- •Глава 2 болезнетворные факторы внешней среды
- •2.1. Повреждающее действие V механических факторов
- •2.2. Болезнетворное действие звуков и шума
- •2.4. Болезнетворное действие низкой температуры. —u гипотермия /
- •2.5. Болезнетворное действие —тепловой энергии. Перегревание. Тепловой удар
- •2.6.1. Действие ультрафиолетового™. Излучения ./ 'V/'
- •2.9. Действие факторов космического полета. Гравитационная патофизиология
2.9. Действие факторов космического полета. Гравитационная патофизиология
К факторам, оказывающим наиболее существенное влияние на состояние организма человека в космических полетах, относятся: 1) ускорения и вызываемые ими перегрузки на активных участках полета (при взлете космического корабля и во время спуска); 2) невесомость; 3) стрессорные воздействия, в частности эмоциональные.
Кроме того, на состояние космонавтов оказывают влияние изменения ритма суточной периодики, в различной степени выраженная сенсорная изоляция, замкнутая среда обитания с особенностями микроклимата, периодически некоторая запыленность искусственной атмосферы космического корабля, шум, вибрация и т.д. Воздействие ионизирующей радиации учитывается при обеспечении космических кораблей радиационной защитой, при планировании выходов человека в открытый космос.
Ускорения, перегрузки. Ускорения выражены в начале полета при взлете космического корабля и в конце полета при спуске корабля с орбиты (вхождение в плотные слои атмосферы и приземление).
Ускорение - векторная величина, характеризующая быстроту изменений скорости движения или направления движения. Величина ускорения выражается в метрах в секунду в квадрате (м/с2). При движении с ускорением в противоположном направлении действует сила инерции. Для ее обозначения применяется термин «перегрузка». Величины перегрузок, как и величины ускорений, выражаются в относительных единицах, обозначающих во сколько раз при данном ускорении возрастает вес тела по сравнению с весом в условиях обычной земной гравитации (в условиях статического покоя или равномерного прямолинейного движения). Величины ускорений и перегрузок обозначают буквой G - начальная буква слова «гравитация» (притяжение, тяготение). Величина земной гравитации принимается за относительную единицу. При
свободном падении тела в безвоздушном про- I странстве она вызывает ускорение 9,8 м/с2. При I этом в условиях земного притяжения сила, с I которой тело давит на опору и испытывает про- I тиводействие со стороны ее, обозначается как вес. I В авиационной и космической медицине пе- I регрузки различают по ряду показателей, в том I числе по величине и длительности (длительные I
- более 1 с, ударные - менее 1 с), скорости и I характеру нарастания (равномерные, пикообраз- I ные и т. д.). По соотношению вектора перегруз- I ки к продольной оси тела человека различают I продольные положительные (в направлении от I головы к ногам), продольные отрицательные (от I ног к голове), поперечные положительные (грудь I
- спина), поперечные отрицательные (спина - I грудь), боковые положительные (справа налево) ■ и боковые отрицательные (слева направо). I
Значительные по величине перегрузки обус-И ловливают перераспределение массы крови в! сосудистом русле, нарушение оттока лимфы,И смещение органов и мягких тканей, что в пер-И вую очередь отражается на кровообращении, I дыхании, состоянии центральной нервной сие-И темы. Перемещение значительной массы крови И сопровождается переполнением сосудов одних ре-И гионов организма и обескровливанием других.И Соответственно изменяются возврат крови к сер-Я дцу и величина сердечного выброса, реализуютЯ ся рефлексы с барорецепторных зон, принимаюЯ щих участие в регуляции работы сердца и tohj^B са сосудов. Здоровый человек наиболее легк^И переносит поперечные положительные перегрузи ки (в направлении грудь-спина). Большинств^И здоровых лиц свободно переносят в течение oj^M ной минуты равномерные перегрузки в этом н^Н правлении величиной до 6-8 единиц. При крат^И ковременных пиковых перегрузках их перено-И симость значительно возрастает. ■
При поперечных перегрузках, превышающих I предел индивидуальной переносимости, наруша-1 ется функция внешнего дыхания, изменяется ■ кровообращение в сосудах легких, резко учаща- I ются сокращения сердца. При возрастании ве- I личины поперечных перегрузок возможно меха- I ническое сжатие отдельных участков легких, I нарушение кровообращения в малом круге, снижение оксигенации крови. При этом в связи с углублением гипоксии учащение сокращений сердца сменяется замедлением.
Более тяжело по сравнению с поперечными
переносятся продольные перегрузки. При положительных продольных перегрузках (в направлении от головы к ногам) затрудняется возврат крови к сердцу, уменьшается кровенаполнение полостей сердца и, соответственно, сердечный выброс, снижается кровенаполнение сосудов краниальных отделов тела и головного мозга. На снижение артериального давления в сонных артериях реагирует рецепторный аппарат синока-ротидных зон. В результате возникает тахикардия, в ряде случаев появляются нарушения ритма сердца. При превышении предела индивидуальной устойчивости наблюдаются выраженные аритмии сердца, нарушения зрения в виде пелены, нарушения дыхания, появляются боли в эпигастральной области. Переносимость продольных положительных перегрузок в большинстве случаев находится в пределах 4-5 единиц. Однако уже при перегрузке в 3 единицы в некоторых случаях возникают выраженные аритмии сердца.
Еще более тяжело переносятся продольные отрицательные перегрузки (в направлении ноги - голова). В этих случаях происходит переполнение кровью сосудов головы. Повышение артериального давления в области рефлексогенных |он сонных артерий вызывает рефлекторное за-1едление сокращений сердца. При этом виде :ерегрузок аритмии сердца в некоторых случа-[х отмечены уже при ускорениях величиной 2 синицы, а продолжительная асистолия- при ус-[орении величиной 3 единицы. При превыше-ии пределов индивидуальной устойчивости воз-икают. головная боль, расстройства зрения в иде пелены перед глазами, аритмии сердца, на-ушается дыхание, возникает предобморочное со-тояние, а затем происходит потеря сознания. Переносимость перегрузок зависит от многих условий, включая величину, направление и длительность ускорений, характер их нарастания, положение тела человека и его фиксацию, тре-[ нированность, индивидуальную реактивность и т.д. Условия полётов современных космических кораблей, оптимальное положение космонавта по отношению к вектору ускорений позволяют избегать неблагоприятных влияний перегрузок, однако их воздействие возрастает в аварийных ситуациях и при так называемых внештатных условиях посадки.
Невесомость. Исследование влияния невесомости на организм человека - одно из наибо-
лее интенсивно развивающихся за последние два десятилетия направлений современной гравитационной биологии (науки о влиянии земного притяжения на развитие жизни, формирование структур и функций организма, влиянии измененной гравитации на течение адаптационных процессов в норме и в экстремальных условиях).
Состояние невесомости возникает в определенных условиях. Согласно закону всемирного тяготения Ньютона любые две материальные частицы притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:
Основоположник современной науки о космических полетах К. Э. Циолковский определял невесомость как состояние, в котором силы земного притяжения «совсем не действуют на наблюдаемые тела или действуют на них весьма слабо...». Состояние невесомости может возникнуть в различных ситуациях, в частности, когда в космическом пространстве в связи с большой удаленностью от Земли тело практически не испытывает земного притяжения или когда сила земного притяжения уравновешивается притяжением других небесных тел (статическая невесомость). В других случаях невесомость возникает в условиях, когда действие силы земного притяжения (снижение в связи с удаленностью от Земли) уравновешивается противоположно направленными центробежными силами (динамическая невесомость).
В орбитальном космическом полете тела движутся в основном под влиянием инерционной силы (за исключением непродолжительных периодов времени работы реактивных двигателей для коррекции траектории полета). В орбитальном полете инерционная сила уравновешивается силой притяжения Земли. Это определяет состояние невесомости космического корабля и всех движущихся с ним объектов. Невесомость обозначают также как состояние «нулевой гравитации». В невесомости организм, освободившись от действия гравитации, должен приспособиться к новым необычным условиям, что определяет сложный многозвеньевой адаптацион-
ный процесс. В связи с нулевой гравитацией в невесомости сразу исчезает механическое напряжение и сдавливание структур тела в той мере, в которой это было обусловлено его весом, и соответственно изменяется нагрузка на опорно-двигательный аппарат: исчезает вес крови и, следовательно, гидростатическое давление жидкости в кровеносных сосудах; возникают условия для существенного перераспределения крови в сосудистом русле и жидкости в организме; исчезает ощущение опоры; меняются условия функционирования реагирующих на направление силы тяжести анализаторных систем; происходит рассогласование деятельности различных отделов вестибулярного анализатора. Этими изменениями определяются многие взаимосвязанные отклонения в состоянии функциональных систем, сопровождающиеся развитием адаптационных процессов, которые протекают на различных уровнях целостного организма со сменой причинно-следственных отношений.
Изменения кровообращения в невесомости обусловлены несколькими факторами. В условиях земной гравитации транспорт жидкости через стенки капилляров согласно уравнению Старлинга определяется соотношениями гидростатического и коллоидно-осмотического давления в капиллярах и окружающих их тканях. При этом во многих регионах организма, по мере того как гидростатическое давление снижается по направлению от артериального конца капилляра к венозному, фильтрация жидкости из сосудов в ткани сменяется ее реабсорбцией из тканей в сосуды. Соответственно изменяются филь-трационно-реабсорбционные соотношения на микроциркуляторном уровне. Это проявляется в возрастании абсорбции жидкости на уровне капилляров и венул и является одним из факторов, вызывающих в начале полета возрастание объема циркулирующей крови и обезвоживание тканей определенных регионов организма (преимущественно ног). Высота столба жидкости перестает оказывать влияние на давление и в мелких и в крупных кровеносных сосудах. В условиях невесомости оно зависит от нагнетательной и присасывающей функций сердца, уп-руговязких свойств стенок сосудов и давления окружающих тканей.
В невесомости различия венозного давления в сосудах предплечий и голеней сглаживаются. Предположение о повышении центрального венозного давления в полетах не подтвердилось.
Более того, оказалось, что в условиях невесомо- I сти оно снижается. Исчезновение веса крови об- I легчает ее движение из вен нижней половины I тела к сердцу. Наоборот, отток крови из вен голо- I вы, ранее в наземных условиях облегчавшийся I действием гравитации, в условиях невесомости I оказывается существенно затрудненным. Это ■ вызывает увеличение объема крови в сосудах I головы, отечность мягких тканей лица, а также I ощущение распирания головы, в некоторых слу- I чаях головную боль в первые дни полета (так I называемый период острой адаптации). В ответ I на эти нарушения возникают рефлексы, изме- I няющие тонус сосудов головного мозга. I
Перераспределение крови в сосудистом рус-1 ле, изменение венозного возврата, исчезновение I такого существенного фактора, как гидростати-■ ческое давление, снижение общих энергозатратI организма - все это влияет на работу сердца. В И условиях невесомости изменяется соотношениеИ нагрузки на левые и правые отделы сердца. Этой находит отражение в ряде объективных показа-И телей изменений фазовой структуры сердечного И цикла, биоэлектрической активности миокарда, ■ диастолическом кровенаполнении полостей сер-И дца, а также в переносимости функциональныхИ проб. В связи с перераспределением крови в со-Я судистом русле центр тяжести тела смещается вЯ краниальном направлении. В раннем периодов пребывания в невесомости существенное ив^Ж рераспределение крови в сосудистом русле и и^Ш менение кровенаполнения полостей сердца во^| принимаются афферентными системами органи^И ма как информация об увеличении объема ци^Н кулирующей крови и вызывают рефлексы, н^Н правленные на сброс жидкости. ^Ш
Изменения водно-электролитного обмена ^Ш раннем периоде пребывания в невесомости объясЯ няются преимущественно уменьшением секре-И ции АДГ и ренина, а затем и альдостерона, al также увеличением почечного кровотока, возра-1 станием клубочковой фильтрации и снижением ■ канальцевой реабсорбции. ■
В опытах на животных отмечено, что в уело-1 виях, моделирующих невесомость, уменьшают- ■ ся величина так называемой тощей безжировой ■ массы тела и содержание воды в организме, в I мышцах возрастает содержание натрия и умень-1 шается содержание калия, что, возможно, явля- I ется следствием изменений микроциркуляции. I
В невесомости исчезает нагрузка на поз- I воночник, прекращается давление на межпоз-1
воночные хрящи, становятся ненужными статические усилия антигравитационных мышц, противодействующие силам земного притяжения и позволяющие на Земле удерживать положение тела в пространстве, снижается общий тонус скелетной мускулатуры, уменьшаются усилия на перемещение как собственного тела, так и утративших вес предметов, изменяется координация движений, характер многих стереотипных в наземных условиях двигательных актов. Космонавт успешно адаптируется к новым условиям мышечной деятельности в невесомости. У него формируются новые двигательные навыки. Во время космических полетов осуществляются тщательно разработанные профилактические I тренировки с использованием велоэргометров, упражнений на бегущей дорожке и т. д. В отсутствие этих профилактических мероприятий длительное пребывание в невесомости может вызвать изменения структуры и функции костно-мышечной системы.
Как известно, костная ткань отличается высокой пластичностью и чувствительностью к ре-гуляторным влияниям и изменениям нагрузок. Одним из факторов, влияющих на структуру костей, является механическая нагрузка. При
|пжатии и напряжении кости в ее структуре воз-акает отрицательный электрический потенци-I, стимулирующий процесс костеобразования. ри снижении нагрузки на кости генез возни-1ющих нарушений связан не только с местны-и изменениями, но и зависит от генерализо-шных нарушений обменных и регуляторных роцессов. При отсутствии нагрузки на кости селета отмечаются снижение минеральной на->1щенности костной ткани, выход кальция из )стей, генерализованные изменения белкового, эсфорного и кальциевого обмена и т. д. С изме-;нием состояния костной ткани и снижением ее минеральной насыщенности в условиях невесомости и гипокинезии связывают общие потери кальция. Длительное снижение нагрузки на скелетную мускулатуру (в случае недостаточности профилактических мер) вызывает атрофи-ческие процессы, а также отражается на энергообмене, общем уровне метаболических процессов и состоянии регуляторных систем, в том числе на тонусе высших вегетативных центров головного мозга. Известно, что релаксация мышц сопровождается снижением тонуса вегетативных центров гипоталамуса. Под влиянием невесомости снижается потребление кислорода тканями,
в мышцах уменьшается активность ферментов цикла Кребса и сопряженность процессов окислительного фосфорилирования, возрастает содержание продуктов гликолиза.
Стрессорные воздействия. В условиях космического полета человек подвергается стрессам (см. разд. 3.2.1), в основе которых лежит комбинация ряда воздействий, в частности резкие изменения влияния гравитационных сил, а именно: переходы от земной гравитации к гипергравитации в начальном периоде космического полета в связи с ускорениями при взлете корабля, переход от гипергравитации к нулевой гравитации во время орбитального полета и возвращение снова через гипергравитацию к земной гравитации при завершении полета. Стрессы, вызванные резкими изменениями влияния гравитации (в основном пребывание в условиях нулевой гравитации), комбинируются со стрессами, вызванными эмоциональным напряжением, напряжением внимания, интенсивными нагрузками и т. д.
К числу стрессорных воздействий относят также факторы, вызывающие космическую болезнь движения. Космическая форма болезни движения, имеющая определенное сходство с морской болезнью, проявляется у части космонавтов на протяжении первых дней полета. В условиях невесомости при быстрых движениях головой наблюдаются симптомы дискомфорта, головокружение, бледность кожных покровов, слюнотечение, выделение холодного пота, изменение частоты сокращений сердца, подташ-нивание, рвота, изменение состояния центральной нервной системы. Из многих причин, вызывающих болезнь движения, первое место отводится изменениям гемодинамики, в том числе микроциркуляции в сосудах головного мозга.
Согласно современным данным, в генезе космической формы болезни движения существенную роль играют частичное выпадение и рассогласование информации, поступающей от различных анализаторных систем, обеспечивающих пространственную ориентацию, в том числе рассогласование информации от различных структур вестибулярного аппарата (в условиях невесомости сохраняется функция полукружных каналов, реагирующих на угловые ускорения при быстрых движениях головы, и выпадает функция отолитов) и несоответствие текущей (необычной в условиях невесомости) информации
стереотипам, хранящимся в долговременной памяти центральной нервной системы на уровне коры и подкорковых структур головного мозга.
В большинстве случаев космонавты сравнительно быстро адаптируются к факторам, вызывающим болезнь движения, и ее проявления исчезают по прошествии первых трех суток полета. В ранние сроки полета изменения состояния сенсорных систем могут сопровождаться нарушениями пространственной ориентации, иллюзорными ощущениями перевернутого положения тела, трудностями координации движения.
Начиная с раннего детского возраста в формировании и реализации программ произвольных локомоторных актов участвуют многие структуры центральной нервной системы, в том числе кора головного мозга, лимбическая и стри-арная системы, ретикулярная формация среднего мозга, мозжечок и др. Долговременная память обеспечивает хранение в структурах головного мозга, в том числе в лимбической системе, программ координированных движений. В период острой адаптации к невесомости во время двигательных актов имеет место рассогласование измененной афферентации с программами, хранящимися в долговременной памяти. Это создает конфликтные ситуации, а необходимость экстренной перестройки программ требует напряжения компенсаторных механизмов и является одним из звеньев процесса адаптации к невесо-^ мости.
В целом период острой адаптации к невесомости может быть охарактеризован как стрес-сорная реакция на комбинированный комплекс специфических (нулевая гравитация) и неспецифических (эмоциональное напряжение в условиях высокой мотивации, интенсивные нагрузки, измененные суточные ритмы) факторов, усугубляющаяся изменениями регионарного кровообращения, особенно в сосудах головы.
После космических полетов отмечается снижение эритроцитарной массы. Восстановление гематологических показателей происходит в течение 1,5 мес после завершения полета. Эти сдвиги объясняются компенсаторным уменьшением объема циркулирующей крови в полетах и значительно более быстрым восстановлением объема плазмы крови, чем массы эритроцитов после полетов. Кроме того, эти изменения в невесомости предположительно связывают с уменьшением мышечной массы тела и компенсаторной реак-
цией, направленной на увеличение кислородно- I го запроса тканей. I
Факторы космического полета оказывают вли- I яние на иммунологическую реактивность орга- I низма. После космических полетов, пре- I вышающих 30 сут, как правило, отмечается сни- ■ жение функциональной активности клеточных щ популяций, относящихся к Т-системе иммуни- ■ тета, и в некоторых случаях появляются при- ■ знаки сенсибилизации к аллергенам микробной I и химической природы. Эти изменения, по-ви- ■ димому, могут рассматриваться как следствие ■ перестройки системы иммунитета в процессе ■ адаптации к комплексу факторов полета, вклю- ■ чающих невесомость, дополнительные стрессы, щ пребывание в гермообъеме с искусственным кли- В матом. Данные изменения повышают степень I риска возникновения инфекционных и аллер- В гических заболеваний. Таким образом, пре- В бывание в условиях невесомости вызывает пере- В стройку функционального состояния организма В на различных уровнях его организации. В
Течение процессов адаптации четко про- В слеживается и в наземных исследованиях, мо- В делирующих влияние факторов космического В полета на организм. В условиях строгого постель- В ного режима (гипокинезии) в антиортостатичес-Я ком положении, при котором головной конецН кровати спущен под углом - 4° к горизонтальной^В плоскости, наблюдаются изменения, имеющие^И сходство с возникающими в невесомости. Боле^В того, эти изменения в условиях наземного моде^В лирования в случае отсутствия профилаь^Н тических мероприятий могут быть даже боле^Н выражены, чем в космических полетах. Они прс^Н являются в виде: 1) изменений системной гемс^Н динамики, снижения нагрузки на миокард, дет^В ренированности сердечно-сосудистой системы, в^Н частности веномоторных рефлексов, ухудшении™ переносимости ортостатических проб; 2) изме- В нений регионарного кровообращения, особенно В в бассейнах сонных и вертебральных артерий, в В связи с затруднениями венозного оттока из со- В судов головы и соответствующими преимуще- В ственно компенсаторными изменениями регуля- В ции сосудистого тонуса; 3) изменения объема В циркулирующей крови и уменьшения эритроци- В тарной массы; 4) изменений водно-электролит- ■ ного обмена, выражающихся, в частности, в яв- ■ лениях потери калия; 5) изменений состояния I центральной нервной системы и вегетативно-со- I судистых сдвигов, явлений вегетативной дисфун- Щ
В кции и астенизации; 6) частичной атрофии мышц В и нервно-мышечных нарушений, выражающих -1ся в уменьшении упругости мышц, снижении В их электровозбудимости и показателей работос-
■ пособности; 7) разбалансированности регулятор-В ных систем.
Н В условиях антиортостатической гипокинезии Н прослеживается стадийность адаптационных И процессов. На примере кровообращения видно, И что адаптация наиболее быстро и совершенно И осуществляется на уровне системной гемодина-Н мики, менее активна она на уровне регионарно-Нго кровообращения, в частности в бассейне сон-Иных артерий, и еще более заторможена на уров-Н не микроциркуляции.
Н В условиях антиортостатической гипокинезии Иизменяется микроциркуляция. Например, в со-Н судах бульбоконъюнктивы глаза снижается ко-Иличество перфузируемых капилляров, изменя-Иется соотношение диаметра артериол и венул; в Нсосудах глазного дна наблюдаются застойные ^Иявления. В отличие от системной гемодинамики Икомпенсаторные изменения в системе микро-Н циркуляции начинают прослеживаться в срав-Инительно поздние сроки гипокинезии. V Под влиянием гипокинезии существенно воз-щ растают предрасположенность к возникновению В эмоциональных стрессов и выраженность их ве-В гетативных (сердечных и сосудистых) проявле-В ний с аритмиями сердца и гипертензивными
■ реакциями. В космических полетах возникно-I вение этих изменений удается предупредить с I помощью системы профилактических меропри-I ятий. Вместе с тем при снижении требований к I здоровью космонавтов или внимания к осуще-I ствлению профилактических мероприятий отчет-I ливо возрастает фактор риска.
I Реадаптация. При завершении полета пере-
■ ход от нулевой гравитации к перегрузкам во Ш время спуска и возвращение к земной гравита-В ции с момента приземления сочетаются со зна-В чительным эмоциональным напряжением и яв-В ляются, по существу, комбинированным стрес-В сом, протекающим в условиях напряженных В адаптационных реакций. При этом изменения В состояния организма отражают динамику адап-
■ тационных и стрессорных реакций.
■ В период реадаптации прекращается действие
■ факторов, вызывавших в невесомости дегидра-I тацию, перераспределение крови в сосудистом В русле и т. д. Одновременно возникает необходи-В мость экстренной мобилизации адаптационных
механизмов, обеспечивающих нормальное функционирование организма в условиях земной гравитации. В ближайшее время после завершения полета проявляются некоторая детрениро-ванность сердечно-сосудистой системы, остаточные нарушения микроциркуляции в сосудах головы, изменения реактивности организма и состояния его регуляторных систем. Кровообращение быстро адаптируется к земной гравитации. В частности, после многомесячных полетов застойные явления в области глазного дна и признаки перипапиллярного отека сетчатки глаза исчезают в течение первой недели после окончания полета.
После космических полетов продолжительностью до 14 сут отмечено возрастание активности гипоталамо-гипофизарной и симпато-адреналовой систем. После полетов, продолжавшихся от 2 до 7 мес, обнаружено повышение активности симпатоадреналовой системы при отсутствии признаков повышения активности гипоталамо-гипофизарной системы. Так, после многомесячных полетов характерно возрастание секреции адреналина (максимально в первые сутки) и норадреналина (максимально на 4-5-е сут после приземления) при неизменной концентрации АКТГ, ТТГ, СТГ, циклических нуклеотидов в крови и сниженной концентрации простаглан-динов прессорной группы и активности ренина плазмы в эти сроки. Соотношения гормонального и медиаторного обмена являются одним из показателей некоторой разбалансированности регуляторных систем организма.
В связи со снижением ортостатической устойчивости и измененным стереотипом двигательных актов космонавтам в первые часы после приземления трудно находиться в вертикальном положении и передвигаться без посторонней помощи. В результате адаптационной перестройки быстро восстанавливается стереотип двигательных актов, нормализуются обменные процессы, состояние регуляторных и исполнительных систем организма.
Проблемы, разрабатываемые современной космической медициной, охватывают широкий круг вопросов, включающих выяснение механизмов адаптации человека к действию факторов полета в невесомости, механизмов реадаптации при возвращении к условиям земной гравитации, совершенствование эффективности управления этими процессами.