Первый: В первые дни микрогравитации дают о себе знать проблемы с желудком, головная боль и космическая болезнь движения. И это еще не все: способность засыпать уменьшится на 26 процентов, станет короче фаза быстрого сна, а это значит, что вы перестанете видеть сны. Работать неудобно, движения будут вялыми и медленными. К счастью, на борту космических станций есть лекарственные средства, которые помогут заснуть и проснуться.
Второй этап: за шесть недель вы, вероятнее всего, привыкнете к микрогравитации, и начнете более или менее нормально передвигаться, а еще через 6 недель наступит полная адаптация.
Третий этап: примерно между 6-ой и 12-ой неделями вам покажется, что на космической станции все стало унылым. Появятся симптомы скуки, пропадет мотивация, повысится артериальное давление и чувствительность к громким звукам, изменятся музыкальные предпочтения. Вы станете раздражительными, и легко вспылите, если коллега по станции вдруг позаимствует вашу вещь без спроса, или проникнет в ваше личное пространство; вы потеряете аппетит, станете хуже спать.
Четвертый этап: к концу пребывания на орбите вы почувствуете «волнение, беспокойство, и потеряете контроль над собой». Это своего рода кульминация третьего этапа, к которому добавится и ожидание возвращения домой. И вот тут, наконец, наступит долгожданное чувство эйфории.
Эффект эйфории
Согласно докладу НАСА, при космической эйфории люди смотрят на жизнь и на единение человечества по-новому. Например, астронавт Эдгар Митчелл с Аполлона-14 говорил, что на космической станции он понял, что все атомы во Вселенной как-то связаны друг с другом, и что Земля со всеми своими живыми существами является частью этой системы и составляет с ней одно целое. Митчелл был шестым человеком, которому удалось побывать на Луне, и он же часто говорил о существовании НЛО.
Эйфория повлияла не только на Митчелла. Многие астронавты возвращались на Землю с депрессией, и. для реадаптации к земным условиям проходили курс лечения. Изучению влияния космоса на психическое здоровье ученые придают огромное значение. В любом случае необходимо принять во внимание, что космос - весьма враждебная среда.
Для простых смертных космос так и останется большой загадкой. Вероятнее всего, никто из нас никогда не увидит, как в космосе горит огонь или кипит вода, но у нас есть возможность узнать, что же происходит с привычными нам вещами в состоянии невесомости.
Вода кипит одним большим пузырем
На Земле при кипении воды появляются десятки маленьких пузырей, а в космосе - только один гигантский пузырь. До 1992 года, когда эксперимент с кипящей водой провели на борту космического аппарата, ученые не знали, что может с ней произойти.
Появление одного большого пузыря они объясняют отсутствием конвекции (перенос теплоты в жидкости при перемешивании самого вещества) и плавучести: эти два явления обусловлены гравитацией.
Практическое значение эксперимента весьма велико: ученые смогут улучшить охлаждающие системы космических кораблей и когда-то построить двигательные установки для космических станций. Последние начнут использовать солнечный свет для нагрева жидкости, пары которой будут приводить в движение турбину, производящую электроэнергию.
Пламя в виде шара
На Земле пламя от костра или свечи поднимается вверх, а в космосе оно движется по всем направлениям. Причина в том, что у поверхности планеты больше молекул воздуха (опять же благодаря гравитации), а при вертикальном движении воздух становится разреженнее, и давление уменьшается.
Этой разницы в атмосферном давлении достаточно для того, чтобы пламя поднималось в виде шара.
На Земле воздух возле пламени нагревается, расширяется, и становится легче холодного воздуха, который давит на горячие молекулы, причем больше давления оказывается на нижнюю часть пламени, из-за чего оно поднимается вверх.
При отсутствии гравитации не ощущается и давление, и пламя шарообразно поднимается во все стороны.
Бактерии растут быстрее
Эксперименты показали, что бактерии растут быстрее в состоянии микрогравитации, причем некоторые из них становятся опаснее. Например, у сальмонеллы в космосе изменились 167 генов. После того, как бактерий-астронавтов вернули на землю, оказалось, что они в три раза чаще вызывали заболевания у мышей, чем сальмонеллы, выращенные на Земле.
Теорий быстрого роста бактерий в космосе несколько: например, там больше места. Изменения в генах ученые связывают с реакцией на стресс протеина Hfq: микрогравитация меняет пути движения жидкости в клетках бактерий, и Hfq реагирует на такие изменения, делая их опаснее. Изучив реакцию протеина на стресс в космосе, ученые надеются понять, как бактерии отвечают на сопротивление иммунной системы человека.
Пивные пузыри остаются в пиве
В космосе нет гравитации, значит, нет и силы, которая будет «выталкивать» пузыри газа из напитков: они так и останутся в пиве, даже когда оно попадет в организм космонавтов. Согласитесь, пить газированные напитки в состоянии микрогравитации - не самый приятный процесс.
К счастью, о космонавтах позаботилась австралийская компания, выпустившая пиво Vostok 4 Pines Stout Space Beer (Крепкое космическое пиво Восток-4) с низким содержанием газов. Некоммерческая организация по исследованию космоса Astronauts4Hire уже пытается выяснить, смогут ли потреблять это пиво в будущем космические туристы.
Розы пахнут по-другому
Цветы, выращенные в космосе, выделяет ароматические компоненты, отличные от компонентов земных растений. Происходит это потому, что летучие масла (которые и являются запахом цветов) зависят от температуры и влажности.
Если учесть хрупкость цветов, то несложно понять, почему запахи разнятся.
После анализа, внеземной запах роз с космического аппарата Discovery был «увековечен» в духах Zen от японской компании Shiseido.
Люди больше потеют
Повторимся, что в условиях микрогравитации не происходит конвекция, то есть пот не испаряется, а остается на теле.
Как результат, организм выделяет больше пота, пытаясь охладить себя.
Влага накапливается на теле, а путешествие в космос становится весьма «мокрым» занятием.
Иммунитет — это способность организма оказывать сопротивление вторжению чужеродных организмов. Иммунная система представляет собой весьма сложный объект: она состоит из нескольких внутренних органов (красного костного мозга, тимуса, который расположен в верхней части грудной клетки), лимфатических узлов и селезенки. Все эти органы выделяют большое количество специализированных клеток (лимфоцитов, эозинофилов, нейтрофилов и других), которые находят чужеродный микроорганизм или клетку и начинают его атаковать.
Выполнение основных функций приобретенного иммунитета возложено на лимфоциты, которые делятся на два типа: Т-лимфоциты и В-лимфоциты.
Т-лимфоциты обладают очень широким спектром действия (усиливают иммунный ответ, уничтожают поврежденные клетки собственного организма, активируют В-лимфоциты и другие типы активных клеток иммунной системы).
Группа ученых под руководством Брайана Крушиана из Космического центра NASA им. решила выяснить, как длительное пребывание в космосе отражается на функционировании иммунной системы человека. Ранее подобных исследований никогда не проводилось: специалисты располагали информацией лишь о том, как от болезней защищается организм человека, который провел в космосе небольшой по продолжительности период времени. Результаты работы ученых были опубликованы в журнале NPJ Microgravity.
В исследовании приняли участие 23 космонавта (18 мужчин и 5 женщин), работавших на Международной космической станции, средний возраст участников составлял 53 года. Шестнадцать космонавтов прибыли на МКС на российских космических кораблях «Союз» и провели в космосе около полугода. Оставшиеся семь человек были доставлены на МКС американскими шаттлами. Миссии пятерых космонавтов продолжались более ста дней, двоих — менее двух месяцев.
У всех испытуемых ученые перед полетом (за 180 и за 45 дней до него) брали кровь для анализа и выясняли, какое количество клеток, отвечающих за работу иммунной системы, в ней вырабатывается.
Те космонавты, которые проводили на МКС около полугода, брали у себя кровь еще три раза: спустя две недели после прибытия, на второй-третий месяц пребывания на станции и в конце миссии.
Эти образцы крови были доставлены на Землю и также исследованы специалистами из Космического центра им. Линдона Джонсона.
В результате работы выяснилось, что иммунная система людей, пребывавших в состоянии невесомости около шести месяцев, работает гораздо хуже, чем у остальных:
ее способность вырабатывать Т-лимфоциты была значительно снижена, уровень лейкоцитов нарушен, а способность распознавать чужеродные микроорганизмы и клетки находилась в подавленном состоянии.
Ученые утверждают, что результаты их работы означают: длительное пребывание в космосе значительно ослабляет иммунитет организма, что может создавать дополнительные сложности и проблемы с пребыванием на орбите. Стоит отметить, что после возвращения человека на Землю работа иммунитета восстанавливается не сразу, о чем говорят анализы образцов крови, взятых сразу после приземления и спустя месяц жизни на Земле.
Пока исследователи не могут назвать точных причин ослабления иммунитета: это может быть и общий стресс, полученный организмом при перелете на МКС, и нарушенная работа биологических часов организма, и пребывание в состоянии невесомости.
Ранее ученые уже выяснили, как невесомость сказывается на состоянии кожи живых организмов — статья была опубликована в том же журнале NPG Microgravity. Из-за того, что космонавты жаловались на сухость и зуд кожи, решено было отправить на орбиту мышей и вернуть их на Землю 91 день спустя, после чего проанализировать состояние кожи грызунов. Надо сказать, что участвовавшие в эксперименте грызуны стали первыми в мире живыми существами — за исключением человека, конечно, — которые провели в невесомости столь длительное время.
Шесть лабораторных мышей были доставлены на Международную космическую станцию при помощи шаттла Discovery. После возвращения ученые обследовали их кожу и выяснили: за три месяца пребывания в космосе
она стала существенно тоньше (на 15%), а шерсть стала расти по-другому.
(Волосяные фолликулы мышей-космонавтов находились в активной стадии работы, в то время как их функционирование в тот период времени должно было быть замедленны.) Изменения затронули работу генов, которые отвечали за работу фолликулов. Кроме того, исследователи выяснили, что кожа грызунов стала вырабатывать на 42% коллагена больше, чем кожный покров «земных» мышей.
Мыши помогли исследователям понять и то, почему в космосе у людей ухудшается зрение: соответствующая работа была проделана американскими и российскими исследователями, а главными участниками эксперимента стали грызуны, которые провели в космосе 30 дней на российском космическом аппарате «Бион-М» №1. Результаты были опубликованы в The Journal of Applied Physiology.
Космонавты, проводящие в условиях невесомости короткие сроки, жалуются на возникающие проблемы со зрением — которые, впрочем, исчезают после возвращения на Землю. Однако, если пребывание на орбите было длительным, самостоятельно зрение не восстанавливается. Ведущий автор исследования Майкл Делп комментирует: «Когда астронавты отправляются в космос, они готовы жертвовать ради этого своим физическим здоровьем. Однако рисковать зрением обычно хотят немногие».
После возращения «Биона-М» мыши были доставлены в Институт медико-биологических проблем , где команда ученых, возглавляемая и , начала детальное обследование состояния их здоровья. В результате работы выяснилось, что проблемы со зрением возникают из-за нарушения деятельности кровеносных сосудов. В условиях гравитации кровь, циркулирующая по сосудам и артериям, стремится вниз, к ногам, и это состояние является для нашего организма естественным. В условиях микрогравитации (невесомости)
жидкость не может опускаться вниз под действием притяжения, и в головной мозг попадает слишком большой объем крови. Это вредит работе сосудов, в частности, тех, которые обеспечивают нормальное функционирование глаз.
Ученые утверждают, что будут искать способы борьбы с этой проблемой.
Результаты работ доказывают, что с организмом людей во время нахождения в космосе могут происходить существенные изменения, в том числе и генетические, требующие детального изучения.
При освоении космической бездны наиболее важным становится вопрос, как поведёт себя человеческий организм в космосе? Во время полёта к далёким планетам и звёздам условия окружающей среды ничем не будут напоминать земные, в которых люди эволюционировали. В настоящее время существуют две защиты – космический корабль и скафандр. Первая защита предусматривает системы жизнеобеспечения – это воздух, вода, продукты питания, поддержание нужной температуры, противодействие радиации и мелким метеоритам. Вторая защита обеспечивает безопасность человека в открытом космосе и на поверхности планеты с враждебной средой.
Уже давно существует космическая отрасль медицины. Она быстро развивается, а её целью является изучение здоровья астронавтов, находящихся долгое время в космическом пространстве. Медики пытаются выяснить, как долго люди способны существовать в экстремальных условиях и как быстро они смогут адаптироваться к земным условиям после возвращения из полёта.
Человеческому организму требуется определённое количество кислорода в воздухе . Его минимальная концентрация (парциальное давление) составляет 16 кПа (0,16 бар). Если давление ниже, то астронавт может потерять сознание и умереть от гипоксии. В вакууме газообмен в лёгких проходит как обычно, но приводит к удалению из кровотока всех газов, в том числе и кислорода. Через 9-12 секунд такая кровь достигает мозга, и человек теряет сознание. Смерть наступает по прошествию 2-х минут.
Кровь и другие жидкости, содержащиеся в организме, закипают при давлении ниже 6,3 кПа (давление пара воды при температуре тела). Это условие называется эбуллизмом. Пар способен раздуть тело в 2 раза от его нормального размера. Но ткани организма обладают хорошей эластичностью и достаточно пористые, поэтому разрывов не будет. Следует также учитывать, что кровеносные сосуды за счёт своего внутреннего давления будут сдерживать эбуллизм, поэтому часть крови останется в жидком состоянии.
Для уменьшения эбуллизма существуют специальные защитные костюмы. Они эффективны при давлении до 2 кПа и предотвращают вздутие организма на высоте более 19 км. В скафандрах используется 20 кПа чистого кислорода. Этого достаточно для поддержания сознания, но испарение газов, содержащихся в крови, всё же может вызвать декомпрессионную болезнь и газовые эмболии у неподготовленного человека.
Люди не могут существовать вне магнитосферы , а поэтому человеческий организм в космосе подвергается воздействию высокого уровня радиации. За год работы на околоземной орбите космонавт получает дозу облучения, которая в 10 раз превышает годовую дозу на Земле. Радиация повреждает лимфоциты, поддерживающие на должном уровне иммунную систему.
Помимо этого, космические лучи в галактическом пространстве могут спровоцировать раковые заболевания любых органов. Они также способны нанести вред мозгу астронавта, что может привести к болезни Альцгеймера. Поэтому медики разрабатывают специальные защитные препараты, чтобы снизить риск негативных явлений до приемлемого уровня. И всё же следует сказать, что межпланетные миссии вне магнитосферы Земли чрезвычайно уязвимы. Здесь нужно учитывать мощные солнечные вспышки. Они способны вызвать у астронавтов лучевую болезнь, что означает смерть.
В середине 2013 года специалисты НАСА сообщили, что пилотируемая миссия на Марс может включать в себя высокий радиационный риск. В сентябре 2017 года НАСА сообщило, что уровень радиации на поверхности Марса удвоился. Связали это с полярным сиянием, которое оказалось в 25 раз ярче, чем наблюдалось ранее. Произошло это из-за неожиданной и мощной солнечной бури.
Органы человека, подверженные физиологическим изменениям в космосе
Теперь давайте поговорим о воздействии невесомости на человеческий организм в космосе . Кратковременное воздействие микрогравитации вызывает синдром адаптации к пространству. Выражается он в основном в тошноте, так как расстраивается вестибулярная система. При длительном же воздействии возникают проблемы со здоровьем, а наиболее значимыми являются потери костной и мышечной массы, а также замедляется работа сердечно-сосудистой системы.
Организм человека в основном состоит из жидкости. Благодаря гравитации, она распределяется в нижней части тела, и имеется множество систем, чтобы сбалансировать данную ситуацию. В невесомости жидкость перераспределяется в верхнюю половину тела. По этой причине у космонавтов на лицах наблюдается отёчность. Нарушенный баланс искажает зрение, также фиксируются изменения в обонянии и осязании.
Интерес вызывает то, что в космосе многие бактерии чувствуют себя гораздо лучше, чем на Земле. В 2017 году было установлено, что в невесомости бактерии становятся более устойчивыми к антибиотикам. Они приспосабливаются к космической среде теми способами, которые не наблюдаются у них на Земле.
Так как невесомость увеличивает количество жидкости в верхней части тела, повышается внутричерепное давление. Растёт давление на задние части глазных яблок, влияя тем самым на их форму. Данный эффект был обнаружен в 2012 году, когда на землю вернулись космонавты после месячного пребывания в космосе. Отклонения в работе зрительного аппарата могут стать серьёзной проблемой для будущих миссий, в том числе для миссии на Марс.
Выходом здесь может стать искусственная гравитационная система. Однако даже со сложной системой гравитации, установленной на звездолёте, может сохраниться состояние относительной микрогравитации, а, следовательно, сохранятся и связанные с нею риски.
Пока ещё чётко не проанализированы психологические последствия, связанные с длительным пребыванием в космосе . На Земле существуют аналоги. Это арктические исследовательские станции и подводные лодки. Для таких коллективов изменение окружающей среды является большим стрессом. А его следствием становятся тревога, депрессия и бессонница.
Качество сна в космосе плохое. Это объясняется сменой тёмных и светлых циклов, плохим освещением внутри корабля. А плохой сон влияет на нейробиологические реакции и приводит к психологическим стрессам. Сны могут нарушаться из-за потребностей миссии и высокого уровня шума от работающего оборудования. 50% космонавтов получают снотворное и при этом спят на 2 часа меньше, чем на Земле.
Изучение длительного пребывания в космосе показало, что первые 3 недели являются для космонавтов самыми критическими. Именно в этот период человеческий организм адаптируется к экстремальным изменениям окружающей среды. Но и дальнейшие месяцы являются тоже трудными. Однако миссии не настолько длинные, чтобы можно было судить о долгосрочных физиологических эффектах и изменениях.
Полёт на Марс и обратно с учётом современных технологий займёт как минимум 18 месяцев. Но сейчас никто не может сказать, как поведёт себя человеческий организм в космосе в течение полутора лет да ещё при отсутствии магнитосферы. Ясно лишь одно: на корабле должно находиться огромное количество диагностических инструментов и медицинских препаратов. Только в этом случае работоспособность экипажа останется на должном уровне.
Бескрайнее космическое пространство представляет для человека враждебную среду. В ней таится несчётное количество неизвестных опасностей. Но, несмотря ни на что, люди решительно настроены покорять космос. А поэтому научные работы в этом направлении ведутся неустанно. Разрабатываются технологии, которые включают в себя искусственную гравитацию и биорегенеративные системы жизнеобеспечения. Всё это должно свести будущие риски на нет и дать возможность людям колонизировать галактическую бездну .
Владислав Иванов
О том факте, что в Космосе наблюдается невесомость, сегодня знает, пожалуй, даже маленький ребенок. Такому широкому распространению данного факта послужили многочисленные фантастические фильмы про Космос. Однако в действительности, почему в Космосе невесомость, знают немногие, и сегодня мы постараемся дать объяснение данному явлению.
Ошибочные гипотезы
Большинство людей, услышав вопрос о происхождении невесомости, легко дадут на него ответ, сказав, что такое состояние испытывается в Космосе по той причине, что сила притяжения там не действует на тела. И это будет в корне неверный ответ, поскольку в Космосе сила притяжения действует, и именно она удерживает все космические тела на своих местах, включая Землю и Луну, Марс и Венеру, которые неизбежно вращаются вокруг нашего естественного светила – Солнца.
Услышав, что ответ неверный, люди наверняка достанут из рукава другой козырь – отсутствие атмосферы, полный вакуум, наблюдаемый в Космосе. Однако и этот ответ не будет верным.
Почему в Космосе невесомость
Дело в том, что та невесомость, которую испытывают на себе космонавты, находящиеся на МКС, возникает по причине целой совокупности всевозможных факторов.
Причиной тому является то, что МКС вращается вокруг Земли по орбите с огромной скоростью, превышающей 28 тысяч километров в час. Такая скорость влияет на тот факт, что астронавтами на станции перестает ощущаться Земное притяжение, и относительно корабля создается ощущение невесомости. Все это и приводит к тому, что космонавты начинают передвигаться по станции именно так, как мы это видим в фантастических фильмах.
Как симулируют невесомость на Земле
Интересно, что состояние невесомости можно искусственно воссоздать в пределах Земной атмосферы, чем, кстати, успешно занимаются специалисты из НАСА.
На балансе NASA присутствует такое летательное средство, как Vomit Comet. Это вполне обычный аэроплан, который используется для тренировки астронавтов. Именно он способен воссоздавать условия пребывания в состоянии невесомости.
Сам процесс воссоздания подобных условий выглядит следующим образом:
- Аэроплан резко набирает высоту, двигаясь по заранее запланированной параболической траектории.
- Достигая верхней точки условной параболы, аэроплан начинает резкое движение вниз.
- За счет резкого изменения траектории движения, а также устремления летательного аппарата вниз, все пребывающие на борту люди начинают находиться в условиях невесомости.
- Достигая определенной точки снижения, аэроплан выравнивает свою траекторию, и повторяет процедуру полета, либо же садится на поверхность Земли.
Человек впервые полетел в космос в 1961 году, но даже полвека спустя нет точных ответов на вопросы о том, как именно космический полет и продолжительное пребывание в условиях минимальной гравитации или невесомости влияет на человеческое тело.
В новом исследовании ученые решили изучить изменения в теле космонавтов чуть глубже, практически на молекулярном уровне.
Необратимые изменения
Изучение состояния здоровья космонавтов после продолжительного пребывания в космосе показало, что есть ряд изменений, которые сильно влияют на их здоровье как во время полета, так и после. Многие космонавты после определенного периода времени, проведенного в невесомости, не могут вернуть свои прежние показатели физической подготовки.
Все потому, что условия микрогравитации напрягают человеческий организм и приводят к его ослаблению. Например, ослабевает сердце из-за потери массы, так как в невесомости кровь распределяется по-другому и сердце бьется медленнее.
Кроме того, снижается плотность костной массы, из-за того что на тело не влияет земная гравитация. Изменения костной массы наблюдаются уже в первые две недели в невесомости, а после длительного пребывания в космосе восстановить прежнее состояние ткани практически невозможно.
Особенно сильны изменения в иммунной системе организма и в процессе метаболизма.
Иммунная система
Иммунитет страдает от того, что невесомость — крайне новое для человека состояние в плане эволюционного развития. На протяжении сотен тысяч лет люди не сталкивались с условиями микрогравитации и оказались крайне генетически неподготовленными к ним.
Из-за этого иммунная система воспринимает невесомость как угрозу всему организму в целом и старается задействовать все возможные защитные механизмы сразу.
Кроме того, в условиях изоляции от привычных условий человеческий организм сталкивается с минимальным количеством бактерий, вирусов и микробов, что тоже негативно сказывается на иммунитете.
Метаболизм
Изменение метаболизма происходит по ряду причин. Во-первых, снижается выносливость организма и теряется мышечная масса из-за отсутствия физических нагрузок, к которым организм привык в условиях гравитации.
Во-вторых, из-за снижения выносливости и аэробных нагрузок организм потребляет меньше кислорода и расщепляет меньше жиров.
В-третьих, из-за изменений в кардиоваскулярной системе меньше кислорода поступает в мышцы через кровь.
Все это говорит о том, что человеческое тело проходит сложный период адаптации к условиям длительного пребывания в космосе. Однако как именно и из-за чего происходят изменения в организме?
Изучение состава крови
Изучение состояния космонавтов до, во время и после космических миссий показало, что происходят изменения в иммунной системе, мышечном тонусе, процессах обмена веществ и регулирования температуры тела, однако ученым до сих пор непонятны механизмы, стимулирующие эти изменения.
Оказывается, полет в космос снижает содержание различных белковых групп в человеческом организме. Некоторые из них быстро приходят в норму, а вот другим прийти к предполетному состоянию оказывается гораздо сложнее.
Ход исследования
Чтобы изучить эффект, оказываемый длительным пребыванием на орбите в условиях микрогравитации, на содержание белков в крови, ученые изучили плазму крови 18 российских космонавтов, побывавших в долговременных миссиях на Международной космической станции.
Первый образец плазмы был собран за месяц до полета, второй образец — сразу после приземления, а заключительный образец — через неделю после завершения миссии.
В определенных случаях космонавты сами брали и изучали образцы будучи на МКС, чтобы предоставить более точные показатели того, как изменяется содержание определенных белков в их крови.
Результаты
Всего 24 % из проанализированных белковых групп были найдены в более низком содержании сразу после приземления на Землю и по прошествии семи дней.
Выводы
Изучение разницы в сожержании белков в крови является одним из способов, с помощью которых можно объяснить некоторые изменения, происходящие в организме космонавта, пребывающего в невесомости долгое время.
Например, авторы исследования пришли к выводу, что практически все 24 % белков, концентрация которых изменилась во время пребывания в космосе, были связаны всего с несколькими процессами работы организма, такими как жировой обмен, свертывание крови и иммунитет.