицы взаимодействуют не напрямую с организмом, а с обшивкой космического корабля. Обшивка корабля многокомпозитная. Частицы высоких энергий взаимодействуют с ней, что ведет к формированию вторичного излучения. В результате может сформироваться лавина частиц, которые будут представлять опасность для организма человека, потому что энергии у них меньше, и линейная передача энергии будет увеличиваться.
Рассматриваются некоторые варианты, например, моделирование магнитной оболочки на космическом корабле. По подсчетам необходимы установки с энергией около 100 МВт. Вопрос пока не решен, так как установка должна быть компактная, но достаточно мощная: тогда частицы будут отклоняться, и радиационный эффект будет значительно снижен.
Второй аспект — использование противолучевых средств. Сейчас ведутся исследования в этом направлении, и, к сожалению, препараты-радиопротекторы, которые используются для снижения вредных последствий радиационного воздействия, как правило, обладают коротким сроком действия. Время нахождения в условиях радиационного фона при космических полетах длительное, поэтому их актуальность отпадает, и нужно использовать препараты более длительного воздействия.
По принципу действия препараты есть самые разнообразные, начиная со снижения гипоксического шока, то есть снижения уровня кислорода в клетках, так как генерируемые облучением активные формы кислорода формируют пул опасных для ДНК молекул. Другие препараты снижают концентрацию свободных радикалов в клетке. Ряд препаратов увеличивают интенсивность процессов репарации или изменяют структуру хроматина, чтобы репарация проходила более успешно.
Как лечить
Хранение лекарств в космосе представляет собой серьезную проблему из-за нестабильности и распада их некоторых составляющих. Например, учеными из Медицинского колледжа Бейлора в городе Хьюстоне, штат Техас, было показано, что активный компонент ацетаминофен, входящий в состав известного лекарства ТераФлю и таблеток парацетамола, в космосе и на Земле имеет разную стабильность. Парацетамол в ТераФлю оказался менее стабилен в космосе, что существенно снизило его срок годности. Долгое хранение парацетамола в космосе привело к накоплению вредных метаболитов, способных отрицательно влиять на здоровье человека. Поскольку при выпуске новых лекарств учитываются только условиях хранения и использования на Земле, на данный момент NASA и Бейлор проводят совместные исследования стабильности различных лекарств в космических условиях.
Космонавт Роман Романенко занятия на силовом тренажере. Источник: Роскосмос
К тому же из-за проблемы нестабильности газов в условиях невесомости и непредвиденном воздействии на сердечно-сосудистую систему при экспериментах на животных сделать им анестезию в космосе удалось только внутривенно, и то только после нескольких неудачных попыток.
Проведение хирургических операций в космосе также сопряжено с немалыми трудностями, особенно в условиях невесомости. Сейчас ведется ряд экспериментов по имитации операций в космосе в условиях гравитации (в частности, программа Baylor College of Medicine совместно с nVidia). Различные виды аппаратов для проведения срочной реанимации в космосе также существуют и адаптированы к условиям гравитации. Однако даже если реанимацию удастся осуществить, до сих пор не разработано оборудование для длительного поддержания жизни в условиях космоса до возвращения на Землю.
Все предвидеть
Наконец, серьезнейшую угрозу здоровью космонавтов представляют разгерметизация, пожар и выбросы токсических отходов во время полета. Даже если для космонавтов предусмотрены на короткое время дополнительные баллоны кислорода и фильтры смога и токсинов, эвакуация при подобных обстоятельствах может оказаться неизбежной. Такие действия должны координироваться центром управления полетов на Земле, врачами посредством телемедицины и могут помочь космонавтам и космическим туристам в непредвиденных ситуациях, угрожающих их здоровью во время полета.
