Невесомость и ее последствия: какие изменения происходят в организме в условиях космоса?
Основным результатом космических исследований в области медицины стало подтверждение того, что человек способен не только выживать во время длительных космических миссий, но и активно действовать в условиях невесомости. Это открытие позволяет рассматривать космическое пространство как потенциальное место проживания для человечества. Рассказываем про влияние невесомости на организм человека, особенности кровотока в условиях космоса и другие эффекты длительного космического полета.
Что такое невесомость?
Невесомость — состояние, когда тело не оказывает давления на опору. В таких условиях человек или объект могут двигаться без ощущения силы тяжести. Но это не означает, что в космосе нет гравитации. Дело в том, что на высоте 400 км, где Международная космическая станция (МКС) движется со скоростью около 8 км/с, гравитационное притяжение составляет около 90% от притяжения на поверхности Земли.
Правда в том, что космонавты и предметы внутри МКС постоянно испытывают состояние свободного падения, которое представляет из себя движение под действием гравитации без сопротивления. Хотя земная гравитация продолжает притягивать станцию к себе, ее быстрое движение вокруг Земли нейтрализует это падение, позволяя МКС оставаться примерно на одном и том же расстоянии от планеты. В результате, находясь внутри станции, космонавты ощущают состояние невесомости и могут перемещаться в любом направлении без чувства верха или низа.
Как невесомость влияет на организм человека?
Основной причиной развития патологий в состоянии невесомости считается снижение нагрузки на различные системы организма из-за отсутствия интенсивного гравитационного влияния. Это приводит к уменьшению механического воздействия на ткани тела и недостаточной стимуляции организма.
В условиях невесомости рецепторы мышц, внутренних органов, связок и сосудов функционируют иначе. Основная информация о положении тела в пространстве в значительной степени поступает визуально, что нарушает естественное взаимодействие зрения, вестибулярного аппарата и мышечной системы. В невесомости нагрузка на мышцы снижается, так как у человека нет необходимости противостоять силе тяжести. Из-за этого у космонавтов происходит уменьшение объема мышечной массы, а также снижение силы и выносливости, особенно в нижних конечностях. Вместе с воздействием микрогравитации на соединительные ткани и необходимостью осуществления разнообразных интенсивных действий, эти изменения в работе мышц увеличивают риск утомления и получения травм.
Микрогравитация также оказывает влияние на нейровестибулярную систему, поэтому ее эффект часто сопровождается дезориентацией и снижением нервно-мышечной координации после возвращения из длительных космических миссий. В результате сразу после посадки у космонавтов могут возникать проблемы с устойчивостью при стоянии, фиксацией взгляда, а также с ходьбой и поворотами. Кроме того, в невесомости снижается общее количество импульсаций от рецепторов, идущей в центральную нервную систему (ЦНС). Это приводит к уменьшению ее активности, что влияет на регуляцию внутренних органов. Однако постепенно человек способен адаптироваться к этим условиям.
У каждого третьего космонавта в течение первых трех-шести суток полета наблюдается комплекс симптомов, аналогичный болезни укачивания. Он включает в себя снижение аппетита, головокружение, увеличение слюноотделения, тошноту, иногда рвоту, а также пространственные иллюзии. Эти симптомы связаны с изменениями в функционировании вестибулярного аппарата, кровообращении и нарушением взаимодействия сенсорных систем. У некоторых космонавтов эти признаки сохранялись и в первые сутки после возвращения на Землю.
Как изменяется поведение крови в условиях невесомости?
Отсутствие веса крови в космосе приводит к ряду изменений в организме. В условиях на Земле, особенно когда человек находится в вертикальном положении, кровь под действием своего веса стремится к нижним частям тела. Однако в условиях невесомости этого не происходит, в результате чего наблюдается прилив крови к голове и органам грудной клетки.
В начальном периоде пребывания космонавта в состоянии невесомости происходит приток жидкости из тканей в кровяное русло, приводящий к увеличению объема циркулирующей крови. Это приводит к активации механизмов ЦНС, направленных на снижение избытка жидкости в крови. В результате возникает цепь рефлекторных реакций, которые стимулируют выведение избыточной жидкости и солей из организма. В конечном счете это может привести к уменьшению веса тела и изменению уровня электролитов, а также негативно воздействовать на состояние сердечно-сосудистой системы.
В ноябре 2019 года ученые выяснили, что у космонавтов во время пребывания на орбите происходит замедление скорости кровотока в венах, а в некоторых случаях даже возникает обратное движение крови. В рамках исследования ученые измерили объем яремной вены, отводящей кровь от головы к сердцу, и скорость кровотока у 11 космонавтов до, после и во время пребывания на МКС. В результате ученые обнаружили значительные изменения в скорости тока крови: в невесомости у многих космонавтов кровоток был пульсирующим, а у семи из 11 участников эксперимента врачи отметили застой крови. Также у двух космонавтов был обнаружен ретроградный ток крови, когда она двигалась в обратную сторону — к голове.
Кроме того, у одной участницы исследования обнаружили тромб. После возвращения космонавтов на Землю исследователи провели повторный анализ данных и обнаружили тромб еще у одного члена экипажа. Оба случая представляли потенциальную угрозу для жизни космонавтов. Ученые установили, что причиной образования кровяных сгустков у испытуемой могли стать эстрогенсодержащие контрацептивы, в то время как у мужчины дополнительных факторов риска выявлено не было. Это свидетельствует о возможности появления незамеченных тромбов у членов экипажа МКС и ранее.
В марте 2024 года в рамках эксперимента «ЛАЗМА» российские ученые обнаружили, что в первые двое-трое суток пребывания космонавтов в невесомости кровь перемещается в верхнюю часть тела, однако к шестому дню полета кровообращение восстанавливается. Для проведения исследования использовались устройства «ЛАЗМА ПФ». Этот эксперимент проводится на борту МКС с декабря 2021 года и будет завершен в 2025 году.
Как невесомость влияет на работу вестибулярного аппарата?
В марте 2024 года канадские ученые провели эксперимент, чтобы понять, как длительный космический полет влияет на пространственную ориентацию астронавтов внутри МКС. В исследовании приняли участие 12 человек — шесть мужчин и шесть женщин. Их показатели сравнивали с данными контрольных испытаний 20 человек на Земле. Перед вылетом и после возвращения на Землю космонавтов тестировали в разных позах — сидя или лежа на спине. В космосе они находились в состоянии невесомости, но были привязаны к спинке стула.
Исследование показало, что воздействие невесомости на работу вестибулярного аппарата носит временный характер, так как после космического полета астронавты немного ошибались в оценке расстояния при выполнении визуальных задач по сравнению с предполетным периодом. Однако эти различия с течением времени постепенно исчезали.
Также было установлено, что в среднем космонавты, находясь в специальных шлемах, не изменили своего восприятия пройденного расстояния виртуальным коридором ни во время пребывания в космосе, ни через неделю, ни спустя 85 дней после возвращения. Исследователи сделали вывод, что нахождение в невесомости не оказывает долгосрочного влияния на способность человека оценивать пройденное расстояние.
Почему в космосе люди плохо соображают?
Все дело в длительном воздействии низкой гравитации, которое вызывает изменения в организме, влияющие на когнитивные функции. К замедлению умственных способностей также приводят космическая радиация, стресс и сбои в циркадном ритме, вызванные отсутствием привычного смены дня и ночи.
Исследования, проведенные командой нейрофизиологов из NASA в 2024 году, показали, что у астронавтов во время полетов на МКС происходят специфические изменения в работе мозга. Выяснилось, что в условиях низкой гравитации 25 участников эксперимента замедлялась обработка информации, ослаблялись зрительная рабочая память и способность к устойчивому вниманию.
Когнитивные тесты проводились на разных этапах миссий: до полета, во время пребывания на МКС и после возвращения на Землю. Это позволило сравнить показатели в обычных условиях и в космосе. Анализ данных показал, что изменения в когнитивных процессах проявлялись на разных этапах миссии. Например, концентрация внимания снижалась в начале полета, а рабочая память ухудшалась ближе к концу. В то же время некоторые навыки, такие как решение проблем и распознавание образов, улучшались по мере адаптации астронавтов к условиям. Это свидетельствует о способности мозга частично компенсировать вызванные стрессом и невесомостью изменения.
Результаты исследования показали, что астронавты на орбите справлялись с заданиями медленнее, чем на Земле, что указывает на временное снижение их когнитивных способностей. Однако большинство функций восстанавливались вскоре после возвращения на Землю.
Также выяснилось, что в конце полета астронавты начали более осторожно подходить к принятию решений, избегая действий, которые могут привести к потенциальным негативным последствиям. Это может быть связано с изменением реакции на стресс и переоценкой последствий своих действий в ограниченной среде.
Эксперты опасаются, что когнитивный спад может усугубляться при длительных космических экспедициях. Например, на Марсе, где гравитация составляет лишь треть от земной, неизвестно, смогут ли астронавты восстановить свои способности так же эффективно, как на Земле.
