7. Экспериментальные исследования медико-биологических проблем экстремальных состояний человека

7. Экспериментальные исследования медико-биологических проблем экстремальных состояний человека

XX век ознаменовался бурным развитием техники, позволившей человеку достигнуть необычайных успехов в освоении земного пространства, шагнуть в космос, заглянуть в тайны микромира. Достижения науки и техники неоспоримы и они действительно расширили кругозор и возможности человека. Но при этом нельзя забывать какой ценой достаются человечеству эти успехи. Как это не парадоксально, но войны, бессмысленно унесшие сотни миллионов людей, также являются мощным стимулом для развития техники, разумеется, в первую очередь военной, но современные технологии военных и гражданских отраслей промышленности, науки и техники глубоко переплетены друг с другом и сегодня практически любое серьезное открытие научного или прикладного плана может быть использовано в военных целях. Вся история развития цивилизации убедительно подтверждает этот тезис.

Особенно впечатляющие достижения научного и технического плана достигнуты в космической и атомной индустрии, в вопросах освоения глубин океана, арктических и антарктических областей планеты.

Вполне очевидно, что во всех этих областях и отраслях человеческий организм подвергается воздействию необычных, экстремальных факторов внешней среды. Космические полеты предъявляют человеку такие нагрузки физического и психологического плана, которые требуют мобилизации всех, зачастую и резервных возможностей организма. То же самое можно сказать об исследователях морских глубин — пилотах глубоководных аппаратов, о людях, работающих в условиях высокоширотных полярных экспедиций в Арктике и Антарктике. Медицина экстремальных состояний — это не только оказание первой, неотложной помощи в очагах экстремальных ситуаций. Это экспериментальное исследование реакций человеческого организма в профессиональной деятельности человека, находящегося, в силу заданных обстоятельств, в необычных, экстремальных условиях.

Прикладное значение таких исследований неоспоримо. Они позволяют не только выявить скрытые резервы адаптационно-защитных механизмов человека, но и разработать методы и способы, повышающие уровень гомеостатики организма, работающего в необычных условиях и режимах. Отбор кандидатов в космонавты, пилоты батискафов, испытатели новой авиационной техники проводится в исключительно строгом режиме и согласно разработанным и утвержденным методикам, правилам и инструкциям. Он изначально позволяет отобрать практически здоровых людей, что уже само по себе является непростой задачей, учитывая проблемы здоровья. И тем не менее, требуются месяцы и годы упорных тренировок прежде всего, чтобы организм перешел на иной режим физических и эмоциональных нагрузок, более стабильно реагировал на возникающие перегрузки, не снижая при этом уровень профессиональных действий.

Авиакосмическая медицина, сформировавшаяся в течение второй половины минувшего столетия, разработала программы и методы исследования динамики функций организма человека в особых режимах, приближенных к экстремальным условиям. Аналогичными проблемами занимается Институт медико-биологических проблем, в котором отрабатываются новейшие методики исследований и тренинга специалистов, работающих в условиях повышенных и высоких физических и психоэмоциональных нагрузок.

Приводимые ниже фрагменты этих исследований дают возможность оценить проблему повышения уровня адаптационно-защитных возможностей организма человека применительно к тем условиям, в которых работают сегодня тысячи высококвалифицированных специалистов, исследующих Космос, глубины океана, Крайнего Севера и Антарктического материка. Эти исследования, проводимые в режимах чрезвычайных ситуаций, несомненно имеют большое прикладное значение для отработки методов и приемов используемых в решении боевых задач военного времени.

Подразделения гражданской обороны, МЧС России, службы медицины катастроф также используют методы, разработанные на основе достижений экспериментальной медицины и биологии.

Экстремальные условия космических полетов

Проникновение человечества в космическое пространство со временем станет такой же необходимостью, как и проникновение человека в глубины Океана, исследование тайн микро— и макромира, стремление к установлению контактов с иными мирами и цивилизациями.

Об этом писал еще в начале прошлого века К.Э. Циолковский, и это стало воплощаться в наше время созданием мощной аэрокосмической индустрии, запусками пилотируемых космических кораблей, зондирующих околоземное пространство, созданием долговременных орбитальных станций, и выдвинуло ряд серьезных этических проблем и проблем, связанных с пребыванием человека в Космосе.

Со времени полета Ю.А. Гагарина прошло около 50 лет. С тех пор накоплен громадный материал, за скупыми строчками и столбцами цифр которого буквально титанический труд миллионов людей, талантливых инженеров, математиков, астрономов, биологов, врачей. Успехи космических программ сегодняшнего дня — это успех всей цивилизации. Но нельзя забывать и о той драматической стороне дела, которая связана с освоением Космоса. Космонавты и астронавты, погибшие за эти годы при запусках и возвращениях кораблей, были мужественными людьми, профессионалами высочайшего класса и, тем не менее…

Анализ неудач, аварий и катастроф, связанных с освоением Космоса, позволяет выделить три основных группы факторов риска:

1. Техногенные факторы.

2. Антропогенные факторы.

3. Космические факторы.

Коротко охарактеризуем сущность этих факторов. К группе техногенных факторов относятся все происшествия, связанные с нарушениями или отказами техники, задействованной в космических программах. Запуск современной космической ракеты-носителя со спутником (космическим кораблем) на борту — событие само по себе — чрезвычайное, в силу реализации огромного количества программ, механизмов, устройств, средств связи, обеспечения, слежения и т. д. и т. п. Сама ракета-носитель, космический корабль-спутник, стартовый комплекс — все это можно представить как единый, многоуровневый, полифункциональный комплекс, включающий тысячи машин, механизмов, электронных устройств, связанных воедино, синхронизированных во времени с точностью до долей секунды и подчиненных единой программе. Вполне понятно, что сбой в работе лишь одного, казалось бы совсем незначительного на первый взгляд устройства, может привести к нарушению работы всего комплекса и возникновению аварийной, чрезвычайной ситуации во время старта, на участке выхода на орбиту или во время самого полета. Несмотря на многоуровневую систему дублирования, отработку и тщательность проверки всех технологических процессов изготовления и сборки узлов, агрегатов и блоков, на специальные системы контроля и громадный опыт, накопленный в течение десятилетий, вероятность аварийных ситуаций в этой отрасли очень высока. Здесь нет необходимости перечислять неудачи, аварии и катастрофы, связанные именно с фактором отказа техники, ибо, как уже было сказано выше, за сухой статистикой стоят человеческие трагедии. Важно подчеркнуть следующее: ракетно-космические комплексы настолько технически энергоемкие системы, что никакой коллективный разум, вооруженный даже сверхсовременными средствами прогнозирования и контроля, не в состоянии полностью исключить ту или иную степень вероятности отказа той или иной системы, агрегата, узла, детали.

Это прекрасно понимают и создатели, и конструкторы, и разработчики космической техники, и те, кто непосредственно поднимается в космос для повседневной работы.

Вполне очевидно, что наиболее сложными и ответственными этапами космического полета (именно в плане возможного возникновения аварийной ситуации) являются старт, вывод на расчетную орбиту и заключительный этап: торможение, спуск, посадка. Именно на этих этапах механизмы и агрегаты работают в чрезвычайных условиях, связанных с механическими, термическими и прочими перегрузками. Сам полет после выхода корабля-спутника на орбиту проходит, как правило, в более спокойном режиме и менее подвержен экстремальным воздействиям.

Антропогенные факторы риска связаны с воздействием на человека (космонавта) условий полета и космического пространства, которые могут при определенных обстоятельствах привести к нарушению функций организма и, как следствие, к возникновению аварийной ситуации.

Факторы риска, обусловленные спецификой космического полета, складываются из воздействия на организм человека гравитационных перегрузок во время старта и вывода на орбиту, шума, вибраций, мощной психологической компоненты и потенциально опасных факторов космического пространства (глубокий вакуум, сверхнизкие температуры, радиация, возможность встречи с метеоритами, а в настоящее время и с многочисленными фрагментами бывших спутников и ракет, засоряющими космическое околоземное пространство).

Первым полетам человека в Космос предшествовали многочисленные запуски спутников с животными на борту, где было установлено, что динамические нагрузки и состояние невесомости не являются непреодолимым препятствием для полетов и работы человека в Космосе. Но уже при подготовке к старту космического корабля «Восток» медикам, биологам, психологам и специалистам в области авиационной медицины было ясно, что человек, находящийся в кабине космического корабля, будет испытывать совершенно необычные нагрузки именно в силу комбинаций различных предвиденных (расчетных) и непредвиденных факторов.

Исследования, проведенные на центрифугах, показали, что человеческий организм способен выдерживать значительные перегрузки ускорения (5 — 10 и более G). Но человек должен при этом и сохранять работоспособность, контролировать свои действия по управлению кораблем, выполнять предусмотренные программой полета эксперименты и принимать адекватные решения в случае нештатных ситуаций. В перспективе задача ставилась на возможность работы человека не только в условиях обитания в кабине космического корабля, но и в открытом Космосе, что уже само по себе определяет экстремальный характер ситуации.

Об адаптивных возможностях человека уже говорилось в предыдущих разделах, поэтому здесь нет смысла повторять эти данные. Несомненно одно: требования, предъявляемые к организму человека (космонавта) условиями полета достаточно жестки и высоки, но в то же время должны укладываться в определенный функциональный «коридор», сохраняющий возможность не только выживания, но и профессиональной работы в космическом пространстве.

На схеме 38 приводятся воздействия факторов космического полета на организм человека. В психологическую компоненту входят не только те стрессорные по характеру воздействия, которые формируют состояние космонавта в момент старта корабля, вывода на орбиту и возникающие на всем протяжении полета, но и психологическая доминанта, сопутствующая самому выбору профессии космонавта, периоду его подготовки, тренингу, необходимости перестройки стереотипов поведения и т. д. Не случайно, что первый отряд космонавтов СССР в 1959–1961 гг. формировался из контингента военных летчиков. Аналогично и в США, отбор в астронавты осуществлялся из контингента ВВС. Вполне понятно, что это должны быть прежде всего совершенно здоровые физически люди с определенным складом характера, адаптированные к физическим нагрузкам, характерным для полетов на больших скоростях и высотах. Вполне очевидно, что в определенном качественном спектре воздействующих факторов наиболее сильные комбинированные воздействия на организм космонавта приходятся на период старта и возвращения на Землю. В течение всего полета, особенно если полет длительный, наиболее необычным, экстремальным фактором, является невесомость. Трудность исследования проблемы невесомости заключается в том, что в естественных, земных условиях это состояние очень трудно смоделировать. В какой-то мере приближенные условия можно создать состоянием гиподинамии и водной иммерсии. Реальное состояние невесомости человек может испытать при высотном полете самолета по параболе, но продолжительность такого полета исчисляется несколькими минутами. Отсюда понятно то внимание, которое было уделено этому фактору в первых же полетах человека в космическое пространство.

Схема 38

Факторы, воздействующие на организм человека в условиях космического полета

Здесь следует подчеркнуть, что медико-биологические аспекты космических полетов охватывают обширнейший круг вопросов, связанных с работой человека в экстремальных условиях. По сути эти вопросы могут быть разделены на две взаимосвязанные части: первая — это условия, которые должны быть обеспечены экипажу космического корабля; вторая — получение биомедицинской информации о состоянии систем организма в течение полета. Здесь необходимо отметить, что еще в 1965 г. при Академии наук СССР был организован Совет по международному сотрудничеству в области исследования и использования космического пространства в мирных целях (Интеркосмос). Сложность и объемность медико-биологических исследований в деле освоения Космоса потребовали не только создания специальных программ, но и привлечения широкого круга высококвалифицированных специалистов: врачей, физиологов, психологов, биологов, биофизиков, биохимиков. Головным учреждением в этом направлении стал Институт медико-биологических проблем Минздрава СССР, где уже более 30 лет проводятся разработки и экспериментальные исследования по вышеназванным проблемам.

Задачи, стоящие перед медицинскими экспериментами, могут быть разделены на две категории: первая — задачи, имеющие непосредственное отношение к обеспечению возможностей пилотируемых космических полетов. Сюда входят исследования влияния космического полета на человеческий организм в зависимости от специфики и длительности полета, разработка способов прогнозирования начала развития и степени тяжести нежелательных реакций организма, а также разработка наиболее эффективных способов предотвращения и коррекции негативных реакций.

Ко второй категории можно отнести получение специфической информации, которая может представлять ценность для обычных медико-биологических исследований и клинической практики.

К настоящему времени космической медициной и биологией накоплен громадный по объему уникальный по ценности материал, обобщающий сотни полетов в космическое пространство, работу отдельных космонавтов и космических экипажей кораблей и орбитальных станций, на которых космонавты находились от нескольких дней до нескольких месяцев и даже более года. И все это в условиях переменных нагрузок, невесомости и всего комплекса факторов, характерных для полета в космос.

На этих факторах следует остановиться подробнее. Наиболее необычным (по сравнению с земными условиями) фактором, воздействующим на организм человека, является невесомость. Ожидалось, что именно этот фактор, при достаточно длительных полетах может оказаться непреодолимым, если не создавать искусственную гравитацию, например, вращением корабля или космической станции, что технически возможно, хотя и связано с рядом серьезных конструктивных проблем. Однако анализ многочисленных космических полетов позволил установить, что невесомость не является единственным или достаточно серьезным фактором риска, хотя и приводит к определенным негативным реакциям, проявляющимся в дезориентации в пространстве, в возникновении симптомов космической болезни движения, в индивидуальных психических реакциях космонавтов.

Необходимо подчеркнуть, что состояние невесомости, наступает вслед за предшествующими, весьма значительными перегрузками ускорения, связанными с процессом вывода корабля на расчетную орбиту. Такая комбинация, вначале резко нагружающая отолитовый и проприоцептивный аппарат человека, а затем освобождающая рецепторы от привычных гравитационных нагрузок, несомненно, оказывает дестабилизирующее воздействие на всю систему, управляющую координацией движений, распределением мышечных и суставных усилий и в конечном итоге может привести к нарушениям профессиональной деятельности космонавта, если механизмы адаптации не компенсируют возникшие негативные реакции организма. Вполне обоснованно предполагалось, что при длительной невесомости отолиты, состоящие из углекислого кальция, могут раствориться или выйти из отолитовой мембраны, отдельные волосковые клетки могут атрофироваться, что приведет к функциональной или даже к морфологической деградации их со всеми вытекающими последствиями. Предполагалось, что пороги чувствительности отолитовых органов также могут возрасти или, напротив, резко снизиться, что не замедлит сказаться на зрительно-пространственной ориентации, потере мышечного тонуса, силы, координации движений и в конечном итоге, скажется на способности выполнять необходимую работу.

Тем не менее, было установлено, что адаптация к состоянию невесомости наступает (с учетом индивидуальных реакций) уже в течение нескольких суток полета и практически не является серьезной перестройкой систем организма, способной вызвать резко отрицательные, опасные для здоровья и жизни реакции, со стороны лабиринтно-отолитового и проприоцептивного аппаратов.

Однако такие нарушения в системе поддержания гомеостаза, как умеренное уменьшение общего объема крови, уменьшение общей массы эритроцитов, некоторое уменьшение (причем сугубо индивидуально) массы тела, деминерализация костей вследствие потери кальция, хотя и коррелируют в некоторой степени с результатами экспериментов по гиподинамии, все же не могут однозначно говорить о ведущей роли фактора невесомости в возникновении и проявлениях этих нарушений. Специалисты считают, что эти нарушения возникают скорее всего в результате всего комплекса факторов космического полета и зависят от его конкретных особенностей (параметров) одним из которых является, несомненно, длительность полета. Во всяком случае, данные, полученные в результате 14-месячного полета врача-космонавта В.В. Полякова, дали науке и практике буквально бесценный материал для анализа и прогнозов.

Выше мы уже отмечали, что факторы риска в космическом полете можно разделить на экзогенные и эндогенные. При этом эндогенные факторы, определяемые в сущности соотношением устойчивости и пластичности адаптационно-защитных сил организма, в определенной мере могут зависеть и от ряда экзогенных факторов космического полета, вызывающих напряжение регуляторных систем.

Схема 39

Факторы, определяющие уровень гомеостатических реакций организма

Среди многочисленных эндогенных факторов можно выделить в качестве основных групп такие, как напряжение регуляторных систем организма, снижение уровня функциональных резервов и проявления скрытых патологий.

Схема 40

Формирование системы экстремума под воздействием эндогенных факторов

При этом вполне очевидно, что напряжение регуляторных систем, вызванное всем комплексом экстремальных факторов космического полета, снижает уровень функциональных резервов организма, что в свою очередь может привести к еще большему напряжению регуляторных систем, т. е. возникновению своеобразной положительной связи между этими процессами, в результате чего происходит включение дополнительных и резервных возможностей организма, что при определенных условиях может привести к развитию стресс-синдрома и в результате — срыву адаптационно-защитных сил организма. При этом вполне реально проявление скрытых ранее патологий, что само по себе чревато серьезными нарушениями в условиях космического полета и может поставить под угрозу не только срыв программы полета, но и здоровье, и жизнь космонавта или всего экипажа.

Еще в 60-х годах прошлого столетия основоположники отечественной школы космической медицины академики В.В. Парин и О.Г. Газенко разработали концепцию, согласно которой система кровообращения рассматривалась, как индикатор адаптационных реакций целостного организма. Дело в том, что сердечнососудистая система и кровь являются универсальным связующим звеном всех, в том числе и адаптационно-защитных механизмов, протекающих во всех клетках, тканях и органах организма человека. Нейроэндокринные механизмы регуляции гомеостаза складываются из взаимозависимости и взаимосвязи гормональной сферы и вегетативных, симпатических и парасимпатических влияний на важнейшие органы и системы организма, в том числе и на динамику сердечных сокращений в зависимости от различных, в том числе и экстремальных воздействий на организм, что как раз и характерно для космических полетов.

Так, например, было установлено, что такие параметры сердечной деятельности, как частота пульса, вариабельность ритма, изменение мощности дыхательных волн, систолический объем, значительно меняются в различные фазы полета.

Таблица 3

Результаты анализа вариабельности сердечного ритма у космонавта К. на разных участках космического полета

*Умеренное отклонение значения показателя от нормы.

**Выраженное отклонение значения показателя от нормы.

Из сравнительного анализа данных, приведенных в табл. 3, следует, что у космонавта отмечается значительный рост мощности медленных волн 1-го порядка и некоторое снижение мощности спектра медленных волн 2-го порядка, что характерно (в условиях невесомости) для активации вазомоторного центра вследствие перераспределения крови в верхние отделы тела, повышенного наполнения малого круга кровообращения и сосудов головы.

В условиях невесомости практически отсутствует гидростатическое давление крови, что формирует совершенно иную (по сравнению с обычными условиями) ситуацию для систем, регулирующих артериальное давление. При этом вазомоторный центр находится в условиях постоянного напряжения, что проявляется и через 48 ч полета, и на 126-е сутки полета.

Комплексные факторы космического полета влияют также и на водно-солевой баланс (гомеостаз) организма, в частности на поддержание концентрации кальция, натрия, калия. В приводимой табл. 4 представлены данные из монографии А.И. Григорьева и Р.М. Баевского «Здоровье и космос. Концепция здоровья и проблема нормы в космической медицине» (2001).

Таблица 4

Концентрация ионов в сыворотке крови космонавтов до и после длительных космических полетов

Как следует из данных таблицы, у космонавтов, совершивших длительный космический полет, в послеполетный период концентрация натрия не изменилась, содержание калия незначительно уменьшилось, а содержание кальция существенно увеличилось. Как уже указывалось выше, в состоянии невесомости кровь и лимфа перераспределяются преимущественно в краниальном направлении. Сосудистые интерорецепторы реагируют на эти сдвиги, воспринимая их, как избыток жидкости в организме, что вызывает соответствующие адаптивные реакции сердечнососудистой системы, эндокринной системы и почек, направленные на удаление из организма «избытка» жидкости и солей. В итоге в организме формируется новый уровень нормы физико-химических показателей, характерный для условий невесомости.

Регуляция водно-солевого обмена обеспечивается нейро-эндокринными механизмами, изменяющими уровень содержания гормонов в жидкостях организма.

Из данных, представленных в табл. 5 следует, что после полета у космонавтов концентрации альдостерона, вазопрессина, паратгормона и кортизола существенно возрастают. Отмечается и увеличение значения коэффициентов вариации данных показателей. Здесь следует подчеркнуть, что изменения концентрации электролитов (см. предыдущую табл. 4) находятся в пределах ±10 %, в то время, как концентрация гормонов увеличивается на 40 — 140 %.

Таблица 5

Содержание гормонов в сыворотке крови космонавтов до и после длительных космических полетов

Отсюда можно сделать вывод, что при незначительных изменениях со стороны управляемых параметров показатели системы управления (уровень гормонов) отражают активную деятельность регуляторных механизмов организма. Это говорит о значительном напряжении регуляторных систем, поддерживающих постоянство гомеостаза в условиях космического полета.

Здесь следует отметить, что организм человека (космонавта), формируя адаптационно-регуляторные механизмы к условиям космического полета, создает сложный динамический комплекс приспособительных реакций на всем протяжении полета. Но по завершении полета организм вновь испытывает вначале перегрузки, связанные с режимами перехода корабля на спускаемую орбиту, а затем с возвращением к привычным условиям земной гравитации, что снова требует значительной перестройки адаптационных механизмов.

Так, например, было отмечено, что после возвращения из условий микрогравитации объем крови у космонавтов (астронавтов) становится ниже оптимального, а переход тела в вертикальное положение вызывает увеличение периферического объема, что в свою очередь может стать причиной снижения центрального объема.

Весьма характерным ответом организма на невесомость является снижение объема плазмы сразу после выхода корабля на орбиту, что проявляется в повышении концентрации гемоглобина. Примерно 10 % снижение массы эритроцитов в первые дни полета вызвано избирательным вымыванием молодых форм эритроцитов из циркуляторного русла. При возвращении на Землю увеличение периферического объема крови и снижение центрального объема развиваются достаточно быстро, в пределах 15 мин. Реадаптация к нормальной земной гравитации (1 g) проходит для систем перераспределения крови достаточно быстро.

При исследованиях реакций на факторы космического полета со стороны иммунной системы было отмечено, что выраженность иммунологических нарушений и длительность периода восстановления после полета зависят от продолжительности космического полета и у отдельных космонавтов от специфики психоэмоционального напряжения, особенно на стрессорные ситуации, связанные с особенностями полета. Иммунодепрессивное влияние факторов космического полета на иммунную систему человека свидетельствует, что адаптация системы иммунитета к необычным, биологически «не предусмотренным» факторам среды протекает (формируется) с определенной инерцией и может в определенных обстоятельствах служить причиной возникновения (проявления) скрытой патологии, болезни и нарушению или срыву программы полета. Это особенно значимо при длительных космических полетах и требует разработки специальных методов коррекции иммунной системы человека при подготовке его к космическому полету.

Здесь необходимо коснуться также некоторых вопросов, связанных с проявлениями нейросекреторных и сенсомоторных реакций организма человека в условиях космического полета.

Необычные сенсорные условия, вызванные почти полным отсутствием силы тяжести при выходе космического корабля на расчетную орбиту, формируют и весьма необычные взаимоотношения между сигналами от суставных, вестибулярных, зрительных и мышечных рецепторов. До установления адаптации к новым условиям космонавты и астронавты часто испытывают космическую болезнь движения, которая проявляется в дискоординации движений, нарушении пространственной ориентации, неустойчивости взора на предметы, иллюзии перемещения окружающего пространства. Интересно отметить, что многие проявления так называемого космического адаптационного синдрома (КАС) наблюдаются и при возвращении экипажей на Землю. Космическую болезнь движения в настоящее время принято считать частью адаптационного синдрома при котором нормальная физиологическая адаптация переходит в фазу декомпенсации. Как правило, провоцирующими факторами для проявления космической болезни движения (особенно в течение первых 2–3 дней полета) являются движения головой в любой плоскости.

Теоретически считается, что одной из причин, вызывающих космическую болезнь движения может быть перераспределение жидких сред организма в краниальном направлении. Существует и другая теория возникновения и проявления болезни движения, базирующаяся на феномене сенсорного рассогласования. Иногда ее называют теорией сенсорного конфликта. Солидный багаж данных, полученных при анализе данного феномена у космонавтов и астронавтов говорит о том, что нарушения подобного рода присущи, большинству людей, уже побывавших в космосе и ожидаются у тех, кому еще предстоит жить и работать в космических кораблях и орбитальных станциях. Сложности космического полета и управления кораблем или выполнения ряда запланированных операций на разных участках полета требуют высокой степени координации движений, что весьма затруднительно при проявлениях космической болезни движения. Отсюда вполне понятна роль данного феномена в факторе надежности и необходимости дальнейших разработок и поиска средств и методов контроля и коррекции данного состояния.

Поскольку мы коснулись проблемы надежности и, соответственно, безопасности космических полетов, необходимо отметить, что обеспечить абсолютную безопасность в выполнении современных космических программ невозможно, вследствие сочетания огромного количества действующих факторов в системе человек — космический корабль — среда, вопрос может идти лишь о повышении степени надежности технических систем и надежности человеческого организма к воздействию экстремальных условий полета.

Анализ нештатных ситуаций, осложняющих условия полета и представляющих угрозу здоровью и жизни членам экипажа показывает, что около 70 % таких ситуаций возникало из-за неисправностей и отказов бортовых систем или наземных стартовых комплексов, 12 % приходится на долю неблагоприятных факторов окружающей среды, 6 % — на долю ошибок, допущенных при разработке систем космического аппарата, менее 4 % на долю ошибок в управлении полетом со стороны экипажа, около 2 % — на ошибки в управлении со стороны наземных комплексов и ЦУП и только 1,5 % на долю заболеваний или нарушений со стороны здоровья экипажа.

Здесь следует выделить еще одну весьма важную с точки зрения надежности и безопасности космических полетов проблему. Это проблема комбинированного действия факторов полета и на организм человека и на технические системы космического корабля. Дело в том, что каждый из уже вышеперечисленных факторов космического полета достаточно хорошо изучен и в плане отработки технической надежности и в плане воздействия на организм человека. Но в реальных условиях все эти факторы действуют комбинированно, что вводит в систему множество дополнительных составляющих, эффект действия которых на технические системы и на организм человека предсказать очень сложно. Несомненно, такие параметры, как интенсивность действия фактора (факторов), продолжительность действия, экстенсивность или реципрокный параметр, последовательность действия факторов вносят свой вклад в формирование ответной (в том числе нештатной, экстремальной) ситуации в космическом полете. Но интегративный показатель комбинированного воздействия всех многочисленных факторов космического полета — это состояние здоровья и работоспособности космонавта и надежность в работе технических систем всего космического комплекса.

Экстремальные условия гипербарической среды обитания

Освоение человеком подводного мира особенно стремительно прогрессирует в течение последнего столетия. Это связано с необходимостью разработки шельфовой зоны полезных ископаемых, строительством и эксплуатацией плавучих буровых установок, расширением сферы специфических задач надводных и подводных флотов вооруженных сил, научными задачами, обусловленными биологическими, океанологическими, гидрографическими проблемами.

При использовании нормобарических подводных лодок и аппаратов человек защищен от воздействия высокого давления среды прочным корпусом батискафа или лодки. При осуществлении водолазных работ человек подвергается комплексному воздействию факторов повышенного давления водной и газовой среды, что при определенных условиях может создавать повышенные и высокие нагрузки на гомеостатику организма.

Схема 41

Формирование системы компенсаторно-защитных, адаптационных механизмов, в процессе подготовки, полета и возвращения космонавта

Выделяют три группы специалистов, работающих под водой: водолазы, осуществляющие различные виды работ в течение нескольких часов под давлением методом кратковременных погружений с использованием кислорода (до глубин 20 м вод. ст.), сжатого воздуха и искусственных газовых смесей (до 60 м). Затем, водолазы-глубоководники, производящие работы от нескольких минут до нескольких часов методом кратковременных погружений с использованием для дыхания искусственных газовых смесей, на глубинах 60 — 200 м вод. ст. И акванавты — водолазы и водолазы-глубоководники, работающие в условиях постоянного пребывания под повышенным давлением, от одних суток до нескольких месяцев методом длительных погружений на глубинах от 5 до 30 м вод. ст. на сжатом воздухе и на глубинах от 5 до 500 м вод. ст. и более с использованием искусственных газовых смесей.

Действию повышенного давления подвергаются также кессонщики-специалисты, работающие под водой без специального снаряжения в особых устройствах — кессонах, в которых создается повышенное давление при постоянной вентиляции сжатым воздухом до давлений 40 м вод. ст.

Если учесть, что подводный любительский спорт в последнее время (особенно после изобретения акваланга) получил массовое распространение, то можно представить себе, какое количество людей подвергается воздействию факторов повышенного давления водной и газовой среды. Несмотря на довольно жесткие правила и требования к технике безопасности погружений, подобная массовость приводит и к неоправданно большому количеству экстремальных ситуаций, связанных с неопытностью людей, пренебрежением и несоблюдением правил декомпрессии и состоянию техники.

Показано, что человек может опускаться и эффективно работать на глубинах до 500 м. При этом, с использованием специальных гипербарических береговых комплексов — до 700 м с пребыванием на глубине до нескольких суток, используя кислородно-гелиевые смеси (КГС), кислородно-азотно-гелиевые смеси (КАГС), кислородно-азотно-водородно-гелиевые смеси (КАВГС) или дыхательные газовые смеси (ДГС). Все это стало возможно благодаря широкому комплексу научно-исследовательских работ, в которых изучалось действие высокого гидростатического давления и повышенного парциального давления индифферентных газов, кислорода и смесей их на организм человек. Здесь следует отметить, что в группу инертных газов входят: криптон, ксенон, неон, аргон, гелий, водород и азот. Большинство из них используется в газовых смесях при глубоководных погружениях.

Гипербарическая физиология, изучающая реакции человеческого организма (или организма животных в эксперименте), является одним из разделов экстремальной физиологии. Было установлено, что повышенное гидростатическое давление оказывает неоднозначное действие на организм. На первых стадиях оно стимулирует, а затем угнетает физиологическую активность и моторные функции. Оказалось, что чем сложнее организация живых существ, тем они менее устойчивы к действию повышенного давления. В исследованиях П. Бриджмена (1948) и М. Гоникберга (1960) было установлено, что высокое гидростатическое давление угнетает биохимические реакции, идущие с увеличением объема конечных продуктов и стимулирует реакции, протекающие с уменьшением их объема.

Интересно отметить, что гидростатическое давление свыше 500–700 МПа вызывает изменения в структуре белка, аналогичные с изменениями под действием высокой температуры. При снижении давления гидростатическая «коагуляция» белка обратима.

Установлено, что под действием высокого гидростатического давления у теплокровных животных возникают эффекты так называемого нервного синдрома высоких давлений (НСВД). При этом вначале наблюдается общее возбуждение, вслед за которым появляется мелко— и крупноамплитудный тремор, далее следуют отдельные миоклонии, клонические, клонико-тонические судороги, параличи и наступает гибель.

Было обнаружено, что индифферентные газы обладают наркотическим действием на организм. При этом ксенон и криптон выявляют наркотический эффект даже при нормальном барометрическом давлении, аргон свыше 0,2 МПа, азот при 0,6 МПа, водород при 2,0 МПа. Наркотическое действие неона и гелия в экспериментах обнаружено не было, поскольку под давлением раньше возникают симптомы НСВД.

Еще в 1919 г. Э. Томпсоном было предложено использовать кислородно-гелиевую смесь для дыхания водолазов при глубоководных погружениях. А в 1934 г. А. Барач впервые успешно использовал кислородно-гелиевую смесь для лечения бронхиальной астмы и обструкций гортани.

Здесь необходимо подчеркнуть, что наиболее важный для жизни газ — кислород, при дыхании в чистом виде и при повышенном давлении более 0,2–0,4 МПа становится токсичным. При этом, в диапазоне давлений 0,3–0,4 МПа кислород (без эритроцитов и гемоглобина) может обеспечивать основные жизненные функции за счет физического растворения в жидких тканях и средах организма.

Установлено, что резкие перепады давления (в 0,03 МПа и более) между внешней средой и воздухоносными полостями организма человека приводят к различным баротравмам. Однако, китообразные (особенно киты и кашалоты) при нырянии на большие глубины в процессе эволюции выработали ряд специфических физиологических механизмов, позволяющих в 3–5 раз увеличивать содержание миоглобина в мышцах. У этих животных гораздо большее количество альвеол и капилляров, иное перераспределение крови в органах и тканях.

Кашалоты, например, ныряют на глубины до 2000 м и при этом могут задерживать дыхание до 1,5 ч.

В результате процессов сатурации и десатурации газов в тканях организма, происходит насыщение тканей газами или обратный процесс — выделение газов, причем для разных тканей с различной скоростью. Чем выше скорость снижения давления (при подъеме на поверхность), тем быстрее идет процесс свободного газообразования в тканях, лимфе, крови. Симптоматика проявлений декомпрессионной болезни достаточно характерна: от легких болей в суставах до клиники газовой эмболии с потерей сознания и летальным исходом.

При высокой степени насыщения тканей организма индифферентными газами проявляется определенный комплекс приспособительных реакций, который во многом обусловлен психофизиологическими резервами организма. Этот принцип используется для осуществления так называемых длительных погружений (ДП). Физиологический предел возможности пребывания человека в условиях гипербарии, согласно современным представлениям, ограничен глубинами 800 — 1000 м вод. ст. При использовании кислородно-азотно-гелиевых смесей достигнута глубина 666 м (П. Беннетт, университет Дьюка). В экспериментальном барокомплексе фирмы «Комекс» с использованием кислородно-азотно-водородно-гелиевой смеси испытателями была достигнута «глубина» 701 м (Б. Гардетт, 1993).

Современная гидронавтика рассматривает различные гипербарические объекты: подводные лодки, батискафы, скафандры, подводные жилища и гипербарические комплексы; как экологические системы со своими специфическими особенностями, т. е. как гипербарические экосистемы. Эти системы можно определить, как пространственно замкнутые системы длительного поддержания жизнедеятельности человека в условиях повышенного давления газовой и водной среды обитания. В отличие от природных экосистем, существующих за счет энергии Солнца, гипербарические экосистемы должны поддерживаться искусственными энергетическими устройствами. Вполне понятно, что все гипербарические экосистемы по способу питания являются гетеротрофными, так как получают готовое питание извне.

Поскольку плотность газовой среды в условиях высокого давления в 6 — 10 раз выше, чем при обычных условиях, функция внешнего дыхания человека значительно затруднена. Значительные сложности создают длительные сроки (до двух недель) выведения человека из условий пребывания под повышенным давлением. Это связано с медленным выделением из тканей и жидкостей организма растворенных в них газов. В большинстве глубоководных спусков периоды компрессии и декомпрессии занимают до 60–90 % всего времени.

Необходимо отметить, что высокое давление, измененные параметры микроклимата и необычная газовая среда могут вызвать неоднозначные и непредсказуемые реакции микроорганизмов, которыми буквально насыщен человеческий организм и которые могут находиться в воздушной замкнутой среде. Эти особенности проявлений микрофлоры могут быть неблагоприятны для здоровья и работоспособности человека.

Из всего вышесказанного с полной очевидностью следует, что исследование гипербарических экологических систем представляется сложнейшей задачей технического, биологического и медицинского планов. Не менее очевидно также, что условия обитания в замкнутых гипербарических экосистемах для человека являются экстремальными.

Одно из современных направлений науки — экстремальная физиология и медицина — изучает реакции человеческого организма на воздействие различных, экстремальных факторов внешней среды, в том числе и связанных с условиями гипербарии.

Специфические и неспецифические экстремальные факторы, воздействующие на водолаза, можно разделить на три группы:

1. Факторы, связанные с физико-химическими свойствами газов под давлением.

2. Факторы, связанные с физико-химическими свойствами воды и гидросферой.

3. Факторы, связанные со свойствами замкнутого газового пространства, создаваемого гипербарической техникой.

Вполне очевидно, что в условиях повышенного давления действует весь комплекс вышеперечисленных факторов, но ведущими факторами являются, прежде всего, гидростатическое и атмосферное давление и измененное парциальное давление кислорода и индифферентных газов-разбавителей кислорода.

Анализ литературных данных и собственных исследований позволили автору (д.м.н. Б.Н. Павлов) сформировать картину действия на организм человека гидростатического давления и высокого парциального давления индифферентных газов (схема 42).

Схема 42

Взаимодействие главных факторов: гидростатического давления и высокого парциального давления индифферентных газов на организм

Таблица 6

Физиологические критерии, определяющие вклад гидростатического давления в формирование НСВД на разных уровнях организма

Исследования психофизиологических реакций организма человека при воздействии гипербарии были ориентированы на поиск воздействий и газового состава, которые формировали индукционно-анаболическую фазу адаптации.

Динамика электрофизиологических показателей и показателей умственной работоспособности служили основанием для определения перехода организма во вторую стадию адаптации — стадию снижения резистентности. При проявлении симптоматики такого перехода нагрузочные пробы отменялись и проводилась декомпрессия. Этот прием позволил во всех экспериментах с участием человека избежать перехода к третьей стадии адаптации к гипербарии — стадии истощения, которая чревата декомпенсацией жизненно важных функций и возникновением патологических состояний.

В экспериментах на животных исследовались три последних симптома НСВД (клонические судороги, клонико-тонические судороги, паралич и смерть). Исследовалось также токсическое действие кислорода, скрининг и доклинические испытания фармацевтических препаратов, используемых в условиях гипербарии, острое гипоксическое состояние и декомпрессионная болезнь.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.