Экофизиологические исследования на животных

 

Успехи космической биологии имели чрезвычайно большое значение для развития космической медицины, для подготовки и осуществления первых полетов человека в космос. Планомерное и последовательное проведение в СССР и в США программы биологических исследований на ракетах и космических кораблях, решение в этих полетах многих практически важных вопросов определили возможность постепенного перехода к новому этапу развития космонавтики – к пилотируемым полетам и непосредственному проникновению человека в космическое пространство.

 

 

Кабина, в которой совершила полет Лайка.

 

 

Многочисленные эксперименты на геофизических ракетах позволили изучить реакции животных, возникающие при суборбитальных полетах (В.И. Яздовский и др., 1951–1957). Было выяснено, что изменения в деятельности сердечно‑сосудистой и дыхательной систем у животных связаны главным образом с перегрузками на активном участке полета и при спуске ракеты на Землю. Степень этих изменений стоит, как правило, в прямой зависимости от величины перегрузок.

Изучение действия на организм невесомости затрудняли в этих полетах маскирующие эффекты перегрузок. В некоторых случаях все же удавалось заметить замедление нормализации функций организма при переходе от повышенной гравитации к невесомости. Этот факт был впервые четко обнаружен при полете собаки Лайки на втором искусственном спутнике Земли. Данные физиологических исследований в этом опыте позволили сделать заключение, что относительно длительное пребывание высокоразвитого живого организма в условиях невесомости не приводит к существенным изменениям функционального состояния важнейших систем организма.

Исключительное значение для последующего развития космической медицины имели биологические исследования на космических кораблях‑спутниках, проведенные в СССР и США в 1960–1961 гг. В них благодаря телеметрической регистрации физиологических функций у собак (СССР) и у приматов (США) оказалось возможным изучить влияние условий орбитального полета не только в период самого полета, но и в течение длительного периода после его завершения. Включение в эти опыты в СССР большого числа разнообразных биологических объектов позволило исследовать также генетические эффекты полетов.

Биологические исследования были продолжены и в пилотируемых полетах. Так, во время полетов кораблей «Восток‑3», «Восток‑4», «Восток‑5», «Восток‑6», «Восход», «Восход‑2» было продолжено изучение влияния полета на лизогенные бактерии, нормальные и раковые клетки человека, одноклеточные водоросли и другие объекты. В дальнейшем биологические исследования проводились в СССР на кораблях «Зонд‑5», «Зонд‑6», совершивших облет Луны, на «Космос‑605» и на «Космос‑690».

 

 

Влияние ускорений.

 

Начальные сведения о влиянии радиальных ускорений‑перегрузок, длительно (свыше 3 сек.) действующих на организм человека, относятся к концу XVIII в. В работе «Зоономия» (1794) Э. Дарвин впервые привел чертеж центробежной машины и указал, что вращение на ней приводит к изменениям кровообращения. В начале XIX в. в лечебнице Шаритэ (Берлин) вращение на центробежной машине использовалось для лечения душевнобольных. В 1820 г. чешский биолог Ян Пуркине провел экспериментальную работу на животных для изучения физиологического механизма действия ускорения. Он отметил, что при вращениях, в случаях, когда вектор перегрузки совпадает с направлением продольной оси тела, у животных возникают резкие изменения мозгового кровообращения. В дальнейшем ведущее значение мозгового кровообращения в механизме повреждающего действия ускорений было показано физиологом В.В. Пашутиным (1881) и врачом Н.О. Цыбульским (1895) в лаборатории В.М. Бехтерева.

Существенное значение для проблемы в целом имели исследования А. Ноэнса и Дж. Йонгбледа (1932–1933), У. Фишера (1937) и X. Диринсгофена (1933), в которых были предприняты попытки оценить изменения гемодинамики количественно, в частности, в случае положительных ускорений, когда перегрузка направлена от головы к тазу. На основании этих работ и некоторых исследований по физиологии и патологии кровообращения Г.Ф. Лангом (1938), В.В. Стрельцовым (1938), Д.Е. Розенблюмом (1939), А.А. Сергеевым (1944) в СССР, Г. Шубертом (1931) в Австрии, О. Гауэром и X. Диринсгофеном (1934) в Германии была развита концепция о преимущественно гемодинамическом механизме повреждающего действия радиальных ускорений. В работах Ланга (1938) и Стрельцова (1938–1947) было отмечено, что адаптация к действию положительных ускорений связана с механизмами регуляции кровообращения, которые в нормальных условиях определяют ортостатическую устойчивость. Влияние положительных радиальных ускорений может, таким образом, рассматриваться как своеобразная усиленная ортостатическая нагрузка.

За последние 10–15 лет в исследованиях на центрифуге собран весьма существенный фактический материал об устойчивости животных и человека к действию разнонаправленных ускорений. Выявлено влияние различных факторов (гипоксии, гиподинамии, вдыхания газовых смесей, обогащенных CO₂, фармакологических препаратов) на устойчивость к действию ускорений и – что особенно важно – вскрыты физиологические механизмы, определяющие развитие патологических симптомов (расстройств зрения – серой и черной пелены, брадикардии, нарушений дыхания и др.), лимитирующих переносимость положительных радиальных ускорений.

Для решения вопроса о режиме взлета и посадки ракетных летательных аппаратов были проведены многочисленные экспериментальные исследования, в которых изучалось влияние на организм животных и человека радиальных ускорений, действующих в направлении, перпендикулярном к продольной оси тела. Были получены данные, характеризующие реакцию дыхания, сердечно‑сосудистой и центральной нервной системы, и установлены изменения в этих системах, ограничивающие переносимость «поперечных» ускорений (П.В. Васильев, А.Р. Котовская, 1965; и др.).

Практически важным результатом этого направления исследований явилось обоснование рационального расположения в ракетных летательных аппаратах биологических объектов и человека. Так, был установлен угол наклона кресла, при котором устойчивость к ускорениям наиболее высока, показана целесообразность использования ложаменов – кресел с моделированной поверхностью, обеспечивающих максимально равномерное распределение перегрузки на всю поверхность тела. Экспериментально изучено также влияние кратковременных (менее 1 сек.), или ударных перегрузок на организм животных и человека. В результате таких работ инженерами в содружестве с врачами и биологами были разработаны катапультные установки и определены параметры допустимых величин перегрузок «приводнения» и «приземления» обитаемых космических кораблей. Эти работы пробудили большой интерес к изучению влияния механической энергии на живые организмы и способствовали развитию соответствующих разделов биофизики (С.А. Гозулов, Г.П. Миролюбов, 1969; и др.).

 

 

Влияние невесомости.

 

Биологические эксперименты на различных живых организмах позволили получить данные относительно влияния невесомости на различные функциональные системы (кровообращение, дыхание и другие), а также на поведение животных, в частности, на позные и двигательные реакции (Г. Генри и др., 1952; X. Бек, 1954; X. Штругхольд, 1956; О.Г. Газенко с соавторами, 1964; В.В. Парин, 1968).

В дальнейшем исследования на человеке в условиях кратковременного воспроизведения невесомости в полетах на самолетах позволили обнаружить различную индивидуальную устойчивость здоровых людей к действию этого фактора. Было установлено, что у некоторых испытуемых в период возникновения невесомости появляются иллюзии; они испытывают ощущение падения, вращения, неправильно оценивают свое положение в пространстве. Существенно, что у многих появляются вегетативные расстройства, тошнота и рвота – симптоматика, характерная для «морской болезни» (Л.А. Китаев‑Смык, 1963; Е.М. Юганов, И.И. Касьян, 1966). Было изучено также функциональное состояние вестибулярного аппарата в условиях невесомости, выявлена роль различных анализаторов (зрительного, двигательного) и изменений межанализаторных взаимоотношений в расстройствах деятельности центральной нервной системы.

Определенные условия гравитации являются одним из наиболее постоянных факторов жизни на Земле. Давно известно большое значение гравитации в морфогенезе и формировании функциональных систем живых организмов, однако эта фундаментальная биологическая проблема экспериментально оставалась слабо изученной. Практика подготовки и: проведения космических полетов заставила биологов внимательнее подойти к оценке значения гравитационного поля как важной экологической константы. Интересные по своим результатам исследования влияния изменений гравитации на процессы жизнедеятельности и развития различных организмов явились началом нового научного направления – гравитационной биологии (А.А. Нейфах, 1962; П.А. Коржуев, 1963; О.Г. Газенко, А.А. Гюрджиан, 1967 и др.). Имеются все основания полагать, что дальнейшее развитие этого направления окажется полезным не только для развития космонавтики, но и внесет ценный вклад в общую биологию.

Проблема влияния на организм человека и животных длительного (многомесячного) пребывания в условиях невесомости, имеющая исключительно важное практическое значение для межпланетных полетов, далека еще от своего разрешения.

В исследованиях, проведенных на грызунах, находившихся в течение трех недель в условиях невесомости во время полета ИСЗ «Космос‑605»‑ (1973), были получены данные, свидетельствующие о развитии атрофических процессов в скелетных мышцах; отмечено также снижение прочности костей конечностей (Е.И. Ильин и др., 1973; В.В. Португалов и др., 1973).

 

[241]

 

Физиологические исследования и медицинские наблюдения, полученные во время и после полета корабля «Союз‑9», свидетельствуют о принципиальной возможности существования человека в космосе в условиях невесомости в течение 18 суток и сохранении им умственной и физической работоспособности. Вместе с тем получены важные данные, свидетельствующие о том, что реадаптация к привычным условиям земной жизни характеризуется длительной перестройкой приспособительных механизмов организма. Последнее обстоятельство имеет большое практическое значение, так как указывает на необходимость разработки специальных средств профилактики неблагоприятных сдвигов функционального состояния организма в периоде последействия (О.Г. Газенко, П.В. Васильев, 1970). Повышение в дальнейшем эффективности профилактических мероприятий, в частности включение специальных тренажеров (А.В. Еремин, В.И. Степанцов и др., 1972), позволяющих воспроизводить во время полета различные формы мышечной деятельности (ходьба, бег и т. п.), позволили в полетах на космических станциях значительно увеличить время пребывания космонавтов в условиях невесомости без проявления у них выраженных симптомов астенизации (до трех месяцев – «Скайлэб‑3»).

 

 

Влияние гиподинамии.

 

В последнее время в связи с длительным пребыванием космонавтов во время полета в кабинах малого объема, неизбежно ограничивающих движения, серьезное внимание привлекла к себе проблема снижения двигательной активности. По характеру физиологического влияния на организм подобное состояние близко к влиянию невесомости и в длительных полетах, вероятно, будет усугублять ее отрицательное действие. При экспериментальном изучении влияния гиподинамии на организм животных и человека (длительное, до 100 суток, пребывание в условиях строгого постельного режима) были обнаружены существенные сдвиги в энергетическом, белковом и водно‑солевом обмене (нарушение азотистого, кальциевого, фосфорного балансов); отмечены снижение функциональных возможностей сердечно‑сосудистой системы и выраженные нарушения регуляции двигательных актов с явлениями мышечной слабости, обусловленной атрофическими процессами (А.М. Генин, А.Д. Воскресенский и др., 1968–1973; И.Д. Пестов, И.С. Балаховский, 1968–1973 и др.).

Изучение гиподинамических состояний позволило значительно расширить представления о биологической роли двигательной активности. Экспериментальные данные ярко показали значение физиологической нагрузки для сохранения функциональной способности и морфологической структуры органа. Действительно, морфологические исследования на животных, перенесших состояние гиподинамии, выявили возникновение у них закономерных нарушений различных структурных элементов поперечнополосатых мышц (В.В. Португалов и др., 1969).

Анализ причин, определяющих возникновение в результате гиподинамии функциональных расстройств регуляции кровообращения, дыхания и других функций, привел к мысли о том, что в таких ситуациях для организма крайне невыгодно находиться в условиях сверхстабильной внешней среды. В связи с этим впервые было подвергнуто критическому обсуждению известное положение К. Бернара о том, что постоянство внутренней среды – непременное условие свободной жизни. Стало очевидным, что определенный диапазон колебания многих параметров внутренней среды совершенно необходим для организма. Отсутствие таких колебаний приводит к постепенному ослаблению адаптационных механизмов, играющих существенную роль в регуляции кровообращения, дыхания, поддержании мышечного тонуса и т. п. В связи с этим некоторые исследователи стали рекомендовать для длительных полетов помимо специальных комплексов мышечных упражнений использовать в герметических кабинах активную газовую среду, стимулирующую деятельность приспособительных механизмов. Такая среда должна, по мнению большинства исследователей, характеризоваться несколько пониженным парциальным давлением кислорода или же сочетанием пониженного парциального давления кислорода с несколько повышенным парциальным давлением углекислого газа (В.Б. Малкин, О.Г. Газенко, 1969).