"Existují lidé, jejichž úkolem je ležet v koupelně": jak se zkoumá vliv stavu beztíže na zdraví astronautů

2024 Autor: Malcolm Clapton | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 03:50

O tom, jak se simulují podmínky beztíže na Zemi a co cítil účastník experimentu se „suchým“ponořením.

Jsou lidé, jejichž úkolem je ležet v koupelně. Lhát hodiny, dokonce i dny (a dostat za to zaplaceno). Není však třeba jim závidět – řeč je o účastnících složitých vědeckých experimentů, při nichž lékaři z Ústavu biomedicínských problémů Ruské akademie věd zkoumají vliv stavů podobných stavům beztíže na lidský organismus. Tato zkušenost sama o sobě, jako každý dlouhý pobyt ve vesmíru, vede k poruchám v těle.

O tom, jak a proč byla metoda „suchého“potápění vynalezena a jaké vědecké výsledky umožňuje získat, jsme požádali Ljubova Amirova a Ilju Rukavišnikova, zaměstnance Ústavu biologických a biologických věd. Kromě toho vám doporučujeme, abyste se seznámili s deníkem účastníka „ponoření“, které trvalo pět dní, inženýra a popularizátora kosmonautiky Alexandra Khokhlova. Záznamy byly pořízeny přímo během experimentu.

Pobyt ve vesmíru, a to i na dobře chráněné kosmické lodi, má negativní vliv na zdraví astronauta. Při letu do vesmíru je pro tělo téměř vše neobvyklé a nepřátelské – zvýšená radiace na pozadí, mikrogravitace, izolace, umělá atmosféra a osvětlení a monotónnost smyslových podnětů, která vás žene do stesku po domově. Z těchto faktorů je pro let do vesmíru specifická pouze mikrogravitace, která je v pozemských podmínkách prakticky nereprodukovatelná.

Na úsvitu éry kosmonautiky nebyla hlavním nebezpečím mikrogravitace, ale přetížení, a právě pro ně byli astronauti aktivně trénováni. S rozvojem techniky se lety stále prodlužovaly a v červnu 1970 sovětští kosmonauti Andrijan Nikolajev a Vitalij Sevastjanov uskutečnili první dlouhý 18denní vesmírný let, vytvořili rekord v délce nepřetržitého letu, návratu na Zemi a …nemůže stát a chodit. Stav astronautů byl depresivní: svalová atrofie, negativní reakce kardiovaskulárního systému.

Tento stav vedl vědce ke dvěma závěrům. Za prvé je nutné vyvinout systém prevence (aby se to neopakovalo!) a za druhé studovat vliv stavu beztíže na lidský organismus (abychom pochopili základní zákonitosti vlivu stavu beztíže). Ukázalo se, že bez velkého množství dat o změnách v každém orgánovém systému není možné vyslat astronauty do vesmíru. Jak ale zkoumat vliv stavu beztíže na lidské tělo bez prostoru?

Ponoření s nulovou gravitací

Vědci našli šalamounské řešení tohoto problému – napodobení podmínek stavu beztíže na Zemi. Takové experimenty simulující vesmírný let se nazývají model (nebo modely) a jejich účinek na tělo je podobný vlivu stavu beztíže. Vzhledem k tomu, že hlavními faktory, které ovlivňovaly stav astronautů, byly fyzické vykládání, přerozdělování tekutin a nedostatek podpory, tvořily základ modelových experimentů.

V moderní vědě ani jeden modelový experiment nedokáže plně reprodukovat podmínky beztíže, a proto se pečlivě vybírá předmět výzkumu a experimentální model v závislosti na tom, co vědci plánují studovat. Poměrně často jako „testovací subjekty“vystupují laboratorní zvířata, jako jsou myši a potkani, ale nejcennější informace poskytují modelové pokusy na lidech – dobrovolných testovaných subjektech.

Deník testera

Zveřejňujeme fragmenty záznamů, které na Facebooku vedl konstruktér kosmické instrumentace Ústředního výzkumného ústavu RTK, popularizátor kosmonautiky Alexander Khokhlov, který se zúčastnil experimentu „Účinnost nízkofrekvenční EMS v prevenci svalového detrainingu, který se rozvíjí v podmínkách pozemní simulace podmínek kosmických letů“, který se v březnu - dubnu letošního roku konal v Ústavu biomedicínských problémů Ruské akademie věd (SSC RF - IBMP RAS).

„Dnes ráno jsem se dozvěděl, že vyšetřovatel, který byl přede mnou, je nemocný, byl jsem naléhavě předvolán na IBMP a do experimentu jsem vstoupil o den dříve. Na ponornou koupel jdu ve čtvrtek (první v druhé záložce). Dnes byly experimenty: "Pose", "Terénní test", "Vision", "Dýchání", "H-reflex", "Algometria" a "Vulcan-I". Na "Vision" mi nasadili závaží na oči (po dobu čtyř minut), když předtím nakapali anestetikum. Takto si astronauti měřili oční tlak a pak přešli na vzduch."

„Moje účast na experimentu vstoupila do nové fáze. Asi v 9:30 jsem se na pět dní ponořil do suché ponorné lázně.

Voda s příjemnou teplotou je pokryta fólií, která mě ovíjí ze všech stran. Ven kouká jen hlava a někdy i ruce. Tělo je před fólií chráněno prostěradlem, které se mění každý den. Z oblečení: ponožky, spodky a tričko.

První den probíhá nezvykle. Nové pocity, které směrem k noci zesílí. Náš život v lázních suchého ponoření je nepřetržitě podporován týmy tří lidí ve službě: lékaře, laboranta a technika.

Nemusíte se zde nudit, experiment střídá experiment, všední chvíle také vyžadují čas. Večer začala první tříhodinová elektrická myostimulace. Jeho přítomnost je hlavním rozdílem tohoto experimentu v suché ponorné lázni od předchozích. Nízkofrekvenční EMS může pomoci překonat škodlivé účinky stavu beztíže na astronauty a také starší lidi s omezenou pohyblivostí na Zemi. Stimulace připomíná rytmické interpunkce na stehnech a holeních."

Existuje několik způsobů, jak studovat vliv stavu beztíže na lidské tělo. To lze například provést v letadle padajícím po parabolické trajektorii. Doba trvání fáze nulové gravitace je ale v tomto případě tak krátká, že o dlouhodobých účincích není třeba mluvit.

Abyste dosáhli silnějších dopadů, můžete si jednoduše lehnout na postel se sklopenou hlavou. Klid na lůžku povede ke svalové atrofii a krev neustále proudící do hlavy přiblíží stav kardiovaskulárního systému subjektu blíže stavu astronauta. Je pravda, že budete muset lhát po dlouhou dobu - alespoň několik týdnů, nejlépe několik měsíců.

Nejneobvyklejším a zároveň nejbližším modelem účinkům stavu beztíže je „suché“ponoření (z anglického ponoření – „ponoření“), při kterém je člověk ponořen do vody na několik dní či týdnů.

Výzkum na modelu "suchého" ponoření / Oleg Voloshin

Výzkum na modelu "suchého" ponoření / Oleg Voloshin

Výzkum na modelu "suchého" ponoření / Oleg Voloshin

K vynálezu modelu pomohlo následující pozorování – dlouhý pobyt ve vodě působí na lidský organismus podobně jako stav beztíže. První ponory byly „mokré“– subjekty byly několik dní v bazénu se sladkou vodou.

Na jednu stranu se potvrdily dohady vědců o podobnosti pozorovaných změn, na druhou stranu se však díky neustálému kontaktu s vodou začali lidé doslova odlupovat z kůže. Dobrovolným testerům nepomohly ani ochranné masti a stěny bazénu zčernaly od mazu, který na nich byl nasazen a zoxidován. Také poddaným bylo zakázáno spát v bazénu, aby se neutopili, a službukonající lékaři je museli budit.

„První noc v ponorné lázni byla náročná. Podřimoval jsem asi v 00:00 a brzy jsem se probudil se zvláštními pocity, že mě voda tlačí skrz film, začala mě bolet záda, pak se mi stáhl žaludek (začal otékat). A ve výsledku jsem ráno spal jen dvě hodiny a v šest už jsem koukal do stropu.

Ráno do 10:00 jsem měl pokusy nalačno. Například SPLANCH, na kterém ultrazvuk ukázal, že mám hodně vzduchu v žaludku a ve střevech. Trvalo to den ve vaně. nemám chuť k jídlu. Mám v plánu pít jen k večeři.

Jelikož stále probíhá adaptační období, špatně se píše a čte, proto hudbu poslouchám převážně se sluchátky. Nemusíte se nudit, pozornosti ze strany týmu a výzkumníků je dostatek.

A více o tom dobrém. Jeden z experimentů se nazývá Ryazhenka a večer pijeme hrnek chutného a zdravého produktu.

Ukázalo se, že provedení experimentu za takových podmínek je nemožné a model potřebuje výrazné vylepšení. Nejelegantnější verzi jeho vylepšení navrhli zaměstnanci Ústavu lékařských a biologických problémů E. B. Shulzhenko a I. F. Vil-Williams na počátku 70. let. Bazének byl zakryt voděodolnou tkaninou o velké ploše tak, aby byl subjekt zcela ponořen do vodního sloupce, ale zároveň nepřišel do kontaktu s boky a dnem mísy. Na povrchu zůstane pouze hlava a paže subjektu.

V režimu hlavy profesora Dowella pod přísným dohledem lékaře a výzkumníků žije dobrovolník po celou dobu experimentu. Výjimkou je čas večerních hygienických procedur - vědci nemají čest se špinavými triky. Před spaním je subjekt vyjmut z ponorné lázně, ponořen do mycího vozíku a odvezen do sprchy. „Dejte si pauzu“od náročného pracovního dne není povoleno déle než 15 minut. Od té doby je prakticky beze změny aplikován model „suchého“ponoření.

Výzkum na modelu "suchého" ponoření / Oleg Voloshin

Výzkum na modelu "suchého" ponoření / Oleg Voloshin

Výzkum na modelu "suchého" ponoření / Oleg Voloshin

Ve vesmíru je dobře, na Zemi je lépe

Člověku daleko od vesmírné biologie se může zdát, že za více než 55letou historii pilotované kosmonautiky byl člověk ve vesmíru studován nahoru a dolů. Ale to je pravda jen částečně.

Ano, základní zákonitosti, které se vyskytují u astronauta za letu, jsou známy – v nulové gravitaci funguje srdce a cévy jinak, v těle se zmenšuje objem tekutin, objevuje se svalová slabost a pohybové iluze. Žádný vědec vám ale neřekne, že všechny otevřené změny jsou podrobné a nevyžadují další studium.

Navzdory skutečnosti, že ve vesmíru byly stovky lidí, nejrozsáhlejší biologické průzkumy zřídka zahrnují více než 15-20 astronautů. I tak malá, z hlediska statistické analýzy, skupina vyžaduje několikaleté přípravné práce, často vytvoření nového vybavení (vhodného pro přísné požadavky Mezinárodní vesmírné stanice) a výcvik astronautů ve všech spletitostech biologické průzkumy.

Daleko od pozemského ruchu probíhá výzkum slušně a odměřeně – jednoho experimentu se za rok může zúčastnit zpravidla tři až pět kosmonautů, a od okamžiku vzniku hypotézy až po její plody tedy může trvat deset až jeden a půl roku.

Mnoho studií se často provádí paralelně, jak v prostoru, tak v „suchém“ponoření, což umožňuje porovnávat pozorované změny. Bylo například prokázáno, že sedm dní vesmírného letu a sedm dní ponoření způsobují podobné změny v kardiovaskulárním systému spojené se změnami rovnováhy tekutin v těle.

„Tu noc jsem spal sedm hodin, je to lepší, tělo se přizpůsobuje neobvyklým podmínkám. Ukázalo se, že testeři se dělí na ty, které trápí více záda, a ty, které mají žaludek. mám břicho. Jsou ale i tací, kteří dostanou celou řadu překvapení. Jedním z oblíbených vtipů badatelů je proto navrhnout testerovi, který vyšel z koupelny, aby si tam znovu lehl a odpočíval.

Pokud samotný experiment provádějí dvě desítky vědců, pak je každodenní život spojen se služebními týmy. Služební tým krmí testery třikrát denně, sleduje cyklogram dne, odebírá krev a sliny na analýzu, přináší kachnu pro menší potřeby a pomáhá vědcům při provádění testů.

To nejzajímavější se děje večer. Celý den se testery jako medúzy pohupují v koupelnách, ale občas jsou vyndány. Některé testy vyžadují přístup k tělu. Zaznamenává se každá minuta mimo vanu.

A večer po dobu 15 minut se hygienické postupy provádějí v podmínkách gravitace. Součástí týmu je výtah. Tester se převalí na gauč a je přiveden k váze a výškoměru. Vstává s pomocí lékaře a měří ukazatele. Poté se tester umístí na záchod s obyčejnou záchodovou mísou, aby šel ve velkém, pak si lehne na mycí gauč a vleže se osprchuje. V tomto okamžiku tým otře film a vymění prostěradlo ve vaně. Dále do sprchového koutu se na příkaz testujícího přikryje ručníkem pohovka s čistými spodkami a ponožkami. Válí se sám a obléká se vleže. Je odveden do vany, vyložen, obléká se do trička se senzory z experimentu „Spánek“a ponoří se do vany. Vše maximálně do 15 minut. Skutečná "Formule-1".

Téměř identické změny v kosmickém letu a v ponoření nastávají se svaly: jejich tonus se snižuje a jejich síla klesá. V obou případech je to kvůli nedostatečné podpoře. Jak se ukázalo, podpora je nezbytná pro normální fungování muskuloskeletálního systému - kosti, při absenci šokového zatížení, ke kterému dochází na Zemi při chůzi a běhu, ztrácejí vápník a stávají se křehkými. V nulové gravitaci nejsou křehké kosti nebezpečné, ale při návratu na Zemi a při přetížení to může vést ke zranění.

Při nedostatku podpůrných podnětů trpí nejen kosti, ale i svaly. Jakmile astronaut přejde do stavu beztíže, jeho svaly začnou ztrácet svůj tonus, což vede k funkčním změnám během několika týdnů. Při vystavení „suchému“ponoření se stane to samé – svaly ze dne na den ztratí tonus a sílu a po vyjmutí z ponoření se subjekty cítí jako ryba vyhozená na břeh.

Jednosměrné změny umožňují vědcům provádět podrobnější studie na Zemi, čímž uvolňují čas astronautů na jiné úkoly.

Dalším důležitým faktorem kosmického letu je omezení fyzické aktivity. Navzdory skutečnosti, že kosmonauti každý den vykonávají velké množství práce, spíše se aktivně pohybují po stanici a provádějí fyzická cvičení, zatížení těla zůstává výrazně menší než zatížení Země. Všechno, s čím interagují, nemá žádnou váhu, dokonce ani oni sami ne. V důsledku toho je k dosažení motorického cíle zapotřebí velmi malé svalové úsilí.

Za podmínek ponoření je testeru zakázáno generovat zbytečné svalové úsilí, a to je přísně sledováno výzkumníky. Subjekt na oplátku dostane velení 3-4 lidí, kteří naplňují jako džinové jeho potřeby a touhy.

„Zažívám na svém těle vlivy, které jsou podobné stavu beztíže při letu do vesmíru. Stejně tak mě bolí záda (naštěstí ne moc), trochu ucpaný nos a problémy s plynatostí v žaludku a střevech.

Každý den absolvuji tříhodinovou elektromyostimulaci nohou, která by mi měla usnadnit návrat na Zemi za dvě noci. V úterý ráno se vrátím do své obvyklé vzpřímené polohy. Cítil jsem se mnohem lépe než druhý den ponoření, tělo si zvyká. Chuť k jídlu se mi ale ještě nevrátila, jím se snahou vůle.

K snídani máme jogurty, různé cereálie na výběr, sušené ovoce. Oběd: polévka (vývar s vejcem, houby, karbanátky atd.), hlavní jídlo, pití, suchý chléb, salát. K večeři hlavní chod a salát.

Jíme v poloze s polštářem pod zády, abychom normálně polykali. Ale stále to není příliš pohodlné. Jen první den, před akutní adaptací, jsem snědla všechno, teď - méně než polovinu předepsané stravy.

Nápoje: čaj, voda, želé a džus. Káva není za podmínek experimentu povolena."

Je důležité pochopit, že navzdory pokroku v technologii nelze veškerý výzkum provádět ve vesmíru. V modelu „suchého“ponoru je takových omezení podstatně méně. Například magnetická rezonance (tomograf na oběžné dráze - zní fantasticky!) A transkraniální magnetická stimulace v nulové gravitaci nebyly nikdy provedeny, ale díky datům získaným v imerzi vědci mají představu, co očekávat ve vesmíru.

Existují i takové studie, jejichž nastavení je nejen technicky náročné, ale také s sebou nese rizika pro astronauta. Můžeme si vzpomenout například na biopsii – odstranění malého kousku biologické tkáně. Toto vyšetření vyžaduje sterilní podmínky na operačním sále a ruce zkušeného chirurga, ale i při splnění všech podmínek existuje malá pravděpodobnost komplikací. Pro astronauta na oběžné dráze je to neopodstatněné riziko. Přesto se takové studie provádějí v ponoření a odhalují tajemství neobvykle složitého kosterního svalu.

Vyšší

Abychom přesně řekli, jaké výsledky lze získat díky „suchému“modelu ponoru, zastavme se podrobněji u série experimentů věnovaných studiu bolestí zad a nárůstu výšky astronautů při přechodu do nulové gravitace.

Bolesti zad se objevují u astronautů v prvních dnech letů, stejně jako u testerů v podmínkách "suchého" ponoření. V průběhu předchozích studií se podařilo prokázat, že v podmínkách beztíže se vlivem změn v transportu živin meziobratlové ploténky zvětšují a uvnitř jejich struktur se hromadí tekutina. Navíc by mohla vzniknout bolest v důsledku dopadu na citlivé kořeny míchy v důsledku prodloužení páteře.

Důvodem těchto poruch, jak ukazují studie prováděné ve Státním výzkumném centru Ruské federace - IBMP RAS po řadu let, může být snížení tonusu svalů extenzorů zad. Předpoklad o přítomnosti svalů zapojených do udržování pozice byl předložen V. S. Gurfinkelem již v roce 1965.

Změny tonusu svalů extenzorů nohou byly logicky zaznamenány v předchozích modelových studiích. Proto byl důvod se domnívat, že za podmínek nulové gravitace klesá i tonus zádových svalů, které se na Zemi podílejí na udržování držení těla (říká se jim „postoj“), kde je gravitační zátěž udržuje v dobré kondici.

K ověření této hypotézy byla provedena řada modelových experimentů se „suchým“ponořením různé doby trvání – od šesti hodin do pěti dnů. Současně byl zkoumán tonus svalů zad se stanovením ukazatelů jejich příčné tuhosti; paralelně s prostředky rezonanční vibrografie, myotonometrie, magnetické rezonance byly studovány změny na páteři. Kromě toho vědci měřili výšku člověka a hodnotili povahu výsledného bolestivého syndromu.

„Začal jsem poslední, pátý den suchého ponoření v IBMP RAS. Zdravotní stav je dobrý. Téměř jsem se přizpůsobil podmíněnému stavu beztíže. Zítra ráno zářez a spousta testů. Dnes je jich taky dost.

Během ponoření se testeři účastní různých experimentů. Jedná se o studium prahu bolesti ("Algometrie") a změny vidění při ponoření a schopnost ovládat zátěž stlačením dlaně ("Dynamometr") a sešlápnutím nohy ("Pedál").

Mnoho přístrojů, které jsou nyní k dispozici, je buď na palubě ISS, nebo se používají před a po letu pro experimenty s astronauty.

Ve volném čase poslouchám hudbu a čtu knihu Beyond the Earth.

V důsledku toho se ukázalo, že bolestivý syndrom nepatří k radikulární bolesti, ale je svalového charakteru, bez ozařování. Pobyt v podmínkách gravitačního odlehčení je doprovázen poklesem tonusu (nebo laterální tuhosti) extenzorů zad, které patří do skupiny svalů držení těla, a tento proces je zvláště výrazný v prvních hodinách a dnech.

Stejné změny vedly ke zvýšení výšky astronauta v podmínkách mikrogravitace. V oblasti bederní páteře se podle údajů MRI zvýšila výška meziobratlových plotének a vyhladila se bederní lordóza.

Ve skupině studií, ve kterých byly použity profylaktické prostředky, jako je axiální zátěžový oblek „Penguin“a hardwarový myostimulační komplex, byla závažnost a hodnocení bolestivého syndromu, stejně jako nárůst výšky, nižší než ve skupině „čisté“ponoření bez použití profylaxe.

Nejen kvůli prostoru

„Suchý“imerzní model docela dobře reprodukuje kosmické poruchy, ale kromě toho také pomáhá v boji proti některým nemocem. Například kurz ponorných koupelí přináší úlevu lidem s nadměrně zvýšeným svalovým tonusem, který jim brání v plném pohybu.

Dobrým způsobem, jak snížit krevní tlak, je ponorná koupel. Mechanismus procesu je jednoduchý: voda obklopující člověka vytlačuje krev a lymfu z periferních cév do centrálního krevního řečiště, což je tělem vnímáno jako přebytek tekutiny a vede k jejímu odstranění (přirozenou cestou – zvyšuje se močení) a snížení tlaku. Mimochodem, k dosažení tohoto efektu nemusí být potápění "na sucho" - pravděpodobně si mnozí všimli, že při plavání začnou chtít použít toaletu, a teď už víte proč.

„V 9:30 ráno pro mě skončil pátý den suchého ponoření. Vyvedli mě z koupelny. Den nula je jeden z nejdůležitějších, právě kvůli datům v tento den testeři lžou pět dní bez podpory. Na vozíku jsem byl převezen do laboratoře gravitační fyziologie, kde byly okamžitě provedeny testy na experimentech „Architektura“, „Pose“, „Test v terénu“a poté DEXA, „Dynamometr“, TMS, „Tonus“, „ Izokineze.

Můj stav se každou minutou zlepšuje, zpočátku mě bolela hlava, jako bych daroval 450 mililitrů darované krve, při testech se zavřenýma očima se mi trochu třásly nohy. Nyní je vše v pořádku a břicho nebolí.

Dnes trávím noc v ústavu kvůli experimentu "Spánek". Pak ještě dva dny bádání a 11. duben - poslední den, kdy pro mě dobrodružství s ponořením skončí. Je to velmi obohacující zkušenost, která se v budoucnu bude hodit.

Zajímavostí je, že další etapa ponoření je plánována na podzim na IBMP – 21 dní. Ale bude tam speciální sada."

Modelové experimenty se provádějí ve speciálních lékařských nebo vědeckých institucích vybavených unikátním vybavením, pod dohledem vysoce kvalifikovaných výzkumníků. V tuto chvíli probíhá ve Státním výzkumném centru Ruské federace - IBMP RAS experiment s využitím pětidenního "suchého" ponoření.

Je zajímavé, že změny, ke kterým dochází při ponoření těla, mohou simulovat nejen let do vesmíru, ale také stav senilní sarkopenie – věkem podmíněné atrofie kosterního svalstva. Toto ponoření jako první využívá nízkofrekvenční elektromyostimulaci svalů nohou, zaměřenou na prevenci negativních svalových změn. V průběhu studií na mladých, ale zaškolených dobrovolných testovacích subjektech budou vybrány nejúčinnější protokoly elektrické stimulace.

Po dokončení ponoru budou muset subjekty podstoupit řadu testů, které posoudí, jak se změnil svalový tonus, jejich struktura a také vertikální postoj a chůze dobrovolníků.

Publikace věnované biomedicínským experimentům ve vesmíru a jejich modelování jsou vzácné. V našem článku byla zvažována jen malá část tohoto rozsáhlého tématu, které zahrnuje pohodu astronautů na palubě stanice, starty satelitů obývaných zvířaty,modelové experimenty za účasti primátů a kosmických technologií na rehabilitaci pacientů.

Literatura

I. B. Kozlovskaja, D. A. Maksimov, Yu. I. Voronkov, I. Sunn, V. N. Ardašev, I. G. Dorogan-Suschev, I. V. Rukavišnikov. Změny v bederní páteři a akutní bolesti zad při vystavení 3dennímu „suchému“ponoření // Kremlská medicína. Klinický bulletin. - 2015. - č. 2.

I. V. Rukavišnikov, L. E. Amirova, T. B. Kukoba, E. S. Tomilovskaja, I. B. Kozlovskaja. Vliv gravitačního odlehčení na svalový tonus zad // Fyziologie člověka. - 2017. - Ne. 3.