„Има хора, чиято работа е да лежат в банята“: как се изучава ефектът от безтегловността върху здравето на астронавтите

2024 Автор: Malcolm Clapton | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 03:47

За това как се симулират условията на безтегловност на Земята и какво е почувствал участникът в експеримента със „сухо“потапяне.

Има хора, чиято работа е да лежат в банята. Лъжете с часове, дори дни наред (и ви плащат за това). Няма нужда обаче да им завиждаме – говорим за участници в сложни научни експерименти, по време на които лекари от Института по биомедицински проблеми на Руската академия на науките изследват въздействието върху човешкия организъм на състояния, подобни на тези на безтегловността. Само по себе си това преживяване, както всеки дълъг престой в космоса, води до неизправности в тялото.

Помолихме Любов Амирова и Иля Рукавишников, служители на Института за биологични и биологични науки, да ни разкажат как и защо е изобретен методът на „сухото“гмуркане и какви научни резултати позволява да се получат. Освен това ви предлагаме да се запознаете с дневника на участник в "гмуркането", продължило пет дни, инженер и популяризатор на космонавтиката Александър Хохлов. Записите са направени директно по време на експеримента.

Да бъдеш в космоса, дори и на добре защитен космически кораб, има отрицателен ефект върху здравето на космонавта. В космическия полет почти всичко е необичайно и враждебно за тялото – повишена радиация на фона, микрогравитация, изолация, изкуствена атмосфера и осветление и монотонността на сензорните стимули, които ви карат да тъгувате по дома. Сред тези фактори само микрогравитацията е специфична за космическите полети и практически не е възпроизводима в земни условия.

В зората на ерата на астронавтиката основната опасност не беше микрогравитацията, а претоварванията и именно за тях астронавтите бяха активно обучавани. С развитието на технологиите полетите стават все по-продължителни и през юни 1970 г. съветските космонавти Андриян Николаев и Виталий Севастянов извършват първия дълъг 18-дневен полет в космоса, поставят рекорд за продължителност на непрекъснат полет, връщат се на Земята и … не може да стои и да ходи. Състоянието на астронавтите беше депресиращо: мускулна атрофия, негативни реакции от страна на сърдечно-съдовата система.

Това състояние на нещата доведе учените до две заключения. Първо, необходимо е да се разработи система за превенция (за да не се повтори това!) И второ, да се проучи ефектът на безтегловността върху човешкото тяло (за да се разберат основните закони на влиянието на безтегловността). Стана ясно, че без голямо количество данни за промените във всяка система от органи е невъзможно да се изпратят астронавти в космоса. Но как да изследваме ефекта на безтегловността върху човешкото тяло без пространство?

Потапяне с нулева гравитация

Учените са намерили Соломоново решение на този проблем – имитация на условията на безтегловност на Земята. Такива експерименти, симулиращи космически полет, се наричат модели (или модели), а ефектът им върху тялото е подобен на ефекта на безтегловност. Тъй като основните фактори, които са повлияли на състоянието на астронавтите, са физическото разтоварване, преразпределението на течностите и липсата на подкрепа, те са в основата на експериментите с модели.

В съвременната наука нито един модел експеримент не може напълно да възпроизведе условията на безтегловност, следователно, в зависимост от това какво учените планират да проучат, обектът на изследване и експерименталният модел се подбират внимателно. Доста често лабораторни животни като мишки и плъхове действат като "тестови субекти", но най-ценната информация се предоставя от моделни експерименти върху хора - доброволци изпитани.

Дневникът на тестера

Публикуваме фрагменти от записите, съхранявани във Фейсбук от инженера-конструктор на Централния изследователски институт за космически прибори на RTK, популяризатора на космонавтиката Александър Хохлов, който участва в експеримента „Ефективността на нискочестотната EMS в превенцията на мускулна детренировка, която се развива в условията на наземна симулация на условия на космически полети“, която през март - април тази година се проведе в Института по биомедицински проблеми на Руската академия на науките (SSC RF - IBMP RAS).

„Тази сутрин научих, че следователят, който беше пред мен, е болен, спешно ме извикаха в IBMP и влязох в експеримента ден по-рано. Отивам на потапящата баня в четвъртък (първата във втория раздел). Днес имаше експерименти: "Поза", "Полеви тест", "Визия", "Дишане", "Н-рефлекс", "Алгометрия" и "Вулкан-I". На "Vision" ми сложиха тежести на очите (за четири минути), като преди това поставиха упойка. Ето как астронавтите измерваха очното си налягане, а след това преминаха на въздух."

„Участието ми в експеримента навлезе в нова фаза. Около 9:30 сутринта се потопих в суха потопяема вана за пет дни.

Водата с комфортна температура е покрита с филм, който обгръща тялото ми от всички страни. Навън гледат само главата и понякога ръцете. Тялото е защитено от филма с чаршаф, който се сменя всеки ден. От дрехи: чорапи, долни гащи и тениска.

Първият ден минава необичайно. Нови усещания, които ще се засилят към нощта. Животът ни в баните на сухо потапяне се поддържа денонощно от екипи от трима дежурни: лекар, лаборант и техник.

Тук не е нужно да се отегчавате, експериментът се заменя с експеримент, ежедневните моменти също отнемат време. Вечерта започна първата тричасова електрическа миостимулация. Неговото присъствие е основната разлика на този експеримент в вана за сухо потапяне от предишните. Нискочестотната EMS може да помогне за преодоляване на вредното въздействие на безтегловността върху астронавтите, както и възрастните хора с ограничена подвижност на Земята. Стимулацията напомня ритмични пунктуации по бедрата и пищялите."

Има няколко начина за изследване на ефекта на безтегловността върху човешкото тяло. Например, това може да се направи в самолет, падащ по параболична траектория. Но продължителността на фазата на нулева гравитация в този случай е толкова кратка, че няма нужда да се говори за дългосрочни ефекти.

За да постигнете по-силни удари, можете просто да легнете на леглото, като главата е спусната надолу. Почивката на легло ще доведе до мускулна атрофия, а кръвта, която непрекъснато се втурва към главата, ще доближи състоянието на сърдечно-съдовата система на субекта до това на астронавт. Вярно е, че ще трябва да лъжете дълго време - поне няколко седмици, а за предпочитане няколко месеца.

Най-необичайният и в същото време най-близкият модел до ефектите на безтегловността е „сухото“потапяне (от англ. immersion – „потапяне“), при което човек се потапя във вода за няколко дни или седмици.

Изследване на модела на "сухо" потапяне / Олег Волошин

Изследване на модела на "сухо" потапяне / Олег Волошин

Изследване на модела на "сухо" потапяне / Олег Волошин

Изобретяването на модела е подпомогнато от следното наблюдение - дългият престой във вода действа върху човешкото тяло по начин, подобен на безтегловността. Първите гмуркания с потапяне бяха "мокри" - субектите бяха в басейн с прясна вода в продължение на няколко дни.

От една страна, догадките на учените за сходството на наблюдаваните промени се потвърдиха, но от друга страна, поради постоянен контакт с вода, хората буквално започнаха да отлепват кожата си. Тестерите-доброволци не бяха подпомогнати от защитни мехлеми и стените на басейна станаха черни от насадения върху тях себум и се окислиха. Също така на субектите, за да не се удавят, беше забранено да спят в басейна, а дежурните лекари бяха принудени да ги събудят.

„Първата нощ в банята с потапяне беше предизвикателство. Заспах около 00:00, скоро се събудих със странни усещания, че водата ме изцежда през филма, гърбът започна да ме боли, след това коремът ми се стегна (започна да се подува). И в резултат на това спах само два часа сутринта, а в шест вече гледах към тавана.

Сутринта до 10:00 имах опити на празен стомах. Например SPLANCH, при който ултразвукът показа, че имам много въздух в стомаха и червата. Отне един ден във ваната. нямам апетит. Смятам да пия само за вечеря.

Тъй като периодът на адаптация все още е в ход, е трудно да се пише и чете, така че слушам предимно музика със слушалки. Не е нужно да се отегчавате, има достатъчно внимание от дежурния екип и изследователи.

И още за доброто. Един от експериментите се казва Ryazhenka, а вечер пием чаша вкусен и здравословен продукт.

Стана ясно, че провеждането на експеримент при такива условия е невъзможно и моделът се нуждае от значително подобрение. Най-елегантната версия на неговото подобрение беше предложена от служителите на Института по медико-биологични проблеми Е. Б. Шулженко и И. Ф. Вил-Уилямс в началото на 70-те години. Басейнът беше покрит с водоустойчива тъкан с голяма площ, така че обектът беше напълно потопен във водния стълб, но в същото време не влезе в контакт със стените и дъното на купата. На повърхността остават само главата и ръцете на обекта.

В режим на главата на професор Доуел, под стриктния надзор на лекар и изследователи, доброволецът живее през целия експеримент. Изключение е времето на вечерните хигиенни процедури - учените не са почитани с мръсни трикове. Преди лягане обектът се изважда от потапящата вана, потапя се в количка за пране и се отвежда под душа. „Вземете почивка“от тежък работен ден е позволено не повече от 15 минути. Оттогава моделът на "сухо" потапяне се прилага практически непроменен.

Изследване на модела на "сухо" потапяне / Олег Волошин

Изследване на модела на "сухо" потапяне / Олег Волошин

Изследване на модела на "сухо" потапяне / Олег Волошин

В космоса е добре, на Земята е по-добре

На човек, далеч от космическата биология, може да изглежда, че през повече от 55-годишната история на пилотираната астронавтика човекът в космоса е изучаван нагоре и надолу. Но това е само отчасти вярно.

Да, известни са основните закономерности, които възникват при астронавт в полет – при нулева гравитация сърцето и кръвоносните съдове работят по различен начин, обемът на течността в тялото намалява, появяват се мускулна слабост и илюзии за движение. Но никой учен няма да ви каже, че всички отворени промени са подробни и не изискват допълнително проучване.

Въпреки факта, че стотици хора са били в космоса, най-обширните биологични изследвания рядко включват повече от 15-20 астронавти. Дори такава малка, от гледна точка на статистическия анализ, група изисква няколко години подготвителна работа, често създаване на ново оборудване (подходящо за строгите изисквания на Международната космическа станция) и обучение на астронавти във всички тънкости на биологични изследвания.

Далеч от суматохата на земята, изследванията протичат прилично и премерено - като правило от трима до петима космонавти могат да участват в един експеримент за една година и от момента на възникване на хипотезата до нейните плодове, по този начин, тя може да отнеме десет до една и половина години.

Много изследвания често се провеждат паралелно, както в космоса, така и при „сухо“потапяне, което прави възможно сравняването на наблюдаваните промени. Например, доказано е, че седем дни космически полет и седем дни потапяне причиняват подобни промени в сърдечно-съдовата система, свързани с промени в баланса на течностите в тялото.

„Тази нощ спах седем часа, по-добре е, тялото се адаптира към необичайни условия. Оказа се, че тестерите се делят на тези, които страдат повече от гърба, и тези, които имат корем. имам корем. Но има и такива, които получават цял куп изненади. Затова една от любимите шеги на изследователите е да предложат на излезлия от банята тестер отново да легне там и да си почине.

Ако самият експеримент се провежда от две дузини учени, тогава ежедневието е свързано с дежурните екипи. Дежурният екип храни тестери три пъти на ден, следи циклограмата на деня, взема кръв и слюнка за анализ, носи патица за дребни нужди и помага на учените при провеждането на тестове.

Най-интересното се случва вечер. По цял ден тестерите като медузи се люшкат в баните, но понякога ги изнасят. Някои тестове изискват достъп до тялото. Всяка минута извън банята се записва.

А вечер в продължение на 15 минути хигиенните процедури се извършват в условия на гравитация. Екипът включва лифт. Тестерът се търкаля на дивана и се довежда до кантара и ръстомера. Става с помощта на лекар и измерва показателите. След това тестерът се поставя в тоалетна с обикновена тоалетна чиния, за да върви на голям път, след което ляга на дивана за миене и се къпе в легнало положение. В този момент екипът избърсва филма и сменя чаршафа във ваната. По-нататък в душ кабината по команда на тестера, покрита с кърпа, се въвежда диван с чисти гащи и чорапи. Той се търкаля сам и се облича легнало. Водят го до банята, разтоварват го, обличат тениска със сензори от експеримента "Сън" и се потапя във ваната. Всичко за максимум 15 минути. Истинската "Формула-1".

Почти идентични промени в космическия полет и при потапяне настъпват с мускулите: техният тонус намалява и силата им намалява. И в двата случая това се дължи на липсата на подкрепа. Както се оказа, подкрепата е необходима за нормалното функциониране на опорно-двигателния апарат - костите, при липса на ударни натоварвания, които възникват на Земята при ходене и бягане, губят калций и стават крехки. При нулева гравитация крехките кости не са опасни, но при връщане на Земята и при претоварване това може да доведе до нараняване.

При липса на поддържащи стимули страдат не само костите, но и мускулите. Веднага след като астронавтът премине в състояние на безтегловност, мускулите му започват да губят тонуса си, което води до функционални промени в рамките на няколко седмици. При излагане на „сухо” потапяне се случва същото – от ден на ден мускулите губят тонус и сила, а при изваждане от потапянето субектите се чувстват като риби, изхвърлени на брега.

Еднопосочните промени позволяват на учените да провеждат по-подробни изследвания на Земята, като по този начин освобождават времето на астронавтите за други задачи.

Друг важен фактор в космическите полети е намаляването на физическата активност. Въпреки факта, че всеки ден космонавтите извършват голямо количество работа, по-скоро активно се движат из станцията и правят физически упражнения, натоварването на тялото остава значително по-малко от това на земята. Всичко, с което взаимодействат, няма тежест, дори самите тях. Следователно, за постигане на двигателна цел са необходими много малко мускулни усилия.

При условия на потапяне на тестера е забранено да генерира ненужни мускулни усилия и това се следи стриктно от изследователите. В замяна субектът получава команда от 3-4 души, които изпълняват, като джиновете, неговите нужди и желания.

„Изпитвам влияния върху тялото си, подобни на безтегловността при космически полет. Както и там ме боли гърба (за щастие не много), малко запушен нос и проблеми с газове в стомаха и червата.

Всеки ден се подлагам на тричасова електромиостимулация на краката, което би трябвало да ми улесни връщането на Земята след две нощи. Ще се върна в обичайната си изправена позиция във вторник сутринта. Чувствах се много по-добре, отколкото на втория ден на потапяне, тялото свиква. Но апетитът ми още не се е върнал, ям с усилие на волята.

За закуска имаме кисело мляко, различни зърнени храни по избор, сушени плодове. Обяд: супа (бульон с яйце, гъби, кюфтета и др.), основно ястие, напитка, сух хляб, салата. За вечеря основно ястие и салата.

Храним се в поза с възглавница под гърба, за да преглъщаме нормално. Но все още не е много удобно. Само първия ден, преди острата адаптация, изядох всичко, сега - по-малко от половината от предписаната диета.

Напитки: чай, вода, желе и сок. Кафето не е позволено при условията на експеримента."

Важно е да се разбере, че въпреки напредъка на технологиите, не всички изследвания могат да се правят в космоса. В модела на „сухото“потапяне има значително по-малко такива ограничения. Например, магнитен резонанс (томограф в орбита - звучи фантастично!) И транскраниална магнитна стимулация при нулева гравитация никога не са правени, но благодарение на данните, получени при потапяне, учените имат представа какво да очакват в космоса.

Има и такива проучвания, чиято постановка е не само технически трудна, но и крие рискове за космонавта. Например, можем да си припомним биопсия - отстраняване на малко парче биологична тъкан. Това изследване изисква стерилни условия в операционната зала и ръцете на опитен хирург, но дори ако всички условия са изпълнени, има малка вероятност от усложнения. За астронавт в орбита това е неоправдан риск. Въпреки това, подобни изследвания се извършват при потапяне и разкриват тайните на необичайно сложен скелетен мускул.

По-висок

За да кажем какви точно резултати могат да бъдат получени благодарение на модела на „сухото“потапяне, нека се спрем по-подробно на поредица от експерименти, посветени на изследването на болката в гърба и увеличаването на височината на астронавтите по време на прехода към нулева гравитация.

Болки в гърба се появяват при астронавтите в първите дни на полетите, както и при тестери при условия на "сухо" потапяне. В хода на предишни проучвания беше възможно да се покаже, че в условия на безтегловност, поради промени в транспорта на хранителни вещества, междупрешленните дискове се увеличават и течността се натрупва в техните структури. В допълнение, болката може да възникне поради въздействието върху чувствителните корени на гръбначния мозък в резултат на увеличаване на дължината на гръбначния стълб.

Причината за тези нарушения, както показват проучвания, проведени в Държавния изследователски център на Руската федерация - IBMP RAS в продължение на няколко години, може да бъде намаляването на тонуса на мускулите на гръбначния екстензор. Предположението за наличието на мускули, участващи в поддържането на стойката, е изложено от V. S. Gurfinkel още през 1965 г.

Промените в тонуса на мускулите на екстензорите на краката са логично записани в предишни изследвания на модела. Следователно имаше основание да се смята, че при условия на нулева гравитация тонусът на мускулите на гърба също намалява, които участват в поддържането на стойката на Земята (те се наричат „поза“), където гравитационният товар ги кара да останат в добра форма.

За да се провери тази хипотеза, беше проведена серия от моделни експерименти със „сухо” потапяне с различна продължителност – от шест часа до пет дни. В същото време се изследва тонусът на мускулите на гърба с определяне на показателите за тяхната напречна скованост; успоредно със средствата на резонансната вибрография, миотонометрия, ядрено-магнитен резонанс се изследват изменения в гръбначния стълб. Освен това учените измерват височината на човек и оценяват естеството на получения синдром на болка.

„Започнах последния, пети ден на сухо потапяне в IBMP RAS. Здравословното състояние е добро. Почти се приспособих към условната безтегловност. Утре сутринта, прорез и много тестове. Днес също има достатъчно.

По време на потапянето тестерите участват в различни експерименти. Това е изследването на прага на болката ("Алгометрия") и промените в зрението при потапяне и способността да се контролира натоварването чрез стискане на дланта ("Динамометър") и натискане на крака ("Педал").

Много инструменти, които сега са налични, са или на борда на МКС, или се използват преди и след полета за експерименти с астронавти.

В свободното си време слушам музика и чета книгата Отвъд Земята.

В резултат на това се оказа, че болковият синдром не принадлежи към радикуларната болка, а е мускулен по природа, без облъчване. Престоят в условия на гравитационно разтоварване е придружен от намаляване на тонуса (или страничната ригидност) на екстензорите на гърба, принадлежащи към групата на мускулите на стойката, и именно в първите часове и дни този процес е особено изразен.

Същите промени доведоха до увеличаване на височината на астронавта при условия на микрогравитация. В лумбалния отдел на гръбначния стълб според данните от ЯМР височината на междупрешленните дискове се увеличава и лумбалната лордоза се изглажда.

В групата изследвания, в които са използвани профилактични средства, като костюм „Пингвин“с аксиално натоварване и хардуерен миостимулационен комплекс, тежестта и оценката на болковия синдром, както и увеличаването на височината, са по-малко, отколкото в групата на „чисто” потапяне без използване на профилактика.

Не само за пространство

Моделът на "сухото" потапяне доста добре възпроизвежда космическите смущения, но освен това помага и в борбата с определени заболявания. Например, курсът на потапящи вани носи облекчение на хора с прекомерно повишен мускулен тонус, което им пречи да се движат напълно.

Приемането на вана с потапяне е добър начин да понижите кръвното си налягане. Механизмът на процеса е прост: водата, заобикаляща човек, изстисква кръвта и лимфата от периферните съдове в централния кръвен поток, което се възприема от тялото като излишък от течност и води до нейното отстраняване (по естествен начин - уринирането се увеличава) и намаляване на налягането. Между другото, за да се постигне този ефект, гмуркането не трябва да е „сухо“– вероятно мнозина са забелязали, че докато плуват, започват да искат да използват тоалетната и сега знаете защо.

„В 9:30 сутринта за мен приключи петият ден на сухо потапяне. Изведоха ме от банята. Нулевият ден е един от най-важните, именно в името на данните в този ден тестерите лъжат пет дни без поддръжка. На количка ме откараха в лабораторията по гравитационна физиология, където веднага бяха проведени тестове на експериментите "Архитектура", "Поза", "Полев тест", а след това DEXA, "Динамометър", TMS, "Тонус", " изокинеза".

Състоянието ми се подобрява с всяка минута, в началото имах главоболие, все едно съм дарил 450 милилитра дарена кръв, краката ми леко трепереха при изследвания със затворени очи. Сега всичко е наред и стомаха не боли.

Днес нощувам в института заради експеримента "Спи". След това още два дни изследвания и 11 април - последният ден, в който приключението с потапяне ще приключи за мен. Това е много възнаграждаващо преживяване, което ще бъде полезно в бъдеще.

Интересно е, че следващият етап на потапяне е планиран през есента в ИБМП - 21 дни. Но ще има специален комплект."

Моделните експерименти се провеждат в специални медицински или научни институции, оборудвани с уникално оборудване, под наблюдението на висококвалифицирани изследователи. В момента в Държавния изследователски център на Руската федерация - ИБМП РАН се провежда експеримент с използването на петдневно "сухо" потапяне.

Интересно е, че промените, настъпващи с тялото в потапяне, могат да симулират не само космически полет, но и състоянието на сенилна саркопения - възрастова атрофия на скелетните мускули. Това потапяне е първото, което използва нискочестотна електромиостимулация на мускулите на краката, насочена към предотвратяване на негативни мускулни промени. В хода на проучванията върху млади, но деквалифицирани доброволци, тестови субекти, ще бъдат избрани най-ефективните протоколи за електрическа стимулация.

След завършване на гмуркането субектите ще трябва да преминат различни тестове, които ще преценят как са се променили мускулния тонус, тяхната структура, както и вертикалната стойка и походката на доброволците.

Рядко се срещат публикации, посветени на биомедицински експерименти в космоса и тяхното моделиране. В нашата статия беше разгледана само малка част от тази обширна тема, която включва благосъстоянието на астронавтите на борда на станцията, изстрелвания на спътници, обитавани от животни,моделни експерименти с участието на примати и космически технологии в рехабилитацията на пациенти.

литература

I. B. Kozlovskaya, D. A. Maksimov, Yu. I. Voronkov, I. Sunn, V. N. Ardashev, I. G. Dorogan-Suschev, I. V. Rukavishnikov. Промени в лумбалния гръбначен стълб и остра болка в гърба при излагане на 3-дневно "сухо" потапяне // Кремълска медицина. Клиничен бюлетин. - 2015. - No2.

И. В. Рукавишников, Л. Е. Амирова, Т. Б. Кукоба, Е. С. Томиловская, И. Б. Козловская. Влияние на гравитационното разтоварване върху мускулния тонус на гърба // Физиология на човека. - 2017 г. - № 3.