Введение. Возникновение и развитие космической биологии и медицины [1975 Парин В.В., Космолинский Ф.П., Душков Б.А.

Возникновение и развитие космической биологии и медицины

Последние годы развития науки и техники в СССР насыщены крупнейшими достижениями в области космонавтики. Регулярные запуски спутников для исследования физических свойств космического пространства, посылка автоматических станций на Луну и ближайшие планеты солнечной системы, автоматическая стыковка космических кораблей, орбитальные полеты пилотируемых кораблей и биологических спутников, выход человека в свободное пространство, стыковка управляемых космических кораблей - таков далеко не полный перечень достижений космонавтики.

Запуск в СССР первого в мире искусственного спутника Земли 4 октября 1957 г. ознаменовал начало космической эры. Проходивший в 1967 г. в Белграде Конгресс Международной астронавтической федерации официально постановил считать эту дату началом космической эры существования человечества.

Впервые идею применения ракеты для полета человека в космос высказал русский революционер Н. И. Кибальчич в 1881 г. Он предложил конструкцию двигателя с регулируемой подачей твердого топлива в камеру сгорания.

Основоположник и создатель теории ракетного полета и освоения космоса К. Э. Циолковский в 1903 г. опубликовал первый в мире научный труд по космонавтике - "Исследование мировых пространств реактивными приборами". В этой книге он сформулировал законы движения ракет и дал конструктивную схему ракеты с жидкостным реактивным двигателем, которая нашла воплощение в конструкции современных баллистических ракет.

Последователем К. Э. Циолковского и зачинателем развития ракетной техники в нашей стране был инженер Фридрих Артурович Цандер (1887-1933). Работая в ГИРДе (группа изучения реактивного движения), Ф. А. Цандер вместе с С. П. Королевым, М. К. Тихонравовым, Ю. А. Победоносцевым и другими известными учеными создал первые образцы жидкостных ракетных двигателей, работающих на бензине и жидком кислороде. В августе 1933 г. был осуществлен запуск двух первых в СССР ракет (одна имела стартовый вес 18 кг, вторая - 29,5 кг). Так было положено начало созданию ракетных двигателей, мощность которых нужно было увеличить в тысячи раз, чтобы осуществить мечту о космическом полете.

В исследованиях всех пионеров космонавтики (К. Э. Циолковского, Ю. В. Кондратюка, Ф. А. Цандера, Н. А. Рынина и др.) уже содержались интересные и плодотворные мысли по многим разделам космической биологии и медицины.

В 30-е годы в связи с развитием высотной авиации и овладением стратосферой в Советском Союзе начались медико-биологические исследования, имеющие непосредственное отношение к вопросам космической биологии и медицины. Так, уже в эти годы были разработаны кабины летательных аппаратов, снабженные системой регенерации воздуха. Изолирующие герметические кабины надежно защищали человека от разреженной атмосферы и низких температур. Благодаря этому стали возможны такие достижения советской стратонавтики, как рекордные полеты стратостата "СССР-1" 30 сентября 1933 г. на высоту 18,6 км и стратостата "Осоавиахим-1" 30 января 1934 г. на высоту 22 км.

При постройке стратостатов перед советскими физиологами и гигиенистами была поставлена задача обеспечения жизнедеятельности и работоспособности трех воздухоплавателей в герметических гондолах (шар диаметром около 2 м). Необходимо было исследовать течение физиологических процессов в герметически замкнутом объеме с давлением искусственной атмосферы около 500 мм рт. ст. При этом нужно было установить закономерности нарастания концентрации углекислого газа и снижения содержания кислорода в воздухе герметической гондолы; найти способы удаления избыточного углекислого газа и влаги из воздуха; рекомендовать наиболее надежный и экономичный способ возмещения израсходованного кислорода; разработать пищевой рацион, аварийный пищевой запас, целесообразную одежду для экипажа и решить вопрос удаления отходов жизнедеятельности. Результаты этих исследований были использованы при конструировании герметичных кабин самолетов и послужили основой для создания систем жизнеобеспечения космических кораблей.

В качестве резервного средства защиты стратонавта при аварийной разгерметизации кабины стратосферных самолетов и предотвращения взрывной декомпрессии советские инженеры и авиационные врачи к 1940 г. создали первые скафандры. В них можно было поддерживать давление кислорода в пределах 110-260 мм рт. ст., и они обеспечивали достаточную подвижность летчиков.

Работы авиационных физиологов, гигиенистов, психологов в эти годы сыграли большую роль в раскрытии механизмов регуляции физиологических функций при воздействии на организм человека различных факторов полета: гипоксии, ускорений, повышенного и пониженного барометрического давления, взрывной декомпрессии, высоких и низких температур, малых и больших яркостей, электромагнитных колебаний сверхвысокой частоты, ультрафиолетовой и инфракрасной радиации и др. Одновременно были разработаны теоретические и практические принципы медицинского отбора летного состава и их специальной физической тренировки.

Суровой проверкой предвоенных достижений в области авиационной медицины явились события Великой Отечественной войны.

Таковы предпосылки, позволившие начать подготовку к штурму космоса. Выдающимся событием в развитии космической биологии и медицины явилось успешное осуществление программы биологических исследований, выполненных в СССР на высотных геофизических ракетах (конец 40-х - начало 50-х годов), на втором искусственном спутнике Земли (запущен 3 ноября 1957 г. с собакой Лайкой) и на космических кораблях-спутниках: ККС-2 (19 августа 1960 г. - собаки Стрелка и Белка, мыши, крысы и насекомые), ККС-3 (1 декабря 1960 г. - собаки Пчелка и Мушка, мыши, насекомые, растения), ККС-4 (9 марта 1961 г. - собака Чернушка и манекен, имитирующий человека) и ККС-5 (25 марта 1961 г. - собака Звездочка и манекен, имитирующий человека).

Кресло космонавта корабля 'Восток'

Эти эксперименты помогли решить ряд медико-биологических проблем, непосредственно связанных с проникновением человека в космическое пространство.

Подготовка и осуществление первого биологического эксперимента в космосе при полете второго искусственного спутника с собакой Лайкой на борту по орбите вокруг Земли позволили установить важный факт: высокоорганизованные животные удовлетворительно переносят условия космического полета. Были обнаружены некоторые особенности физиологического состояния животного в условиях невесомости. Отмечено, например, что частота сердечных сокращений снижается после окончания действия перегрузок в космическом полете медленнее, чем в земных условиях. Этот эксперимент дал ценный опыт как в отношении отбора и тренировки животных для посылки в космос на искусственных спутниках Земли, так и в отношении оборудования кабин, создания жизнеобеспечения и телеметрического контроля состояния физиологических функций животного.

Следующий период развития космической биологии и медицины включает эксперименты с животными во время полетов советских возвращаемых кораблей-спутников. Создание таких кораблей позволило изучить реакции организма животных на участке спуска, а также осуществить подробные предполетные и послеполетные обследования животных и контроль отдаленных последствий.

Следует указать на две отличительные особенности экспериментов на втором и третьем кораблях-спутниках. Во-первых, были применены различные методы физиологических исследований, например, при полете третьего корабля-спутника применялось девять исследовательских методов. Во-вторых, осуществлен эволюционный подход к исследованию биологического действия факторов космического полета. В кабину корабля помещался ряд различных по сложности организации биологических объектов - от собак до растений, микроорганизмов и фагов. Эти особенности позволили с полным основанием назвать второй и третий космические корабли-спутники "летающими лабораториями".

Эксперименты на четвертом и пятом космических кораблях-спутниках послужили своеобразной репетицией первого полета человека.

Основным итогом всех этих опытов явилось твердое убеждение в том, что созданные советскими учеными космические корабли и примененные на них системы обеспечения жизненных условий полностью гарантируют не только безопасность и здоровье животных, но и сохранение жизни, здоровья и работоспособности человека.

12 апреля 1961 г. полетом Ю. А. Гагарина на корабле "Восток" был открыт следующий важнейший этап развития космической биологии и медицины. Полет Ю. А. Гагарина подтвердил правильность методологических принципов, положенных в основу космической медицины. Полет человека потребовал от врачей и физиологов решения ряда специальных вопросов, которые не имели прецедента в мировой науке. Была разработана система предварительной тренировки. Важное значение имел биотелеметрический контроль за состоянием основных физиологических функций космонавта - кровообращением и дыханием и за гигиеническими параметрами кабины.

Последующие годы могут быть названы временем триумфального шествия советской космической техники и космической медицины. Только одно перечисление этих достижений показывает, что советская наука делала поистине гигантские шаги в освоении околоземного космического пространства. Первый суточный полет вокруг Земли (Г. С. Титов - 6-7 августа 1961 г. на корабле "Восток-2") дал представление о влиянии факторов полета па суточную периодику физиологических функций и выявил возможность возникновения вестибуло-вегетативных нарушений при длительном действии невесомости. Первый групповой космический полет (А. Г. Николаев - 11-15 августа 1962 г. и П. Р. Попович - 12-15 августа 1962 г. на кораблях "Восток-3" и "Восток-4") свидетельствовал об осуществлении совместных действий нескольких космических кораблей и позволил провести сравнительный анализ реакций двух космонавтов во время такого полета. Первый в мире полет женщины-космонавта В. В. Терешковой (16-19 июня 1963 г. на корабле "Восток-6") дал материал для выяснения реакции женского организма на действие комплекса факторов космического полета. В. Ф. Быковский (14-19 июня 1963 г. на корабле "Восток-5") первый в мире пробыл в состоянии невесомости пять суток, и хотя потом его рекорд был превзойден, но можно утверждать, что именно этим полетом была доказана безопасность пребывания человека в космосе. Дело в том, что четвертые-пятые сутки пребывания в состоянии невесомости характеризуются более или менее устойчивым уравновешиванием реакций организма, его адаптацией к новым условиям.

Полет трехместного корабля "Восход" (В. М. Комаров, К. П. Феоктистов, Б. Б. Егоров - 12-13 октября 1964 г.) можно рассматривать как прообраз космических научных экспедиций. Включение в экипаж врача обусловлено важностью контроля за состоянием здоровья космонавтов и необходимостью проведения подробных медицинских исследований в полетах большой продолжительности.

Не менее важным событием, чем первый полет человека в космос, явился выход из корабля в космическое пространство, совершенный впервые А. А. Леоновым (в полете на корабле "Восход-2" 18-19 марта 1964 г.). Значение этого события трудно переоценить: дальнейшее освоение космоса невозможно представить без сборки кораблей на орбите и космических станций на поверхности Луны и планет. Особенностью этого полета явилось также ручное управление на участке спуска, блестяще проведенное командиром корабля П. И. Беляевым.

Важными вехами являются испытательные полеты на новых космических кораблях "Союз-1" и "Союз-3" дважды Героев Советского Союза В. М. Комарова и Г. Т. Берегового и беспримерный полет экипажей космических кораблей "Союз-4" и "Союз-5", совершивших впервые в мире стыковку кораблей, в результате которой была создана первая орбитальная космическая станция, состоящая из 4 обитаемых кают, и осуществлен первый в мире групповой переход космонавтов из одного корабля в другой.

Большим достижением являются длительные полеты на кораблях "Союз-9" (1-19 июня 1970 г., космонавты А. Г. Николаев и В. И. Севастьянов) и "Союз-11" (6-30 июня 1971 г., космонавты Г. Т. Добровольский, В. Н. Волков, В. И. Пацаев).

Значительными успехами отмечены полеты американских космонавтов вокруг Луны ("Аполлон-8" и "Аполлон-9"), высадка на лунную поверхность первых землян Н. Армстронга и Э. Олдрина ("Аполлон-11") и последующие полеты на Луну экипажей кораблей "Аполлон-12" - "Аполлон-17". Большое значение для космической медицины имел полет американской орбитальной станции "Скайлэб" с пребыванием на ней сменных экипажей сроком до 86 суток.

Экипаж космического корабля 'Союз-10': Слева направо: бортинженер А. С. Елисеев, командир корабля В. А. Шаталов, инженер-испытатель Н. Н. Рукавишников в кабине космического корабля

Для всех полетов космонавтов характерно выполнение каждым из них какой-то новой задачи. Благодаря такому подходу за относительно короткий срок было решено большое число важнейших проблем, касающихся пребывания человека в космосе.

Истекший период характеризуется обилием важных научно-технических достижений в области освоения космоса человеком. На очереди изучение сложных внутренних механизмов, за счет которых происходит приспособление организма к новым, создающимся на разных участках полета условиям. Подвергая организм определенным дозированным воздействиям в условиях невесомости и сравнивая его реакции с реакциями на подобные же воздействия в лабораторных условиях, можно получить довольно полное представление о гомеостатической функции различных органов и систем. Только постановка специальных целенаправленных медико-биологических экспериментов на космических кораблях позволит выяснить механизмы физиологических реакций и на основе знания этих механизмов разработать рекомендации по обеспечению хорошего состояния космонавтов применительно к различным полетам и различным видам деятельности во время этих полетов.

Решение вновь возникших задач, направленных на сохранение гомеостаза (постоянства внутренней среды) организма и высокой работоспособности космонавтов в длительном космическом полете и при выходе в открытый космос из космического корабля, уже находит свое отражение в научной печати.

Исследователи уделяют большое внимание следующим вопросам космической биологии и медицины:

1) детальному изучению механизмов действия факторов космического полета и разработке средств устранения или ослабления их отрицательных воздействий;

2) дальнейшему совершенствованию и созданию замкнутых экологических систем жизнеобеспечения;

3) дальнейшему изучению труда космонавтов в целях определения оптимальных способов и интенсивности работы при выполнении любых заданий и улучшения функциональных способностей организма в полете.

Решение этих вопросов - задача, стоящая перед космической биологией и медициной.

Космическая биология - отрасль биологической науки, исследующая особенности жизнедеятельности и поведения земных организмов в условиях космического пространства или при полетах на летательных аппаратах (экзофизиология); распространение, особенности и эволюцию живой материи во Вселенной (экзобиология); биологические принципы и методы построения искусственной среды обитания на космических кораблях и станциях (биотехнология, экология замкнутых систем).

Космическая медицина - область медицины, основные задачи которой состоят в разработке методов отбора и подготовки космонавтов, медицинском обеспечении безопасности полетов, поддержании нормальной жизнедеятельности, здоровья и высокой работоспособности человека в сложных специфических условиях длительного обитания в межпланетном пространстве на космических кораблях, а также па планетах.

Основными разделами космической медицины являются:

медицинская служба обеспечения безопасности космических полетов;

клиника и врачебная экспертиза космонавтов.

Большое внимание уделяется также цитохимическим и электронно-микроскопическим исследованиям, позволяющим в значительной степени подкрепить физиологические и биохимические выводы.

Определенное значение в космической физиологии приобретает проблема биологических ритмов, их роли в сохранении гомеостатических реакций организма в условиях длительного полета.

Важное значение имеют работы, итоги которых позволят экстраполировать результаты исследований энерготрат при движении и деятельности в различных, специально создаваемых наземных условиях к условиям пониженной гравитации и ограничениям, связанным с ношением космических скафандров.

В условиях экстремальных воздействий нет полного соответствия между протекающими в организме метаболическими процессами и энергетическим балансом. При энергетических уровнях одинаковой значимости, нередко наблюдающихся в условиях воздействия различных по силе раздражителей и при качественно различном и равном по калорийности питании, не исключены выраженные нарушения в общем функциональном состоянии организма, его реактивности. Последнее легко доказуемо применением фармакодинамических веществ в условиях воздействия на организм различных факторов полета, особенно ускорений. Было установлено, что одна и та же доза фармакологического препарата в зависимости от функционального состояния организма приводит к различным эффектам.

Изменения реактивности организма, которые наблюдаются при ускорениях, связаны со структурными и обменными нарушениями в отдельных тканях, органах и системах целостного организма. На фоне общего удовлетворительного состояния организма, высокой работоспособности и отсутствия видимых отклонений в поведении при определенных условиях воздействия ускорений, гипоксии или иных раздражителей возможны скрытые функциональные и патологические (структурные) нарушения. Это заставляет еще раз подчеркнуть важное значение цитохимических, электронно-микроскопических и биохимических исследований в космической биологии.

Возникает острая необходимость в накоплении новых экспериментальных материалов, которые следует добывать как в имитированных лабораторных условиях, так и на биоспутниках. Важно углубить представления не только о влиянии на организм отдельных факторов полета (ускорения, невесомость, гипокинезия, т. е. ограничение подвижности, шум, изменения температуры и др.), но и о воздействии таковых в совокупности на всех уровнях, начиная от молекулярно-субклеточных и кончая организменными.

Только на основе глубокого изучения механизмов регуляции и компенсации функций организма можно будет управлять ими и тем самым обеспечивать гомеостаз организма, разумеется, на ином, но адекватном уровне, в соответствии с новыми, неземными условиями.

Учение о реактивности организма, базирующееся на классических положениях творцов этого учения Н. Е. Введенского и А. А. Ухтомского, приобретает в космической физиологии ведущее значение. Различные по характеристике (сила, время, частота, чередование, интервалы между воздействиями и т. д.) раздражители в зависимости от исходного функционального состояния могут обусловить одинаковый эффект, и, наоборот, один и тот же раздражитель может вызвать различные эффекты. Здесь могут быть выявлены все фазовые течения реакции, на фоне которых действие какого-либо раздражителя может усилиться, ослабиться или даже полностью затормозиться другим раздражителем.

Врач-космонавт Б. Егоров за подготовкой собак Уголька и Ветерка к полету

Под влиянием экстремальных воздействий, совместимых с нормальной жизнедеятельностью, возникает адаптивная перестройка функций, которая раздвигает границы существования организма, приводит к смещению зоны оптимума и к ослаблению зависимости от внешних условий. Появляется новый функциональный уровень жизнедеятельности, предопределяющий новые особенности реакций организма как на непосредственное экстремальное воздействие, так и в период восстановления функций до исходного уровня (в последействии).

Следует подчеркнуть важное значение новых методов обработки биологической информации, в частности математических и кибернетических. Эти новые методы дают возможность не только ускорить обработку информации, но и получить более глубокий анализ ее. При обработке полученных данных обычными способами извлекается только часть полезной информации. Обращаясь сейчас с новых позиций к материалам, полученным в полетах, удается находить все новые интересные факты, приобретающие особую ценность при их сравнении с данными более поздних полетов. В качестве примера можно привести выявление так называемой космической аритмии - феномена повышенной колеблемости пульса у животных и людей, находящихся в условиях невесомости. Этот феномен связан с относительным усилением тонуса парасимпатического отдела вегетативной нервной системы.

Козявка готова к полету

Современная электронная вычислительная техника позволяет не только осуществить быстрый анализ информации, но и провести моделирование ряда физиологических и биологических процессов, проверить гипотезы о механизмах реакций.

Новый этап физиологических исследований в космосе был начат полетом корабля "Восход", пилотируемого командиром корабля Героем Советского Союза космонавтом В. М. Комаровым. В составе экипажа был также врач Б. Б. Егоров, и это позволило впервые применить функционально и конструктивно самостоятельную систему медицинских исследований. На кораблях "Восток" все датчики и электроды в течение всего времени полета обычно находились на теле космонавта. На корабле "Восход" впервые была испытана система медицинских исследований со съемными датчиками и электродами.

Одной из важных попыток нового подхода к изучению реакций животного организма в условиях космического полета является биологический эксперимент на искусственном спутнике Земли "Космос-110". В этом эксперименте животные подвергались ряду специальных воздействий для изучения в условиях полета реактивности сердечно-сосудистой системы и особенностей ее нервной регуляции. Важно отметить также, что орбита спутника "Космос-110" проходила через внутренний радиационный пояс Земли, в результате чего появилось дополнительное воздействие на биологические объекты. Изучалась радиочувствительность различных штаммов дрожжей, хлореллы, лизогенных бактерий, сыворотки крови и т. п. Исследовалась эффективность ряда способов защиты живых существ, находившихся в кабине спутника, от радиационного воздействия.

Космический рейс спутника "Космос-110" продолжался около 22 суток. Собаки Ветерок и Уголек совершили 330 оборотов вокруг Земли. После благополучного приземления животные в хорошем состоянии вернулись в лабораторию.

Новые, более совершенные методические приемы, позволившие регистрировать динамику физиологических процессов различных уровней регуляции, способствовали обнаружению у космонавтов отдельных функциональных проявлений после завершения полета. Наиболее выраженными оказались: ортостатическая неустойчивость (т. е. значительные изменения сосудистого тонуса при переходе тела из горизонтального положения в вертикальное), изменения картины крови (уменьшение массы эритроцитов, уменьшение продолжительности жизни эритроцитов), изменения водно-минерального обмена (баланса жидкостей и кальция). Указанные изменения имели различную продолжительность и полностью исчезли в течение месяца после полета. Предотвращение этих нарушений - важнейшая задача космической медицины.

В этом направлении уже достигнуты положительные результаты. Как показали исследования, эффективными средствами повышения устойчивости организма к влиянию экстремальных факторов являются, в частности, высокогорная тренировка и физическая подготовка.

В итоге анализа всех накопленных материалов в сравнительно-физиологическом плане (простейшие, одноклеточные водоросли, высшие растения, животные, человек) собран большой фактический материал, установлен ряд биологических закономерностей и возникли новые вопросы. Многие из них отличаются большой сложностью и могут быть решены лишь совместными усилиями ученых биологической, медицинской и инженерно-технической специальностей. Вместе с тем эти задачи чрезвычайно интересны и увлекательны. Можно быть уверенным, что опыт, накопленный космической биологией и медициной за первые десятилетия их существования, явится достаточно надежной предпосылкой успехов в этом направлении. Сбудется предсказание К. Э. Циолковского: "Человек будет жить и работать в космосе".