Невесомость. Влияние невесомости

Невесомость – состояние, при котором сила гравитации отсутствует или уравновешивается инерционными силами. Это наиболее уникальный и практически невоспроизводимый в лабораторных экспериментах фактор космического полета.

Невесомость наступает на космическом аппарате сразу после выключения ракетных двигателей, при переходе к орбитальному полету.

Состояние невесомости предъявляет особые требования к конструкции и оборудованию космического аппарата. Так, каждый космонавт должен иметь возможность зафиксировать тело в нужном месте, чтобы не «всплыть» во время работы. Все предметы должны быть укреплены на отведенных им местах. Так как поведение жидкости при невесомости определяется силами поверхностного натяжения, для воды и других жидкостей нужны эластичные сосуды и герметичные контейнеры, предотвращающие их разбрызгивание. В связи с отсутствием при невесомости конвекционного перемешивания воздуха его циркуляция внутри кабины должна обеспечиваться вентиляторами.

Отсутствие влияния силы тяготения в значительной степени осложняет работу человека на борту космического корабля-спутника и приводит к потере работоспособности. Первичными эффектами невесомости являются снятие гидростатического давления крови и тканевой жидкости, весовой нагрузки на костно-мышечный аппарат, а также отсутствие гравитационных стимулов специфических гравирецепторов афферентных систем. При этом наступает понижение мышечного тонуса, нарушается координация мышечных движений. Действие невесомости на сердечно-сосудистую систему выражается в небольшом понижении артериального давления и частоты сердцебиений с периодическим учащением пульса. Такие функции, как дыхание и глотание пищи, не нарушаются.

Состояние невесомости в начальный период часто вызывает нарушения пространственной ориентации, иллюзорные ощущения и симптомы болезни движения (головокружение, дискомфорт в желудке, тошнота и рвота), что связывают главным образом с реакциями вестибулярного аппарата и приливом крови к голове. Наблюдаются также изменения субъективного восприятия нагрузок и некоторые другие изменения, вызываемые реакциями чувствительных органов, которые настроены на земную силу тяжести. В течение первых десяти дней пребывания в невесомости в зависимости от индивидуальной чувствительности человека, как правило, происходит адаптация к указанным проявлениям невесомости и самочувствие восстанавливается.

Доказано, что человек может существовать и активно функционировать в условиях невесомости. Последствиями длительного пребывания в невесомости являются: детренированность сердечно-сосудистой системы, потеря организмом солей кальция, фосфора, азота, натрия, калия и магния. Эти потери относят за счет уменьшения массы тканей вследствие их атрофии от бездействия и частичной дегидратации организма. Обусловленные невесомостью биофизические и биохимические сдвиги в организме (изменения гемодинамики, водно-солевого обмена, опорно-двигательного аппарата и др.), включая изменения на молекулярном уровне, направлены на приспособление организма к новым условиям внешней среды.

Для предупреждения неблагоприятных реакций организма человека в период невесомости и реадаптации применяется широкий комплекс профилактических мероприятий и средств (велоэргометр, бегущая дорожка, тренировочно-нагрузочные костюмы и т.д.). Их эффективность была убедительно продемонстрирована в многосуточных полетах.

Укачивание

Самая распространенная проблема, с которой люди сталкиваются в первые часы невесомости, известна как синдром космической адаптации или SAS, обычно называемый космической болезнью. Это связано с укачиванием и возникает, когда вестибулярная система адаптируется к невесомости. Симптомы SAS включают тошноту и рвоту, головокружение, головные боли, летаргию и общее недомогание. О первом случае SAS сообщил космонавт Герман Титов в 1961 году. С тех пор примерно 45% всех людей, побывавших в космосе, страдали этим заболеванием.

Ухудшение костей и мышц

Основной эффект длительной невесомости заключается в потере костной и мышечной массы. Без воздействия силы тяжести скелетным мышцам больше не требуется поддерживать осанку, а группы мышц, используемые для передвижения в невесомости, отличаются от тех, которые требуются для передвижения по земле. В условиях невесомости космонавты почти не нагружают мышцы спины или ноги, используемые для вставания. Затем эти мышцы начинают слабеть и в конечном итоге становятся меньше. Следовательно, некоторые мышцы быстро атрофируются, и без регулярных упражнений космонавты могут потерять до 20% своей мышечной массы всего за 5-11 дней. Типы мышечных волокон, выступающих в мышцах, также меняются. Медленно сокращающиеся волокна выносливости, используемые для поддержания осанки, заменяются быстро сокращающимися волокнами, которых недостаточно для любой тяжелой работы. Достижения в области физических упражнений, гормональных добавок и лекарств могут помочь сохранить мышечную массу и массу тела.

Меняется также костный обмен. Обычно кость ложится в направлении механической нагрузки. Однако в условиях микрогравитации механическое напряжение очень мало. Это приводит к потере костной ткани примерно на 1,5% в месяц, особенно в области нижних позвонков, бедра и бедра. Из-за микрогравитации и снижения нагрузки на кости происходит быстрое увеличение потери костной массы, с 3% корковой потери костной ткани за десятилетие до примерно 1% каждый месяц. Быстрое изменение плотности костной ткани становится неизбежным, что делает кости хрупкими и приводит к симптомам, напоминающим симптомы остеопороза. На Земле кости постоянно теряют и регенерируют ткань с помощью хорошо сбалансированной системы, которая включает передачу сигналов остеобластами и остеокластами. Эти системы взаимосвязаны, так что всякий раз, когда кость разрушается, поврежденное место занимают вновь сформированные слои у здорового взрослого человека. В космосе, однако, наблюдается увеличение активности остеокластов из-за микрогравитации. Это проблема, потому что остеокласты расщепляют кости на минералы, которые реабсорбируются организмом. Остеобласты не активны последовательно с остеокластами, в результате чего кость постоянно уменьшается без восстановления. Это увеличение активности остеокластов особенно заметно в области таза, потому что это область, которая несет наибольшую нагрузку при наличии силы тяжести. Исследование показало, что у здоровых мышей внешний вид остеокластов увеличился на 197%, что сопровождалось подавлением остеобластов и факторов роста, которые, как известно, помогают формированию новой кости, всего после шестнадцати дней воздействия микрогравитации. Повышенный уровень кальция в крови из-за утраченной кости приводит к опасному кальцификации мягких тканей и потенциальному образованию камней в почках. Пока неизвестно, полностью ли восстанавливается кость. В отличие от людей с остеопорозом, у космонавтов в конечном итоге восстанавливается плотность костей. После 3-4-месячного полета в космос требуется около 2-3 лет, чтобы восстановить утраченную плотность костной ткани.

Поэтому разрабатываются новые методы, которые помогут космонавтам быстрее восстановиться. Исследования диеты, физических упражнений и лекарств могут помочь в процессе роста новой кости.

Восполнение дефицита весовой нагрузки на костно-мышечный аппарат в условиях невесомости относится к числу весьма перспективных направлений в разработке профилактических мероприятий. Обеспечивается за счет физической тренировки с использованием пружинных или резиновых эспандеров, велоэргометров, тренажеров типа «бегущей дорожки» и нагрузочных костюмов, создающих статическую нагрузку на тело и отдельные мышечные группы за счет резиновых тяг.

Перераспределение жидкости

Невесомость влияет на баланс жидкости в организме, обмен белков, жиров, углеводов, минеральный обмен, а также на некоторые эндокринные функции. Наблюдаются потери воды, электролитов (в частности, калия, натрия), хлоридов и другие изменения в обмене веществ.

В космосе астронавты теряют объем жидкости, в том числе до 22% объема крови. Из-за того, что ему нужно перекачивать меньше крови, сердце атрофируется. Ослабленное сердце приводит к низкому кровяному давлению и может вызвать проблемы с «ортостатической толерантностью» или способностью организма посылать достаточное количество кислорода в мозг без обморока или головокружения космонавта. Под действием земной силы тяжести кровь и другие биологические жидкости тянутся к нижней части тела. Когда гравитация снимается или уменьшается во время исследования космоса, кровь имеет тенденцию скапливаться в верхней части тела, что приводит к отеку лица и другим нежелательным явлениям и побочным эффектам. По возвращении на землю кровь снова начинает скапливаться в нижних конечностях, что приводит к ортостатической гипотензии».