Ванны невесомости
С начала 1970-х учёные работали над созданием оптимальной модели безопорного пространства на Земле для тренировки космонавтов и исследования влияния безопорной среды на человеческий организм.
Так была создана иммерсионная ванна с технологией «сухого погружения». Очередной эксперимент сухой иммерсии стартует в Институте медико-биологических проблем (ИМБП) в сентябре 2016 года.
Статья журнала ВКС, №2 (87) октябрь 2016
Когда длительное пребывание в космосе казалось невозможным
В истории отечественной космонавтики есть и трагические страницы. Одной из них стала судьба космонавтов Андрияна Николаева и Виталия Севастьянова.
В 1970 году они первыми совершили самый длительный в то время полёт – 17 суток. И вернулись на Землю «жалкими развалинами», как выразился один из врачей Института медико‑биологических проблем.
Через три месяца после приземления у Николаева случился инфаркт, потом второй. Космонавта спасли, но всем было ясно, что о полётах в космос придётся забыть. И не только Николаеву.
И наши, и зарубежные специалисты сошлись во мнении, что невесомость губительно действует на человеческий организм. Была принята совместная с американцами декларация, и дальнейшее наращивание сроков полёта прекращено. Многие сомневались, что длительное пребывание в космосе, тем более межпланетные перелёты, вообще возможны. Помимо нарушений деятельности сердечно‑сосудистой системы медики диагностировали у космонавтов нарушения в работе вестибулярного аппарата, атрофию мышц, вымывание кальция из костной ткани. При этом никто не знал, насколько эти изменения обратимы.
Перед учёными стояла нелёгкая задача – на Земле выяснить, как невесомость влияет на человеческий организм, можно ли это скомпенсировать и каким образом. Для этих целей одних обследований пострадавших в невесомости Николаева и Севастьянова было явно недостаточно. Нужно было найти способ убрать на Земле земное притяжение.
.jpg)
Для сухого погружения был создан небольшой бассейн с поверхностью, покрытой прорезиненной тканью, которая позволяет человеческому телу свободно погружаться в воду, при этом не соприкасаясь с ней
Мокрое «погружение»
Идея использовать воду как модель, воссоздающую безопорное пространство, пришла в голову ещё Алексею Леонову.
Была построена гидролаборатория с погруженным в воду макетом орбитальной станции, где и по сей день все космонавты отрабатывают навыки выхода в открытый космос для безопасной работы за пределами космического причала.
Учёные из Института медико‑биологических проблем придумали, как с помощью воды воспроизвести влияние безопорной среды на организм. Этот эксперимент получил название «иммерсия» – от латинского «погружение».
– Сначала испытателей погружали в воду в обычных плавках, но при этом начиналась мацерация кожи – человеческое тело всё же не приспособлено к длительному нахождению в водной среде, – рассказывает заведующая лабораторией гравитационной физиологии и сенсомоторной системы Елена Томиловская. – Тогда придумали специальные костюмы, сделали надувные воротники, похожие на самолётные подушки: человек в воде, а голова снаружи. Первые иммерсии проходили 2–3 дня.
В ходе них исследовали космическую болезнь движения, сходную по проявлениям с морской болезнью, смотрели, каковы изменения обмена веществ, костной ткани. Выяснилось, что метод безопасен для здоровья, поскольку все изменения обратимы, и он вполне валидный, чтобы воспроизводить многие эффекты космических полётов.
– В иммерсии опора практически устраняется, хотя и не совсем, потому что вода давит на человека со всех сторон. Но так как воздействие равномерное, мозг воспринимает это как отсутствие опоры, – дополняет научный сотрудник лаборатории и ответственный врач иммерсионных экспериментов Илья Рукавишников.
Мокрая, или «костюмная», иммерсия была удачной моделью безопорного пространства, но всё же недостаточно удобной физиологически и технически: как справлять нужду в костюмах, проводить необходимые измерения, обследования…
И вот в начале 1970‑х сотрудники Института медико‑биологических проблем Е. Б. Шульженко и И. Ф. Виль‑Вильямс предложили блестящий выход из положения.
.jpg)
Испытатель Алексей Гарбузов в иммерсионной ванне
Близость условий водной среды к условиям невесомости была описана ещё К. Э. Циолковским в труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами»: «При купании на Земле вес нашего тела также почти парализуется противоположным действием воды. Такое отсутствие веса может уже продолжаться неопределённо долгое время, лишь бы вода была довольно тепла».
Как выйти сухим из воды
Они отказались от использования естественных водоёмов и предложили создать небольшой бассейн, покрыв его поверхность прорезиненной тканью, которая позволит человеческому телу свободно погружаться в воду, при этом не соприкасаясь с ней.
Это приспособление было придумано для оценки эффективности испытаний на центрифуге короткого радиуса (тогда был предусмотрен подобный метод профилактики негативного влияния невесомости). При вращении создавалась искусственная гравитация. Также в центрифуге можно было создавать нагрузки, которые испытывают космонавты при возвращении на Землю. То есть иммерсия имитирует полёт, а центрифуга – посадку, и учёные могут судить о том, как человек перенёс приземление.
Эксперимент Шульженко и Виль-Вильямс длился рекордные 56 суток. И стал самым длительным в истории иммерсии. Конструкция бассейна показалась удобной и вошла в обиход, получив название «иммерсионная ванна». Сначала они были несколько больше (в каждой помещалось по два
испытателя), но, как выяснилось, «ванну» для научных целей удобнее принимать в одиночку.
– Поскольку в бассейне большой объём воды, то, когда один из испытуемых много двигается, второго может укачивать. Но самое трудное – подобрать экипаж. Люди, которым предстоит семь суток лежать рядом, при том, что расстояние между ними не более чем один метр, вместе спать и заниматься гигиеническими процедурами, должны быть психологически хорошо совместимы.
Бывали такие курьёзные случаи, когда испытатели ссорились по ерунде. Например, двое испытуемых поспорили по поводу того, как делают шоколадные конфеты. Мы ходили вокруг и смеялись, а они поругались буквально насмерть и не разговаривали дня три. Один считал, что сначала делают шоколадный корпус, а потом туда впрыскивают начинку, а другой уверял, что сначала делают начинку, а потом её обливают шоколадом, – вспоминает Елена Томиловская.
Ванны сделали индивидуальными и используют в научных целях по сей день. В сентябре 2016 года стартует новый эксперимент сухой иммерсии.
.jpg)
В среднем человек делает 75 шагов в минуту, при быстрой ходьбе – 120. При этом на ступни создаётся давление около 40 килопаскалей.
Старая добрая иммерсия
Учёные утверждают: чтобы изучить механизм действия невесомости на организм, нужны годы.
Если после полёта отчётливо виден определённый эффект, необходимо знать механизм его возникновения, чтобы понять, как скомпенсировать это действие и избавиться от последствий.
– Например, космонавты после возвращения на Землю некрепко стоят на ногах. Любой человек в положении стоя немножечко колеблется, но размах колебаний после полёта всегда больше. С чем это связано? C вестибулярным аппаратом? Со слабостью мышц ног? С тем, что вены плохо возвращают кровь? До сих пор не до конца понятно, насколько мозг участвует в этих процессах.
Это мышечные изменения или рефлекторные, изменения самих волокон или в спинном мозге? Возникает тысяча вопросов. И чтобы найти ответ, надо придумать, как построить эксперимент, чтобы исключить влияние той или иной системы, определить весь путь нарушения и выяснить, в каком конкретном звене происходит изменение. Только когда мы досконально будем это знать, сможем предотвратить негативное действие тех или иных факторов, – делится особенностями исследований Елена Томиловская.
В этой лаборатории гравитационной физиологии и сенсомоторной системы Института медико-биологических проблем занимаются изменениями в двигательной и сенсорной системе, но в эксперименте сухой иммерсии всегда стремятся принять участие коллеги из других отделов, изучающих сердечно-сосудистую и пищеварительную системы, иммунитет, психологию, генетику.
.jpg)
Как появилась одежда для невесомости
Что же дают эти эксперименты на практике? Рассмотрим результаты на примере эксперимента по исследованию двигательной активности.
Жить в безопорном пространстве человеку не только непривычно, но и несвойственно. Наш организм привык «заземляться». Стоим ли мы, сидим или лежим – специальные рецепторы посылают нервной системе сигнал о наличии опоры и положении тела в пространстве относительно вектора гравитации.
Самое большое количество рецепторов опоры находится в стопе предплюсны, на пятке и большом пальце. В космическом полёте система рецепторов молчит. И мозг получает сигнал – подо мною нет опоры, значит, я падаю!
Чтобы скомпенсировать этот явный стресс для нервной системы, вначале хотели организовать искусственную опору. Но на Земле при ходьбе в мозг поступает динамическая информация, так как нагрузка на рецепторы происходит попеременно: пятка-носок одной ноги, пятка-носок другой.
Тогда учёные придумали хитрое приспособление – ботинки с «умными стельками».
– Это такие резиновые мешочки под пяткой и под носком. Они попеременно надуваются воздухом и давят на пятку, предплюсну примерно в таком темпе, какой мы набираем при ходьбе, и в том же локомоторном режиме, – рассказывает Елена Томиловская. – Сделали, стали испытывать в иммерсии. Человек лежит в ванной и «ходит» благодаря ботинку. Использовали в течение шести часов: 20 минут «ходьбы», 40 минут отдыха.
Выяснили, что прогрессирует снижение мышечной силы ног, что ботинок не даёт никакой реальной нагрузки мышцам. Он просто имитирует ходьбу, воздействуя на соответствующие рецепторы, и сообщает мозгу, что мы якобы ходим.
Так появляются и разрабатываются средства профилактики негативного воздействия невесомости. Так были созданы нагрузочный костюм «Пингвин», штаны «Чибис» и многое другое.
Благодаря дальнейшим исследованиям приспособления усовершенствуются, как в случае с ботинками «Корвет».
Полезный, но непонятный и практически волшебный эффект ботинок получил объяснение с появлением методов МРТ-исследований. Теперь учёные знают, что на стимуляцию надувными стельками рецепторов стопы реагируют те же зоны коры головного мозга, что включаются при воображаемой ходьбе. А организм воспринимает это как реальность, посылая мышцам сигнал «надо быть в тонусе!». Скоро подобные ботинки станут неотъемлемой частью обмундирования космонавтов. А первыми в них «ходили» испытатели, лёжа в иммерсионной ванне.
Набрать достаточный фактический материал в космосе очень сложно, трудоёмко, затратно и долго. Желательно, чтобы на орбите исследованиями занимался профессиональный доктор. Практически единственный такой пример в истории космонавтики – полёт Валерия Полякова, сотрудника ИМБП.
Он участвовал в уникальном марсианском эксперименте и в невесомости изучал изменения в организме, используя в качестве испытателей своих коллег-космонавтов, но больше всего экспериментов ставил на себе самом. Однако для получения статистических данных участников космического отряда всё же маловато. И сотрудники института набирают материал для исследований на Земле, погружая в ванну «невесомости» добровольцев.
Я бы в испытатели пошёл
Принять участие в иммерсии доброволец может только один раз, чтобы не было привычки, приспособления. Первые испытатели «принимали ванны» неоднократно, и было установлено, что тело помнит предыдущий опыт, с каждым разом всё легче приспосабливаясь к условиям «невесомости». В частности потому, что человек уже психологически готов к этим испытаниям.
– Мы всегда объясняем кандидатам, что они в любой момент, если почувствуют себя физически или психологически некомфортно, имеют право выйти из эксперимента. Каждый эксперимент утверждается на биоэтической комиссии, – комментирует Илья Рукавишников.
Но, поскольку главная задача всё же дойти до конца и как можно точнее описать свои ощущения, учёные предпочитают видеть в качестве испытателей коллег – те чётко эту задачу понимают.
Первые часы эксперимента любой испытатель вспоминает с удовольствием – это время полного расслабления. Часто люди на несколько часов забываются безмятежным сном. Но потом появляются и неприятные ощущения.
– Иногда испытателей приходилось эвакуировать из ванной, потому что им требовалась квалифицированная помощь. В одном случае даже госпитализировали, чтобы исключить негативные последствия, – вспоминает Илья Рукавишников.
Чаще всего первой начинает болеть спина.
В эксперименте, который стартует в сентябре этого года, исследователи уделят большое внимание этому аспекту влияния невесомости.
На предстоящую иммерсию уже заявлено около 20 экспериментов. Испытателям предстоит провести в специальных ваннах пять дней. Основные исследования:
- проведение импульса от головного мозга через спинной к рефлекторному органу (магнитная стимуляция);
- серия электромиографических исследований;
- определение скорости и точности воспроизведения движений, где будут использованы методики бесконтактной регистрации положения конечности человека в пространстве;
- оценка порога болевой чувствительности;
- исследования боли в спине;
- так называемый полевой тест, который проходят все космонавты сразу же после приземления, ещё в степях Казахстана, чтобы оценить работоспособность космонавта в период острой реадаптации.
.jpg)
Дежурный врач Дмитрий Максимов, научный сотрудник Инна Соснина, испытатели Олег Волошин и Сергей Глебов. Исследование точностных движений рук в условиях иммерсионного эксперимента на базе ФГБУ «Клиническая больница № 1» Управления делами Президента РФ
Возвращение на Землю
Самое продуктивное время для учёных – сразу после выемки испытателей из ванны, когда наступает так называемый период реадаптации, то есть обратной перестройки организма на земной лад.
В этот момент проводится большинство исследований, направленных на выявление последствий пребывания в невесомости.
Вот как описал свой выход из эксперимента сотрудник института Олег Волошин, решившийся ненадолго стать наземным космонавтом:
– Первое ощущение – очень трудно стоять! Голова гудит, словно улей, спина силится вспомнить, каково это – держаться вертикально. Такое состояние сохраняется первые полчаса, пока я неспешно собираю свои вещи в сумку. Постепенно тело вспоминает навыки прямохождения и перестаёт сопротивляться. Голова пока занимает оборонительную позицию: гул исчез, сменившись состоянием лёгкого отупения. За следующие два часа, пока меня везли в институт и я выполнял там фоновые тесты, большая часть негативных эффектов прошла. Пока приходится ходить медленно и чинно, стараясь не делать резких движений. Думаю, завтра к утру всё пройдёт. Космонавты сразу после приземления чувствуют себя примерно так же.
Следует учитывать, что перед этим посадочную капсулу ещё изрядно трясёт и швыряет. Поэтому после посадки космонавтов обычно вынимают спасательные службы и несут на руках до спецпалатки. Но по прибытии на другую планету не будет встречающих. А значит, космонавтам придётся не только самим выходить из люка, но и приниматься за тяжёлую работу (например, работать в скафандре на поверхности). И тут-то начинаешь понимать, насколько это будет непросто!
Фотографии предоставлены Институтом медико-биологических проблем
4027 
