Глава 8. Физиология кровообращения в космическом полете (космическая кардиология)

В последние годы сформировалось новое научное направление - космическая кардиология, концентрирующее все, что касается состояния и реакций сердечно-сосудистой системы при действии факторов космического полета. Почему именно к этой системе приковано пристальное внимание многих физиологов и врачей, участвующих в выполнении космических программ? Это определяется тремя обстоятельствами:

1. Система кровообращения настолько тесно связана с другими системами организма, что может рассматриваться в качестве универсального индикатора различных нарушений.

2. С точки зрения прогноза гемодинамические нарушения представляют наибольшую опасность в длительном космическом полете. Даже при наличии удовлетворительной компенсации переносимость различного рода нагрузок снижена. Особенную опасность представляют перегрузки во время возвращения на Землю после длительного пребывания в космосе в состоянии невесомости.

3. В настоящее время реакции сердечно-сосудистой системы исследованы наиболее подробно как в условиях космического полета, так и при имитированном действии различных факторов.

Прежде чем перейти к характеристике основных данных о состоянии аппарата кровообращения в условиях реального полета, кратко остановимся на реакциях сердечно-сосудистой системы при действии экстремальных факторов. Основные изменения при ускорениях заключаются в следующем. Смещение крови изменяет давление в кровеносном русле, вызывая рефлексы, направленные на преодоление этих изменений. Воздействие перегрузок, особенно в направлении грудь - спина и наоборот, затрудняет фазу вдоха, так как грудная клетка при этом сжата. Дыхание затрудняется также из-за изменения подвижности диафрагмы. Нарушения внешнего дыхания проявляются в уменьшении дыхательного объема и жизненной емкости легких при одновременном увеличении частоты дыхания. При перегрузках может иметь место замедление циркуляции крови, которое при длительном действии может вести к гипоксии. Происходят также значительные нарушения в гемодинамике малого круга кровообращения. Воздействие поперечных ускорений вызывает интенсификацию работы сердца и повышение периферического сосудистого сопротивления.

При воздействии невесомости реакция сердечно-сосудистой системы в значительной мере определялась отсутствием гидростатического фактора кровообращения. Его роль в физиологии кровообращения весьма велика, ибо в условиях обычной гравитации при вертикальном положении тела возврат крови из вен нижних конечностей затрудняется давлением, обусловленным весом гидростатического столба крови от ног до уровня сердца. Чтобы обеспечить возврат крови к сердцу, организм должен использовать все физиологические механизмы, имеющиеся в его распоряжении, так как только при этом условии фактор гидростатического давления может быть преодолен. К ним относится сжатие вен конечностей и проталкивание крови из поверхностных вен в глубокие, система односторонних клапанов внутри вен, присасывающее действие сердца, уменьшение венозного резервуара посредством сокращения просвета вен. Понятно, что колебания гидростатических условий могут явиться причиной патологических реакций системы кровообращения. Ответ организма на воздействие гидростатического фактора используется как функциональная проба устойчивости к изменениям гравитации. Известно, что у 20% людей, считающихся здоровыми, при резкой перемене положения на опрокидывающемся столе наблюдаются изменения частоты сердечных сокращений и даже обмороки. Ортостатические пробы широко используются в качестве одного из методов врачебной экспертизы летного состава.

Результаты исследований в полете

Ритм сердечных сокращений. Изменения частоты сердечных сокращений могут быть связаны как с гемодинамическими факторами (приток и отток крови), так и с регуляционной деятельностью центральной нервной системы. В условиях невесомости в первый период после действия ускорений на активном участке полета еще сохраняется выраженное эмоциональное напряжение, а обмен веществ интенсифицирован. Оба эти фактора связаны с повышением тонуса симпатического отдела нервной системы, обусловливающего высокую частоту пульса. Нормализация пульса в условиях невесомости происходит значительно медленнее, чем на Земле после специальных испытаний на центрифуге, соответствующих по степени нагрузки активному участку космического полета. Замедленная нормализация пульса наблюдается как у животных, так и у людей.

Средние и абсолютные значения частоты пульса в состоянии невесомости на 2-й и 3-й день полета ниже, чем в соответствующих моделирующих опытах на Земле. Во время сна у всех космонавтов в полете частота пульса была ниже, чем при лабораторных испытаниях в макете космического корабля. Так, у некоторых космонавтов во время полетов ночью частота пульса снижалась до 40 ударов в минуту.

Возбудимость и проводимость миокарда. Электрокардиографические исследования в полете позволили оценить состояние возбудимости и проводимости миокарда. В состоянии невесомости не выявлено существенных изменений зубцов и интервалов электрокардиограммы у космонавта. Имеется некоторая тенденция к удлинению предсердно-желудочковой проводимости. Амплитуда зубца Т, как известно, в определенной степени связана с метаболическими процессами в сердечной мышце. Снижение амплитуды Т косвенно свидетельствует об уменьшении интенсивности обменных процессов в миокарде. В орбитальных полетах наблюдалось два типа изменений амплитуды зубца Т: прогрессивное медленное снижение (В. Ф. Быковский, П. Р. Попович) и подъем с последующим, более быстрым снижением (В. В. Терешкова, А. Г. Николаев).

Образцы радиотелеметрических записей, полученных во время медико-биологических экспериментов на советских космических кораблях-спутниках с животными на борту: ЭКГ - электрокардиограмма; ФКГ - фонокардиограмма; СКГ - сейсмокардиограмма; ПГ - пневнограмма; СФГ - сфигмограмма; верхняя ЭКГ регистрировалась усилителем с включенным на его выходе детектором и интегратором

Электрокардиограмма (а) и энцефалограмма (б) космонавта

Сократительная функция сердца. Наиболее подробные данные о сократительной функции сердца были получены при помощи сейсмокардиографии у экипажа корабля "Восход" и у В. Ф. Быковского и В. В. Терешковой. Длительность механической систолы у всех космонавтов с первых же витков полета увеличивалась, так же как и механоэлектрический показатель. У Г. С. Титова по кинетокардиограмме также было обнаружено удлинение механической систолы.

Показатели, характеризующие структуру сейсмокардиограммы - амплитуду и продолжительность каждого из ее циклов в условиях невесомости, обнаружили отчетливую динамику. Изменения сейсмокардиограммы в течение первых суток полета хорошо прослеживались у В. М. Комарова, К. П. Феоктистова и Б. Б. Егорова. В первом витке у этих космонавтов наблюдалось значительное увеличение амплитуды первого цикла сейсмокардиограммы. Затем амплитуда постепенно уменьшалась, достигая к 7-13-му витку значений существенно меньших, чем в предстартовом периоде, Такая динамика хорошо согласуется с представлениями о постепенном снижении обмена веществ и энергии в условиях невесомости. Вследствие резкого усиления сердечной деятельности во время действия перегрузок в первый период невесомости еще сохраняется высокий минутный объем крови и повышенная скорость изгнания ее желудочками. Более того, отсутствие гравитации значительно облегчает работу сердца по перемещению крови, что в первое время приводит к относительному увеличению скорости изгнания. Затем постепенно организм приспосабливается к новым физическим условиям (отсутствие гравитации), и амплитуда сердечных сокращений постепенно уменьшается.

В течение первых суток полета наблюдается тенденция к увеличению многих внесердечных показателей кровообращения, характеризующих приток и отток крови. Со вторых суток полета отмечается увеличение отношения и возрастает продолжительность колебательных циклов. Эти изменения устойчиво сохраняются до конца полета.

Продолжительность циклов сердечной деятельности зависит от амплитудно-временных соотношений сил левого и правого желудочков. Даже небольшие нарушения существующих соотношений приводят к изменению продолжительности циклов. Таким образом, можно предположить, что условия внутрисердечного кровообращения в состоянии невесомости отличаются от земных. По-видимому, имеются различия в работе правого и левого желудочков. Если в первый период невесомости сердце приспосабливается к новым условиям кровообращения за счет удлинения механической систолы, то затем более устойчивое приспособление осуществляется путем перестройки внутрисердечной координации сокращений миокарда. Намечающаяся в конце полета тенденция к нормализации времени механической систолы позволяет сделать вывод о преобладании в невесомости механизмов внутрисердечной компенсации над внесердечными.

У космонавтов можно было выделить три периода компенсации: 1) период преимущественного действия внесердечных механизмов (первые сутки полета - увеличение механической систолы); 2) период одновременного действия вне- и внутрисердечных механизмов компенсации (вторые-третьи сутки полета); 3) период преимущественного действия внутрисердечных механизмов (свыше трех суток полета). Все эти три периода хорошо определяются при анализе данных, полученных в полете у В. Ф. Быковского. Менее продолжительный полет В. В. Терешковой позволил выявить только два первых периода.

В данном случае мы также видим, что вначале реакции организма обусловлены эмоциональным возбуждением, а затем происходит постепенное приспособление к необычным условиям невесомости.

Периферическое кровообращение. Возможность нарушения периферического кровообращения в состоянии невесомости обусловлена двумя явлениями: исчезновением гидростатического фактора и уменьшением сосудистой афферентации. По мнению американских авторов, особую опасность для организма представляет снижение тонуса венозной системы, которое приводит к ортостатическому коллапсу (обморочному состоянию) вследствие скопления крови в венах. Ортостатическими нарушениями объясняется и снижение артериального давления у космонавтов в полете. Первые данные об изменении артериального и венозного давления в условиях невесомости были получены американцами во время запусков баллистических ракет. Изучение динамики артериального давления в суточном полете было осуществлено советскими исследователями на собаке Стрелке, в результате чего выявилось отчетливое снижение давления в первые 4-6 часов невесомости.

Нервная регуляция сердечной деятельности. В процессе функциональной перестройки сердечной деятельности происходит постепенное приспособление системы кровообращения к новым физиологическим условиям. При этом важная роль в осуществлении приспособительных реакций, по-видимому, принадлежит вегетативному отделу нервной системы. В обычных земных условиях установление определенного ритма сердечных сокращений зависит от взаимоотношений блуждающего и симпатического нервов. Известно также, что во время сна происходит усиление парасимпатических и ослабление симпатических влияний на сердце. Создается впечатление, что при действии невесомости происходит усиление парасимпатической и ослабление симпатической иннервации сердечной деятельности. О такой вегетативной перестройке свидетельствуют удлинение предсердно-желудочковой проводимости, относительная брадикардия, повышенная колеблемость пульса, а также снижение артериального давления.

Во время психических и физических нагрузок, например в предстартовом периоде, наблюдается, кроме учащения пульса, более устойчивый ритм сердечных сокращений, как бы более жесткое регулирование автоматической деятельности сердца. Очень важным фактом явилось установление выраженной колеблемости пульса в условиях невесомости. Так, повышенная колеблемость пульса наблюдалась в первых полетах у Ю. А. Гагарина и Г. С. Титова. Статистическая оценка колеблемости пульса позволила судить о состоянии сердечного автоматизма в орбитальном полете.

Анализ динамических рядов значений интервалов электрокардиограммы по 2-3-минутной записи дал чрезвычайно интересные материалы. Он показал, что значения статистических показателей в полете более близки к данным, полученным на Земле в ночное время, чем в утренние часы. Это дает право предположить, что в условиях невесомости преобладают парасимпатические влияния над симпатическими.

При этом нельзя забывать о содружественном участии симпатического и парасимпатического отделов нервной системы в наилучшем приспособлении организма к условиям невесомости, что находит свое выражение в адекватном изменении соотношений содержания в крови и тканях организма ваготропных и симпатикотропных веществ.

Вопрос о роли симпатических реакций на фоне усиления парасимпатического тонуса имеет практическое значение при рассмотрении данных о кровообращении в условиях невесомости в связи с состоянием центральной нервной системы. Анализ электрокардиограммы, зарегистрированной во время сна в условиях невесомости у В. В. Терешковой, показал не увеличение колебаний частоты пульса (как на Земле), а наоборот, уменьшение, хотя и наблюдалось обычное для сна снижение частоты пульса. Таким образом, одновременно отмечается урежение пульса, указывающее на усиление тонуса блуждающего нерва, и уменьшение колеблемости пульса, что наблюдается при усилении тонуса симпатического нерва. Одно из возможных объяснений этого феномена - в относительном усилении афферентной импульсации во сне, что ведет к стимуляции симпатических центров.

Необходимо остановиться также на явлении ортостатической неустойчивости в послеполетном периоде, которое было впервые обнаружено у космонавта У. Ширры. У него в первые часы после полета при переходе из положения лежа в положение стоя частота пульса увеличивалась с 56 до 104 в минуту. При этом артериальное давление падало со 120/84 до 90/70. Явной была ортостатическая гипотония и у Г. Купера. В послеполетном периоде Г. Купер жаловался на головокружение при переходе из горизонтального положения в вертикальное.

Причины ортостатической гипотонии, по мнению многих ученых, состоят в нарушении рефлекторной регуляции со стороны рецепторов, расположенных в стенках вен. Так как в невесомости в результате отсутствия гидростатического фактора существенно уменьшается периферическое сопротивление сосудистой сети, то это ведет к увеличению оттока крови в венозную систему. Емкость венозной системы (как депо крови) в 4 раза больше, чем артериальной. Это ведет к увеличению венозного возврата и в последующем к увеличению минутного объема крови.

В свою очередь, увеличение минутного объема крови приводит к усиленному наполнению вен, и создается порочный круг, который в конечном итоге приводит к развитию сердечной недостаточности и к застою венозной крови в конечностях.

Интересный материал дал 14-суточный космический полет корабля "Джемини-7", который происходил в период с 4 по 18 декабря 1965 г. На активном участке полета у командира корабля Бормана частота пульса составляла 150 ударов в минуту, у второго пилота Ловелла - 132 удара в минуту. Примерно через 2,5 часа частота пульса у Бормана стабилизировалась на уровне 80 ударов в минуту, а через 13-14 часов снизилась до 70 ударов в минуту, оставаясь на этом уровне в течение всего полета. Во время сна частота пульса у Бормана составляла в среднем 60 ударов в минуту, а минимальное ее значение достигало 45-47 ударов в минуту. Эти данные соответствуют данным советских исследователей, полученным во время многосуточных полетов кораблей "Восток". Здесь также четко различаются период неполного приспособления между 2-м и 10-13-м витками (3-15 часов от начала полета) и период относительно устойчивого приспособления (со второй половины первых суток полета). У американских космонавтов была хорошо выражена реакция на возвращение. Во время полета наблюдались кратковременные периоды тахикардии, соответствующие моментам эмоционального напряжения.

Основные результаты кардиологических исследований в орбитальных космических полетах можно охарактеризовать следующими положениями:

1. В условиях невесомости происходит перестройка регуляции кровообращения, связанная с общей перестройкой нейро-гуморальных механизмов на более экономичный режим. При этом наряду с относительным усилением тонуса парасимпатической системы сохраняют свое значение и реакции со стороны симпатической системы.

2. Отличная от земной степень нагрузки на правый и левый отделы сердца обусловливает ряд реакций со стороны сердечно-сосудистой системы, имеющих фазовый характер и, по-видимому, соответствующих фазам приспособления целостного организма. Выявлена тенденция к устойчивому приспособлению аппарата кровообращения к невесомости.

3. Ортостатическая гипотония в послеполетном периоде указывает на появление в условиях невесомости новых регуляторных механизмов, которые продолжают действовать и после приземления. Надо полагать, что ортостатические явления в послеполетном периоде не являются следствием действия перегрузок на участке спуска.

4. Реакции сердечно-сосудистой системы обусловлены тремя факторами: новыми физическими условиями кровообращения (исчезновение веса крови); перестройкой экстракардиальной регуляции; изменениями на клеточно-молекулярном уровне (обмена веществ и энергии в миокарде).

Полеты советских и американских космонавтов не выявили признаков нарушения кровообращения, степень которых могла бы быть признана патологической. Однако это не аргумент для полного отрицания возможных в будущих длительных полетах опасных нарушений деятельности сердца. Опыт применения надувных манжет на конечностях в целях устранения венозного застоя и улучшения условий циркуляции крови не дал должного эффекта. Физические упражнения улучшают состояние космонавтов и полезны для поддержания достаточно высокого уровня функционирования миокарда. Вопрос об искусственной гравитации все еще находится в стадии теоретических обсуждений. Поэтому единственный практический вывод состоит в том, чтобы с удвоенной энергией продолжать кардиологические исследования в космосе. Целью таких исследований должно быть как накопление знаний о реакциях аппарата кровообращения в длительном полете, так и получение сведений для осуществления надежного врачебного контроля за космонавтами.