В мире пропавшей тяжести
В поисках веса
Благополучно завершив 34-часовой полет и приводнившись, американский космонавт Г. Купер сразу же после выхода из корабля оказался в предобморочном состоянии. Он заметно побледнел, почувствовал слабость, у него потемнело в глазах. Максимальное артериальное давление крови упало в это время со 120 до 90. Ученые связали эти нарушения с уменьшением в условиях невесомости тонуса венозных сосудов, застоем венозной крови в конечностях и затруднением притока крови к сердцу.
Подобные же изменения замечались у животных. Собаки Уголек и Ветерок, которые пробыли в невесомости около 22 суток, по окончании полета едва держались на ногах, их шатало из стороны в сторону. Обнаружились отклонения и в деятельности сердечно-сосудистой системы и других органов. Исчезли эти явления лишь спустя некоторое время.
В межпланетных полетах человеку предстоит находиться в состоянии невесомости многие месяцы и даже годы. Сможет ли он справиться с управлением корабля при посадке на планеты, когда вновь начнет действовать сила тяжести и возникнут перегрузки?
Чтобы ответить на этот вопрос, надо разобраться в том, почему человек чувствует себя ослабевшим, возвращаясь из состояния невесомости в мир тяжести.
В условиях земного притяжения вертикальное положение тела требует активной нервно-мышечной деятельности. Значительный процент энергии мы расходуем на то, чтобы противодействовать гравитации. В космическом же полете человек находится в кабине ограниченных размеров и долгое время пребывает в состоянии невесомости, когда мышечные усилия, которые необходимы для поддержания вертикального положения, резко ослабевают.
Кроме того, известно, что давление крови зависит от силы сердечных сокращений, напряжения (тонуса) стенок сосудов и веса циркулирующей крови. Поскольку кровь имеет собственный вес, ее давление в нижней части тела больше, чем в верхней. На вес крови, который «исчезает» в невесомости, приходится 10–15 процентов от общей величины кровяного давления. Если же учесть, что при невесомости отпадает нужда в мышечной работе для поддержания тела в вертикальном положении, то становится очевидным, что нагрузка на сердце и сосуды значительно уменьшится.
Состояние относительного мышечного бездействия и уменьшение нагрузки на сердечно-сосудистую систему влияют на обменные процессы. Иным становится и поток нервных импульсов, непрерывно поступающих в мозг от костно-мышечного аппарата и других органов, что, в свою очередь, сказывается на психо-физиологических реакциях космонавта.
Для изучения длительного влияния невесомости проводились эксперименты, во время которых человека погружали в воду. В какой-то степени бассейн ограниченных размеров имитировал замкнутое пространство космического корабля. В воде, естественно, изменяется обычное ощущение веса, а мышечная деятельность, необходимая для компенсации силы тяжести, не используется.
Идею подобной имитации высказал еще К. Э. Циолковский в работе «Грезы о земле и небе». Он писал, что «человек, средняя плотность которого равна плотности воды, будучи погружен в нее, теряет тяжесть, действие которой уравновешивается обратным действием воды». Но там же он указывал, что иллюзия невесомости «будет далеко и далеко не полной».
В зарубежной печати приводились данные о 27 испытаниях. Девять человек, используя специальную аппаратуру для дыхания и питания, находились под водой сначала по 6, потом по 12 и 24 часа. Девять других беспрерывно пребывали под водой по 7 суток, выходя ненадолго на поверхность лишь раз в сутки. Остальные погружались в воду по шею: голова поддерживалась губчатой резиновой подушкой, а тело — натянутой под водой сеткой. При этом пять человек находились в этих условиях от 5 до 24 часов, а остальные четверо в течение 14 суток ежедневно пребывали в резервуаре с водой по 10 часов. Остальное время им приписывался постельный режим.
Некоторые данные, полученные в ходе этих экспериментов, весьма любопытны.
Все участники опытов, находясь в воде, испытывали желание за что-нибудь держаться, а не оставаться в «свободном» состоянии. Все жаловались на слабость и выражали удивление, когда узнавали, что мышечная сила у них не изменялась (ученые объясняли это тем, что незначительные движения, которые совершались, оказались, достаточными для поддержания мышечного тонуса; очевидно, необходимо все же учитывать относительно непродолжительный период пребывания людей в состоянии пониженной гравитации).
У многих снижалось артериальное давление крови. Пульс и дыхание существенно не менялись, координация движений не нарушалась, хотя психо-моторные реакции замедлились.
Но вот люди вышли из воды. Многие из них чувствовали слабость, дрожь в ногах, кто-то даже потерял сознание.
Переход к обычной тяжести особенно сказался на сердечно-сосудистой системе: функциональные возможности ее заметно понизились. При вращении на центрифуге, когда действовали перегрузки порядка 4–5 единиц, у некоторых наступала полная потеря зрения, другие же и вовсе не могли переносить ускорений, хотя до погружения в воду у них не было никаких расстройств даже при перегрузках в 10 единиц.
Нечто подобное наблюдается у людей, долго пролежавших в постели. Из-за уменьшения гидростатического давления крови выключаются регуляторные механизмы кровообращения, компенсирующие гидростатическое давление, действующее при вертикальном положении. Поэтому, когда человек после тяжелой болезни впервые встает с постели, ослабевшая сердечно-сосудистая система немедленно дает о себе знать: у больного кружится голова, он может потерять сознание. Длительная бездеятельность снижает также мышечный тонус, что в конце концов приводит к атрофии мышц.
Из сказанного ясно, что в межпланетном полете, если не предпринять специальных мер, деятельность сердечно-сосудистой системы ухудшится, а со временем может снизиться и мышечный тонус. Все это отразится на нервно-психических процессах при посадке на Землю и другие планеты, когда вновь начнут действовать силы гравитации.
Как же защитить космонавтов от этой опасности? Прежде всего приходит мысль о создании искусственной тяжести за счет вращения корабля вокруг центра масс — идея, которая также принадлежит К. Э. Циолковскому.
Из физики известно, что вес тела при вращении зависит от угловой скорости и радиуса окружности, по которой происходит движение. Элементарный расчет показывает, что для создания искусственной гравитации, равной земной, вращающийся корабль должен иметь радиус вращения в несколько сотен метров. Если радиус будет меньше, придется увеличить скорость вращения. Но тогда под угрозой окажется здоровье космонавтов.
Сейчас утвердилось мнение, что искусственная гравитация на межпланетных кораблях не обязательно должна соответствовать земной — она может быть в несколько раз меньше. Тем не менее тело человека и окружающие предметы обретут весомость, хотя и пониженную, появится «верх» и «низ» и т. д. Но это лишь частичное решение проблемы.
Другой путь — постоянные физические упражнения в полете — например, растяжение и сжатие пружин и резиновых жгутов. В условиях невесомости для этого нужны точно такие же мышечные усилия, как и на Земле. Но вот что показали опыты. Пять человек подверглись обследованию до и после двухнедельного строгого постельного режима. Трое из них ежедневно выполняли в кровати комплекс физических упражнений, поддерживавших мышечный тонус на постоянном уровне. В конце опыта на стендовых испытаниях обнаружилось, что функциональные возможности сердечно-сосудистой системы снизились у всех пятерых почти одинаково.
Тот же результат дала проверка людей, погруженных в воду. Физические упражнения помогли сохранить лишь мышечный тонус, устранить же влияние пониженной весомости и усилить деятельность сердечно-сосудистой системы они оказались не в состоянии.
Проводились эксперименты и иного рода. Человека погружали в бассейн в специальном костюме, в котором пневматические манжеты препятствовали возвращению венозной крови из конечностей. В течение всего испытания манжеты периодически надувались воздухом на 60 секунд до давления в 60 миллиметров ртутного столба Такие надутые манжеты вызывали повышение периферического венозного давления и, по мнению руководителя опыта, имитировали гидростатический эффект, связанный с вертикальным положением. Таким способом постоянно стимулировались определенные механизмы сердечно-сосудистой системы.
У всех, кто в защитном костюме погружался в воду, по окончании опыта давление крови, частота сердечных сокращений и электрокардиограмма не отклонялись от контрольных данных перед погружением.
Во время 8-суточного полета корабля «Джеминай-5» тоже были использованы пневматические манжеты, которые были надеты на бедра космонавта Купера. Использование их, по-видимому, не оказало существенного влияния на кровообращение.
Американские ученые предполагают создать на орбитальной станции особый отсек для центрифуги, которая поможет бороться с ослаблением сердечно-сосудистой системы. Там же будут создаваться перегрузки перед возвращением космонавтов на Землю.
Таким образом, в длительных космических полетах, очевидно, придется создавать искусственную гравитацию, применять комплекс физических упражнений и специальные костюмы, а также проводить тренировки на центрифугах. Весь этот комплекс, по всей вероятности, позволит защитить организм космонавтов от вредного воздействия невесомости.
