Медицина дальнего действия

Космическая медицина уже научилась следить за состоянием человека на орбите, но перед будущими экспедициями к Луне и Марсу ученым предстоит ответить на множество новых вопросов. О том, как организм приспосабливается к экстремальным условиям, какие технологии возвращаются из космоса на Землю и почему сегодняшним школьникам стоит присмотреться к этой области, рассказывает Елена Лучицкая, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник Института медико-биологических проблем РАН и научный руководитель эксперимента «Кардиовектор» на Международной космической станции.

Елена исследует адаптацию сердца и сосудов к экстремальным условиям, но знает об изоляционных экспериментах не только как наблюдатель. Она руководила экипажем женского эксперимента «Луна-2015», а затем участвовала в международном проекте SIRIUS вместе с космонавтом Анной Кикиной. В этих проектах Елена сама оказалась внутри изоляционного эксперимента и на собственном опыте увидела, как экстремальные условия раскрывают людей.

Космос долго казался Елене чем-то недостижимым. Она выросла в небольшом городе, получила педагогическое образование и стала учителем биологии и географии. Позже, чтобы заниматься наукой, поступила в аспирантуру, защитила диссертацию по физиологии человека и пришла в космическую медицину.

По словам Елены, прикоснуться к космосу можно во множестве профессий: создавать научные приборы, изучать растения и микроорганизмы, разрабатывать одежду и питание для космонавтов, работать в медицине. Необязательно с детства мечтать стать космонавтом. Важнее превратить интерес в осознанную цель и шаг за шагом двигаться к ней.

Космонавты отправляются на орбиту после строгого медицинского отбора. Но отсутствие заболевания еще не означает, что организм легко справляется с нагрузкой.

В невесомости перераспределяется кровь, меняется нагрузка на мышцы и кости, перестраивается работа вестибулярного аппарата. Сердечно-сосудистая система должна приспособиться к новым условиям и продолжать снабжать кровью мозг, мышцы и другие органы.

При этом привычные показатели могут оставаться нормальными. Давление не выходит за допустимые пределы, сердце перекачивает необходимый объем крови, человек продолжает работать. Но ученым важно понять, какой ценой организм поддерживает эту норму.

Функциональные резервы можно представить как запас возможностей организма. Пока их достаточно, человек приспосабливается к нагрузке. Но если для сохранения обычных показателей требуется все больше усилий, напряжение механизмов адаптации растет.

Задача ученых заключается в том, чтобы заметить приближение к опасной границе до того, как возникнет заболевание или произойдет срыв адаптации.

Сердечно-сосудистую систему называют индикатором состояния всего организма. Она должна доставлять кровь ко всем органам, даже если условия вокруг человека резко изменились.

В эксперименте «Кардиовектор» космонавт размещает на теле датчики и в течение примерно получаса записывает несколько физиологических сигналов. Затем данные передают на Землю, где их анализируют исследователи.

Электрокардиограмма показывает электрическую активность и ритм сердца. Импедансная кардиограмма помогает оценить, сколько крови сердце перекачивает за одно сокращение и за минуту. Сейсмокардиограмма регистрирует слабые колебания грудной клетки и дает информацию о механической работе сердца. Баллистокардиограмма фиксирует едва заметные движения тела, возникающие при выбросе крови, и позволяет судить о силе и энергии сердечного сокращения.

Исследователи также анализируют вариабельность сердечного ритма. Это небольшие различия в продолжительности промежутков между ударами сердца. Они показывают, как вегетативная нервная система управляет сердцем и насколько гибко организм реагирует на нагрузку, дыхание и отдых.

Ни один из этих показателей сам по себе не дает готового ответа. Ученые сопоставляют данные и наблюдают, как они меняются у конкретного человека на разных этапах полета.

«Кардиовектор» является научным экспериментом, а не системой медицинского допуска. Елена Лучицкая получает и анализирует данные, но решение о готовности космонавта к полету принимают другие специалисты.

Одна и та же цифра может означать разное для разных людей, поэтому исследователи сравнивают показатели космонавта прежде всего с его собственными данными до полета и наблюдают за их изменениями на орбите.

В одном исследовании может участвовать около 30 космонавтов, а результаты приходится собирать годами. К настоящему времени уже понятно, что человек способен жить и работать в невесомости. Теперь ученых интересуют более точные задачи: как организм меняется на разных этапах полета, какие нагрузки помогают сохранить здоровье и насколько эффективно человек восстанавливается после возвращения на Землю.

Елена Лучицкая не только получает данные от космонавтов, но и сама становилась участницей исследований.

В изоляционном эксперименте человек в течение определенного времени живет и работает вместе с экипажем в замкнутом комплексе, выполняет задания и проходит обследования.

Такие проекты позволяют отдельно исследовать фактор изоляции. В настоящем космическом полете на человека одновременно действуют невесомость, радиация, ограниченное пространство, необычный режим работы и оторванность от Земли. Отделить влияние одного фактора от другого почти невозможно.

На Земле исследователи могут изучать отдельные факторы по отдельности. Например, во время «сухой» иммерсии человек находится в специальной ванне, которая позволяет имитировать безопорность. В изоляционном эксперименте нет невесомости и космической радиации, зато можно наблюдать, как длительное пребывание в замкнутом пространстве влияет на состояние и работоспособность участников.

Елена подчеркивает, что психологические последствия изоляции изучают специалисты другого профиля. Для нее самой главным выводом стало понимание того, насколько люди разные.

Работа в экипаже требует не только выполнения научной программы, но и способности договариваться, принимать различия между людьми и продолжать совместную работу в необычных условиях.

Елена также выступает против представления, будто профессиональные возможности человека в космической отрасли определяются его полом. Во время женского эксперимента «Луна-2015» она и другие участницы доказали, что они выполняют сложные задания не хуже мужчин.

По мнению Елены,оценивать специалиста следует не по полу, а по способности выполнять свою работу.

Елена Лучицкая работает в лаборатории, связанной с научным наследием одного из ведущих специалистов в области космической кардиологии Романа Баевского. Он развивал математические методы анализа сердечного ритма и подход, при котором сердечно-сосудистая система рассматривается как индикатор адаптации всего организма.

Для Елены Баевский долгое время был легендарной фигурой из учебника, подобно Ньютону для физиков. Позже она познакомилась и работала с ним лично.

По ее словам, Роман Маркович оставался увлеченным своей работой и в пожилом возрасте, был идейным вдохновителем бортовых экспериментов. Его пример показал Елене, как можно любить свое дело и сохранять интерес к исследованиям на протяжении всей жизни.

Сегодня анализ вариабельности сердечного ритма используется далеко за пределами профессиональной космической медицины. На его основе работают фитнес-браслеты, умные часы и некоторые тренажеры.

Методы математического анализа, созданные для наблюдения за космонавтами, теперь каждый может увидеть у себя на запястье. Но Елена предупреждает о том, что бытовой трекер не заменяет полноценное исследование.

Значение имеет не только качество датчика, но и алгоритм, который обрабатывает полученные данные. Если алгоритм закрыт, невозможно проверить, на каких расчетах основан результат. Поэтому показания недорогого устройства могут быть недостаточно точными.

На орбите невозможно провести такое же обследование, как в оснащенной земной клинике. Поэтому данные необходимо регистрировать на борту, передавать специалистам на Землю и анализировать дистанционно.

Похожие задачи возникают и на Земле. Люди работают на удаленных промышленных объектах, морских платформах, в Арктике и Антарктиде. Иногда быстро добраться до них или провести эвакуацию невозможно.

Методы, созданные в космической медицине, позволяют дистанционно наблюдать за сотрудниками, которые работают вахтовым методом и находятся вдали от крупных медицинских центров.

Они также помогают оценивать накопление утомления у людей, которые еще не больны, но из-за усталости могут хуже концентрироваться и совершать ошибки. Это особенно важно там, где неточность одного сотрудника может привести к аварии, экономическим потерям или угрозе для других людей.

Антарктические станции рассматривают и как модель будущих внеземных поселений. По условиям изоляции они иногда оказываются даже сложнее орбиты. Космонавта в экстренной ситуации можно вернуть с МКС за несколько часов, а эвакуация из Антарктиды в определенные периоды может быть невозможна месяцами.

Сотрудники Института медико-биологических проблем проводят исследования и в Антарктиде. Они используют методы оценки вариабельности сердечного ритма и наблюдают за состоянием людей, которые долго находятся в условиях изоляции.

Исследования на Международной космической станции помогают понять, как человек приспосабливается к невесомости на низкой околоземной орбите. Но будущие экспедиции к Луне и Марсу поставят перед учеными новые вопросы.

На Земле живые организмы развивались в условиях двух постоянных факторов, гравитации и магнитного поля планеты. МКС также находится в пределах магнитной сферы Земли. При удалении к Луне и Марсу человек окажется в других магнитных условиях.

Ученые называют условия с ослабленным магнитным полем гипомагнитными. Исследования их влияния начинают с микроорганизмов, растений и животных. Данных о воздействии таких условий на человека пока очень мало.

По словам Елены, в экспериментах крысы после пребывания в гипомагнитных условиях могли хуже выполнять привычные задания по поиску выхода из лабиринта. Это заставляет ученых задуматься, как длительное удаление от магнитного поля Земли повлияет на интеллект и другие показатели человека.

К этой задаче могут подключаться уже сегодняшние школьники. Например, можно попробовать смоделировать установку, компенсирующую магнитное поле, и проверить, как в измененных условиях живут растения.

Другой большой вопрос связан с гравитацией. На МКС человек находится в условиях невесомости, а на Луне будет действовать примерно одна шестая земной силы тяжести.

Ученым еще предстоит понять, подойдут ли для лунных экспедиций методы тренировок и восстановления, разработанные для орбиты. Возможно, потребуется изменить продолжительность занятий, нагрузку на тренажерах и способы контроля состояния сердечно-сосудистой системы.

Поскольку люди используют разные стратегии адаптации, одинаковая программа может подходить не всем. Исследователям придется разрабатывать индивидуальные программы нагрузок и способы оценки состояния каждого члена экипажа.

Будут развиваться протеомика, геномика и транскриптомика, то есть направления, изучающие белки, гены и процессы работы клеток.

Такие исследования дают огромные массивы данных. Елена ожидает, что искусственный интеллект поможет их обрабатывать, например, находить среди множества клеток те, которые особенно важны для исследования.

В собственной работе с данными отдельных космонавтов она пока предпочитает перепроверять автоматические расчеты вручную. Когда исследователь получает данные одного человека, каждая неточность может повлиять на выводы.

Изменится и оборудование. Датчики будут становиться меньше, легче и удобнее. Елена рассказывает, что беспроводной датчик, который казался современным в момент разработки, уже через два года может выглядеть устаревшим, появляются более компактные микросхемы и возможность создавать тонкие пленочные сенсоры.

Однако заменить уже утвержденную конструкцию непросто. Космический эксперимент проходит длительные согласования, и за это время оборудование, подходы и технические возможности могут измениться.

Космическая медицина не является одной профессией. В Институте медико-биологических проблем работают врачи, физиологи, инженеры, техники, микробиологи и специалисты, исследующие растения.

Единственной специальности, которая автоматически ведет в космическую медицину, нет. Каждый приходит в нее из своей области.

Для работы с человеческим организмом нужны физиология и медицина. Для создания аппаратуры необходимы инженерные знания. Биологи и микробиологи исследуют живые организмы, а специалисты по растениям решают задачи будущих космических оранжерей.

Сама Елена начинала как учитель биологии и географии. Анна Кикина до прихода в отряд космонавтов работала на радио.

Школьник, который сегодня собирает датчик, выращивает растения в необычных условиях или учится анализировать результаты эксперимента, уже соприкасается с задачами этой области.

Необязательно заранее знать, какой именно прибор или эксперимент предстоит создавать через двадцать лет. Но уже сейчас можно учиться задавать вопросы, проверять гипотезы, работать с данными и доводить длительные проекты до конца.

Космическая медицина развивается иначе, чем земная. Один эксперимент может готовиться несколько лет, а данные от небольшого числа космонавтов приходится накапливать в течение долгого времени.

За время согласования могут измениться технологии, приборы и научные подходы. Исследователю приходится ждать, перепроверять результаты, работать с небольшими выборками и понимать, что ответ на поставленный вопрос может появиться нескоро.

Поэтому Елена считает, что человеку в этой области необходима мотивация. Но, если отвечать еще серьезнее, не менее важно чувство юмора. Оно помогает переживать задержки, неудачи и бесконечные согласования, обходить острые углы и продолжать работу, даже когда результат появится нескоро.

Космическая медицина работает со здоровыми людьми, которые оказываются в необычных и тяжелых условиях. Ее задача не ограничивается поиском заболеваний. Ученым важно заметить, насколько напряжены механизмы адаптации и хватает ли организму резервов.

Методы, разработанные для космоса, уже востребованы там, где человек находится далеко от врача, работает в изоляции. Космос становится испытательной площадкой для технологий, которые затем возвращаются на Землю и помогают развивать телемедицину, совершенствовать носимые датчики и замечать неблагоприятные изменения до появления болезни.

Но большая часть вопросов все еще остается открытой. Сегодняшние школьники, возможно, будут создавать новые датчики, работать с большими массивами биологических данных и выяснять, как живой организм поведет себя за пределами привычных земных условий.

Именно поэтому в эту область стоит идти, здесь еще предстоит сделать открытия, без которых человек не сможет надолго покинуть окрестности Земли.