О.Г.Газенко, действительный член РАН, А.И.Григорьев, действительный член РАН и РАМН, Д.К.Малашенков, научный сотрудник, ГНЦ РФ Институт медико-биологических проблем КОСМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ И МЕДИЦИНА НА ПОРОГЕ 21-ГО ВЕКА Рубеж столетий побуждает к осмысливанию накопленного опыта и формированию багажа, с которым человечество вступит в 21-й век. По мнению многих специалистов, сейчас еще идет, в основном, исследовательский этап, познание общих закономерностей и тенденций развития космонавтики. И это понятно. Ведь тридцать девять лет - срок довольно незначительный. В то же время, нельзя не видеть, что космонавтика уже и сегодня эффективно плодоносит. За годы, отделяющие нас от первого полета человека в космос, космонавтика стала ведущей областью научно-технического прогресса, которая позволяет эффективно осуществлять крупномасштабные научные, коммуникационные, метеорологические, телемедицинские и другие проекты. Естественно, возникает вопрос о том, в какой мере в настоящее время решены основные медицинские и биологические проблемы, связанные с участием человека в реализации космических проектов будущего столетия. Очевидно, что перспективы освоения космического пространства в значительной мере будут зависеть от развития не только космической техники, но и так называемых "наук о жизни", включающих совокупность таких дисциплин, как космическая медицина, физиологии и биология. С начала космической эры пройдена огромная дистанция от 108 мин. Юрия Гагарина до 438 сут. работы в космосе врача-космонавта Валерия Полякова. За эти годы на советских и российских космических кораблях по настоящий момент выполнено 210 человеко-полетов (включая американских бортинженеров), в том числе 107 кратковременных (до 2-х недель), 72 - средней продолжительности (до 3-х месяцев), 28 - длительных (свыше 3-х месяцев) и 3 сверхдлительных (свыше 1 года) человеко-полетов. Общие время работы космонавтов на орбите уже превысила 42 года. Важным с точки зрения анализа научных результатов является вопрос о возможных способах и средствах, каковы стратегия и тактика, позволяющие человеку все увереннее чувствовать себя вне Земли. Разработанная российскими специалистами стратегия заключалась в последовательном, постепенном увеличении времени безопасного пребывания человека в космосе без ущерба для его здоровья и с сохранением достаточного уровня работоспособности для выполнения той или иной программы полета. Тактические шаги по последовательной реализации выработанной стратегии строились следующим образом. Результаты каждого полета, наземных экспериментов, исследований на биоспутниках, равно как и исследования в области общей физиологии и медицины пополняли багаж знаний о влиянии факторов космического полета на человека. Это позволяло постоянно совершенствовать систему отбора и подготовки космонавтов, комплекс средств медицинского контроля за состоянием их здоровья и его прогнозирования, профилактики неблагоприятного действия невесомости, реабилитационных мероприятий после длительных полетов. На борту космического корабля или станции, космонавт осуществляет свою профессиональную деятельность в весьма необычных условиях. На его организм воздействуют внешние факторы, наиболее значимыми из которых для здоровья и работоспособности являются микрогравитация и ионизирующая радиация (галактическое космическое излучение, протоны солнечных вспышек и др.). Внутри корабля космонавт находится в искусственной среде с заданным химическим составом и другими параметрами атмосферы, создаваемыми с помощью систем жизнеобеспечения, функционирующих в настоящее время на основе физико-химических технологий. Деятельность и пребывание человека в такой техногенной среде, наряду с влиянием на него факторов космического полета, обуславливают значительную дополнительную нагрузку на организм. Именно невесомость является основным фактором, вызывающим в КП развитие специфических изменений в организме человека. Адаптация человека к невесомости сопровождается развитием срочных и долговременных приспособительных реакций, направленных на стабилизацию различных функций организма и приводящих к физиологической и, частично, структурной перестройке организма. Срочные реакции, связанные с изменением в невесомости объема и структуры сигналов, поступающих в ЦНС от различных сенсорных систем, направлены на восстановление их адекватного соотношения, а частичное перемещение крови в верхнюю часть тела включает механизмы, обеспечивающих создание адекватных условий кровенаполнения в области грудной клетки и головы (ускоренное выведение жидкости из организма, изменение тонуса сосудов и т.п.). В результате этого снова устанавливается равновесие в системе организм-среда, обеспечивающее адекватный уровень работоспособности, необходимый для выполнения программы полета. Долговременные приспособительные реакции могут проявляться при длительном пребывании в невесомости формированием новых или изменением существующих функциональных систем, адаптирующихся к новым условиям жизнедеятельности. При этом вследствие снижения нагрузки на опорно-двигательный аппарат, происходит частичная утрата свойств и качеств, приобретенных человеком в процессе индивидуального развития и жизни и необходимых ему для жизни в условиях воздействия земной силы тяжести. Адаптация к условиям невесомости является применительно к условиям Земли неблагоприятным последствием. Вследствие недостаточной нагрузки изменяется структура мышечных волокон, развивается атрофия некоторых групп скелетных мышц, остеопороз костной ткани. В целом возникает детренированность механизмов, ответственных за поддержание вертикальной позы и выполнение движений в условиях Земли, а также за регуляцию сосудистого тонуса и т.д. Одновременно устанавливается новый уровень показателей метаболизма, водно-солевого баланса, сердечно-сосудистой и других систем, а также изменяются нейрогуморальные механизмы регуляции. Однако эти сдвиги на уровне организма, вероятно, связаны с изменением нейрогуморальной регуляции под влиянием новой физической среды обитания, а не с непосредственным повреждающим воздействием невесомости на организм человека. Без использования или при недостаточном использовании бортового комплекса средств профилактики неблагоприятного влияния невесомости, космонавты все больше и больше адаптируются к условиям КП, но все больше и больше отвыкают от тех условий, в которых им предстоит жить на Земле. При возвращении космонавтов на Землю в раннем периоде реадаптации снова возникают гравитационно обусловленные острые реакции организма человека - ортостатические нарушения, невозможность поддержания вертикальной позы при стоянии и ходьбе с гораздо более выраженными симптомами и снижением работоспособности по сравнению с переходом к невесомости. Поэтому, основным принципом проводимых в КП профилактических мероприятий, является, как это не парадоксально звучит, противодействие адаптации к невесомости. Ношение космонавтами нагрузочных костюмов воссоздает осевую нагрузку на тело, что вызывает определенную степень деформации и стимуляцию рецепторов опорно-двигательного аппарата. Физические тренировки направлены на поддержание тренированности наиболее важных систем и сохранение работоспособности организма, стимуляцию некоторых групп рецепторов и сохранение двигательных навыков. Важное значение имеет имитация в невесомости с помощью физических средств эффекта гидростатического давления крови, задержка жидкости в организме и воспрепятствование депонированию её в нижних конечностях. Реализация в длительных полетах комплекса профилактических воздействий полностью или в значительной степени ослабляет вызванные невесомостью адаптационные сдвиги со стороны различных систем организма и в значительной мере снижает выраженность реакций организма при переходе к условиям гравитации. Достигнутая длительность пилотируемых КП и перспектива её дальнейшего увеличения определяется главным образом способностью человека адаптироваться к невесомости и реадаптироваться к силе тяжести после возвращения на Землю. На основании накопленного опыта складывается впечатление, что все практически здоровые люди могут с меньшей или большей выраженностью реакций адаптироваться к условиям КП длительностью, по крайней мере, до года. Можно выделить четыре основных этапа развития медико-биологических исследований в космических полетах (КП). Первый этап - биологическая индикация космических трасс. На этом этапе проводились исследования с использованием широкого круга биологических объектов во время полетов ракет и первых спутников Земли в целях подготовки человека к полету в космическое пространство (50-е - начало 60-х гг. нашего века). Полученные результаты, свидетельствующие об отсутствии биологических ограничений для жизни в условиях полета по околоземной орбите, явились достаточным основанием для решения вопроса о возможности кратковременного КП человека. Второй этап - кратковременный полет человека в космос. Медико-биологические исследования, проведенные в 60-е - начале 70-х гг. во время кратковременных пилотируемых КП космических кораблей, свидетельствовали о возможности безопасного пребывания человека в условиях невесомости длительностью 2-3 недели и его активной деятельности вне корабля, в том числе на поверхности Луны. При этом в послеполетном периоде были выявлены заметные изменения, которые, казалось бы, нарастали с увеличением продолжительности космических миссий и после полетов длительностью 14-18 сут. оказались весьма существенными. Последнее обстоятельство стимулировало разработку и создание системы соответствующих профилактических мероприятий и углубленных медицинских обследований с целью обеспечения надежной безопасности пребывания человека в космосе при постепенном увеличении продолжительности полетов. Третий этап - исследования во время длительных полетов пилотируемых станций и специализированных биологических спутников Земли. Медико-физиологические исследования, проведенные в 1971-1999 гг. во время пилотируемых полетов длительностью от 1 до 14,5 месяцев на российских орбитальных станциях "Салют" и "Мир" и трех экспедиций длительностью 28, 56 и 84 суток на американской станции "Скайлэб", показали, что космонавты (и мужчины и женщины) достаточно хорошо приспосабливаются и эффективно работают в условиях невесомости. Обширный комплекс фундаментальных и прикладных медико-биологических исследований, выполненный на комплексе "Мир", внес существенный вклад в решение практических задач пилотируемой космонавтики и ряда фундаментальных научных дисциплин. В результате проведенных исследований определены основные факторы риска в пилотируемых полётах, изучены специфические и неспецифические закономерности адаптации человека к факторам космического полёта, выявлены основные системы организма наиболее подверженные изменениям в условиях длительного полёта, разработаны эффективные методы и средства профилактики неблагоприятных сдвигов в организме под влиянием факторов КП. Разработана и реализуется комплексная программа медицинской оценки состояния и профилактики нежелательных отклонений в организме, основное содержание которой составляют специальные комплексы физических тренировок на бортовых тренажёрах, ношение специальных нагрузочных костюмов, оптимизация деятельности и отдыха экипажа, психологическая поддержка, использование тренировок с воздействием отрицательного давления на нижнюю часть тела, фармакологическая профилактика, оптимизация питания и т.д.. Выполнена программа фундаментальных биологических исследований на растениях, птицах, земноводных, включая изучение роста и развития биообъектов для создания перспективных биологических систем жизнеобеспечения. В результате этой работы были определены факторы риска КП и основные системы организма, подверженные наибольшим изменениям, а также изучены закономерности приспособления организма к условиям жизни в космосе. На ранних этапах становления космической биологии и медицины внимание учёных было направлено преимущественно на изучение неблагоприятных эффектов и биологическую индикацию КП. С помощью вертикальных пусков ракет и орбитальных полетов искусственных спутников Земли было доказано отсутствие принципиальных ограничений возможности полета человека по околоземной орбите и разработано необходимое для этого оборудование. Однако вскоре проводимые исследования вышли за рамки прикладных задач и обнаружили тесную связь с фундаментальными проблемами физиологии. Открылись новые возможности для изучения в космосе и в условиях моделирования на Земле закономерностей адаптации организма к экстремальным факторам окружающей среды, общих механизмов регуляции функций, взаимодействия систем организма, раскрытия понятий физиологической нормы, переходных состояний и изучения других актуальных проблем физиологии. Эксперименты в космосе на биологических искусственных спутниках Земли "Космос-110" (1966 г.) и "Бион" (11 полетов в период 1973-1997 гг.) с целью углубленного изучения механизмов влияния условий космического полета, прежде всего невесомости, на процессы жизнедеятельности организмов различного уровня организации (микроорганизмы, грибы, высшие растения, насекомые, рыбы, земноводные и млекопитающие) явились важным дополнением к программам медицинских исследований в пилотируемых полетах. Многолетние разносторонние исследования (физиологические, морфологические, биохимические, генетические и др.) позволили выяснить механизмы адаптации к факторам КП у живых существ разного эволюционного уровня развития. Благодаря этим исследованиям существенно расширились знания о механизмах пространственной ориентации человека, влиянии гравитационного фактора на скелетно-мышечную, сердечно-сосудистую и иммунную системы, кроветворение, водно-солевой обмен и функцию почек, деятельность ЦНС и метаболизм. Это позволило разработать эффективные методы и средства профилактики неблагоприятных сдвигов в организме человека в полетах разной продолжительности и решить ряд важных гигиенических и экологических проблем, связанных с деятельностью человека в замкнутом объёме космического корабля. Систематические исследования на биоспутниках позволили также выявить универсальное значение фактора гравитации в формировании структуры и функции живых систем. Например, в полете биоспутника "Космос-936" впервые были получены данные о том, что искусственная гравитация, создаваемая с помощью бортовой центрифуги, может предупредить многие неблагоприятные эффекты невесомости. Это позволило рассматривать искусственную силу тяжести (ИСТ) в качестве одного из перспективных средств для поддержания оптимального состояния организма человека в длительном КП. Проникновение человека в космос привело к формированию нового раздела биологической науки - гравитационной биологии. Полеты биологических спутников, пилотируемые полеты, наземные модельные эксперименты дали уже сейчас огромный научный материал, раскрывающий сущность воздействия гравитации на различные биологические объекты, включая человека. Эти данные важны для медицины, прежде всего для понимания нормальных и патологических реакций, возникающих при попадании организма в условия невесомости и возврате к земным условиям. Увеличение продолжительности и сложности программ полетов, повышая требования к космонавту, заставило по-новому оценить роль "человеческого фактора" в системе "космонавт - космический корабль". Решение проблемы обеспечения устойчивости психологического состояния человека в длительном полете затрагивает весь комплекс поведенческих аспектов, включая области психологических потребностей, переживаний, проблем общения с коллегами по экипажу и наземными службами (ЦУП), ролевых отношений, планирования деятельности, критериев успеха, системы внешних стимулов и т.п. Особенно сложна эта задача, когда сроки полета измеряются годами. Исследования в области космической психологии направлены на повышение психологической и профессиональной надежности космонавтов на основе: совершенствования методов и средств отбора, подготовки и комплектования экипажей и оценки психического состояния космонавтов; профилактики и коррекции психической дезадаптации; исследования особенностей группового взаимодействия; изучения биоритмологических аспектов адаптации; оптимизации профессиональной деятельности космонавтов. Хотя организация жизнедеятельности экипажа в длительных космических полетах регламентирована возможностями техники, медики и психологи требуют постоянно совершенствовать условия жизни и работы человека в космическом аппарате. Это позволит смягчить психогенные последствия, наносимые человеку искусственной средой обитания. По общему признанию всех космонавтов, совершивших длительные КП, важным фактором поддержания нормального самочувствия и работоспособности в этих условиях является штатная система психологической поддержки. При этом на первое место ставится, как правило, возможность приватной связи с семьей и сеансы нерегламентированного общения как с близкими, друзьями, так и различными представителями общественной жизни. Для объективной характеристики психического состояния космонавтов в длительных полетах разработан ряд эффективных методов его количественной оценки, которые успешно используются в практике медицинского обеспечения пилотируемых КП, в том числе полетов международных экипажей. Наступающий век откроет новые перспективы освоения космического пространства, среди которых важнейшее место займут орбитальные станции нового поколения, как, например, Международная космическая станция (МКС), создаваемая силами России, США, Европейского Союза, Японии и Канады, научные лунные базы, пилотируемый полет к Марсу. Развитие пилотируемой космонавтики в наши дни характеризуется тенденцией к интеграции научных, интеллектуальных ресурсов различных стран (космических агентств, научных космических центров и организаций) при подготовке перспективных космических проектов. Так, например, развертывание МКС предполагает: интеграцию российских и американских наземных служб медицинского обеспечения полётов экипажей на основе унификации организационных форм, методов и средств отбора и подготовки космонавтов и астронавтов, взаимодействия структур управления полётами (ЦУП и Центр имени Линдона Джонсона), до- и послеполётное обследования; выработку единых международных стандартов по санитарно-гигиеническим, экологическим условиям, по средствам и системам жизнеобеспечения, по системам медицинского обеспечения полётов, включая полётную систему медицинского контроля, прогнозирования состояния членов экипажей, профилактики, диагностики и лечения экипажей; выполнение совместных исследований по космической биологии и медицине с использованием унифицированных технических и санитарно-гигиенических средств и, в перспективе, созданного медицинского модуля. Каждый новый шаг в освоении космоса должен быть тщательно взвешен и обоснован. Одним из путей для этого является проведение широкого спектра предварительных исследований на животных и наземных модельных экспериментах с участием человека. С этой целью, например, создаются биоспутники нового поколения, запускаемые на орбиту МКС и способные находиться на ней до 120-180 суток. В 1999-2000 гг. ГНЦ РФ ИМБП провел 240-суточный комплексный эксперимент СФИНКСС (аббревиатура английского названия "Моделирование полета международного экипажа на космической станции"), в котором приняли участие космические агентства России, Европейского Союза, Канады и Японии, а также исследователи из США, Австрии, Германии, Норвегии, Швеции и Чехии. 27 испытателей-добровольцев из России, Японии, Австрии, Германии, Канады и Франции провели более 27000 научных исследований и штатных процедур медицинского контроля. В эксперименте был получен большой уникальный опыт изучения деятельности международного экипажа, длительной работы женщины в условиях, максимально приближенных к реальным условиям КП. Также с нашей точки зрения очень важно, чтобы орбитальный комплекс "Мир" продолжил функционировать на орбите в период после 2000 г. Учитывая, что научные исследования на МКС смогут начаться не раньше 2004-2005 гг., это позволит проводить дальнейшую отработку и совершенствование методов и средств медицинского обеспечения безопасности и эффективности деятельности экипажей применительно к задачам МКС и продолжать научные исследования, используя уникальное бортовое медико-биологическое оборудование. В настоящее время космическая медицина находится на рубеже следующего этапа своего развития, связанного с обеспечением автономной жизни, например, на лунной научной базе или на борту межпланетного космического корабля. Четвертый этап - подготовка автономного космического полета Новизна поставленных задач определяется необходимостью существенно повысить надежность технических и медицинских систем, вследствие невозможности быстрого возвращения экипажа на Землю при аварии или заболевании. Продолжительные полеты на комплексе "Мир" и МКС должны послужить основой для отработки различных аспектов подготовки полета на Марс. В последние годы в России и США проводится теоретический анализ поставленных задач, и экспериментально отрабатываются отдельные медико-биологические аспекты автономного полета. Одним из начальных этапов такой отработки стал 438-суточный орбитальный полет врача-космонавта Валерия Полякова, сотрудника ГНЦ РФ ИМБП, доказавший отсутствие принципиальных медико-биологических ограничений для марсианской миссии. В отличие от полетов по орбите Земли для марсианской миссии характерны: длительное (не менее 2 лет) проживание экипажа в условиях искусственной среды, что приведет к накоплению в атмосфере микропримесей биологической и химической природы, формированию необычного микробного сообщества внутри корабля, возможному отклонению параметров микроклимата от границ безопасной зоны; воздействие гравитационных перегрузок посадки и взлета с Марса и посадки на Землю на детренированный организм; возможность воздействия галактического космического излучения; проблемы со связью вследствие запаздывания сигналов на 15-30 мин.; невозможность экстренного возвращения экипажа на Землю или замены заболевшего члена экипажа, что делает совершенно необходимым участие в экспедиции высококвалифицированного врача-космонавта; необходимость длительного проживания и совместной деятельности в составе экипажа, находящегося в изоляции, с возможным развитием психологической несовместимости и психо-эмоционального стресса. Предстоит создать более биологически полноценную и экологически обоснованную среду обитания, адекватную долговременным биологическим потребностям человека. На борту марсианского космического корабля необходимо создать аналог земной биосферы, активными компонентами которого будут человек, животные, растения, микроорганизмы. При этом на смену существующим системам придут регенеративные системы жизнеобеспечения с высоким коэффициентом замкнутости циклов. В наземных лабораториях уже сейчас получены обнадеживающие результаты. Другой важной проблемой является защита от галактического и солнечного космического излучения, которые значительно возрастут за пределами радиационных поясов. При длительных межпланетных путешествиях придется считаться с риском возникновения мутагенных процессов, а также с угрозой жизни и здоровью космонавтов. Подходами к обеспечению радиационной безопасности при этом могут быть: выбор определенных периодов солнечной активности, создание на борту космического корабля радиационного убежища и возможное использование фармакологических средств защиты. Пилотируемый полет на Марс потребует решения ряда физиологических проблем, обусловленных длительным пребыванием в невесомости. Симптоматика и механизмы наступающих при этом изменений в организме для полетов имеющейся продолжительности исследованы достаточно детально, однако разработанные меры профилактики нуждаются в дальнейшем совершенствовании. В частности, будет уточнена возможность использования для этих целей ИСТ в случае недостаточной эффективности негравитационных средств профилактики. Вместе с тем, применение ИСТ может привести к возникновению ряда физиологических проблем, связанных с пребыванием человека во вращающейся системе: возникновение сенсорных конфликтов, затруднение в ориентации и движениях, неблагоприятное влияние на вестибулярный аппарат. Автономность полета потребует значительно большей гарантированной надежности, как технических систем корабля, так и системы медицинского обеспечения полета. Сохраняется актуальность изучения проблемы комбинированного действия факторов полета на Марс. Одним из важнейших условий в обеспечении экспедиции на Марс является также успешное решение комплекса психологических проблем, включая психологическую готовность к риску, к выполнению предельных психических и физических нагрузок и к адекватному решению нестандартных ситуаций в условиях автономной жизни. Обязательным условием для включения в состав экипажа должно быть наличие у кандидатов опыта многомесячных полетов в космос, поскольку межпланетный полет потребует мобилизации всех личностных ресурсов экипажа. Таким образом, в ближайшие десятилетия будет реализован ряд сложных космических программ, направленных на улучшение жизни в космосе и на Земле. Станут серьезнее требования сохранения здоровья космонавтов, обеспечения эффективной профессиональной деятельности и высокой работоспособности космонавтов, обусловленные увеличением длительности космических экспедиций, объема внекорабельной деятельности и монтажных работ, усложнением исследовательской деятельности. При осуществлении экспедиций на Луну и, особенно, на Марс, значительно возрастет риск по сравнению с пребыванием на околоземных орбитах. Поэтому многие медико-биологические проблемы будут решаться с учетом новых реалий. Приоритетное развитие "наук о жизни" позволит не только обеспечить успешное решение перспективных задач, стоящих перед космонавтикой, но и внесет неоценимый вклад в земное здравоохранение, на благо каждого человека.