Кровообращение космонавта
На заре развития космонавтики, когда появилась реальная техническая возможность осуществить полет человека по орбите искусственного спутника Земли, стал актуальным вопрос о возможности жить и работать в условиях невесомости. Надо было проанализировать, какие могут возникнуть при этом нарушения в деятельности сердечнососудистой системы.
Дело в том, что гравитационная сила тяжести более всего деформирует кровь, и только стенки сосудов, в которых она заключена, удерживают ее от растекания. Под действием силы тяжести кровь давит изнутри на сосуды. Это давление компенсируется напряжением их мышечного слоя, жесткостью стенок и окружающих тканей. Поэтому в земных условиях у человека, стоящего вертикально в нижней части тела сосуды всегда находятся под немного повышенном гидростатическом давлении крови.
Объем крови для нормального кровообращения должен быть немного больше, чем заполнение объема нерастянутых сосудов. На основании некоторых расчетов и модельных экспериментов установлено, что этот объем, при действующем гидростатическом давлении увеличивается на 12-18 процентов. При этом увеличение этого давления в нижних конечностях увеличивает количество межтканевой жидкости.
Что же произойдет в невесомости с момента выключения двигателей ракеты в безвоздушном пространстве до момента их включения или начала торможения в верхних слоях атмосферы?
Так человек и все органы и ткани из коих он состоит, потеряют вес, и кровь тоже. Растянутая при земном давлении кровеносная система сузится, уменьшится ее объем и «лишняя кровь устремится в верхнюю часть тела, в том числе в мозг, несколько повышается давление.
Межтканевая жидкость также начнет возвращаться в систему кровоснабжения. Повысится давление в полых венах правого предсердия, повысится приток крови к сердцу, а, следовательно, возрастет и ее выброс. Казалось бы, ничего угрожающего в организме человека не произойдет: наоборот, условия для циркуляции крови должны были бы облегчиться. Однако избыток крови в верхней части тела человека. С рост давления в венах, особенно в малом круге кровообращения ухудшается гемоциркуляция головного мозга, повышается нагрузка на правый желудочек сердца и увеличивается риск развития легочной недостаточности.
Таким образом, избыток циркулирующей крови может оказаться столь же невыгодным для организма, как и недостаточное. Поэтому заранее можно было предположить, что в организме есть механизмы, с помощью которых снижается объем циркулирующей крови в случае ее избыточности.
Действительно, в 1956 году физиологами Генри и Гауэром был открыт рефлекс, впоследствии названный их именами. Они установили, что при избытке циркулирующей крови растягивается левое предсердие, чем вызывается торможение выработки задней долей гипофиза антидиуретического гормона. При этом увеличивается потеря организмом жидкости и, конечно, уменьшается объем циркулирующей крови.
Это весьма важный, но, по-видимому, не единственный механизм нормализации кровообращения в невесомости. Возможны и другие, в том числе такие, как изменение эластичности стенок сосудов, компенсаторное расширение сосудистого ложа некоторых областей тела.
Таким образом, анализ возможных нарушений гемодинамики в невесомости не вызывал серьезных опасений. И опыт первых же космических полетов человека это подтвердил. Контроль над основными показателями гемодинамики в невесомости не выявил каких-либо непредвиденных реакций. Многочисленными исследованиями русских и американских физиологов была подтверждена гипотеза о том, что в первые несколько суток пребывания в невесомости происходит перераспределение крови в сосудах, увеличивается потеря организмом жидкости и уменьшается объем циркулирующей крови. В это время космонавты часто испытывали чувство прилива крови к голове, слизистые оболочки носоглотки набухали, наблюдалась небольшая отечность лица. Постепенно эти изменения смягчались, а в некоторых случаях исчезали. Признаков расстройства сердечной деятельности и кровообращения не выявлялось как при исследовании космонавтов в покое, так и при выполнении ими нагрузочных функциональных проб.
Более драматичной представлялась ситуация возвращения космонавтов на Землю после продолжительной космической экспедиции.
Адаптация кровоснабжения организма к невесомости одновременно означала дезадаптацию к действию силы тяжести.
Так, например, выгодное при невесомости снижение объема циркулирующей крови чревато тем, что при возвращении космонавта на Землю могло возникнуть несоответствие между емкостью сосудистого русла (к нему добавится «гидростатическое депо») и фактическим объемом заполняющей его крови.
Это значит: когда космонавт после завершения полета попытается принять вертикальную позу, возможно нарушение кровообращения. Возврат крови по венам к сердцу может оказаться значительно сниженным, резко уменьшится сердечный выброс, и давление в артериальной системе упадет настолько, что кровоснабжение головного мозга может оказаться недостаточным. Такие состояния часто приводят к потере сознания (ортостатическому коллапсу).
Первые космические полеты подтвердили и это предположение. После приземления у космонавтов сразу же вырастал пульс, снижалась физическая работоспособность, неспособность находиться в вертикальном положении. Подобные явления были наиболее ярко выражены у космонавтов, совершивших первый длительный полет на космическом корабле.
Необходимо было разработать и применить комплекс методов и средств, направленных на профилактику расстройств кровообращения у космонавтов после их возвращения на Землю. Комплекс включал интенсивную физическую тренировку в полете, выполнение ряда процедур, проводимых непосредственно перед спуском и направленных на искусственное увеличение объема циркулирующей крови, использование во время спуска специальных костюмов, сдавливающих нижние конечности и препятствующих растяжению их сосудистого русла. Эффективность этих средств была проверена в серии длительных (до полугода) космических полетов, выполненных советскими космонавтами на орбитальных станциях «Салют».
И все же можно ли считать проблему нормализации кровообращения космонавтов в полете и после его завершения окончательно решенной?
Пока еще нет. Для оптимизации всей системы поддержания здоровья космонавтов ученые продолжают всесторонне исследовать кровообращение человека в космическом полете и в наземных модельных экспериментах.
Перегрузки, испытываемые космонавтами в невесомости. Справка
При совершении космического полета космонавт подвергается воздействию ряда факторов: невесомость, перегрузки, шумы, вибрации, ограничение подвижности, изоляция, существование в замкнутом ограниченном пространстве и пр.
Ни одна профессиональная деятельность человека не связана с воздействием на него всех этих факторов в тех количественных соотношениях, как при полетах в космос. Так, состояние длительной невесомости, которое испытывает космонавт, не может быть испытано человеком в земных условиях.
В земных условиях человек может испытать только состояние кратковременной невесомости, например, если человек находится в лифте, движущемся по вертикали вниз с ускорением a = g. Где g – ускорение свободного падения, т.е. ускорение силы тяжести.
Как и сила тяжести, ускорение свободного падения зависит от широты места j и высоты его над уровнем моря Н. Приблизительно ускорение свободного падения = 978,049 (1 + 0,005288 sin2j – 0,000006 sin22 j – 0,0003086 Н. На широте Москвы на уровне моря g = 981,56 см/сек.
Но при а = g – тело и лифт совершают свободное падение и никаких взаимных давлений друг на друга не оказывают, в результате организм воспринимает оказываемое на него давление как состояние невесомости.
Состояние космической невесомости имеет отличия от состояния невесомости в земных условиях, что вызывает изменения ряда его жизненных функций в организме человека. Так, невесомость ставит центральную нервную систему и рецепторы многих анализаторных систем (вестибулярного аппарата, мышечно-суставного аппарата, кровеносных сосудов) в необычные условия функционирования. Поэтому невесомость рассматривают как специфический интегральный раздражитель, действующий на организм человека и животного в течение всего орбитального полета. Ответом на этот раздражитель являются приспособительные процессы в физиологических системах; степень их проявления зависит от продолжительности невесомости и в значительно меньшей степени от индивидуальных особенностей организма.
С наступлением состояния невесомости у космонавта могут возникнуть вестибулярные расстройства, длительное время сохраняется чувство тяжести в области головы (за счет усиленного притока крови к ней). Вместе с тем адаптация к невесомости происходит, как правило, без серьезных осложнений: человек сохраняет работоспособность и успешно выполняет различные рабочие операции, в том числе те из них, которые требуют тонкой координации или больших затрат энергии. Двигательная активность в состоянии невесомости требует гораздо меньших энергетических затрат, чем аналогичные движения в условиях весомости.
Если в полете не применяются средства профилактики, то в первые часы и сутки после приземления (период реадаптации к земным условиям) у человека, совершившего длительный космический полет, наблюдается следующий комплекс изменений:
1. Нарушение процессов обмена веществ, особенно водно-солевого обмена, что сопровождается относительным обезвоживанием тканей, снижением объема циркулирующей крови, уменьшением содержания в тканях ряда элементов, в частности калия и кальция;
2. Нарушение кислородного режима организма при физических нагрузках;
3. Нарушение способности поддерживать вертикальную позу в статике и динамике; ощущение тяжести частей тела (окружающие предметы воспринимаются как необычно тяжелые; наблюдается растренированность в дозировании мышечных усилий);
4. Нарушение гемодинамики при работе средней и высокой интенсивности; возможны предобморочные и обморочные состояния после перехода из горизонтального положения в вертикальное;
5. Снижение иммунобиологической резистентности (ослабление иммунитета);
вестибуловегетативные расстройства.
Нарушения работы организма человека, вызванные невесомостью, обратимы. Ускоренное восстановление нормальных функций может быть достигнуто с помощью физиотерапии и лечебной физкультуры, а также применением лекарственных препаратов. Неблагоприятное влияние невесомости на организм человека в полете можно предупредить или ограничить с помощью различных средств и методов (мышечная тренировка, электростимуляция мышц, отрицательное давление, приложенное к нижней половине тела, фармакологические и др. средства).
Другим фактором, оказывающим значительное влияние на человеческий организм при совершении космического полета, являются перегрузки.
Перегрузки космонавт испытывает при старте и возвращении космического корабля.
При старте на космонавта действует ускорение, величина которого изменяется от 1 до 7 g. Другими словами, вес космонавта во время запуска корабля как бы увеличивается в семь раз.
Человек легче всего переносит перегрузки, действующие в горизонтальной плоскости, хуже – в вертикальной. Однако способность переносить перегрузки (величина допустимых перегрузок) у разных людей различна и зависит от ряда факторов, например от скорости нарастания перегрузки, температуры окружающей среды, содержания кислорода во вдыхаемом воздухе, длительности пребывания космонавта в условиях невесомости до начала ускорения и даже от эмоционального состояния космонавта. Существуют, несомненно, и другие более сложные или менее уловимые факторы, влияние которых еще не совсем выяснено.
Перегрузки, связанные с ускорением, вызывают значительное ухудшение функционального состояния организма человека: замедляется ток крови в системе кровообращения, снижаются острота зрения и мышечная активность.
Под действием ускорения, превышающего 1 g, у космонавта могут появиться нарушения зрения. При ускорении 3 g в вертикальном направлении, длящемся более 3 секунд, могут возникнуть серьезные нарушения периферического зрения.
С увеличением перегрузок острота зрения уменьшается, поэтому в отсеках космического корабля необходимо увеличивать уровень освещенности. При продольном ускорении у космонавта возникают зрительные иллюзии. Ему кажется, что предмет, на который он смотрит, смещается в направлении результирующего вектора ускорения и силы тяжести.
При угловых ускорениях возникает кажущееся перемещение объекта зрения в плоскости вращения. Эта так называемая окологиральная иллюзия является следствием воздействия перегрузок на полукружные каналы (органы внутреннего уха).
Чтобы ослабить действие высоких ускорений, космонавта помещают в космическом корабле таким образом, чтобы перегрузки были направлены по горизонтальной оси.
Такое положение обеспечивает эффективное кровоснабжение головного мозга космонавта при ускорениях до 10 g, а кратковременно даже до 25 g.
При возвращении космического корабля на Землю, когда он входит в плотные слои атмосферы, космонавт испытывает перегрузки торможения, то есть отрицательного ускорения. По интегральной величине торможение соответствует ускорению при старте.
Космический корабль, входящий в плотные слои атмосферы, ориентируют так, чтобы перегрузки торможения имели горизонтальное направление. Таким образом, их воздействие на космонавта сводится к минимуму, как и во время запуска корабля.
По статистике, космонавты редко испытывают перегрузки, превышающие 4g.
Топ-25: отвратительные подробности о космических полетах, о которых вы никогда не задумывались раньше
Ни для кого не секрет, что за космическими путешествиями будущее человечества, но всем нам ближе романтика далеких миров, чем неприглядная действительность, связанная с тем, что на корабле ожидает любого, кто отправится на миссию. Наверняка все вы слышали про челнок «Аполлон-11» и Нила Армстронга, первого человека, высадившегося на Луну, но мало кто знает, как именно он ходил в туалет в течение легендарного 3-дневного полета.
На самом деле космос и орбитальные станции – не такое уж и возвышенное пространство, как мы привыкли о них думать. От вездесущего пота до жутко неудобных туалетных приспособлений, в космосе человеческое тело ждет множество неприятных испытаний. Если мы хотим попасть на Марс, нам придется придумать, как справляться с огромным количеством неудобств.
Вы готовы открыть глаза на неприглядную правду о космических полетах? Если да, то впереди вас ждет список из 25 отвратительных фактов про жизнь космонавтов за пределами земной атмосферы.
25. Бактерии 
Фото: NASA
Возможно, вы думаете, что на космических станциях или космолетах уж точно должно быть ну очень чисто, но все далеко не так. Там также грязно, как и у вас дома, если не делать уборку неделями. Ученые выяснили, что примерно около 4 тысяч видов бактерий и микробов живут в космосе вместе с участниками экспедиций на постоянной основе.
24. Космическая болезнь 
Фото: WikipediaCommons.com
Учитывая, сколько энергии необходимо для запуска космонавтов на орбитальную станцию, и не забывая о том, что там люди попадают в условия микрогравитации, неудивительно, что в полете члены экипажа испытывают огромную нагрузку. Именно поэтому космонавты постоянно страдают от так называемого синдрома космической адаптации. Симптомами этой болезни обычно бывают диарея, тошнота, рвота и головокружения.
На Земле слизь из нашего организма выводится через нос или мигрирует вниз по горлу, причем чаще всего вы этого даже не замечаете. Однако в космосе микрогравитация не позволяет происходить всем этим процессом по привычной схеме, и все выделения попросту скапливаются в местах их выработки. Единственный способ избавиться от слизи на борту орбитальной станции – это выдувать сопли в носовой платок. Впрочем, космонавты нередко прибегают к помощи очень острых специй, чтобы упростить себе жизнь.
22. Мозги 
Фото: WikipediaCommons.com
Как вы уже заметили, микрогравитация связана с целым рядом очень неприятных явлений. Когда человек попадает в космос, его кровеносная система начинает работать иначе, не как на Земле. Вместо того чтобы наше сердце закачивало кровь в ноги, оно принимается в большей степени снабжать кровью именно верхнюю часть тела и голову. Примерно первые 4 дня в космосе лица космонавтов буквально отекают из-за всей той крови, которая приливает к мозгу, вместо того чтобы снабжать питательными веществами и кислородом наши конечности. К счастью, впоследствии тело приспосабливается к новым условиям, и здоровое кровообращение все-таки восстанавливается.
21. Специи 
Фото: Tbuckley89
В условиях микрогравитации вы бы не смогли посолить или поперчить свою еду привычным способом. Только представьте себе частицы молотого перца и кристаллики соли, парящие по всему кораблю… Именно поэтому все необходимые приправы для орбитальной станции поставляются строго в жидкой форме.
20. Мертвая кожа 
Фото: Rjelves
На Земле мертвая кожа опадает маленькими частичками прямо на пол, и ее постоянно сдувает потоками воздуха или смывает водой. На космических кораблях, как вы уже помните, микрогравитация, и поэтому ничто там никогда не может просто упасть и лежать на своем месте в ожидании уборки или ветра. В результате космонавты нередко сталкиваются с целыми облаками омертвевшей кожи, когда кто-то из их товарищей, переодевается.
19. Жижа из тюбиков 
Фото: WikipediaCommons.com
На заре космических путешествий вкусный и приятный глазу рацион не был в списке главных приоритетов космических агентств. В результате первое время с аппетитом у космонавтов были большие проблемы, ведь им приходилось буквально давиться непонятными смесями из тюбиков.
18. Запах космоса 
Фото: WikipediaCommons.com
А вы когда-нибудь пытались себе представить, как пахнет космос? Когда космонавты возвращаются на борт станции после вылазок в открытый космос и снимают свои скафандры, они чувствуют необычные запахи. Чаще всего эти ароматы сравнивают с непрожаренным стейком, раскаленным железом или даже серой. Другими словами космос скорее воняет, чем пахнет.
17. Запахи на космической станции 
Фото: WikipediaCommons.com
Если вас смутило описание запаха открытого космоса, готовьтесь к кое-чему похуже – к ароматам, царящим внутри космических станций. Неудивительно, что пахнет там далеко не лучшим образом, ведь на борту постоянно находятся очень разные люди, а форточку в этом случае не откроешь. Члены экипажа, естественно, постоянно дышат и потеют, в том числе, из-за своих ежедневных двухчасовых тренировок, поэтому NASA даже установило на борту станции специальные дезодорирующие устройства. Впрочем, знаменитый астронавт Скотти Келли (Scotty Kelly) как-то сказал, что на МКС все равно пахнет, как в тюрьме…
16. Специальные трусики с повышенной впитываемостью «Maximum Absorbency Garment» 
Фото: Headlock0225
Белье под названием «Maximum Absorbency Garment» звучит очень серьезно, но по сути это всего лишь специальные подгузники для космонавтов. Во время запуска челнока и по пути к МКС у членов экипажа физически нет возможности в любой момент просто снять скафандр и сбегать в туалет, так что на выручку им приходят вот такие трусики. Первым этот американский подгузник использовал по назначению астронавт Алан Шепард (Alan Shepard).
15. Неконтролируемое мочеиспускание 
Фото: WikipediaCommons.com
В условиях микрогравитации нервы, которые сообщают вам, когда время помочиться, работают совсем не так, как на Земле. Все дело в том, что жидкость в мочевом пузыре на МКС наполняется по другим законам, и не всегда она заполняет его именно снизу доверху. Мочевой пузырь просто постепенно наполняется до своего предела, а потом внезапно вы понимаете, что бежать в туалет уже слишком поздно.
14. Питьевая вода из собственной мочи 
Фото: NASA.gov
В космосе не так уж и много воды. Чтобы решить проблему водоснабжения на борту МКС, космонавты начали пить переработанную и очищенную воду, произведенную, в том числе, и из их мочи. Устройство, преобразующее всевозможные жидкости и мочу в пригодную для питья воду, стоит около 250 миллионов долларов! Наверняка за этим аппаратом исправно следят, ведь никому из участников полета не хотелось бы, чтобы что-то пошло не так…
13. Вздутия 
Фото: Pixabay.com
В процессе переваривания еды в теле образуются газы. В привычных условиях земной атмосферы эти газы без проблем находят способ покинуть организм, но в космосе они так и остаются внутри тела еще долгое время. Если постараться пукнуть специально, от этого может начаться рвота. Говорят, что космонавты придумали особенную технику, как правильно пускать газы на борту космических кораблей.
12. Запор 
Фото: James Heilman, MD
Мы уже знаем, что из-за микрогравитации космонавты отекают, и у них вздуваются животы. Однако это не самое неприятное, что может случиться. Например, в космосе бывают запоры. Теперь понятно, почему во время полетных миссий космонавты питаются преимущественно полужидкой жижей из тюбиков.
11. Рвота в космосе 
Фото: Dirk Schoellner / NASA Blueshift / flickr
Как мы уже говорили, у членов экипажа регулярно бывает космическая болезнь, которая иногда приводит к рвоте. Представьте, что вы находитесь в условиях микрогравитации, и вас при этом тошнит. Рвотные массы будут летать по всему кораблю! Обычно космонавты стараются использовать блевательные мешочки, которые потом сохраняются на станции до прибытия нового челнока.
10. Дефекация в космосе 
Фото: WikipediaCommons.com
Быт на космических кораблях – очень занимательная тема. Во времена первых полетов справление нужды было крайне дискомфортным процессом, и космонавтам приходилось пользоваться специальными пакетами. К счастью, с тех пор многое изменилось в лучшую сторону. В наши дни участники экспедиций уже могут садиться на почти обычный унитаз, но сначала они проходят целый отдельный курс, чтобы научиться делать это в максимально правильной позе, иначе фекальные массы попадут совсем не туда, куда надо.
9. Диарея 
Фото: WikipediaCommons.com
На космолете «Аполлон-8», отправившемся на Луну под началом Фрэнка Бормана (Frank Borman), все пошло не по плану почти в самом начале миссии. В какой-то момент Борман проснулся от расстройства желудка – у него началась жуткая диарея, и его рвало. Рвотные массы и понос разлетелись по тесной капсуле, доставив членам экипажа немало неудобств. Капитан Борман не хотел докладывать об инциденте на Землю, но его коллеги Джим Ловелл и Уильям Андерс (Jim Lovell, William Anders) вынудили своего начальника все-таки сообщить центру управления о столь неприятном происшествии.
8. Проверки состояния кишечника 
Фото: Jason7825 / en.wikipedia
Было время, когда космонавты на своих космических заданиях носили в области живота специальные устройства, наблюдающие за перистальтикой кишечника. Все показания этих датчиков записывались и анализировались специалистами на Земле, которые следили за тем, чтобы у космонавтов все было в порядке.
7. Засор унитаза 
Фото: WikipediaCommons.com
Дома на Земле засорившийся унитаз – это достаточно неприятная проблема, а уж в космосе… В 1981 году именно это и случилось. Дело было на борту космического челнока «Колумбия» (Space Shuttle Columbia) – фекальные массы тогда попали из вентиляционной системы прямо в главную кабину корабля. Похоже, что участники программы полетов «Аполлон» тоже периодически сталкивались с парящими по шаттлу экскрементами.
6. Чихание 
Фото: WikipediaCommons.com
Пока космонавт находится в своем скафандре, он не может прикрыть рот или нос во время чихания. Если чихнуть все же пришлось, это может стать серьезной проблемой. Например, дворники шлема может залепить слюнями и соплями, что пагубно скажется на возможности видеть происходящее вокруг и ориентироваться в пространстве. Вы бы точно не захотели почувствовать себя в открытом космосе слепым котенком, поверьте. Чтобы избежать таких осложнений, космонавты всегда стараются чихать вниз, а не перед собой.
Долгое время ни у кого толком не было нормального плана на случай смерти одного из участников экспедиции прямо на борту космической станции. Вряд ли космонавтам понравилось бы разбираться с трупом на МКС. В итоге NASA совместно с похоронным бюро Promessa разработало концепцию «Body Back». По задумке исследователей тело усопшего укладывается в чехол, напоминающий спальный мешок, и прикрепляется снаружи космического корабля. По плану американцев тело в спальнике должно будет сгореть дотла в атмосфере Земли, когда челнок будет входить в ее верхние слои.
4. Ванная комната на МКС 
Фото: WikipediaCommons.com
Многие наверняка знают, что такое постоянные ссоры из-за очереди в ванную или туалет в большой семье. А теперь представьте себе эту же ситуацию в космосе, и вы поймете, что ваши проблемы – ничто. МКС была запущена на орбиту Земли еще в 1998 году, и с тех пор там постоянно работают русские и американские ученые. За все это время на борту случалось немало конфликтов. Например, русские космонавты любят холодец, из-за чего иногда засоряются туалеты. Западных космонавтов это так сильно злило, что они попросту запретили русским пользоваться туалетами NASA.
3. Капельки пота 
Фото: Minghong
Как мы уже рассказывали, космонавты обязаны тренироваться по 2 часа в день, чтобы поддерживать свое тело в форме и не терять мышечную массу. Во время физических нагрузок они, конечно же, потеют. В условиях микрогравитации пот не стекает с тела, как на Земле, а просто прилипает к коже в виде маленьких капелек округлой формы. Если вы сами не вытрете этот пот полотенцем, он еще долго от вас никуда не денется. Если вам все еще не противно, знайте – космонавты собирают собственный пот, чтобы потом использовать его для производства питьевой воды.
2. В космосе очень сложно мыться, поэтому душ там принимают крайне редко 
Фото: WikipediaCommons.com
Во время экспедиций у космонавтов обычно очень много работы, и при этом они не моются неделями. В самые первые миссии все заходило даже слишком далеко… А если вспомнить, что жили космонавты в очень тесных капсулах, то лучше даже и не напрягать фантазию.
1. Мозоли на ногах 
Фото: Quinn Dombrowski
Помните, мы говорили об омертвевшей коже? Бывает и кое-что хуже. По словам космонавтов, в космосе кончики их пальцев ног становятся до боли чувствительными, и у них постоянно появляются новые мозоли, которые то и дело отваливаются и летают потом по МКС.
