1. Сердце космонавта – преграда для межпланетных полетов

Настоящая статья представляет собой, возможно, просто догадку, основанную на соображениях в области анатомии и физиологии человека, как в условиях земной гравитации, так и в условиях невесомости при космическом полете. Рассматривается процесс функционирования сердца, его мышц и клапанов в невесомости.

Один из главных вопросов в космической биологии и медицине – какие же изменения происходят в организме в условиях невесомости. Исчерпывающего ответа на него до сих пор нет.

Показано (1), что в первый момент перехода от действия перегрузки к невесомости (выключение двигателей ракеты) ощущение человека связаны с нарушением функции вестибулярного анализатора – иллюзии падения, проваливания, нарушение зрения и координации движений, вегетативные реакции. Но главным при наступлении невесомости является перераспределение массы крови из депо в нижней половине туловища (ноги, живот) в верхнюю (грудная клетка и голова). Это и влечет за собой большинство общеизвестных последующих нарушений. Почти полувековой опыт космических полетов позволил решить многие медицинские вопросы, включая и вопрос адаптации человека к невесомости в орбитальных космических полетах.

Однако человек продолжает стремиться к межпланетным полетам, продолжительность которых может исчисляться годами, а то и десятилетиями.

Как же будет работать сердечно-сосудистая система человека в таком длительном полете в условиях невесомости?
Рассмотрим работу сердца и сердечно-сосудистой системы человека в условиях земной гравитации.

Известно, что основная масса мышечных клеток сердца специализирована на выполнении его основной функции – сокращении. Мы сознательно отвлекаемся здесь от рассмотрения второй функции сердца – секреции пептидов, принимающих участие в регуляции водно-солевого баланса организма. Известно также, что снабжение клеток, органов и тканей организма человека кислородом осуществляется артериальной кровью, перекачиваемой сердцем из малого в большой круг кровообращения. В условиях наземной гравитации эта перекачка происходит следующим образом: во время диастолы кровь из предсердий через открытые клапаны сливается в желудочки сердца. При этом створки открытых клапанов, в силу их меньшего удельного веса, чем удельный вес крови, всплывают на заполняющей полости желудочков массе крови и плотно смыкаются. После чего, во время систолы, сокращением сердечных мышц кровь выталкивается в большой и малый круги кровообращения. В условиях невесомости этот процесс должен несколько видоизменяться, а именно: поскольку разница в удельном весе клапанов и крови исчезает, то, возможно, створки клапанов не будут всплывать на массе крови и плотно смыкаться, а между ними останется щель и какое-то количество крови будет возвращаться в предсердия так же, как это бывает при врожденных и приобретенных пороках сердца, что клинически определяется как сердечная недостаточность, приводящая к недостаточному снабжению клеток организма кислородом.

Естественно предположить, что при многолетней хронической кислородной недостаточности у космонавтов возможен и летальный исход. При этом совершенно ясно, что никакое дополнительное (внешнее)снабжение кислородом не сможет изменить процесс, обусловленный самим строением сердца, сформированным миллионы лет под воздействием земной гравитации.

Следовательно, нормальное, здоровое сердце космонавта при длительном нахождении в условиях невесомости может явиться одной из основных причин его гибели. Учитывая вышесказанное, нам представляется, что единственным способом, обеспечивающим принципиальную возможность длительных межпланетных полетов, является создание в космическом корабле искусственной тяжести, которая бы в какой-то степени компенсировала невесомость.

Но это уже не медицинская, а инженерная проблема.

2. Отолиты и иллюзии пространственного положения 
в гравитационном поле Земли и в невесомости

Иллюзионные ощущения у пилотов при полетах в гравитационном поле Земли являются серьезной проблемой безопасности полетов. Иллюзионные ощущения у космонавтов в космическом полете в условиях невесомости не только сохраняются, но и приобретают качественные и количественные отличия от полетов в условиях гравитации, а именно:
- если иллюзионные ощущения возникают у небольшого количества пилотов и в довольно редких случаях, то в космическом полете ощущение падения, проваливания, или перевернутого положения тела и головокружение возникают у всех без исключения космонавтов, а у некоторых из них сопровождаются еще и чувством страха;
- второе отличие заключается в том, что если иллюзионные ощущения у пилотов кратковременны и сравнительно легко исчезают после резких движений головой, то у космонавтов эти ощущения могут продолжаться часами и сутками и не поддаются сознательной коррекции. Иллюзионные ощущения в космическом полете непосредственно не угрожают безопасности полета, но их длительное существование ухудшает самочувствие и нередко вызывает частичную или полную утрату трудоспособности космонавтов.

Как известно, иллюзионные ощущения в полете и, в том числе, в космическом полете, вызываются рассогласованием в деятельности отдельных компонентов статокинетической системы человека (вестибулярный, зрительный, двигательный и другие анализаторы) и коры головного мозга. В настоящей работе сделана попытка объяснить причины иллюзионных ощущений у космонавтов, связанные с деятельностью отолитовой части вестибулярного аппарата в условиях невесомости и возможные пути их коррекции.

Рассуждение первое.

Заслонка в ампулах полукружных каналов ушного лабиринта, образованная из волосков рецепторных клеток, не имеет утяжеляющих ее кристаллов кальция. Работает как мембрана. Зачем понадобилось природе снабдить клетки отолитового рецептора плотной кальциевой покрышкой?

Возможно, затем, что мембрана в ампулах полукружных каналов реагирует на относительно плавные и длительные по времени смещения эндолимфы, т.е. реагирует на изменение направления движения эндолимфы, ее давление. Отолитовые рецепторы реагируют на небольшие , коротко длящиеся перемещения преддверия лабиринта. В обычных условиях земной гравитации эти небольшие короткие перемещения преддверия лабиринта вместе с заключенным в нем небольшим объемом жидкости не вызывают перемещения эндолимфы, и, следовательно, давление самой эндолимфы на волосковые клетки отолитовых рецепторов не изменяется. Для того, чтобы при этих перемещениях возникло смещение волосковых рецепторных клеток, необходим противовес, который в силу инерции реагировал бы на перемещение преддверия лабиринта с неподвижной жидкостью в нем. Таким противовесом и является отолитовая мембрана, смещение которой возбуждает клетки отолитового рецептора, вызывающее ощущение движения.

В условиях невесомости, когда отолитовая мембрана больше не является противовесом - она не должна смещаться, следовательно, рецепторные клетки отолитов не будут получать векторных сигналов от стато- и киноцилий, т.к. положение последних относительно стенок преддверия лабиринта не будет изменяться.

Рассуждение второе.

В условиях земной гравитации, при истинном падении с высоты (при закрытых глазах и отсутствии движения воздуха) ощущение падения вызывается «всплытием» отолитовых мембран утрикулюсов и, отчасти, смещением органов грудной и брюшной полостей. Ощущение падения сопровождается чувством страха, «замирания» в животе, остановкой дыхания и другими вегетативными проявлениями. Этот механизм известен и понятен.

Но отчего возникает чувство падения во сне, когда человек находится в полном покое, лежит горизонтально на плотной основе? Говорят, что это древний рефлекс, сохранившийся с тех времен, когда наши предки жили на деревьях. Но что в этом случае является пусковым механизмом ощущения падения, проваливания и головокружения? Возможно – внезапное изменение давления эндолимфы в мешочках преддверия лабиринта.

А почему возникает ощущение перевернутого положения и падения при наступлении невесомости, когда космонавт лежит в горизонтальном положении, перпендикулярно к длинной оси ракеты – бывшему направлению силы тяжести? Возможно следующее объяснение. При работе двигателей космического корабля на космонавтов действует перегрузка в направлении грудь-спина, т.е. отолиты сжимают киноцилии. В момент выключения двигателей, когда наступает невесомость, отолиты, в силу инерции, должны резко «всплывать», натягивая киноцилии. Одновременно прекращается прижатие и внутренних органов, они также как бы «всплывают», что, как говорилось выше, и составляет ощущение падения. Ощущение перевернутого положения тела, возможно, связано с аналогичным смещением киноцилий чувствительных клеток из района саккулюсэкке.

Рассуждение третье.

Из опыта космических полетов известно, что иллюзионные ощущения у космонавтов длятся довольно долго. Адаптация к невесомости возникает, в среднем, к седьмому дню. Чем это объяснить? Возможно тем, что в условиях невесомости больше никакого сочетанного однонаправленного движения отолитовых мембран в правом и левом лабиринтах не происходит. Сдвиги эти хаотичны и разнонаправлены. В то же время, в центрах вегетативной нервной системы, в подкорковых узлах и в коре головного мозга ( в сознании) зафиксировались те ощущения и состояния, которые возникли в момент перехода от перегрузки к невесомости. Следовательно, чтобы избавиться от этих ощущений, необходимо заставить отолитовые мембраны сдвигаться в нужном направлении, а не разрушать их, как предлагал Гасегава и другие исследователи. Такое искусственное смещение отолитовых мембран в противофазе к их ожидаемому движению («всплытию») в момент перехода к невесомости, могло бы предотвратить иллюзионные ощущения и, тем самым, сократить период адаптации космонавтов к невесомости. Применяя этот прием, можно было бы и в дальнейшем космическом полете избавить космонавтов от вестибулярного дискомфорта, т.е. выполнять коррекцию нарушений вестибулярной функции – лечить «спутниковую» болезнь! Заставить отолитовую мембрану двигаться в заданном направлении можно, например, такими способами:
а) Вызвав ее инерционный сдвиг
- резкими движениями головы (встряхиванием)
- вращением на резиновой лонже вокруг фронтальной и поперечной оси тела
- вертикальной вибрацией тела
- искусственной тяжестью (центрифугированием)

б) Изменив давление эндолимфы под или над отолитовой мембраной
- непосредственным шунтированием лабиринта
- перераспределением массы крови относительно головы космонавта с помощью имеющихся на борту космического корабля аппаратов. Например, применявшихся в России аппаратов ОДНТ и ИДНТ
- изменением давления воздуха в полости среднего уха через слуховой проход или Евстахиеву трубу

Проверить эффективность предлагаемых способов коррекции нарушений вестибулярной функции, т.е. лечения «спутниковой» болезни, можно только в условиях истинной невесомости на борту орбитальной станции. В идеале желательно эти методики автоматизировать.

Литература

 1.О генезисе вестибулярно-вегетативных расстройств в условиях невесомости. Журн. Космическая биология и авиа-космическая медицина. №5, том10, 1976г.

Статья поступила в редакцию 31.07.2005 г.