CC BY
413
Космическая медицина и биология: сегодня и завтра
Отмечая в этом году 5 5-летний юбилей первого полета человека в космос, совершенного нашим соотечественником Юрием Алексеевичем Гагариным, следует напомнить, что полет стал возможным благодаря не только созданию передовой в то время ракетно-космической техники, но и достижениям космической медицины и биологии. Эта область знаний развивалась параллельно с созданием и постоянным совершенствованием космических летательных аппаратов.
В настоящее время космическая медицина и биология — это передовой край науки, где теснейшим образом переплетены фундаментальные и прикладные исследования, направленные на получение новых знаний о влиянии факторов космического полета (КП) и космического пространства на живые системы и на решение проблем медицинской безопасности пилотируемых КП, будь то орбитальные полеты или полеты в дальний космос.
Космическая медицина, как и медицина в целом, —это система научных знаний и практической деятельности, цельюкоторых являются укрепление и сохранение здоровья, продление жизни людей, предупреждение и лечение болезней человека в необычных экстремальных условиях КП. Все области знаний, используемые в земной медицине, находят отражение и в космической медицине. Это в первую очередь физиология, гигиена и санитария, радиобиология и др. Космическая медицина является важным элементом практики пилотируемой космонавтики, во многом определяющим состояние и перспективы освоения человеком космического пространства.
Прогресс в области космонавтики стимулировал развитие многих наук, в том числе космической медицины. Без создания надежной системы сохранения здоровья и работоспособности человека в КП невозможно себе представить развитие пилотируемой космонавтики. Безопасность, обеспечение здоровья и способности к профессиональной деятельности космонавтов при выполнении космических миссий всегда были важнейшими
принципами отечественной пилотируемой космонавтики.
Основной задачей исследований в области космической медицины являетсясовер-шенствование систем медицинского обеспечения пилотируемых полетов. В настоящее время под медицинским обеспечением КП понимается сложившаяся система организационных, медицинских, санитарно-гигиенических и медико-технических мероприятий, направленных на сохранение и поддержание здоровья и работоспособности космонавтов на всех этапах их профессиональной деятельности. Эта система включает, в частности:
• медицинский отбор и медико-биологическую подготовку космонавтов и их периодическое медицинское освидетельствование (медицинскую сертификацию здоровья космонавтов);
• оперативное медицинское обеспечение здоровья и работоспособности космонавтов в КП ( медицинский, санитарно-гигиенический и радиационный контроль, диагностику и медицинскую помощь, профилактику неблагоприятного влияния факторов КП на организм, режим труда и отдыха).
В этой системе каждый элемент является чрезвычайно важным для обеспечения безопасности пилотируемого полета, сохранения здоровья и работоспособности членов экипажей космических миссий и поддержания их профессионального долголетия. Эффективность этой системы была успешно продемонстрирована в кратковременных и длительных космических полетах экипажей на космических кораблях«Союз», орбитальных станциях «Салют» и «Мир». В настоящее время она получает дальнейшееразвитие в рамках работы интернациональных экипажей на борту Международной космической станции (МКС).
Во время полетов космонавтов осуществляются:
• мониторинг среды обитания;
• контроль здоровья и работоспособности членов экипажа;
• прогноз возможных нарушений в состоянии здоровья космонавтов, оказание при необходимости медицинской помощи;
• профилактика неблагоприятного влияния на организм факторов полета;
• регламентация труда и отдыха, психологическая поддержка;
• медицинское обеспечение внекорабельной деятельности;
• обеспечение средствами личной гигиены;
• водообеспечение, контроль питания;
• обеспечение радиационной безопасности.
Накопленный к настоящему времени опыт вобласти космической медицины в части сохранения здоровья и профессионального долголетия космонавтов свидетельствует об успешном преодолении ранее существовавших медицинских ограничений на возможность осуществления длительных (12—14 месяцев) КП. Это в значительной мере определило поступательное развитие пилотируемой космонавтики и освоение космического пространства человеком, создало реальные предпосылки к реализации планов дальнейшего освоения космоса, в том числе осуществлению межпланетных полетов.
В связи с переходом Российской Федерации на инновационный путь экономического развития проблема повышения эффективности и рентабельности наукоемкого сектора приобрела особую актуальность. Это отразилось на целях и задачах, которые в настоящее время поставлены перед пилотируемой космонавтикой. Наряду с тем, что космическая деятельность является мощным средством развития фундаментальных исследований в различных областях науки и техники, она создает колоссальный задел знаний и для решения прикладных задач. Медицинская аппаратура, методы диагностики и средства профилактики неблагоприятного воздействия невесомости на организм человека, разрабатываемые для КП, обладают ценны ми свойствами для их использования в клинической практике, спортивной медицине, экстремальных ситуациях, т.е. заключают в себе значительный инновационный потенциал.
Одним из важнейших вопросов социально-экономического развития общества является сохранение здоровья населения.
Использование результатов космической деятельности в приоритетных национальных проектах, в частности внедрение космических медицинских технологий, созданных на базе современных достижений науки и техники, в практику здравоохранения ( национальный проект«3доровье»), позволит обеспечить их еще более эффективную реализацию.
Специалистами в области космической медицины и биологии накоплен уникальный опыт изучения воздействия факторов КП на организм человека, выявлены основные физиологические эффекты воздействия невесомости и наиболее страдающие при этом системы организма, определеныстадии его адаптации к невесомости, созданы методы медицинского контроля и управления физическим и психологическим состоянием космонавтов, аппаратура контроля параметров среды обитания, средства и методы профилактики неблагоприятного действия невесомости на организм человека, определены медико-психологические требования к отбору и подготовке космонавтов, режиму их труда и отдыха.
В течение первых двух десятилетий с момента начала полетов человека в космос космическая медицина была для научной общественности экзотической областью научных знаний, «вещью в себеи для себя». Однако по мере накопления знаний приходило понимание, что микрогравитацию можно использовать как специфический, уникальный фактор, своего рода «инструмент», которого мы лишены на Земле, для изучения фундаментальных биологических процессов и модификации биологических систем.
В космической медицине впервые реализованы теоретические положения об управлении здоровьем, о здоровом образе жизни и резервах адаптации. Все эти положения при реализации в практике здравоохранения, в первую очередь в области профилактической медицины, могли бы оказаться существенными для сохранения и улучшения здоровья населения и снижения заболеваемости. Прежде всего, это касается проблем диспансерного обследования населения.
Ближайшее будущее космической медицины связано с использованием МКС в качестве научной лаборатории для решения ак-
туальных проблем минимизации медицин -ских рисков для человека и создания задела для пилотируемых полетов в дальний космос. Важным событием станет введение в эксплуатацию космодрома «Восточный», в том числе для запуска пилотируемых космических аппаратов с непременным решением медико-биологическихаспектов безопасности экипажей при стартеи приземлении.
Осуществление в будущем межпланетных полетов, создание на Луне и планетах Солнечной системы обитаемых комплексов (баз) и проведение различных работ на их поверхности невозможно без решения вопросов медицинского обеспечения, направленных на сохранение здоровья и работоспособности человека в экстремальных условиях, получения большого объема научного материала для решения фундаментальных проблем наук о жизни.
Российский сегмент МКС полностью обеспечивает условия эффективной и безопасной деятельности экипажей и выполнения текущей и перспективной программ прикладных и фундаментальных биомедицинских исследований.
Строительство российского сегмента МКС еще не завершено; введение в его состав новых модулей создаст дополнительные возможности для совершенствования бортовых средств медицинского обеспечения экипажей и размещения аппаратуры для перспективных медико-биологических исследований.
Одними из условий успешного развития космической медицины являются международное сотрудничество и интеграция научных медико-биологических исследований на основе использования научного потенциала партнеров по МКС для решения и развития перспективных проектов пилотируемой космонавтики.
Открываются новые перспективы комплексных полетных и наземных модельных медико-биологических исследований для решения актуальных проблем космической медицины и пилотируемой космонавтики, в том числе с повторными (интервалом 1—2 месяца) длительными 6—9-месячными КП.
Актуальными проблемами космической медицины, требующими своего решения, являются:
• разработка новых и совершенствование существующих методов и средств медицинского отбора и подготовки членов экипажей с учетом возможного увеличения продолжительности КП и подготовки врачей-космонавтов и их участия в полетах;
• изучение феноменологии и механизмов изменений основных физиологических функций в КП;
• изучение генетических характеристик человека как для оценки и прогноза здоровья, так и для прогностической оценки переносимости факторов КП;
• изучение техсистем организма или его «слабых мест», которые могут лимитировать длительность пребывания человека в КП и при миссиях на другие планеты;
• систематическое изучение на различных этапах длительных КП нейрогумораль-ных механизмов регуляции функций организма;
• модернизация методов и средств, направленных на профилактику нарушений, развивающихся под влиянием факторов КП;
• совершенствование методов диагностики предболезни и заболевания в КП;
• изучение общебиологических проблем влияния невесомости и измененной гравитации на живые системы и попытка дифференцирования гравитационно зависимых и независимых физиологических процессов;
• обоснование оптимальных подходов к обеспечению декомпрессионной безопасности при внекорабельной деятельности в будущих КП и разработка медико-технологических требований к планетарному скафандру;
• дальнейшее совершенствование и развитие эффективных профилактических комплексов, включая создание принципиально новых средств профилактики (в частности, искусственной силы тяжести), которые могли бы надежно обеспечить сопровождение лунных и марсианских миссий;
• разработка дизайна системы профилактики гипогравитационных нарушений в межпланетных миссиях на основе индивидуального подхода при создании авто-
матизированной системы поддержки принятия решения для управления тренировочным процессом космонавта;
• создание в составе будущей орбитальной станции нового поколения специализированного медицинского модуля для решения медико-биологических проблем как для пилотируемых полетов на околоземной орбите, так и для межпланетных полетов (желательно, чтобы на этом модуле была центрифуга короткого радиуса, которая при своем вращении будет создавать перегрузки и обеспечивать человеку утраченную в невесомости «весомость»);
• преемственность результатов исследований в проектно-конструкторских разработках для создания аппаратуры, а также средств и методов исследований на основе высоких технологий ( это в свою очередь позволит проводить широкий круг исследований для решения проблем освоения околоземного и межпланетного пространства);
• разработка и создание для будущих орбитальных и межпланетных полетов надежных автономных регенеративных систем жизнеобеспечения, экспресс-мониторинга компонентов среды обитания и методов эффективной очистки среды обитания от вредных газообразных микропримесей, бортовых экспресс-методов диагностики микроорганизмов, системы хранения, обеззараживания и трансформации биологических и бытовых отходов.
В настоящее время применение изделий робототехники рассматривается как значимый ресурс обеспечения жизнедеятельности человека-оператора в экстремальных условиях среды обитания. В большей степени это положение относится к роботам-помощникам и сервисным роботам, возможности применения которых для поддержки деятельности экипажа пилотируемого космического комплекса постоянно расширяются.
Сегодня выявляются новые направления применения медицинских роботов для оказания человеку опасной профессии всесторонней поддержки в нештатных ситуациях, защиты и спасения при чрезвычайных происшествиях, особенно в случаях частич-
ной или полной потери работоспособности, а также для решения вопросов профилактики и коррекции состояния здоровья в свете существующих и прогнозируемых рисков и опасностей.
Представляется, что сегодня в области построения и совершенствования роботизированных биотехнических систем следует ожидать получения значимых результатов при решении практических задач поддержки жизнедеятельности и снижения рисков здоровью космонавтов на борту пилотируемого комплекса.
Медицинские роботы в области космической медицины органично «произрастают» из уникальных достижений космических медицинских технологий и в каком-то смысле являются естественным результатом интенсивно ведущихся в настоящее время исследований и на Земле, и в пилотируемых КП. Уникальные достижения отечественной космической медицины в области создания защитного снаряжения космонавта, а также построения искусственной среды обитания на борту пилотируемых космических кораблей, индивидуальных средств жизнеобеспечения космонавта и бортовых средств профилактики создают надежную технологическую основу для построения роботизированных биотехнических комплексов управления состоянием организма на принципах биологической обратной связи. Учитывая такую перспективу, необходима интенсификация дальнейших исследований в данной междисциплинарной области знаний, предполагающая внедрение в космическую медицину передовых информационных технологий: информатики, автоматизации, имитационного моделирования,тренажеростроения, робототехники и мехатроники.
Проходивший в июле 2015 г. в Праге очередной конгресс «Человек в космосе» показал беспрецедентный рост интереса мирового научного сообщества к наземному моделированию элементов и факторов КП. Этой тематике были посвящены более 60% докладов представителей NASA, ESA, J AXA, Китайского космического агентства. Из докладов делегатов было очевидно, что международные агентства стремятся быстро преодолеть отставание от России в области на-
земной отработки длительных КП, включая межпланетные. Для этого в последние годы в указанных странах были созданы крупные комплексы гермокамер с автономными системами жизнеобеспечения (HERA в США, EnvihabB Германии, MoonPalace в Китае), позволяющие имитировать модули как космической станции, так инопланетных поселений. Появился даже популярный термин — «аналоговые исследования».
При разработке планов создания базы на Луне, окололунных станций и осуществления планетных экспедиций необходимо учитывать, что во многом подходы к организации жизни и деятельности их экипажей будут иными, отличными от орбитальных полетов. В этой связи решение проблемы медико-биологического обеспечения таких экспедиций является новой приоритетной задачей.
Наземное (аналоговое) моделирование ряда ключевых факторов, действующих в КП, и изучение состояния здоровья и работоспособности человека в этих условиях позволяют весьма эффективно исследовать и решать многие проблемы будущих пилотируемых КП.
В этой связи нельзя не упомянуть проведение в наземном экспериментальном комплексе ГНЦ РФ - ИМБП РАН уникального международного эксперимента по проекту «Марс-500». Целью проводившегося в 2010-2011 гг. эксперимента было изучени-емногофакторного взаимодействия «человек — окружающая среда», исследование здоровья и работоспособности членов экипажа, изолированного в течение 520 суток в герметично замкнутом пространстве малого объема при моделировании основных факторов и ограничений, присущих будущему полету на Марс. Экипаж состоял из 6 человек в возрасте 25—40 лет: 3 россиян, 2 участников от ЕКА (Франция, Италия) и 1 представителя Китая.
Впервые воссоздавалась нарастающая задержка связи между ЦУП и экипажем, которая к 350-м суткам эксперимента достигла 12 минут. Кроме того, на 320—327-е сутки моделирования связь была полностью прекращена. В период задержки связи для общения с ЦУП экипаж использовал электронные письма и видеосообщения.
Также впервые воспроизводился этап высадки на поверхность Марса (244—272-е сутки эксперимента) с выполнением ключевых исследовательских операций по сценарию, разработанному Роскосмосом и РАН. Во время «высадки» экипаж разделили на две равные части: орбитальная группа находилась в макете марсианского корабля, а десантная часть экипажа — в имитаторе спускаемого модуля.
Длительная автономность «межпланетной экспедиции» приводила к эффекту «отрыва», т.е. нарастающего по мере удаления от 3емли снижения потребности экипажа в помощи и руководстве со стороны ЦУП — на фоне роста необходимости психологической поддержки со стороны близких.
Установлено существенное влияние на поведение, самочувствие и деятельность экипажа таких значимых событий, как высадка на незнакомую планету и прекращение связи. Нештатное нарушение связи с экипажем усугубляло эффект «отрыва» и снижало объем коммуникации экипажа с ЦУП. Значимые события приводили к дополнительному напряжению адаптационных систем организма и росту психофизиологической напряженности: изменялись психофизиологическое состояние, фазовая структура сна, коммуникационное поведение, показатели психической работоспособности и биохимические характеристики крови. Своевременная компенсация фрустрированных потребностей членов экипажа предотвращала развитие депрессивных расстройств.
Преодоление комплекса сложных стрессовых ситуаций приводило к очевидному личностному развитию большинства членов экипажа, выходу на новый уровень функционирования индивидуального генетически заложенного потенциала человека.
По итогам эксперимента разработаны новые критерии психофизиологического отбора в автономный межпланетный полет. Приоритет должны получать кандидаты, склонные к самоорганизации с преобладанием мотивации достижения успеха, а не мотивации избегания неудач.
В целях восполнения пробелов в наших знаниях, а также в рамках передачи опыта ведущих специалистов Института
медико-биологических проблем молодому поколению, на плечи котороголяжет вся тяжесть подготовки и осуществления межпланетных полетов в будущем, Совет молодых ученых и специалистов института предложил и выполнил волонтерский эксперимент «Луна-2015», имитирующий полет к Луне. Модель полета к спутнику Земли выбрана неслучайно: освоение Луны включено в проект Федеральной космической программы России на 2016-2025 гг.
Следует отдельно подчеркнуть, что эксперимент был проведен в наземном экспериментальном комплексе Института медико-биологических проблем на безвозмездной основе. Все сотрудники, от добровольцев-испытателей до ученых и членов дежурных бригад, были волонтерами. Успешная реализация проекта не только позволила использовать опыт старшего поколения, но и дала возможность молодым ученым получить необходимые навыки проведения исследований, создать надежную команду экспериментаторов, без которой проведение больших проектов в будущем будет невозможно.
Эксперимент «Луна-2015» еще раз продемонстрировал важность наземных модельных экспериментов для отработки вопросов медицинского обеспечения межпланетных полетов, эргономической оценки разрабатываемой перспективной космической техники и повышения надежности человеческого фактора при реализации национальной космической программы.
Космическая биология — в значительной степени фундамент космической медицины, хотя цели и задачи космической биологии, а также методики исследований несколько отличаются.
Основными задачами космической биологии как комплекса преимущественно биологических наук являются:
• изучение закономерностей влияния факторов КП и космического пространства на процессы жизнедеятельности организмов, находящихся на различных уровнях онтогенетического и филогенетического развития;
• разработка принципов создания и эксплуатации биологических систем обеспечения
жизнедеятельности экипажей в длительных КП и при нахождении на научных базах, расположенных на Луне, Марсе и, возможно, на других небесных телах; • поиск внеземной жизни, определение условий ее возникновения и распространения во Вселенной.
К настоящему времени в экспериментах с животными и растительными организмами в наземных модельных условиях и КП на различных видах космических аппаратов (станции «Салют», «Мир», МКС, биоспутники «Бион») накоплен огромный научный материал. Прежде всего, это результаты экспериментов и исследований на млекопитающих (мыши, крысы, обезьяны) и высших растениях.
Установлено, что невесомость оказывает влияние практически на все физиологические системы организма животных, но в большей степени на мышечную, скелетную, нейросенсорную и сердечно-сосудистую. Обнаруженные структурно - функциональные изменения многочисленны, но они носят адаптивный, а не патологический характер и вскоре после окончания полета возвращаются к норме. Тем не менее в экспериментах на крысах было показано, что искусственная сила тяжести, создаваемая вращением животных во время полета на бортовой центрифуге, может сохранить в условиях невесомости земной уровень функционирования многих систем организма.
Изложенное не означает, что проблема адаптации физиологических систем организма животных к условиям невесомости решена полностью. Мы пока мало знаем о том, как невесомость влияет на молекулярном уровне жизнедеятельности и какова роль генетического аппарата в механизмах адаптации организма к невесомости и длительному воздействию повышенных уровней космической радиации. Решению этих вопросов были в значительной степени посвящены эксперименты в 30-суточном полете биоспутника «Бион-М1» в 2013 г. и готовящиеся эксперименты в полете биоспутника «Бион-М2» в 2020 г.
Если говорить о результатах полетных экспериментов с высшими растениями на бортустанции«Мир» и МКС, то можно сказать, что выращивание растений в 4 поко-
лениях в условиях невесомости не привело к каким-либо структурно-функциональным изменениям, в том числе в генетическом аппарате. Эти результаты являются исключительно важными для решения проблем создания и эксплуатации биологических систем обеспечения жизнедеятельности (БСОЖ) человека в будущих полетах.
Система обеспечения жизнедеятельности экипажей (СОЖ) является одним из важнейших элементовпил отируемыхкосми -ческихкомплексов.
Используемые на орбитальных станциях СОЖ основаны на физико-химических процессах регенерации атмосферы и влаги, а также на регулярном пополнении расходуемых компонентов грузовыми кораблями. Для полетов за пределы околоземных орбит в ближайшей перспективе такая организация СОЖ также теоретически возможна, но ее техническая реализуемость и экономическая эффективность вызывают серьезные опасения.
По мере освоения дальнего космоса вопросы создания автономных систем жизнеобеспечения приобретут практическую значимость. По преобладающим в настоящее время представлениям для обеспечения межпланетных полетов и планетных поселений необходимо создание БСОЖ как некоего подобия земного биоценоза. И если в пилотируемых комплексах в обозримой перспективе с учетом ограничений по массе, объему, энергопотреблению будут, вероятно, использоваться гибридные СОЖ, то для планетных поселений создание автономных БСОЖ является одним из ключевых технологических решений.
Работы по созданию компонентов БСОЖ активно проводятся за рубежом. В России (СССР) работы в этом направлении начаты рядом учреждений с 1960-х годов, однако в последние десятилетия сведены к выполнению отдельных узких тем, что неминуемо ведет к потере приоритета отечественной космонавтики по данному ключевому направлению, важному для дальнейшего освоения человеком космического пространства.
Работы по созданию БСОЖ должны вестись с учетом особенностей создаваемых перспективных космических комплексов
и систем медико-биологического обеспечения межпланетных полетов, поэтому в интересах данного направления необходимо создание широкой кооперации учреждений науки с организациями космической отрасли. Создание задела по БСОЖ для задач межпланетных полетов должно стать одним из важных направлений перспективных исследований, для чего необходимо сформировать межведомственную рабочую группу для подготовки проекта программы по созданию БСОЖ и подготовке предложений по путям ее реализации.
Как указывалось выше, астробиология — это составная часть космической биологии, хотя и претендующая на некоторую самостоятельность.
Основным направлением исследований в области астробиологии в настоящее время является изучение влияния экстремальных факторов открытого космического пространства на выживаемость и жизнеспособность микроорганизмов, суховоздушных семян и лишайников. Эти исследования впервые начали проводить на наружной обшивке автоматических космических аппаратов, затем аппаратуру сбиообъектами стали размещать на внешней поверхности пилотируемых орбитальных станций («Мир» и МКС). Максимальная продолжительность экспонирования биообъектов в открытом космосе составила 18 месяцев. Послеполетное активирование биообъектов выявило их жизнеспособность, при этом выраженность обнаруженных изменений варьировала в достаточно широком диапазоне. Результаты исследований в области астробиологии помимо научной новизны имеют большое практическое значение для решения вопросов стерилизации межпланетных космических аппаратов и соблюдения требований по обеспечению карантина планет.
Биологические эксперименты в космосе в ближайшее десятилетие должны быть направлены прежде всего на решение медико-биологических проблем, связанных с будущими полетами человека в дальний космос.
К числу приоритетных проблем космической биологии следует отнести: • клеточные и молекулярные механизмы адаптации к невесомости и реадаптации к земной силе тяжести;
• зависимость структурно-функциональных изменений в организме от длительности пребывания в условиях невесомости, возраста и пола;
• возможные повреждения в организме при сочетанном действии невесомости и повышенных уровней космической радиации;
• биологические эффекты искусственной силы тяжести и длительного пребывания в условиях моделированной гипогравита-ции (1/6 и 1/3 g) с использованием бортовых центрифуг;
• эффективность новых физических и химических ( фармакологических) средств профилактики неблагоприятного влияния невесомости и космической радиации;
• выживаемость и жизнеспособность земных организмов при длительном воздействии на них условий открытого космического пространства;
• технологии культивирования высших растений в условиях невесомости.
Решение перечисленных проблем исключительно важно для более полного понимания фундаментальных основ жизнедеятельности в экстремальных условиях и решения практических задач космической медицины.
У космической медицины и биологии увлекательное будущее, основанное прежде всего на безусловной необходимости ее развития для дальнейшего освоения человеком космоса, в том числе дальнего.
В последние годы сформировался своеобразный«олимпийский» принцип космической медицины и биологии — сделать все возможное в фундаментальном и прикладном аспекте, чтобы человек смог летать выше, дольше, дальше и больше.
Будущая космическая медицина и в дальнейшем будет стремиться работать на опережение ( т.е. выполнять упреждающую научную роль, в том числе при проектировании новой космической техники). Это будет медицина микрогравитации, все более радиационная и гипомагнитная, медицина виртуальной реальности ( для моделирования и подготовки), роботоориентированная, с целями расширения функциональных резервов и соответственно пределов устойчивости организма человека. И конечно, она всегда была и еще больше будет медициной комбинированных воздействий и персонифицированной (индивидуализированной) биомеди -циной не только по геному человека, но и по его фенотипу.
Большое значение в дальнейшем развитии космической медицины будут иметь результаты исследований в области космической биологии.
И.Б. Ушаков
ФГБУ ГНЦ ФМБЦ им. А.И. Бурназяна ФМБА России
