Жизнь с гравитацией и без нее
Кандидат физико-математических наук Е. Лозовская
Притяжение Земли настолько естественно, что мы его почти не замечаем. Да и как можно заметить силу, которая действует всегда и практически постоянна по величине? Тем не менее гравитация "учтена" практически во всех функциональных системах организма, на всех уровнях, от клеток до скелета. Но чтобы человек наконец-то обратил на гравитацию внимание, потребовался прыжок в космос, туда, где сила тяжести практически исчезает. Конечно, догадку о невесомости высказал еще Жюль Верн, а идею орбитальной станции предложил Циолковский, но все же только после первых запусков на орбиту животных и человека люди впервые по-настоящему осознали, насколько сильно функционирова ние живого организма зависит от величины гравитационных сил. Именно с началом космической эры возникла гравитационная биология как наука. У нас в стране такие исследования сосредоточились в Институте медико-биологических проблем РАН.
ЭВОЛЮЦИОННЫЙ ЭКСКУРС, ИЛИ ОБРЕТЕНИЕ ТОЧКИ ОПОРЫ
Жизнь, как известно, зародилась в океане, и первые позвоночные, заселившие толщу воды, находились в состоянии, которое можно назвать псевдоневесомостью. Более точное определение для этих условий - безопорность. И надо сказать, рыбы и другие морские позвоночные животные превосходно адаптированы к существованию в среде без опоры, у них достаточно хорошо развиты системы движения и ориентации в трехмерном пространстве. Гравитационные проблемы возникли с выходом животных на сушу. Надо было не только поддерживать положение тела в пространстве (ведь здесь уже нет выталкивающей архимедовой силы), но и передвигаться, добывать пропитание. Ползание на брюхе или прыжки не самый удобный способ передвижения, доступный к тому же только относительно мелким животным. (Кстати, крупнейшие позвоночные животные - киты - способны существовать только в океане благодаря архимедовой силе, компенсирующей силу тяжести.) На земле крупным животным пришлось приподнимать тело над землей, и с этого момента заработали все закономерности гравитационной физиологии.
Нужны были механизмы, противостоящие силе тяжести, поэтому эволюция и те силы, которые ею управляли, встроили гравитационный фактор почти в каждую систему. Начала формироваться не только усиленная костно-мышечная система с развитыми конечностями, удерживающая тело в пространстве над землей в покое и в движении, но и система обеспечения всех частей тела кислородом и питательными веществами - мощный сердечный насос, способный гнать кровь вверх. А когда предки человека встали на ноги, также потребовалась перестройка механизмов нервной системы, управляющих движением конечностей (об этом на симпозиуме рассказал молодой французский ученый Ж. Куртен).
УВИДЕТЬ В КОСМОСЕ, ИЗУЧАТЬ НА ЗЕМЛЕ
Хотя гравитационная физиология тесно связана с космическими исследованиями, наука эта вполне земная. Ее достижения уже нашли (и еще найдут!) применение в медицине для лечения заболеваний нервной системы и двигательного аппарата. Более того, основные эксперименты с участием человека сейчас проводят не в космосе, а на Земле. Космос позволяет выявить роль гравитации, но не позволяет корректно изучать ее. Физические упражнения, которые помогают космонавтам выжить на орбите, не дают возможности проводить "чистые" эксперименты. К тому же на Земле рядом с испытуемым всегда находится бригада врачей, готовых немедленно оказать помощь. На борту космической станции ситуация иная, там здоровьем и работоспособностью экипажа рисковать никак нельзя.
Строго говоря, космический корабль или спутник, находящийся на околоземной орбите, не обеспечивает состояние полной невесомости. Небольшая сила тяжести там все же есть, и такие условия называют микрогравитацией. Настоящую невесомость можно получить в аппарате, который летит с постоянной скоростью и не испытывает каких-либо гравитационных возмущений со стороны других небесных тел. А полет по орбите вокруг планеты - это, по сути, долгое-долгое падение, вплоть до самой посадки. Однако это отличие, важное с точки зрения физики, для физиологии значения не имеет, и микрогравитацию организм воспринимает как полное отсутствие тяготения.
На Земле состояние невесомости можно получить во время затяжного прыжка (до раскрытия парашюта) или во время полета самолета по параболической траектории снижения. Довольно много экспериментов с параболическими полетами проводят американские ученые, однако состояние невесомости при этом длится 40 секунд - ничтожно мало по сравнению даже с одним витком космического корабля вокруг Земли.
Гораздо более удобными оказались экспериментальные модели, которые имитируют некоторые эффекты уменьшенной гравитации. Одна из таких замечательных моделей, придуманная в нашей стране еще в 1973 году, - иммерсия, или сухое погружение. Бассейн с водой покрывают свободно расположенной водонепроницаемой пленкой, человек ложится на эту пленку, но с водой при этом не соприкасается, вода смыкается над человеком в пленке, и наружу торчит одна голова. Такая модель как раз и обеспечивает ту самую безопорность, которая существует в океане.
Изучение гравитационных воздействий не ограничивается микрогравитацией. Серьезные последствия, причем проявляющиеся сразу, оказывает гипергравитация, или перегрузка. Такие состояния возникают, например, при взлете и посадке самолетов и космических аппаратов, а моделируют их и изучают с помощью центрифуги.
МЫШЕЧНЫЙ ТОНУС ПОМОГАЕТ СОСУДАМ
Как организм узнает, что гравитационное поле такое, а не другое, что оно есть или что его нет, что изменилось его направление?
У животных и человека важнейшая гравитационно-чувствительная система - сердечно-сосудистая. Кровь под действием силы тяжести стремится опуститься вниз, но в организме выработались определенные системы противодействия этому фактору. В том числе барорецепторная система, регулирующая давление крови в верхней части тела, в каротидных артериях, которые снабжают мозг, что жизненно важно. Барорецепторы - это клетки, нервные окончания которых реагируют на давление крови. Например, если давление снижается, они включают систему поддержания давления. Но если падение давления происходит слишком резко и барорецепторы не успевают срабатывать, наступает потеря сознания. Эта ситуация хорошо знакома многим, если не всем людям. Человек просыпается утром, встает - кружится голова. У больного, который постоянно лежит в постели и адаптировался к горизонтальному положению, развивается гравитационная, или ортостатическая, недостаточность: любая попытка принять вертикальное положение ("ортостаз" в переводе с латинского означает "прямо стою") вызывает большие трудности.
Чтобы бороться с такой ситуацией, нужно понять, как организовано поддержание ортостатической функции. В последние годы стало ясно, что помимо барорецепторов существует еще один важнейший механизм регуляции давления крови - так называемый мышечный насос. Раньше ему не придавали большого значения, поскольку вены, по которым кровь поднимается от нижней части тела к сердцу, не имеют такого гладкомышечного слоя, как артерии, то есть почти не обладают собственным насосным действием. Так как же происходит проталкивание крови? Член-корреспондент РАН Инеса Бенедиктов на Козловская выдвинула гипотезу о роли мышечного тонуса в функционировании сосудистой системы. В обычных условиях у человека постоянно напряжены мышцы конечностей, брюшного пресса. Задача удерживать тело и передвигаться требует от них постоянного тонуса. Этот мышечный тонус и позволяет проталкивать кровь чисто механически. Если тонус снижен, проталкивание крови резко ухудшается.
Совсем недавно в совместных российско-французских исследованиях на борту Международной космической станции и в экспериментах с иммерсией было показано, что в невесомости (или при ее моделировании) увеличивается податливость, мягкость вен. На симпозиуме об этих данных сообщили кандидат медицинских наук Г. Фомина и профессор О. Л. Виноградова.
МЫ ЧУВСТВУЕМ ГРАВИТАЦИЮ… ПОДОШВАМИ
Итак, гравитационные изменения в работе сердечно-сосудистой системы связаны с тонусом мышц, но от чего зависит этот мышечный тонус? Самая гравитационно-чувствительная мышца человека - камбаловидная. Находится она на задней поверхности голени в глубине, сразу над ахилловым сухожилием, и закрыта двумя головками икроножной мышцы. Камбаловидная мышца одна "тянет" 70 кг веса человека, а когда он бегает и прыгает - еще больше. Американцы подсчитали, что на эту мышцу при динамических нагрузках приходится до 10 весов тела, конечно, однократно, в момент толчка.
В невесомости или в экспериментах, ее моделирующих, тонус камбаловидной мышцы резко падает. Как мышца узнает о том, что уровень гравитации стал другим? Конечно, поступают какие-то сигналы от нервной системы, но и в самой мышечной ткани, по-видимому, есть клеточные и молекулярные датчики. Сейчас их изучение только началось, появились представления о механочувствительных каналах в мембране клеток, но эта область пока еще остается белым пятном в науке.
Зато удалось выявить существование совершенно нового органа чувств. В учебниках этого еще нет, но гравитационные физиологи уже признали существование новой сенсорной системы, реагирующей на изменение гравитации, - системы восприятия опоры. Роль новых органов чувств выполняют подошвы ног, а точнее, расположенные в них рецепторы глубокой кожной чувствительно сти - так называемые тельца Фатера-Пачини. Они открыты еще в XIX веке, но их роль в гравирецепции установлена совсем недавно. Конечно, мы воспринимаем подошвами не вес тела, а силу реакции опоры, равную весу по величине и противоположную по направлению, но физиологической сущности это не меняет.
Как именно работают тельца Фатера-Пачини, пока не ясно. Ученые полагают, что механическое воздействие силы реакции опоры передается через нервную систему и влияет на состояние определенных клеток спинного мозга - мотонейронов. В результате в зависимости от силы реакции опоры включаются или выключаются системы, управляющие работой тех мышц, которые поддерживают позу, - это так называемая позно-тоническая система. Другая мышечная система - локомоторная - обеспечивает быстрые и резкие движения в пространстве. Кстати, наличие двух мышечных систем - открытие гравитационной физиологии, связанное с именем И. Б. Козловской. Именно тоническая система противостоит силе тяжести.
Любимая экспериментальная модель для изучения мышечного тонуса - иммерсия, о которой речь шла выше. Эта модель действительно обеспечивает безопорность. По законам гидростатики давление со всех сторон одинаково, а потому организм давления не чувствует. Однако если искусственно имитировать опору, то мышечный тонус можно поддерживать на должном уровне и в условиях иммерсии. Для этого в Институте медико-биологических проблем изобрели уникальный тренажер, который представляет собой башмак с пневматическим приводом. Воздух, сжимаясь, оказывает периодическое давление на стопу, имитируя ходьбу. С такими тренировками мышечный тонус у испытуемых после семидневного погружения в воду оставался в норме.
Ученые пытаются понять, как происходит регуляция мышечной активности на уровне клетки. Как система белкового синтеза мышечных волокон узнает, что ей надо прекращать работу? Как система распада белка получает сигнал - атакуй, повышай активность? Ясно, что существует система, которая "чувствует", работает мышца или нет. Один из возможных механизмов связан с ионами кальция. Недавно стало известно, что при разгрузке (и, конечно, в отсутствие мышечных сокращений) уровень кальция в мышечных волокнах повышен. Интересно, что если связать избыточный кальций, то можно избежать многих неблагоприятных эффектов невесомости. Об этих первых экспериментах со связыванием кальция на симпозиуме рассказал Б. С. Шенкман.
ГРАВИТАЦИЯ, СОЛЬ И ВОДА
То, что тело человека состоит на 70% из воды, давно известно, но вода эта, в соответствии с принятой в физиологии моделью, находится в разных секторах: внутриклеточная жидкость, внеклеточная жидкость (сюда относятся жидкости полостей - брюшной, грудной, церебральной) и сосудистая (кровь). Эволюция добилась того, чтобы не только состав, но и объем жидкости организма поддерживался постоянным, поскольку это дает человеку и крупным животным наибольшую свободу в приспособлении к различным условиям внешней среды.
Как обеспечивается такое постоянство состава и объема? У здорового человека работают механизмы как пассивной регуляции, на основе физико-химических законов, так и с помощью биологически активных веществ. Когда что-то разлаживается, возникают отеки или же несахарный диабет, при котором организм не способен задержать выпитую жидкость.
До того как человек полетел в космос, ученые не подозревали, что функция поддержания состава и объема жидкости зависит от гравитации. Но оказывается, что на снижение силы тяжести организм реагирует направленными усилиями по уменьшению объема внеклеточной жидкости. Объем внутрисосудистой жидкости тоже уменьшается. Если бы человеку предстояло всю оставшуюся жизнь провести на борту космической станции, то эту реакцию следовало бы назвать адаптивной: в невесомости с пониженным объемом жидкости легче жить и работать. Но при возвращении на Землю после продолжительных космических полетов (дольше нескольких суток) возникает состояние, при котором сердце не может нормально снабжать кровью мозг. И дело не только в понижении мышечного тонуса, но и в том, что у сердечно-сосудистой системы просто не хватает объема крови, чтобы заполнить все сосудистое русло.
Казалось бы, достаточно дать человеку выпить воды или раствора солей, но все не так просто. Системы регуляции водно-солевого обмена требуют времени для обратной перестройки, и поначалу жидкость в организме не задерживается. На симпозиуме прозвучал доклад Мартины Хеер из кельнского Центра авиакосмической физиологии. Она рассказала, что по данным, полученным в полетах немецких космонавтов, в условиях реальной невесомости в коже и соединительных тканях начинает откладываться натрий, но не в виде иона, а в связанной с белком форме. Подобный механизм "запасания" минеральных веществ существует у млекопитающих, которые впадают в спячку. Почему это происходит у космонавтов - пока не ясно.
КОСМИЧЕСКИЙ ОСТЕОПОРОЗ И КАК С НИМ БОРОТЬСЯ
Изучение костной системы - один из важнейших разделов гравитационной физиологии. Отсутствие нагрузок на кости в условиях микрогравитации приводит к понижению минеральной плотности кости, что очень похоже на остеопороз. Кости теряют кальций неравномерно. Сильнее всего он вымывается из участков кости, которые формируют суставы, то есть испытывают наибольшую нагрузку в земных условиях. В нижних конечностях процесс потери кальция выражен сильнее, чем в верхних, а в черепе кальций даже откладывается. Как показали исследования доктора медицинских наук В. С. Оганова, процесс восстановления нормальной минеральной плотности занимает в 2-3 раза больше времени, чем длится космический полет, и после продолжительных космических экспедиций растягивается на годы.
Предотвратить потерю кальция - насущная задача, поскольку космонавт, возвращаясь на Землю, испытывает перегрузки посадки. Если кость потеряла прочность, перегрузка может привести к компрессионному перелому позвонков или даже к перелому трубчатых костей.
Для изучения процессов в костной ткани в земных экспериментах используют модель с вывешиванием крыс за хвост. При этом крыса опирается о пол передними лапками, а вот задние как бы находятся в состоянии невесомости. В нормальных условиях кости скелета у крысы растут до самой старости, а при вывешивании их рост затормаживается. Замедляется и процесс ремоделирования - постоянного обновления костной ткани. В экспериментах, которые проводила И. М. Ларина, потерю кальция у крыс удалось предотвратить с помощью ибандроната - препарата, который замедляет рассасывание костной ткани. Возможно, в ближайшем будущем этот препарат войдет в состав космической бортовой аптечки.
КЛЕТКИ НЕ ИСКЛЮЧЕНИЕ
Первые исследования на клетках, которые проводили до полета человека в космос, давали противоречивые результаты. Исследовательская техника была несовершенна, модели не отработаны, случалось, что клетки гибли, и тогда скептики начинали утверждать - космос для человека закрыт. Но по мере усовершенствования экспериментального оборудования и моделей выяснилось, что на клеточном уровне все не так страшно. Клетки в космосе размножались, продуцировали обычные для них вещества. На некоторый период возобладало мнение, что невесомость на клетки вообще не действует, что клетка слишком маленькая, силу тяжести она не ощущает, и только на физиологическом уровне можно уловить какой-то эффект. И лишь исследования последних лет убедительно показали: микрогравитация все-таки влияет на клетки, но ее влияние неразрушительно, и одна из точек приложения - цитоскелет. Структурные элементы цитоскелета - актиновые нити, которые в норме равномерно заполняют объем клетки, сдвигаются к краям. При этом изменяется функционирование и рецепторов, и ионных каналов. Клетка как бы адаптирует свою жизнедеятельность под уменьшенную гравитацию.
Можно ли как-то использовать микрогравитацию в биотехнологических целях? Обсуждаются проекты выращивания клеток хряща или костной ткани, но для этого требуется оборудование, которое не так-то просто разместить в ограниченном пространстве космической станции.
Пока что на МКС проходят более простые, но не менее важные эксперименты с иммунными клетками, о которых рассказала на симпозиуме Л. Б. Буравкова. Объектами исследования стали так называемые естественные киллеры, составляющие 5-8% среди всей популяции лимфоцитов, которые распознают и уничтожают опухолевые клетки, а также клетки, пораженные вирусом, и клетки с отклонениями от нормы. Первые эксперименты показали, что микрогравитация не нарушает межклеточного взаимодействия, но активность киллеров может меняться. Сейчас ученые приступили к изучению влияния микрогравитации на стволовые клетки.
КОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ЛЕЧЕНИИ ЗЕМНЫХ БОЛЕЗНЕЙ
Одна из задач гравитационной физиологии - понять, как невесомость действует на здоровье космонавтов, и помочь в разработке профилактических мер. Однако многие полученные результаты могут быть востребованы и в практике земной медицины.
Весьма перспективная область исследования - поведение мышечных ферментов при миопатиях. Заболевания эти тяжелые, нередко приводящие к смертельному исходу в молодом возрасте. Например, при миодистрофии Дюшенна больные редко доживают до 20 лет, а в России с таким диагнозом рождаются 3 человека на 10 тысяч.
У здорового человека при интенсивной мышечной нагрузке в кровь из мышечных волокон выходит довольно значительное количество фермента креатинфосфокиназы. Почему это происходит, пока не совсем ясно, видимо, мембрана мышечных клеток под нагрузкой становится "дырявой". Аналогичное явление, но без больших физических нагрузок наблюдается у больных миопатией, при этом концентрация фермента в крови еще выше. А вот в космосе и в экспериментах с иммерсией поступление молекул этого фермента в кровь резко снижается. Эти результаты дают надежду, что с помощью иммерсии удастся снизить повреждающее воздействие факторов, которые приводят к миопатии. В лаборатории Б.С. Шенкмана пока проводят соответствующие исследования на животных.
Некоторые методы, разработанные в отделе сенсомоторной физиологии и профилактики, которым руководит И. Б. Козловская, уже активно внедряются в клинику. С помощью нагрузочных костюмов сейчас лечат детский церебральный паралич, инсульт, болезнь Паркинсона. На очереди применение искусственной опоры - того самого пневматического башмака, о котором уже говорилось. К его испытаниям приступают в нервной клинике Российского государственного медицинского университета.
Исследования в космической области помогают разработать новые способы фармакологического воздействия на водно-солевой обмен, лечения состояний, связанных с обезвоживанием.
КАК ДОЛЕТЕТЬ ДО МАРСА
Физиологическим проблемам полета на Марс был посвящен доклад директора Института медико-биологических проблем академика А. И. Григорьева. Успехи космонавтики последних десятилетий делают такой проект достаточно реальным. Накоплен опыт биомедицинской поддержки долговременных экспедиций на орбитальных станциях и полетов на Луну, где сила гравитации меньше земной примерно в 6 раз. А после Луны естественная ближайшая цель космических исследований - Марс. Благодаря непилотируемым полетам наши знания о Красной планете существенно возросли.
Какие основные трудности ждут человека во время такого полета? Минимальная расчетная продолжительность экспедиции - 500 суток, то есть полтора года, причем полет будет проходить в автономном режиме. Если на станцию, расположенную на околоземной орбите, всегда можно выслать корабль с дополнительным продовольствием и топливом, то в дальней экспедиции экипажу придется рассчитывать только на свои силы. Факторов, которые будут "подтачивать" эти силы, очень и очень много: стресс из-за вынужденного нахождения в ограниченном пространстве и искусственном окружении, космическая радиация, отсутствие привычного магнитного поля. Но прежде всего - изменение гравитационного поля. Во время пилотируемого полета на Марс человек столкнется с разными уровнями гравитации. Во-первых, это гипергравитация (перегрузка) во время взлета и посадки. Во-вторых, микрогравитация (невесомость) в течение длительного межпланетного перелета. В-третьих, гипогравитация на поверхности Марса, которая составляет 38% от земной силы тяжести.
Перегрузки тяжелы для организма: это огромное напряжение для мышц, костей, сосудов. Меняется и метаболизм: возрастает потребление кислорода, падает температура тела, нарушается суточный ритм. По счастью, такие нагрузки кратковременны, и подготовиться к ним можно, тренируясь на центрифугах.
Казалось бы, по сравнению с перегрузкой невесомость должна доставлять более приятные ощущения. Но, как уже говорилось выше, отсутствие силы тяжести чревато неприятными последствиями для самых разных систем организма: происходит перераспределение жидкости в организме, снижаются сократительная способность мышечных волокон и минеральная плотность костной ткани, усиливается риск переломов и образования камней в почках.
В космическом полете изменяется состояние вестибулярного аппарата и сенсорных систем. Происходит расстройство всех форм зрительных движений. Причем микрогравитация влияет как на скорость, так и на точность зрительной реакции. А ведь задача человека в длительном полете - не просто выдержать нагрузки, но и сохранить способность к сложной операторской деятельности. Долетев до Марса, надо будет посадить на поверхность планеты спускаемый модуль, а затем стартовать. А для успешной работы на Марсе необходима быстрая адаптация к марсианской гравитации после долгого пребывания в невесомости.
Как справиться с проблемой неблагоприятного влияния невесомости в условиях длительного полета? Первым делом приходит в голову мысль о создании искусственной гравитации. Идею искусственной гравитации, создаваемой с помощью вращения, впервые выдвинул еще Циолковский. Она была реализована на искусственном спутнике "Космос-936", в котором летали крысы. Однако результаты первых исследований показывают, что всех проблем искусственная гравитация не снимает. Сейчас осуществляется международный проект по изучению физиологического действия искусственной гравитации, в котором участвуют Россия, Германия и США.
Опыт орбитальных станций показывает, что более перспективно использование бортового комплекса тренажеров, который работает по принципу обратной связи и автоматически определяет нагрузку, необходимую космонавту.
В любом случае, если посылать человека на Марс, надо сделать все, чтобы он вернулся обратно, и вернулся здоровым.
РАЗМЫШЛЕНИЯ ПОСЛЕ СИМПОЗИУМА
Симпозиумы по гравитационной физиологии имеют свою историю. В середине 1970-х годов четыре выдающихся ученых: американцы Артур Смит и Нелло Пейс, швед Хилдинг Бьюрштедт и Олег Георгиевич Газенко, в то время директор Института медико-биологических проблем, - собрались вместе и учредили так называемую Гравитационную комиссию, а точнее, Комиссию по гравитационной физиологии Международного союза физиологических наук. С заседаний этой комиссии и начались регулярные встречи специалистов, изучающих влияние гравитации на живое, которые проходят в атмосфере неформального, дружеского общения.
"Мы все давно знаем друг друга, и каждая такая встреча - праздник, - говорит ответственный секретарь оргкомитета Б. С. Шенкман. - Такие симпозиумы нужны для того, чтобы учить молодежь, приучать наших молодых исследователей общаться и работать на международном уровне. В космической отрасли почти все эксперименты - международные. И, к сожалению, у нашей науки здесь те же проблемы, что и у страны в целом. Мы проводим хорошие, интересные эксперименты, а тонкими аналитическими технологиями (включая дорогостоящее оборудование), позволяющими исследовать клеточные и молекулярно-биологические механизмы, часто владеют только наши западные коллеги. Иначе говоря, нам крысу в космос запустить - запросто, а вот исследовать у нее гены - уже гораздо труднее. Тем не менее наша область науки выходит из прорыва. В лабораториях появляются новые приборы. Все больше молодых сотрудников возвращаются из-за границы после длительных стажировок вооруженные последними методическими достижениями. И позволю себе высказать крамольную мысль: может быть, нужно больше денег вкладывать в тонкие базисные эксперименты, новое экспериментальное оборудование. К сожалению, не все понимают, что проводить практические разработки без фундаментального научного обеспечения будет означать всего лишь возвращение к допотопному методу "проб и ошибок" (что в итоге обойдется обществу гораздо дороже). Не надо ждать от науки каждодневных сенсаций, не надо требовать от нее сиюминутных чудес. Как показывает исторический опыт, вложения в науку всегда окупаются, но не всегда - сразу".
Редакция благодарит доктора биологических наук Б. С. Шенкмана, доктора медицинских наук И. М. Ларину и доктора медицинских наук Л. Б. Буравкову за помощь в подготовке материала.
Читайте в любое время
