сомости с учетом информации о положении тела и условиях генерации силы.
Здесь в наибольшей степени сказывается ограниченность наземных исследований, например исследований людей в условиях обездвиженности. В этих исследованиях на симуляторах испытуемый за счет тактильных стимулов получает дополнительную информацию о положении тела в пространстве; эта информация отсутствует в невесомости. Тем не менее наземные исследования сохраняют свою важность, поскольку адаптационные процессы в космосе в принципе сравнимы с таковыми при соблюдении строгого постельного режима. Уже в шестидесятые годы было известно, что недостаточная нагрузка на различные органы и системы органов, как то: сердце, сосуды, мышцы и скелет, наблюдается как в космосе, так и – пусть и в смягченной форме – при соблюдении строгого постельного режима в земных условиях. Для того чтобы избежать такой детренированности, то есть потери функций, астронавты вынуждены ежедневно тренироваться по специальной программе, для чего отчасти были сконструированы новые тренажерные аппараты. При этом учитывались многие аспекты тренировок – их интенсивность, объем и безопасность. Так как применение отягощений в космических тренировках бессмысленно, конструкция тренажеров предусматривает использование эластических сопротивлений, например резиновых эспандеров, электромагнитных или пневматических сопротивлений, которые астронавт должен преодолевать за счет мышечных усилий. Для упражнений на выносливость, которые особенно полезны для предупреждения детренированности сердечно-сосудистой системы, на космических станциях применяют беговые дорожки, велоэргометры и аппарат для имитации гребли. Для тренировки больших групп мышц, требующей большой силы, был недавно разработан универсальный тренажер, так называемое усовершенствованное устройство для упражнений с сопротивлением (Advanced Resistive Exercise Device, сокращенно ARED). Этот тренажер стал, можно сказать, любимым развлечением астронавтов на МКС. Работающий на ARED астронавт сидит в утробе состоящего из множества стержней аппарата, отдельные элементы которого можно перемещать ногами, спиной или руками, преодолевая внутреннее, созданное пневматическими устройствами сопротивление. В этом аппарате можно очень дозированно выполнять сгибания в коленных суставах, а также такие упражнения, как жим лежа и становая тяга, причем с соблюдением необходимых мер безопасности. С помощью этого тренажера астронавты могут упражнять практически всю мускулатуру.
Поскольку мускулатура, как и скелет, нуждается в таком стимуле в форме механической нагрузки, то говорят, что для поддержания работоспособности и структуры этих систем необходимо напряжение. В условиях невесомости эти нагрузки на мышцы и кости, как уже было сказано, снижаются до минимума, и уже через два дня пребывания в космосе начинают проявляться признаки мышечной атрофии, сопровождающиеся структурными и функциональными изменениями мышечной ткани. Эта атрофия особенно сильно выражена в позных мышцах, которые поддерживают тело в вертикальном положении под действием силы тяжести. Без применения контрмер во время коротких полетов астронавты теряют около 20 % мышечной массы, а за время длительных миссий до 50 %. Эта потеря сильнее выражена в разгибателях, чем в сгибателях. Больше других страдают мышцы ног. Возникает очень серьезная проблема, когда астронавт после долгого пребывания в условиях невесомости попадает в поле тяготения, будь то по прибытии на Луну или Марс или по возвращении на Землю. Поэтому ни в коем случае нельзя пренебрегать силовыми тренировками во время космического полета.
С изменениями в мышцах тесно связаны изменения костей скелета. Без адекватной нагрузки, без напряжения нарушится равновесие между новообразованием и разрушением костной ткани. Темп потери костной массы составляет в среднем от 1 до 3 % за месяц. В участках с минимальной нагрузкой такая потеря может составить до 10 %. Это еще раз подчеркивает большое значение последовательных тренировочных программ и соответствующих тренажеров для поддержания здоровья опорно-двигательного аппарата. В разработке подобных тренажеров большую роль играют не только спортивно-медицинские и спортивно-физиологические соображения, но и возможность воздействия тренировок на саму космическую станцию. Интенсивные тренировки приводят к сотрясениям и вибрации, что может повредить выполнению проводимых на ней экспериментов. Самой большой опасности подвергаются физические эксперименты. Поэтому следовало бы провести пилотные исследования по измерению, например, уровня вибрации. Это необходимо прежде всего в свете использования вибрационных пластин для тренировки астронавтов, в частности системы Powerplate. Эта новая технология в земных условиях показала удивительную эффективность в сохранении и усилении мышечных и костных структур. Высокочастотные вибрации стимулируют возникновение рефлексов растяжения мышц и сухожилий, для противодействия которым мышцам с такой же высокой частотой приходится напрягаться и расслабляться. Благодаря такой тренировке происходит наращивание мышечной массы, и одновременно за счет тяги, приложенной к сухожилиям, происходит стимуляция роста костей. Благоприятным побочным эффектом от воздействия вибрационных пластин может стать то, что удастся сократить время тренировок в космосе, по крайней мере для восстановления мышечных и костных структур. В настоящее время проводятся испытания дополнительных фармакологических средств, например аминокислот для стимуляции синтеза белков с целью сохранения здорового состояния мышц и костей.
Уменьшение костной массы оказывает негативное влияние не только на прочность скелета, но, за счет ускоренного разрушения костей, приводит к повышению концентрации кальция в крови, а это создает риск образования мочевых камней, которые могут стать причиной неотложного медицинского состояния на космической станции. Тот, у кого были колики на фоне отхождения желчных или мочевых камней, знает, какой мучительной может быть связанная с этим боль! Согласно нашим современным знаниям, восприятие боли, в отличие от других ощущений, не ослабевает в условиях невесомости.
Об изменении вкуса в невесомости я уже говорил, но как обстоят дела с другими органами чувств? Считается, что в земных условиях приблизительно 40 % чувствительных клеток организма заняты обработкой информации, поступающей от кожи, мышц и суставов, чтобы мозг мог контролировать положение и движения тела в пространстве. Еще 30 % чувствительных клеток обрабатывают зрительную информацию и анализируют ее. Все остальные приблизительно в равных долях заняты обработкой слуховой информации и информации, поступающей от прочих органов. Отсюда понятно, что наш мозг главным образом нагружен кинестетическими задачами, то есть задачами, связанными с восприятием движений в пространстве и с обработкой зрительных образов. Поэтому нет ничего удивительного в том, что в процессе эмбрионального развития система восприятия движений начинает работать прежде систем, отвечающих за слух, вкус, обоняние, причем начинает уже на седьмой неделе беременности. В это время размер эмбриона не превышает 2 см. Это лишний раз подчеркивает очевидную важность восприятия пространства для жизни как таковой. Без этой системы восприятия невозможны никакие целенаправленные движения, ни до ни после рождения на свет. К этому моменту еще не закончено развитие внутренних органов. Этот этап завершается к девятой неделе внутриутробного развития и предваряет остальное развитие плода. Система слухового восприятия начинает функционировать только на 24-й неделе беременности, орган равновесия на 25-й, а зрение полностью формируется только на 4-м году жизни после рождения.
Осязание поддерживается покровом из тонких волосков, которых у взрослого человека насчитывается около 5 млн. Этот покров слишком тонок для того, чтобы, как на более ранних этапах нашей эволюционной истории, играть какую-то роль в терморегуляции, но зато этот волосяной покров принимает участие в осязании. Так как волосяной фолликул в среднем иннервируют пятьдесят осязательных рецепторов, то легко подсчитать, что в коже содержится около 250 млн рецепторов. К этому числу надо добавить еще 200 млн свободных нервных окончаний, способных различать около 10 модальностей воздействия. Гигантская нервная сеть тела способна среди прочего распознавать прикладываемое к коже давление, температуру осязаемого предмета и деформации кожи. Число рецепторов, воспринимающих деформации кожи, оценивают приблизительно в 60 млн. Нормальный гражданин, конечно, не столь чувствителен, как принцесса на горошине из одноименной сказки Ханса Кристиана Андерсена, но кожей лба мы способны ощутить давление силой меньше тысячной доли грамма.
Всего чувствительных клеток – порядка одного миллиарда. Этот мощный фон, особая роль кожи, органа равновесия и зрительной системы объясняют, почему внезапное выпадение многочисленных и разнообразных стимулов в космосе, так называемая сенсорная депривация, создает нешуточную проблему для центральной нервной системы. Недаром в «Рассказах о пилоте Пиркса» научного фантаста Станислава Лема кандидаты на должность пилота подвергались жесточайшему отбору, после чего проходили завершающий тест, по результату которого судили об их пригодности. Кандидатов помещали в условия практически полной сенсорной депривации, в звуконепроницаемую изолирующую камеру, куда не проникал ни один луч света. Они плавали в концентрированном солевом растворе, как в Мертвом море, и температуру этого раствора поддерживали такой, чтобы человек в нем не потел и не мерз. Сначала человек испытывал блаженство и расслабленность, но затем начиналось целое путешествие в страну ужасов, прежде чем человек освобождался от бредовых мыслей. Главное действующее лицо, антигерой кадет Пиркс, блестяще выдержал это испытание, и ему предложили пройти особую практику на космической станции, расположенной на обратной стороне Луны.
Сенсорная депривация в космосе не такая полная и зловещая, как в солевом растворе кадета Пиркса, поскольку здесь, на МКС, астронавт не совсем полностью отключен от всех внешних раздражителей, а наш мозг настолько функционально пластичен, что уже через пару дней обучается по-новому оценивать чувственные ощущения. Например, с течением времени исчезают симптомы космического укачивания. Для того чтобы в первые дни не слишком сильно страдать от приступов космической болезни, астронавты на борту МКС могут прибегать к таким лекарствам, как скополамин, классическому средству от морской болезни, которое много десятков лет с успехом применяют на Земле. Побочным эффектом скополамина становится утомляемость, поэтому одновременно с ним астронавты принимают амфетамин, который позволяет сохранять ясность ума и силы.