Содержание
Жизнь с гравитацией и без нее
Гравитационное поле, неизменный природный фактор нашего существования, сыграло важнейшую роль в эволюции человека и наземных животных. Однако гравитационная физиология — наука о месте гравитационных сил и взаимодействий в структурно -функциональной организации живых систем — возникла не так давно, всего полвека назад. Чтобы понять, до какой степени живые организмы зависят от силы земного притяжения, потребовалось это притяжение преодолеть, то есть выйти в космос. Специалисты по гравитационной физиологии регулярно встречаются вместе, чтобы рассказать о своих исследованиях и обсудить проблемы. Очередной, 25-й Международный симпозиум по гравитационной физиологии состоялся в Москве в июне 2004 года. В нем принимали участие ученые из России, США, Франции, Германии, Японии и других стран. На симпозиуме побывала специальный корреспондент журнала «Наука и жизнь» кандидат физико-математических наук Е. ЛОЗОВСКАЯ.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Иммерсионная модель (погружение в воду через пленку или в гидрокостюме) позволяет имитировать многие эффекты невесомости.
Камбаловидная мышца, названная так из-за своей плоской формы, несет основную нагрузку по поддержанию тела в вертикальном положении.
Специальный башмак, который имитирует опорную нагрузку. Давление на стопу оказывает сжатый воздух, нагнетаемый компрессором в ритме ходьбы или бега.
Если кость не испытывает нормальной опорной нагрузки, толщина слоев губчатой костной ткани уменьшается.
‹
›
Открыть в полном размере
Притяжение Земли настолько естественно, что мы его почти не замечаем. Да и как можно заметить силу, которая действует всегда и практически постоянна по величине? Тем не менее гравитация «учтена» практически во всех функциональных системах организма, на всех уровнях, от клеток до скелета. Но чтобы человек наконец-то обратил на гравитацию внимание, потребовался прыжок в космос, туда, где сила тяжести практически исчезает. Конечно, догадку о невесомости высказал еще Жюль Верн, а идею орбитальной станции предложил Циолковский, но все же только после первых запусков на орбиту животных и человека люди впервые по-настоящему осознали, насколько сильно функционирова ние живого организма зависит от величины гравитационных сил.
Именно с началом космической эры возникла гравитационная биология как наука. У нас в стране такие исследования сосредоточились в Институте медико-биологических проблем РАН.
ЭВОЛЮЦИОННЫЙ ЭКСКУРС, ИЛИ ОБРЕТЕНИЕ ТОЧКИ ОПОРЫ
Жизнь, как известно, зародилась в океане, и первые позвоночные, заселившие толщу воды, находились в состоянии, которое можно назвать псевдоневесомостью. Более точное определение для этих условий — безопорность. И надо сказать, рыбы и другие морские позвоночные животные превосходно адаптированы к существованию в среде без опоры, у них достаточно хорошо развиты системы движения и ориентации в трехмерном пространстве. Гравитационные проблемы возникли с выходом животных на сушу. Надо было не только поддерживать положение тела в пространстве (ведь здесь уже нет выталкивающей архимедовой силы), но и передвигаться, добывать пропитание. Ползание на брюхе или прыжки не самый удобный способ передвижения, доступный к тому же только относительно мелким животным.
(Кстати, крупнейшие позвоночные животные — киты — способны существовать только в океане благодаря архимедовой силе, компенсирующей силу тяжести.) На земле крупным животным пришлось приподнимать тело над землей, и с этого момента заработали все закономерности гравитационной физиологии.
Нужны были механизмы, противостоящие силе тяжести, поэтому эволюция и те силы, которые ею управляли, встроили гравитационный фактор почти в каждую систему. Начала формироваться не только усиленная костно-мышечная система с развитыми конечностями, удерживающая тело в пространстве над землей в покое и в движении, но и система обеспечения всех частей тела кислородом и питательными веществами — мощный сердечный насос, способный гнать кровь вверх. А когда предки человека встали на ноги, также потребовалась перестройка механизмов нервной системы, управляющих движением конечностей (об этом на симпозиуме рассказал молодой французский ученый Ж. Куртен).
УВИДЕТЬ В КОСМОСЕ, ИЗУЧАТЬ НА ЗЕМЛЕ
Хотя гравитационная физиология тесно связана с космическими исследованиями, наука эта вполне земная.
Ее достижения уже нашли (и еще найдут!) применение в медицине для лечения заболеваний нервной системы и двигательного аппарата. Более того, основные эксперименты с участием человека сейчас проводят не в космосе, а на Земле. Космос позволяет выявить роль гравитации, но не позволяет корректно изучать ее. Физические упражнения, которые помогают космонавтам выжить на орбите, не дают возможности проводить «чистые» эксперименты. К тому же на Земле рядом с испытуемым всегда находится бригада врачей, готовых немедленно оказать помощь. На борту космической станции ситуация иная, там здоровьем и работоспособностью экипажа рисковать никак нельзя.
Строго говоря, космический корабль или спутник, находящийся на околоземной орбите, не обеспечивает состояние полной невесомости. Небольшая сила тяжести там все же есть, и такие условия называют микрогравитацией. Настоящую невесомость можно получить в аппарате, который летит с постоянной скоростью и не испытывает каких-либо гравитационных возмущений со стороны других небесных тел.
А полет по орбите вокруг планеты — это, по сути, долгое-долгое падение, вплоть до самой посадки. Однако это отличие, важное с точки зрения физики, для физиологии значения не имеет, и микрогравитацию организм воспринимает как полное отсутствие тяготения.
На Земле состояние невесомости можно получить во время затяжного прыжка (до раскрытия парашюта) или во время полета самолета по параболической траектории снижения. Довольно много экспериментов с параболическими полетами проводят американские ученые, однако состояние невесомости при этом длится 40 секунд — ничтожно мало по сравнению даже с одним витком космического корабля вокруг Земли.
Гораздо более удобными оказались экспериментальные модели, которые имитируют некоторые эффекты уменьшенной гравитации. Одна из таких замечательных моделей, придуманная в нашей стране еще в 1973 году, — иммерсия, или сухое погружение. Бассейн с водой покрывают свободно расположенной водонепроницаемой пленкой, человек ложится на эту пленку, но с водой при этом не соприкасается, вода смыкается над человеком в пленке, и наружу торчит одна голова.
Такая модель как раз и обеспечивает ту самую безопорность, которая существует в океане.
Изучение гравитационных воздействий не ограничивается микрогравитацией. Серьезные последствия, причем проявляющиеся сразу, оказывает гипергравитация, или перегрузка. Такие состояния возникают, например, при взлете и посадке самолетов и космических аппаратов, а моделируют их и изучают с помощью центрифуги.
МЫШЕЧНЫЙ ТОНУС ПОМОГАЕТ СОСУДАМ
Как организм узнает, что гравитационное поле такое, а не другое, что оно есть или что его нет, что изменилось его направление?
У животных и человека важнейшая гравитационно-чувствительная система — сердечно-сосудистая. Кровь под действием силы тяжести стремится опуститься вниз, но в организме выработались определенные системы противодействия этому фактору. В том числе барорецепторная система, регулирующая давление крови в верхней части тела, в каротидных артериях, которые снабжают мозг, что жизненно важно.
Барорецепторы — это клетки, нервные окончания которых реагируют на давление крови. Например, если давление снижается, они включают систему поддержания давления. Но если падение давления происходит слишком резко и барорецепторы не успевают срабатывать, наступает потеря сознания. Эта ситуация хорошо знакома многим, если не всем людям. Человек просыпается утром, встает — кружится голова. У больного, который постоянно лежит в постели и адаптировался к горизонтальному положению, развивается гравитационная, или ортостатическая, недостаточность: любая попытка принять вертикальное положение («ортостаз» в переводе с латинского означает «прямо стою») вызывает большие трудности.
Чтобы бороться с такой ситуацией, нужно понять, как организовано поддержание ортостатической функции. В последние годы стало ясно, что помимо барорецепторов существует еще один важнейший механизм регуляции давления крови — так называемый мышечный насос. Раньше ему не придавали большого значения, поскольку вены, по которым кровь поднимается от нижней части тела к сердцу, не имеют такого гладкомышечного слоя, как артерии, то есть почти не обладают собственным насосным действием.
Так как же происходит проталкивание крови? Член-корреспондент РАН Инеса Бенедиктов на Козловская выдвинула гипотезу о роли мышечного тонуса в функционировании сосудистой системы. В обычных условиях у человека постоянно напряжены мышцы конечностей, брюшного пресса. Задача удерживать тело и передвигаться требует от них постоянного тонуса. Этот мышечный тонус и позволяет проталкивать кровь чисто механически. Если тонус снижен, проталкивание крови резко ухудшается.
Совсем недавно в совместных российско-французских исследованиях на борту Международной космической станции и в экспериментах с иммерсией было показано, что в невесомости (или при ее моделировании) увеличивается податливость, мягкость вен. На симпозиуме об этих данных сообщили кандидат медицинских наук Г. Фомина и профессор О. Л. Виноградова.
МЫ ЧУВСТВУЕМ ГРАВИТАЦИЮ… ПОДОШВАМИ
Итак, гравитационные изменения в работе сердечно-сосудистой системы связаны с тонусом мышц, но от чего зависит этот мышечный тонус? Самая гравитационно-чувствительная мышца человека — камбаловидная.
Находится она на задней поверхности голени в глубине, сразу над ахилловым сухожилием, и закрыта двумя головками икроножной мышцы. Камбаловидная мышца одна «тянет» 70 кг веса человека, а когда он бегает и прыгает — еще больше. Американцы подсчитали, что на эту мышцу при динамических нагрузках приходится до 10 весов тела, конечно, однократно, в момент толчка.
В невесомости или в экспериментах, ее моделирующих, тонус камбаловидной мышцы резко падает. Как мышца узнает о том, что уровень гравитации стал другим? Конечно, поступают какие-то сигналы от нервной системы, но и в самой мышечной ткани, по-видимому, есть клеточные и молекулярные датчики. Сейчас их изучение только началось, появились представления о механочувствительных каналах в мембране клеток, но эта область пока еще остается белым пятном в науке.
Зато удалось выявить существование совершенно нового органа чувств. В учебниках этого еще нет, но гравитационные физиологи уже признали существование новой сенсорной системы, реагирующей на изменение гравитации, — системы восприятия опоры.
Роль новых органов чувств выполняют подошвы ног, а точнее, расположенные в них рецепторы глубокой кожной чувствительно сти — так называемые тельца Фатера-Пачини. Они открыты еще в XIX веке, но их роль в гравирецепции установлена совсем недавно. Конечно, мы воспринимаем подошвами не вес тела, а силу реакции опоры, равную весу по величине и противоположную по направлению, но физиологической сущности это не меняет.
Как именно работают тельца Фатера-Пачини, пока не ясно. Ученые полагают, что механическое воздействие силы реакции опоры передается через нервную систему и влияет на состояние определенных клеток спинного мозга — мотонейронов. В результате в зависимости от силы реакции опоры включаются или выключаются системы, управляющие работой тех мышц, которые поддерживают позу, — это так называемая позно-тоническая система. Другая мышечная система — локомоторная — обеспечивает быстрые и резкие движения в пространстве. Кстати, наличие двух мышечных систем — открытие гравитационной физиологии, связанное с именем И.
Б. Козловской. Именно тоническая система противостоит силе тяжести.
Любимая экспериментальная модель для изучения мышечного тонуса — иммерсия, о которой речь шла выше. Эта модель действительно обеспечивает безопорность. По законам гидростатики давление со всех сторон одинаково, а потому организм давления не чувствует. Однако если искусственно имитировать опору, то мышечный тонус можно поддерживать на должном уровне и в условиях иммерсии. Для этого в Институте медико-биологических проблем изобрели уникальный тренажер, который представляет собой башмак с пневматическим приводом. Воздух, сжимаясь, оказывает периодическое давление на стопу, имитируя ходьбу. С такими тренировками мышечный тонус у испытуемых после семидневного погружения в воду оставался в норме.
Ученые пытаются понять, как происходит регуляция мышечной активности на уровне клетки. Как система белкового синтеза мышечных волокон узнает, что ей надо прекращать работу? Как система распада белка получает сигнал — атакуй, повышай активность? Ясно, что существует система, которая «чувствует», работает мышца или нет.
Один из возможных механизмов связан с ионами кальция. Недавно стало известно, что при разгрузке (и, конечно, в отсутствие мышечных сокращений) уровень кальция в мышечных волокнах повышен. Интересно, что если связать избыточный кальций, то можно избежать многих неблагоприятных эффектов невесомости. Об этих первых экспериментах со связыванием кальция на симпозиуме рассказал Б. С. Шенкман.
ГРАВИТАЦИЯ, СОЛЬ И ВОДА
То, что тело человека состоит на 70% из воды, давно известно, но вода эта, в соответствии с принятой в физиологии моделью, находится в разных секторах: внутриклеточная жидкость, внеклеточная жидкость (сюда относятся жидкости полостей — брюшной, грудной, церебральной) и сосудистая (кровь). Эволюция добилась того, чтобы не только состав, но и объем жидкости организма поддерживался постоянным, поскольку это дает человеку и крупным животным наибольшую свободу в приспособлении к различным условиям внешней среды.
Как обеспечивается такое постоянство состава и объема? У здорового человека работают механизмы как пассивной регуляции, на основе физико-химических законов, так и с помощью биологически активных веществ.
Когда что-то разлаживается, возникают отеки или же несахарный диабет, при котором организм не способен задержать выпитую жидкость.
До того как человек полетел в космос, ученые не подозревали, что функция поддержания состава и объема жидкости зависит от гравитации. Но оказывается, что на снижение силы тяжести организм реагирует направленными усилиями по уменьшению объема внеклеточной жидкости. Объем внутрисосудистой жидкости тоже уменьшается. Если бы человеку предстояло всю оставшуюся жизнь провести на борту космической станции, то эту реакцию следовало бы назвать адаптивной: в невесомости с пониженным объемом жидкости легче жить и работать. Но при возвращении на Землю после продолжительных космических полетов (дольше нескольких суток) возникает состояние, при котором сердце не может нормально снабжать кровью мозг. И дело не только в понижении мышечного тонуса, но и в том, что у сердечно-сосудистой системы просто не хватает объема крови, чтобы заполнить все сосудистое русло.
Казалось бы, достаточно дать человеку выпить воды или раствора солей, но все не так просто. Системы регуляции водно-солевого обмена требуют времени для обратной перестройки, и поначалу жидкость в организме не задерживается. На симпозиуме прозвучал доклад Мартины Хеер из кельнского Центра авиакосмической физиологии. Она рассказала, что по данным, полученным в полетах немецких космонавтов, в условиях реальной невесомости в коже и соединительных тканях начинает откладываться натрий, но не в виде иона, а в связанной с белком форме. Подобный механизм «запасания» минеральных веществ существует у млекопитающих, которые впадают в спячку. Почему это происходит у космонавтов — пока не ясно.
КОСМИЧЕСКИЙ ОСТЕОПОРОЗ И КАК С НИМ БОРОТЬСЯ
Изучение костной системы — один из важнейших разделов гравитационной физиологии. Отсутствие нагрузок на кости в условиях микрогравитации приводит к понижению минеральной плотности кости, что очень похоже на остеопороз.
Кости теряют кальций неравномерно. Сильнее всего он вымывается из участков кости, которые формируют суставы, то есть испытывают наибольшую нагрузку в земных условиях. В нижних конечностях процесс потери кальция выражен сильнее, чем в верхних, а в черепе кальций даже откладывается. Как показали исследования доктора медицинских наук В. С. Оганова, процесс восстановления нормальной минеральной плотности занимает в 2-3 раза больше времени, чем длится космический полет, и после продолжительных космических экспедиций растягивается на годы.
Предотвратить потерю кальция — насущная задача, поскольку космонавт, возвращаясь на Землю, испытывает перегрузки посадки. Если кость потеряла прочность, перегрузка может привести к компрессионному перелому позвонков или даже к перелому трубчатых костей.
Для изучения процессов в костной ткани в земных экспериментах используют модель с вывешиванием крыс за хвост. При этом крыса опирается о пол передними лапками, а вот задние как бы находятся в состоянии невесомости.
В нормальных условиях кости скелета у крысы растут до самой старости, а при вывешивании их рост затормаживается. Замедляется и процесс ремоделирования — постоянного обновления костной ткани. В экспериментах, которые проводила И. М. Ларина, потерю кальция у крыс удалось предотвратить с помощью ибандроната — препарата, который замедляет рассасывание костной ткани. Возможно, в ближайшем будущем этот препарат войдет в состав космической бортовой аптечки.
КЛЕТКИ НЕ ИСКЛЮЧЕНИЕ
Первые исследования на клетках, которые проводили до полета человека в космос, давали противоречивые результаты. Исследовательская техника была несовершенна, модели не отработаны, случалось, что клетки гибли, и тогда скептики начинали утверждать — космос для человека закрыт. Но по мере усовершенствования экспериментального оборудования и моделей выяснилось, что на клеточном уровне все не так страшно. Клетки в космосе размножались, продуцировали обычные для них вещества. На некоторый период возобладало мнение, что невесомость на клетки вообще не действует, что клетка слишком маленькая, силу тяжести она не ощущает, и только на физиологическом уровне можно уловить какой-то эффект.
И лишь исследования последних лет убедительно показали: микрогравитация все-таки влияет на клетки, но ее влияние неразрушительно, и одна из точек приложения — цитоскелет. Структурные элементы цитоскелета — актиновые нити, которые в норме равномерно заполняют объем клетки, сдвигаются к краям. При этом изменяется функционирование и рецепторов, и ионных каналов. Клетка как бы адаптирует свою жизнедеятельность под уменьшенную гравитацию.
Можно ли как-то использовать микрогравитацию в биотехнологических целях? Обсуждаются проекты выращивания клеток хряща или костной ткани, но для этого требуется оборудование, которое не так-то просто разместить в ограниченном пространстве космической станции.
Пока что на МКС проходят более простые, но не менее важные эксперименты с иммунными клетками, о которых рассказала на симпозиуме Л. Б. Буравкова. Объектами исследования стали так называемые естественные киллеры, составляющие 5-8% среди всей популяции лимфоцитов, которые распознают и уничтожают опухолевые клетки, а также клетки, пораженные вирусом, и клетки с отклонениями от нормы.
Первые эксперименты показали, что микрогравитация не нарушает межклеточного взаимодействия, но активность киллеров может меняться. Сейчас ученые приступили к изучению влияния микрогравитации на стволовые клетки.
КОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ЛЕЧЕНИИ ЗЕМНЫХ БОЛЕЗНЕЙ
Одна из задач гравитационной физиологии — понять, как невесомость действует на здоровье космонавтов, и помочь в разработке профилактических мер. Однако многие полученные результаты могут быть востребованы и в практике земной медицины.
Весьма перспективная область исследования — поведение мышечных ферментов при миопатиях. Заболевания эти тяжелые, нередко приводящие к смертельному исходу в молодом возрасте. Например, при миодистрофии Дюшенна больные редко доживают до 20 лет, а в России с таким диагнозом рождаются 3 человека на 10 тысяч.
У здорового человека при интенсивной мышечной нагрузке в кровь из мышечных волокон выходит довольно значительное количество фермента креатинфосфокиназы.
Почему это происходит, пока не совсем ясно, видимо, мембрана мышечных клеток под нагрузкой становится «дырявой». Аналогичное явление, но без больших физических нагрузок наблюдается у больных миопатией, при этом концентрация фермента в крови еще выше. А вот в космосе и в экспериментах с иммерсией поступление молекул этого фермента в кровь резко снижается. Эти результаты дают надежду, что с помощью иммерсии удастся снизить повреждающее воздействие факторов, которые приводят к миопатии. В лаборатории Б.С. Шенкмана пока проводят соответствующие исследования на животных.
Некоторые методы, разработанные в отделе сенсомоторной физиологии и профилактики, которым руководит И. Б. Козловская, уже активно внедряются в клинику. С помощью нагрузочных костюмов сейчас лечат детский церебральный паралич, инсульт, болезнь Паркинсона. На очереди применение искусственной опоры — того самого пневматического башмака, о котором уже говорилось. К его испытаниям приступают в нервной клинике Российского государственного медицинского университета.
Исследования в космической области помогают разработать новые способы фармакологического воздействия на водно-солевой обмен, лечения состояний, связанных с обезвоживанием.
КАК ДОЛЕТЕТЬ ДО МАРСА
Физиологическим проблемам полета на Марс был посвящен доклад директора Института медико-биологических проблем академика А. И. Григорьева. Успехи космонавтики последних десятилетий делают такой проект достаточно реальным. Накоплен опыт биомедицинской поддержки долговременных экспедиций на орбитальных станциях и полетов на Луну, где сила гравитации меньше земной примерно в 6 раз. А после Луны естественная ближайшая цель космических исследований — Марс. Благодаря непилотируемым полетам наши знания о Красной планете существенно возросли.
Какие основные трудности ждут человека во время такого полета? Минимальная расчетная продолжительность экспедиции — 500 суток, то есть полтора года, причем полет будет проходить в автономном режиме.
Если на станцию, расположенную на околоземной орбите, всегда можно выслать корабль с дополнительным продовольствием и топливом, то в дальней экспедиции экипажу придется рассчитывать только на свои силы. Факторов, которые будут «подтачивать» эти силы, очень и очень много: стресс из-за вынужденного нахождения в ограниченном пространстве и искусственном окружении, космическая радиация, отсутствие привычного магнитного поля. Но прежде всего — изменение гравитационного поля. Во время пилотируемого полета на Марс человек столкнется с разными уровнями гравитации. Во-первых, это гипергравитация (перегрузка) во время взлета и посадки. Во-вторых, микрогравитация (невесомость) в течение длительного межпланетного перелета. В-третьих, гипогравитация на поверхности Марса, которая составляет 38% от земной силы тяжести.
Перегрузки тяжелы для организма: это огромное напряжение для мышц, костей, сосудов. Меняется и метаболизм: возрастает потребление кислорода, падает температура тела, нарушается суточный ритм.
По счастью, такие нагрузки кратковременны, и подготовиться к ним можно, тренируясь на центрифугах.
Казалось бы, по сравнению с перегрузкой невесомость должна доставлять более приятные ощущения. Но, как уже говорилось выше, отсутствие силы тяжести чревато неприятными последствиями для самых разных систем организма: происходит перераспределение жидкости в организме, снижаются сократительная способность мышечных волокон и минеральная плотность костной ткани, усиливается риск переломов и образования камней в почках.
В космическом полете изменяется состояние вестибулярного аппарата и сенсорных систем. Происходит расстройство всех форм зрительных движений. Причем микрогравитация влияет как на скорость, так и на точность зрительной реакции. А ведь задача человека в длительном полете — не просто выдержать нагрузки, но и сохранить способность к сложной операторской деятельности. Долетев до Марса, надо будет посадить на поверхность планеты спускаемый модуль, а затем стартовать.
А для успешной работы на Марсе необходима быстрая адаптация к марсианской гравитации после долгого пребывания в невесомости.
Как справиться с проблемой неблагоприятного влияния невесомости в условиях длительного полета? Первым делом приходит в голову мысль о создании искусственной гравитации. Идею искусственной гравитации, создаваемой с помощью вращения, впервые выдвинул еще Циолковский. Она была реализована на искусственном спутнике «Космос-936», в котором летали крысы. Однако результаты первых исследований показывают, что всех проблем искусственная гравитация не снимает. Сейчас осуществляется международный проект по изучению физиологического действия искусственной гравитации, в котором участвуют Россия, Германия и США.
Опыт орбитальных станций показывает, что более перспективно использование бортового комплекса тренажеров, который работает по принципу обратной связи и автоматически определяет нагрузку, необходимую космонавту.
В любом случае, если посылать человека на Марс, надо сделать все, чтобы он вернулся обратно, и вернулся здоровым.
РАЗМЫШЛЕНИЯ ПОСЛЕ СИМПОЗИУМА
Симпозиумы по гравитационной физиологии имеют свою историю. В середине 1970-х годов четыре выдающихся ученых: американцы Артур Смит и Нелло Пейс, швед Хилдинг Бьюрштедт и Олег Георгиевич Газенко, в то время директор Института медико-биологических проблем, — собрались вместе и учредили так называемую Гравитационную комиссию, а точнее, Комиссию по гравитационной физиологии Международного союза физиологических наук. С заседаний этой комиссии и начались регулярные встречи специалистов, изучающих влияние гравитации на живое, которые проходят в атмосфере неформального, дружеского общения.
«Мы все давно знаем друг друга, и каждая такая встреча — праздник, — говорит ответственный секретарь оргкомитета Б. С. Шенкман. — Такие симпозиумы нужны для того, чтобы учить молодежь, приучать наших молодых исследователей общаться и работать на международном уровне. В космической отрасли почти все эксперименты — международные.
И, к сожалению, у нашей науки здесь те же проблемы, что и у страны в целом. Мы проводим хорошие, интересные эксперименты, а тонкими аналитическими технологиями (включая дорогостоящее оборудование), позволяющими исследовать клеточные и молекулярно-биологические механизмы, часто владеют только наши западные коллеги. Иначе говоря, нам крысу в космос запустить — запросто, а вот исследовать у нее гены — уже гораздо труднее. Тем не менее наша область науки выходит из прорыва. В лабораториях появляются новые приборы. Все больше молодых сотрудников возвращаются из-за границы после длительных стажировок вооруженные последними методическими достижениями. И позволю себе высказать крамольную мысль: может быть, нужно больше денег вкладывать в тонкие базисные эксперименты, новое экспериментальное оборудование. К сожалению, не все понимают, что проводить практические разработки без фундаментального научного обеспечения будет означать всего лишь возвращение к допотопному методу «проб и ошибок» (что в итоге обойдется обществу гораздо дороже).
Не надо ждать от науки каждодневных сенсаций, не надо требовать от нее сиюминутных чудес. Как показывает исторический опыт, вложения в науку всегда окупаются, но не всегда — сразу».
Редакция благодарит доктора биологических наук Б. С. Шенкмана, доктора медицинских наук И. М. Ларину и доктора медицинских наук Л. Б. Буравкову за помощь в подготовке материала.
Чего нельзя делать в космосе
На Международной космической станции много своих «нет». Очень неожиданных. К примеру, нельзя чихать. А что еще?
«Космос от нас недалеко, всего в часе езды, если ваша машина способна ехать вверх», — говорил британский астроном Фред Хойл. Итак, у вас такая машина есть. Итак, вы на орбите. А теперь забудьте все, что вы считали само собой разумеющимся на Земле. В космосе нельзя так просто взять и…
Но стоп. Не в открытом космосе, конечно, — на МКС. В безвоздушном пространстве без скафандра вы не продержитесь и пары минут. Сначала ваши легкие и пищеварительный тракт заполнят расширяющиеся газы (из-за того, что в космосе нет внешнего давления), находящиеся внутри организма.
От этого лопнут легкие, вода на слизистых оболочках глаз, рта и носа быстро закипит и испарится, а пузырьки газов попадут в кровеносную систему. Солнечная радиация оставит ожоги на коже. А тут уже подступит и банальное удушье. А потом закипание крови… Ну да ладно, вы же на МКС. Все хорошо. Но и там много своих «нет». Помимо очевидного — ходить, стоять, лежать — в космосе нельзя…
Увидеть мерцание звезд
Фото: Shutterstock.com
Вид с МКС
Тут все просто. Как говорил «универсальный человек» Леонардо да Винчи, «синева неба происходит благодаря толще освещенных частиц воздуха, которая расположена между Землей и находящейся наверху чернотой». По той же причине в космосе не мерцают звезды. Из-за «толщи частиц воздуха», то бишь атмосферы. Смотреть через нее на звезды — примерно то же, что смотреть через воду. Вода двигается, поэтому звезды начинают «дрожать». Но и воздух в нашей атмосфере — в непрерывном движении, да еще и разной плотности, а в космосе никакого воздуха нет.
А на нет и мерцания нет.
Писать шариковой ручкой
Фото: Wikipedia.org
Space Pen (рус. спэйс-пэн — «космическая ручка», известна также под названием Zero Gravity Pen — «ручка невесомости») — шариковая ручка, созданная и продаваемая компанией Fisher Spacepen Co., в которой чернила находятся в специальном картридже под давлением
Вы никогда не задумывались, почему ручка перестает писать на стене или потолке? Понятное дело — из-за того, что чернила не поступают к крошечному шарику на конце стержня. Обычной ручке нужна сила тяжести, которая будет «толкать» чернила к основанию ручки и вы сможете писать. Но чем же пишут на орбите? Советские космонавты писали восковыми карандашами (графитовые стержни могли обломаться и стать угрозой для оборудования и дыхательной системы людей). Американские астронавты использовали фломастеры.
Есть известная легенда, будто НАСА выделило $1 млн на создание ручки, способной писать при отсутствии гравитации. Это неправда. «Ручка невесомости», или Space Pen, действительно была разработана (и сегодня активно используется на МКС), но не НАСА, а американским изобретателем и предпринимателем Полом Фишером.
И на ее создание действительно ушли больше $1 млн, но из личных средств бизнесмена. Чернила в «космической ручке» находятся в специальном картридже под давлением сжатого азота. И могут писать, по словам разработчиков, не только в невесомости, но и под водой, на мокрой и жирной бумаге, под любым углом и при экстремальных температурах. Цена такой ручки для программы «Аполлон» (той самой, когда американцы полетели на Луну) составила $6.
Вскипятить чайник
Фото: NASA
Астронавт Лиланд Мэлвин играет с водой. Экспедиция 2009 г
В «земном» понимании этого слова. Вспомним школьный курс физики. Чем выше мы поднимаемся, тем ниже температура кипения воды. Все дело в давлении атмосферы. На вершине горы оно будет меньше, чем у ее подножия. Поэтому при отсутствии давления, как в космосе, вода закипит почти моментально (а уже потом замерзнут частички ее пара, так как в космосе очень холодно). Но на МКС давление (и температуру, конечно) создают искусственно (без него бы космонавты просто погибли), правда, не такое, как на Земле, но вскипятить воду при нем все-таки можно.
Она закипит при 85 °C. Но не вся.
В кипячении важно не только давление, но и конвекция — попросту перемешивание жидкости при нагревании (из-за действия силы тяжести). На МКС конвекции нет (в том числе и конвекции воздуха, поэтому там работают мощные вентиляторы; в противном случае космонавты были бы вынуждены вдыхать тот воздух, который только что выдохнули, и вскоре бы попросту задохнулись), поэтому вода в невесомости начинает кипеть только в месте нагрева, а остальная часть остается холодной. Поэтому на МКС установлен специальный «умный» чайник. Самый дорогой в мире.
Узнать точное время
Фото: Олег Артемьев
40-я экспедиция на МКС. Бортинженер Олег Артемьев поделился снимком различных хронометражных устройств, которые он использует на орбите
Согласно теории относительности Эйнштейна. Не пугайтесь. Все просто. На орбите нет гравитации (вернее, она есть, но совсем небольшая — полное отсутствие силы притяжения возможно лишь в далеком космосе, где поблизости нет крупных планет и звезд).
Но зато сама МКС вращается вокруг Земли с бешеной скоростью — 7,9 км/с. А исходя из теории относительности, гравитация и высокая скорость изменяют течение времени, замедляя его. Вникать не нужно. Просто примите как факт — время на МКС и на Земле течет неодинаково. На Земле быстрее, на МКС медленнее. На доли секунд. Какая ерунда? Если космонавт пробыл на орбите пару месяцев. А вот если он вернулся из путешествия к другой звезде, то не найдет на Земле даже своих правнуков — к тому времени они уже умрут.
Надушиться духами
Фото: Wikipedia.org
Праздничное застолье на МКС
На МКС просто запрещено их брать. И вот почему. В космосе изменяется ощущение запаха и вкуса. Необязательно сильно, и у всех по-разному. Но в основном в сторону более пресного вкуса и более острого запаха. То есть борщ будет каким-то несоленым, а запах роз каким-то очень резким. В первую очередь потому, что в условиях невесомости в верхней части тела скапливается больше крови, чем это происходит на Земле.
Из-за этого обонятельные и вкусовые рецепторы дают «сбой». Вкусовые — слабее, поэтому на МКС поставляют множество всяких острых соусов и приправ. Обонятельные — наоборот. Так что никаких духов и одеколонов.
Кстати, аромат имеет и сам космос. Несмотря на весь свой вакуум, в котором, как известно, запахи не распространяются (но вакуум далеко не пуст, определенное количество атомов в нем-таки есть). Говорят, он похож на запах не то жареного бифштекса, не то сварки. А Луна пахнет пороховой гарью.
Забросить спорт
Фото: Wikipedia.org
Астронавт Суни Уильямс работает на первой беговой дорожке, установленной на МКС
Нет нагрузок — атрофируются мышцы. По полной программе. Наше тело лениво, в состоянии невесомости оно очень быстро привыкает к тому, что все «легко и просто». Не надо утруждаться, чтобы ходить:плыви себе среди бесчисленных проводков и кнопочек. Поэтому в свое время после возвращения в «юдоль слез» космонавты какое-то время не могли даже ходить — настолько были ослаблены их мышцы.
Сегодня в их режиме — ежедневные и обязательные физические упражнения. И все равно после полета они чувствуют себя совсем не огурцом.
Чихнуть
Фото: Wikipedia.org
Экипаж 37-й экспедиции на МКС
Конечно же, можно. Но с другими последствиями. Более серьезными, чем на Земле. Если сильно чихнуть в условиях невесомости — будет создан реактивный эффект, который закрутит человека и тогда велик риск получить по затылку «стеной», «потолком» или «полом» (ни одного из этих понятий на МКС, конечно, нет).
Кстати, по этой же причине не рекомендуем вам стрелять в космосе (не на МКС, где это приведет прежде всего к разгерметизации станции, а в безвоздушном пространстве). Вспомните третий закон Ньютона. Сила, действующая на пулю, в равной степени окажет силу противодействия на пистолет, который находится у вас в руках. А значит, и на вас. Но в космосе почти нет атомов, сдерживающих ваше движение в противоположную сторону. Так что готовьтесь, что вас понесет в эту самую сторону.
Хоть и со скоростью гораздо медленнее пули (все-таки весите вы намного больше). И да, пуля будет двигаться вечно. И вы тоже. Потому что, как говорит астроном Матия Кук: «Вселенная расширяется быстрее, чем пуля».
Долго смотреть на языки пламени
Фото: Wikipedia.org
Пламя свечи на Земле и в условиях невесомости
Зажечь, например, спичку на МКС можно (если не учитывать запрет на «контрабанду» подобных вещей). Но гореть она будет по-другому. В невесомости горячий воздух не стремится вверх, поэтому пламя спички будет не вытянутым, как на Земле, а округлым, как шапочка для купания. А еще из-за отсутствия силы тяжести не будут происходить процессы перехода частиц горения от области с высокой температурой к областям с более низкой, поэтому спичка быстро потухнет.
На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc., запрещённая на территории Российской Федерации.
космос
запрет
Почему расстояния в космосе измеряются не в километрах, а в световых годах и парсеках?
Почему расстояния в космосе измеряются не в километрах, а в световых годах и парсеках?
О мамонтах, световых годах и Проксиме Центавра.
Урок занимательной астрономии от популяризатора науки Владимира Сурдина
24 декабря 2022
58 957
Почему именно летающая тарелка считается транспортом инопланетян?
Почему именно летающая тарелка считается транспортом инопланетян?
Почему бы инопланетянам не летать, например, на круглых ракетах? Почему Земля не имеет форму чемодана вопреки известной присказке? И строят ли летающие тарелки на самом деле?
29 декабря 2022
15 321
Самые странные запреты в мире
Самые странные запреты в мире
В каких странах и почему законодательно запрещено бегать с друзьями, сниматься в порно, если у вас слишком маленькая грудь, и носить синие джинсы
14 января 2015
71 802
Несси переехала: в США заметили огромное змееподобное существо
7 января 2023
Названы забавные различия между кошатниками и собачниками
7 января 2023
В китайском Харбине построили огромного снеговика
6 января 2023
Исследование доказало, что путешествия даже в пределах 25 км полезны
6 января 2023
Топ-10 самых богатых людей мира — 2022
Где растут фисташки
Самые большие растения в мире: топ-10
Бинтуронг: «кошачий медведь», который пахнет попкорном
Самые северные города мира
Почему кошки умываются?
Кто живет в пустыне
Существует ли невесомость в космосе? – Yale Scientific Magazine
Все мы видели кадры, на которых астронавты свободно парят в космосе, выполняя изгибы и повороты, которые, кажется, бросают вызов гравитации.
В результате этих изображений многие люди считают, что в космосе существует невесомость. Однако это утверждение не могло быть дальше от истины. Гравитация существует повсюду во Вселенной и является самой важной силой, влияющей на всю материю в космосе. На самом деле, без гравитации вся материя разлетелась бы на части и все перестало бы существовать.
Гравитация — это сила притяжения между двумя объектами на фиксированном расстоянии r . Сила гравитации пропорциональна массе двух объектов и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Объект с большей массой обладает большей гравитационной силой, чем объект с меньшей массой, что объясняет разницу между гравитационным полем Земли и Луны. Сила притяжения между двумя объектами быстро убывает со скоростью 1/r 2 . Таким образом, гравитационная сила двух одинаковых масс, находящихся на расстоянии 1 метра друг от друга, в 100 раз сильнее, чем если бы массы находились на расстоянии 10 метров друг от друга.
Используя два параметра, массу и расстояние, мы можем понять, как гравитация действует во Вселенной и заставляет объекты выглядеть так, как будто они испытывают невесомость в космосе.
Гравитационное притяжение Земли определяет орбиту Луны. Точно так же все планеты, астероиды и кометы в нашей Солнечной системе вращаются вокруг Солнца из-за этого гравитационного притяжения. Тот факт, что небесные тела на расстоянии миллионов световых лет вращаются вокруг Солнца, развенчивает миф об отсутствии гравитации в космосе. Солнце обладает огромным гравитационным притяжением, потому что на его долю приходится 99,86% веса нашей Солнечной системы.
Почему же тогда объекты могут свободно парить в космосе, несмотря на гравитационное поле Солнца? Помните, что сила тяжести зависит от массы двух объектов. Небесные тела обладают достаточной массой, чтобы испытать гравитационное притяжение Солнца. Объекты с относительно небольшой массой будут испытывать меньшую гравитационную силу Солнца, чем небесные тела, такие как Юпитер.
Кроме того, малые объекты вдали от Солнца испытывают более слабую гравитационную силу. Хотя гравитация никогда не достигает нуля, она приближается к ней.
Предпосылки общей теории относительности Эйнштейна можно использовать для объяснения гравитации в космосе. Представьте вселенную в виде двумерного листа, представляющего ткань пространства-времени. Если бы на этом листе поместили шар массой м , то образовалась бы впадина, изменяющая ткань пространства-времени. Это искажение гравитации меняет движение объекта, проходящего через углубление. Шар массой 2м создаст большее углубление и, следовательно, будет иметь большую силу тяжести, действующую на него. Чем дальше объект от мяча, тем меньше он будет испытывать искажение или гравитационное поле мяча. Теория Эйнштейна постулирует, что любой объект с массой искажает пространство-время, включая человека. Хотя мы едва вдавливаем лист, мы создаем вокруг себя небольшое гравитационное поле. Пока в космосе есть материя, существует гравитация.
Печально известное астрономическое явление, известное как черная дыра, иллюстрирует, насколько важна гравитация в космосе. Черная дыра — это область пространства, настолько компактная, что свет не может покинуть ее. Черные дыры образованы умирающими звездами, которые коллапсируют под собственным весом и образуют бесконечно плотное ядро. В аналогии Эйнштейна с двумерным листом черная дыра настолько компактна, что создает дыру в ткани пространства-времени вместо вмятины. Любая частица или волна, включая свет, захватываются огромным гравитационным притяжением, создаваемым черной дырой. Наличие черных дыр прямо противоречит представлению о невесомости в космосе.
Если всякая масса создает гравитацию в космосе, то как возникло понятие невесомости? Этому, несомненно, способствовал опыт астронавтов в космосе, которые кажутся невесомыми и, следовательно, описываются как испытывающие невесомость. Это объяснение не может быть верным, особенно так близко к Земле, где сильное гравитационное поле постоянно притягивает к себе космический корабль.
Чтобы понять опыт астронома, важно отличать «невесомость» от «невесомости». Космонавты чувствуют себя невесомыми, потому что их шаттл находится в состоянии непрерывного свободного падения на землю. Однако космический шаттл никогда не падает на землю, потому что он движется горизонтально со скоростью около 18 000 км/ч, противодействуя силе тяжести. Если бы космический корабль двигался недостаточно быстро, он стал бы жертвой действия гравитационного поля Земли и упал бы на Землю.
В космосе не существует невесомости. Гравитация повсюду во Вселенной и проявляется в черных дырах, небесных орбитах, океанских приливах и даже в нашем собственном весе.
Гравитация на космических станциях и свободное падение
Дон Линкольн, доктор философии, Университет Нотр-Дам
Видеоклипы астронавтов на Международной космической станции, выполняющих сальто и другие действия, ясно показывают, что они работают в месте, где нет гравитации. Есть только одна проблема. Что это даже близко не соответствует действительности.
Есть ли гравитация внутри Международной космической станции? Тогда как мы объясним то, что мы видим в видео?
На Международной космической станции существует гравитация, но астронавты кажутся невесомыми, потому что и космическая станция, и астронавты находятся в свободном падении.
(Изображение: НАСА/общественное достояние)
Вес человека на космических станциях
Давайте разберемся. Радиус Земли составляет около 6400 километров, а Международная космическая станция вращается на высоте около 400 километров по прямой, или с радиусом орбиты около 6800 километров.
Помните, что закон всемирного тяготения Ньютона гласит, что сила между двумя объектами, в данном случае человеком и Землей, равна G, умноженной на массу человека, умноженная на массу Земли, деленная на квадрат расстояния между человеком и центром Земли. Земля.
Теперь, чтобы показать вам, что гравитация действительно существует на космической станции, мы можем поискать числа или проявить смекалку и решить задачу как простое отношение.
Мы хотим узнать вес человека на поверхности Земли по сравнению с весом человека на космической станции, в задаче есть некоторые константы. Масса человека и Земли не меняется, как и G. Так что нам не нужно беспокоиться об этих вещах. Вместо этого мы помним, что вес — это сила.
Что мы можем сделать, так это составить два уравнения следующим образом. Возьмем человека весом 150 фунтов на поверхности Земли и возьмем наше неизвестное как вес человека на Международной космической станции. Два уравнения будут такими: 150 фунтов равняются G, умноженным на массы, деленные на 6400 километров в квадрате, а неизвестный вес на космической станции равен тем же G, умноженным на массы, деленные на 6800 километров в квадрате.
Итак, мы можем взять отношения, а G и массу сократить, и мы получим вес на космической станции, разделенный на 150 фунтов, равно 6400, деленное на 6800, все в квадрате. Выполняя арифметические действия, мы получаем, что человек, который весит 150 фунтов на Земле, будет весить 133 фунта на космической станции.
Неправильно говорить, что они ничего не будут весить. Так как же понять то, что мы видим своими глазами? Космонавты определенно выглядят невесомыми. Или команда теории заговора все-таки права и все это фейк? Нет, определенно нет. Мы даже не должны были задавать такой нелепый вопрос. Но какое объяснение?
Это стенограмма из серии видео Понимание заблуждений науки . Смотри сейчас же, Вондриум.
Международная космическая станция находится в состоянии свободного падения
Человек, который весит 150 фунтов на Земле, будет весить 133 фунта на космической станции, что доказывает наличие гравитации на космической станции. (Изображение: НАСА/общественное достояние)
Хотите верьте, хотите нет, но объяснение состоит в том, что и космическая станция, и астронавты буквально падают. Если вы остановите космическую станцию на ее орбите или если ее просто поднять прямо на 400 километров сразу после того, как она была первоначально построена, она упадет прямо на Землю, как это сделали Алан Юстас или Феликс Баумгартнер, когда они спрыгнули с платформы 40.
километров над поверхностью Земли.
Космическая станция и все, что на ней находится, тоже движется вбок. Итак, на самом деле происходит то, что станция постоянно падает к Земле, но постоянно пропадает.
Этот способ мышления не нов. Это то, что придумал Исаак Ньютон. Он подумал о том, чтобы выстрелить пушечным ядром горизонтально. Как известно, при падении он будет лететь горизонтально. Стреляйте быстрее, и он пойдет дальше. Стреляйте в него еще быстрее, и он пойдет еще дальше. В конце концов, рассуждал он, мяч будет двигаться достаточно быстро, чтобы в игру вступила кривизна Земли, и мяч смог бы вращаться вокруг Земли. То же самое происходит с космической станцией и астронавтами. Они постоянно падают и промахиваются мимо Земли.
Узнайте больше о мифах об орбитальном движении.
Невесомость или свободное падение?
На самом деле правильное слово, которое вы должны использовать, это то, что астронавты находятся не в невесомости, а в свободном падении.
Они определенно не в невесомости. Еще во времена Галилея мы поняли, что объекты разной массы падают с одинаковой скоростью. Итак, космическая станция и астронавты падают вместе.
Один астронавт однажды рассказал нам о некоторых неожиданных вещах, с которыми он сталкивается в космосе. Он научил нас чему-то, что поднимает все это понимание свободного падения на еще более высокий уровень. Он сказал, что если вы будете сидеть в шаттле совершенно неподвижно, вас будет медленно дрейфовать к носу корабля.
Это потому, что шаттл находился на достаточно низкой орбите, поэтому было небольшое сопротивление воздуха. Несмотря на то, что космический шаттл в основном находился в свободном падении, воздух лишь немного замедлил его. Астронавты были защищены от сопротивления, поэтому они не замедлялись, и в результате, если вы сидели там какое-то время, вас дрейфовало к передней части космического корабля.
Конечно, о таких мелочах вообще можно не беспокоиться. Одна из блестящих особенностей науки — это способность упростить проблему, игнорируя мельчайшие эффекты.
Но если вы хотите знать, как получить точный ответ, игнорирование этих вещей в конечном итоге приведет вас к заблуждению, и вы в конечном итоге поверите во что-то не совсем верное, например, в утверждение, что планетарные орбиты представляют собой идеальные эллипсы. Это просто доказывает, что в науке всегда есть чему поучиться.
Узнайте больше о заблуждениях мира в науке.
Общие вопросы о гравитации на космических станциях
В: Существует ли гравитация на Международной космической станции?
Да, на Международной космической станции есть гравитация. Основываясь на законе тяготения Ньютона, который гласит, что сила между двумя объектами, в данном случае человеком и Землей, равна G, умноженной на массу человека, умноженная на массу Земли, деленная на квадрат расстояния между человеком и центром Земли. Земля, мы можем подсчитать, что человек, который весит 150 фунтов на Земле, будет весить 133 фунта на космической станции.
В: Почему астронавты парят на космической станции?
Астронавты летают внутри космической станции потому, что и космическая станция, и астронавты находятся в свободном падении. Еще во времена Галилея мы поняли, что объекты разной массы падают с одинаковой скоростью. Итак, космическая станция и астронавты падают вместе, что создает иллюзию невесомости или невесомости.
В: Что вы подразумеваете под свободным падением?
Основная концепция свободного падения была впервые продемонстрирована Исааком Ньютоном в эксперименте с каноническим ядром, в котором, теоретически, когда пушечное ядро вылетает достаточно быстро, чтобы ввести в действие кривизну Земли, шар сможет двигаться по орбите. Земля. То же самое происходит с космической станцией и астронавтами. Они постоянно падают и промахиваются мимо Земли.
Вопрос; Космонавты в свободном падении?
Да, астронавты находятся в свободном падении на космических станциях.