Глава 15. Двигательная активность космонавта

Значение активной мышечной деятельности, и в частности физических упражнений, для процесса адаптации к условиям космического пространства следует рассматривать со следующих позиций:

а) физическая тренировка способствует сохранению постоянства внутренней среды организма;

б) предварительная физическая тренировка необходима для развития и сохранения ряда физических функций;

в) от физической тренировки зависит адаптация двигательных навыков и качеств к новым, необычным условиям жизни и работы.

Значение постоянства внутренней среды организма, сформулированное известным французским физиологом К. Бернаром, было развито в основном для состояния покоя американским физиологом В. Кенноном в учении о гомеостазе. У тренированных лиц в состоянии покоя гомеостаз имеет ярко выраженные особенности (пониженное систолическое давление, пульс, замедленное дыхание и т. д.).

Важнейшим фактором в регуляции состояния внутренней среды является высшая нервная деятельность. Как показал ряд исследований, моторно-координационная деятельность может оказывать положительное влияние на баланс возбудительно-тормозных процессов в первой и второй сигнальных системах, что нормализует поток нервных импульсов.

Не все мышцы в одинаковой степени участвуют в уравновешивании сил земного притяжения, и моторно-координационная деятельность призвана сыграть в этом свою корригирующую роль. Это может иметь большое значение для функций ряда внутренних органов и систем, поскольку ослабление тех или иных групп мышц плохо сказывается на некоторых жизненно важных процессах. Так, слабость брюшных мышц неблагоприятно влияет на пищеварение и кровообращение; межреберных - на дыхание и т. д.

Активная двигательная функция положительно сказывается на состоянии нейро-гуморальной регуляции организма. Физические упражнения понижают повышенное и повышают пониженное давление крови, нормализуют содержание холестерина в крови и некоторые стороны солевого обмена, а также ряд других процессов.

Средства предварительной физической подготовки и их роль в повышении устойчивости организма в условиях полета

Для сохранения высокого уровня физической и психической работоспособности космонавтов необходимо в теоретическом и методическом плане добиться глубокого единства трех этапов подготовки: предварительного, этапа полета и этапа возвращения на Землю.

Длительность предварительного периода, так же как и всех других, зависит, несомненно, от продолжительности полета, уровня подготовленности космонавта и других условий.

Основными задачами предварительного этапа подготовки человека к космическому полету являются: а) достижение функциональной устойчивости и укрепление здоровья; б) достижение психической и физической устойчивости к неблагоприятным факторам полета; в) непосредственная настройка двигательной функции к условиям существования, отличным от земных. В этот период предусматривается развитие способности к свободному перемещению тела в пространстве и осмысливанию этого процесса, повышение выносливости к перегрузкам, перегреванию и т. д.

В период предварительной, подготовки важно учитывать особенности протекания физиологических процессов во время интенсивной физической подготовки. Система физической подготовки должна обеспечить быстрое вхождение в определенный темп и ритм работы космонавта, способствовать развитию особо важных навыков, физических и Болевых качеств и повысить устойчивость их в специфических условиях полета.

Вестибулярная тренировка космонавта

С этой целью применяются разносторонние средства физической и психической тренировки. Работа на специальных тренажерах для подготовки космонавтов к профессиональной деятельности по управлению кораблем и его системами, имитирующая основные моменты космического полета, длительное пребывание в сурдо- и термокамере малого объема с наиболее рациональным режимом двигательной деятельности, тренировка на центрифуге, в макете кабины космического корабля, вестибулярная тренировка - все это обеспечивает оптимальное состояние организма, психическую активность и высокую работоспособность.

Система двигательной деятельности и тренировки в полете

Этап тренировки во время космического полета предусматривает сохранение взаимосвязи и взаимодействия со средой, высокой специфической и неспецифической устойчивости психических и физических функций. Кроме того, в полете должны быть выделены периоды подготовки космонавта к особо трудным действиям.

В связи с особенностью космических полетов встает важный вопрос о характере физических упражнений в двигательном режиме (их длительность и интенсивность) и влиянии их на сохранение работоспособности и неспецифическую устойчивость организма.

С этой целью исследованы в макетах корабля и в реальном длительном полете специальные комплексы физических упражнений, компенсирующие отсутствие нагрузки на определенные группы мышц в связи с исчезновением силы тяжести и учитывающие специфические особенности деятельности космонавта, длительность полета, условия выполнения упражнений и т. д. Как показали наблюдения, чрезмерная интенсивность нагрузок не всегда благоприятно влияет на устойчивость организма к вредным факторам. Оказалось, что при избыточных мышечных нагрузках устойчивость организма и физическая подготовленность могут падать.

Не меньшее значение имеют условия тренировки. Это было показано тренировками в условиях высоких внешних температур. Двигательная работоспособность в этих условиях возросла, в то же время устойчивость организма к действию радиации упала ниже, чем в контрольных, нетренированных группах. Серьезные нарушения во внутренних органах (ожирение почек, появление язвы желудка, разрушение клеток поджелудочной железы) могут возникнуть в организме при длительной изнуряющей тренировке, а также при непрерывном значительном психическом напряжении.

Воздействие факторов космического полета также сильно снижает устойчивость организма к физической нагрузке. При выполнении физической работы (растягивание резинового амортизатора) во время полета американского космонавта Купера скорость восстановления частоты пульса была значительно замедлена по сравнению с предполетной.

Для поддержания мышечной силы на достаточном уровне необходим определенный минимум мышечной деятельности. Так, одно короткое сокращение, соответствующее 20% максимального усилия, выполненное один раз в день, уже способно предотвратить атрофию мышц, участвующих в данном сокращении. Максимальную силу мышц может поддержать одно короткое максимальное сокращение каждой главной группы мышц один раз в неделю. Еще большего сохранения мышечной силы можно достичь при ежедневном выполнении одного максимального сокращения в течение 5-6 секунд. Этот способ тренировки может применяться космонавтом в условиях невесомости. Однако в невесомости трудно поддержать высокий уровень потребления кислорода для обеспечения максимальной работы мышц. Такие упражнения, как прыжки, бег или приседания, значительно увеличивают потребление кислорода, поэтому их нельзя заменить статическими сокращениями мышц, которые не обеспечивают достаточно высокого потребления кислорода. В невесомости не могут быть применены упражнения с длительным растяжением пружин, так как в этом случае пружины удерживают мышцы в напряжении в течение всего упражнения, что препятствует достаточному притоку крови. Этого можно избежать с помощью упражнения на эргометре с тормозным сопротивлением. В условиях невесомости может быть применен велоэргометр, причем тело привязывается к сиденью ремнями вокруг пояса и за плечи. При этом космонавт должен держаться за рукоятки, укрепленные на уровне плеч с обеих сторон. Этим предупреждается горизонтальное смещение тела, и одновременно происходит тренировка рук. Тренировка ног на таком велоэргометре в течение 10-20 минут один раз в сутки (мощность работы около ¹/₇ л. с ногами и в половину этой силы руками) сохраняет высокий уровень потребления кислорода мышцами в течение продолжительного времени.

Командир космического корабля 'Союз-13' Петр Климук во время медицинских испытаний на центрифуге перед полетом

Ежедневная максимальная работа на велоэргометре является хорошей тренировкой для сердца и сохраняет способность организма быстро освобождаться от продуктов обмена. Что касается сохранения двигательных навыков в космическом полете, когда движения человека длительное время будут ограничены, то надо иметь в виду, что навык, приобретенный в процессе тренировки и достигший высокого уровня в результате многократного повторения, меньше всего изменяется от недостатка двигательной активности. Космонавт не утратит своих умений и навыков в течение длительного космического полета, хотя мышечная сила и обмен веществ в мышцах будут временно ограничены. Система физической и психической подготовки предусматривает поддержание и сохранение суточной периодики физических функций, преодоление неблагоприятных факторов и условий внешней и внутренней среды, учет особенностей трудовой деятельности. Основными стержневыми моментами, выполняющими эти задачи, служат специально подобранные и правильно расположенные в суточной периодике комплексы физических упражнений. Выполнение комплексов физических упражнений обеспечивает тонкую координацию движений отдельных нервно-мышечных структур и сохраняет высокую работоспособность при эксплуатации космического корабля и управлении им.

Бортинженер В. И. Севастьянов во время медицинских обследований на тренажере

Рассмотрим требования, которые должны предъявляться к научно обоснованным комплексам физических упражнений. Во-первых, они должны соответствовать динамике физиологических процессов, происходящих в организме человека в его суточном ритме. Во-вторых, чтобы упражнения, применяемые в комплексах, строго соответствовали особенностям конкретного физиологического механизма, учитывали основные типические моменты деятельности (темп, физические усилия, напряжение внимания, координационную структуру и т. д.) и условия существования, отличные от земных. Это подтверждается экспериментальными работами, проведенными в условиях, близких к космическому полету (изоляция, ограниченная подвижность, гипокинезия и т. д.).

В одном из экспериментов, проведенных с целью выявления изменений динамики умственной работоспособности при различных режимах двигательной активности человека в условиях ограниченной подвижности, было обнаружено, что при более рациональном комплексе физических упражнений происходит повышение устойчивости к угнетающему воздействию факторов изоляции. Различные формы применявшихся физических упражнений способствовали улучшению умственной работоспособности. Восполняя естественную потребность испытуемых в двигательной деятельности, упражнения явились важным фактором подъема эмоционально-волевого тонуса, переключения активности испытуемых, обеспечения большей эффективности восстановительных процессов. Положительное влияние систематического применения физических упражнений сказалось как на повышении умственной работоспособности, так и па общем улучшении самочувствия испытуемых.

В двух других 15-суточных экспериментах, имитирующих некоторые факторы космического полета, выявлено положительное влияние физических упражнений, включенных в режим труда и отдыха испытуемых, на сохранение высокого уровня работоспособности и снижение утомления. В комплексы занятий входили разнообразные физические упражнения типа потягивания, движения для укрепления мышц туловища, ног, рук, упражнения на расслабление и координацию движений, а также упражнения с эспандером, гирей и на велоэргометре. Все испытуемые отмечали значительное улучшение самочувствия после занятий. Как правило, у них вследствие выполнения комплексов повышалась работоспособность, улучшалась двигательная активность, проходило чувство усталости и сонливости.

Данные опроса и визуальные наблюдения показывают, что темп упражнений меняется в зависимости от дней занятий и самочувствия. Испытуемые как бы привыкают к определенному, только им свойственному темпу выполнения двигательных действий. Такое привыкание к темпу может служить хорошей оценкой самочувствия, настроения и поведения.

В первые дни пребывания в термокамере на вопрос анкеты: "В каком темпе лучше выполнять упражнения комплекса: в медленном, среднем, быстром?" - испытуемые преимущественно называли средний темп. Однако по мере выполнения комплексов физических упражнений и удлинения срока нахождения в ограниченном пространстве малого объема этот темп испытуемых уже не устраивал. В анкетах появились записи о желательности применения разных темпов - медленного, быстрого, среднего. При дальнейшем выполнении упражнений выявились индивидуальные различия в темпе движений.

В период привыкания к новому режиму труда и отдыха, особенно в первые два дня эксперимента, часто нарушался порядок и последовательность повторения отдельных упражнений, предусмотренных программой исследования. Упражнения выполнялись вяло, небрежно, с нарушением амплитуды и основных характеристик движений.

На 5-6-е сутки те же упражнения выполнялись с большим желанием и интересом. Меньше стало ошибок, улучшилось качество выполнения, появилось стремление увеличить время занятий за счет многократного повторения отдельных движений. В конце эксперимента отмечалось некоторое снижение интереса к физическим упражнениям вследствие привыкания в 15-суточном эксперименте к отдельным двигательным действиям этих комплексов. Охотно выполнялись динамические упражнения с элементами расслабления. Следует указать на положительное отношение испытуемых к выполнению упражнений с эспандером, гирей, на велоэргометре.

Во втором 15-суточном эксперименте применялся комплекс физических упражнений, направленный на поддержание двигательной активности, снижение утомления и сохранение высокой работоспособности. Система физических упражнений была построена с учетом специфики камерных условий: ограничения места занятий, размещения приборов и т. д. При составлении системы был предусмотрен такой порядок физических упражнений, который обусловливал правильное, закономерное расположение отдельных упражнений или их групп в определенной связи. При этом создавалась наиболее благоприятная реакция организма на применяемые упражнения. В режим жизнедеятельности включались комплексы упражнений после сна, в период самообслуживания, во время дежурств на вахте. Комплексы "утренней" гигиенической гимнастики состояли из упражнений типа потягиваний и движений для отдельных мышечных групп. Долгое пребывание в кресле-ложементе, статическое вынужденное положение тела потребовали, чтобы при построении и применении комплексов гимнастики во время вахты были учтены характерные моменты деятельности испытуемых. При составлении комплексов важно было разработать общие характеристики деятельности испытуемых с учетом камерных условий и физиологических показателей. Во время самообслуживания выполнялся комплекс упражнений, направленных на поддержание основных двигательных навыков и физических качеств.

Наблюдения над изменениями элементов координации в разных позах и соответствующие изменения их параметров в пространстве в периоды подготовки человека к особо трудным условиям (длительное нахождение в позе физиологического покоя, необычное питание, малый объем камеры, напряженная нервно-психическая деятельность и т. д.) вскрывают ряд закономерностей моторного поля и всей совокупности двигательного акта. Длительное пребывание человека в данных условиях нарушает циклическое взаимодействие между составляющими двигательный акт элементами, ухудшает координацию биодинамических деталей нервно-двигательного аппарата в активных позах. Поэтому важно при организации мер, направленных на преодоление и ослабление воздействий неблагоприятных обстановочных факторов на организм в период подготовки человека к особо трудным действиям, учитывать такие особенности, нарушения координации, как темп и ритм деятельности, элементы координационной структуры, физические усилия и поза.

Нарушение во время пребывания в камере малого объема таких безусловнорефлекторных элементов, как ходьба, бег и пр., приводит к снижению тренированности мышечной системы, ухудшению точности воспроизведения малых и больших мышечных усилий и учета интервалов времени в сложных экстремальных условиях. Различные сочетания этих особенностей двигательных актов в связи с внешними раздражителями и формированием двигательных стереотипов имеют в своей основе образование условных рефлексов, которые нарушаются при пребывании человека в камере малого объема.

Воспроизведение в камере соответствующих раздражителей, по темпу и ритму схожих с основными характеристиками движений при выполнении простых и сложных двигательных актов, поможет сохранить правильные сочетания между основными элементами, составляющими высокоавтоматизированный акт.

Для разрешения этих задач изучали продолжительность циклов, скорость и амплитуду движений испытуемых при ходьбе. Эти движения расчленили на основные положения (позы) и проанализировали движения рук, ног, головы и туловища. Были определены основные показатели: центр тяжести, скорость и ускорение, кинетическая энергия и усилия всей системы и отдельных звеньев тела. По этим основным показателям составили общие характеристики двигательных действий при ходьбе и приступили к индивидуальному подбору упражнений, имитирующих основные моменты высокоавтоматизированного акта.

При подборе упражнений принимали во внимание необходимость воспроизведения в них характерных, типичных для ходьбы моментов. При этом учитывались: а) последовательность включения в работу различных звеньев тела, координационная структура движений, темп, степень физических усилий и амплитуда движений; б) необходимость постепенного перехода от упражнений общего физиологического воздействия к специальным, отражающим характер автоматизированного акта. Эти требования стремились удовлетворить тем, что при подборе упражнений, имитирующих ходьбу, учитывали кинематику звеньев тела, темп, усилия.

Упражнения в ходьбе для испытуемых подбирались так, чтобы время, затраченное на перемещение отдельных звеньев тела во время ходьбы и подобранного упражнения, например для коленного сустава, было почти одно и то же. Этим требованиям отвечали и упражнения для других суставов. Упражнения выполнялись дважды в день в течение 10 минут.

Сравнение материалов, полученных без применения специальных упражнений и с применением движений, подобранных с учетом характерных черт автоматизированного акта, показало, что после опыта, в котором испытуемый выполнял ритмические действия, скорость движения, а также повторяемость двигательных ритмических циклов при ходьбе сохранялись. Не произошло также нарушения ритмовых и амплитудных пропорций между верхними и нижними конечностями. Полученные факты свидетельствуют о сохранности необходимой координации между временными интервалами и мышечными усилиями.

Система двигательной деятельности и физическая тренировка в полете благоприятно влияют на организм. Благодаря этому длительно сохраняется устойчивость эмоциональной деятельности, познавательных процессов и функции внимания. Система упражнений должна быть направлена на поддержание и развитие волевой деятельности в особо трудных условиях полета, развитие интересов и сохранение высокой двигательной активности при трудовой деятельности.

Система двигательной деятельности в период восстановления

Система физической подготовки по возвращении космонавта на Землю, в период восстановления, должна быть направлена на быструю перестройку организма к условиям нормальной гравитации и устранение последствий космического полета.

Послеполетный период является естественным продолжением первых двух этапов полета и по существу сводится к восстановлению специфической и неспецифической устойчивости, достижению высокой функциональной устойчивости и укреплению здоровья.

В период восстановления у космонавта Купера отмечалось проявление ортостатической гипотензии (снижение кровяного давления при переходе из положения лежа в положение стоя) с увеличением частоты пульса с 83 в минуту при горизонтальном положении до 123 при положении стоя. Среднее артериальное давление у Купера после полета было значительно ниже, чем до или во время полета. Даже через 18 часов после полета отмечены признаки ортостатической неустойчивости. У космонавта Ширры проявления ортостатической гипотензии также сохранялись в течение 18 часов после полета. Возникновение ортостатической гипотензии, наблюдавшееся после полетов, является, по-видимому, результатом воздействия неблагоприятных факторов, в частности невесомости. При наличии гравитации крупные вены нижних конечностей подвергаются воздействию давления около 100 мм рт. ст. вследствие веса столба крови. В невесомости, а также во время пребывания в постели или при погружении в воду это гидростатическое давление практически отсутствует.

Трудны первые шаги после длительного эксперимента в условиях обездвиженности

В условиях, свободных от гравитации, заметно снижается нагрузка на скелетно-мышечную систему. Передвижение тела облегчается, и потребность в сокращении мощной мускулатуры, которая поддерживает нормальную позу тела, заметно снижается. Одновременно снижаются нагрузка и напряжение, прилагаемые к частям скелета при мышечных сокращениях, снижается также нагрузка на скелет, связанная с необходимостью поддержания веса тела. Нельзя забывать, что строгий постельный режим приводит к иммобилизации, атрофии мышц и в конце концов к избыточному выделению кальция с мочой, что связано с началом деминерализации костей скелета.

Интересно отметить, что в первые минуты после окончания длительного эксперимента отмечается явный распад двигательных структур при ходьбе, выражающийся в том, что походка испытуемых нарушается. При этом отмечается чередование шагов крупных и более мелких, возникают признаки дискоординации. Нарушается присущая нормальной ходьбе синергия между ногами и руками. Движения рук делаются аритмичными.

Все эти факторы свидетельствуют о том, что вопросы перестройки организма средствами физической подготовки в восстановительный период имеют большое значение.

Систему двигательной подготовки космонавта можно считать рациональной только в том случае, если кумулятивный эффект всех нагрузок не приводит к переутомлению и перетренировке. Значение системы двигательной деятельности в период восстановления после завершения космического полета и состоит прежде всего в том, чтобы посредством рационального переключения специфической и неспецифической устойчивости исключить возможность перерастания кумулятивного эффекта воздействий экстремальных факторов в переутомление, создать условия для подтягивания отстающих адаптационных перестроек и обеспечить предпосылку для использования повышенных нагрузок при подготовке к новому космическому полету.

Из физиологии труда и спорта известно, что длительная и интенсивная физическая или умственная работа вызывает значительную перестройку центральной нервной системы, вегетативных функций и психофизиологических реакций. Высокий уровень обмена и различных функциональных отправлений непосредственно по окончании работы является результатом двух факторов: кислородного голодания и следов рабочего возбуждения нервной системы. Чем интенсивнее и продолжительнее работа, тем, при прочих равных условиях, продолжительнее процесс восстановления. Восстановление различных функций организма происходит неодновременно и волнообразно. Так, на протяжении восстановительного периода сначала ликвидируется утомление и восстанавливается работоспособность, потом наступает фаза повышенной работоспособности и затем снова происходит возвращение к дорабочему уровню.

Большое значение имеет тот факт, что во время космических полетов, как правило, имеют место ситуации, связанные с преодолением возникающих трудностей. При этом происходит активизация эмоционально-волевой деятельности космонавта, функций внимания, познавательных процессов и других. В связи с этим система двигательной деятельности в восстановительный период должна строиться на основе учета психофизиологических закономерностей работы сенсомоторных систем, физиологии высшей нервной деятельности, динамики работоспособности.

В восстановительный период нужно строить систему двигательной деятельности так, чтобы очередное занятие приходилось на период повышенной работоспособности. Тогда сильнее проявится возможность переключения, т. е. перехода физиологической активности с одной системы условнорефлекторных связей на другую, или же значительного изменения в интенсивности протекания обменных и других процессов в действующей системе условных рефлексов. Если иметь в виду переключение в масштабе всего периода восстановления, то необходимо учесть и смену основной физиологической доминанты, а также изменение психологической установки и эмоционального фона послеполетной деятельности.