Чому людині буде важко на Місяці? Фізіологічні проблеми позаземного життя

 https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2018/10/zaglushka-e1538748301621.png
Андрій Чернінський
Кандидат біологічних наук, старший дослідник, старший науковий співробітник Інституту фізіології ім. О. О. Богомольця НАН України

Людство виникло в Африці, звідки поширилося на всі континенти. Зараз на Землі постійні поселення є навіть у найсуворішому регіоні —- Антарктиді. Наступним кроком нашої експансії є космос. Ця мрія — центральна тема багатьох фантастичних творів. Ми вже вміємо відправляти пілотовані апарати на навколоземні орбіти, а безпілотні — до сусідніх планет і навіть за межі Сонячної системи. Однак активних астронавтів наразі лише кілька десятків, а ідея створення людських поселень за межами нашої планети поки перебуває на стадії планування.

Романтичний у творах космос у реальності є небезпечним для людини середовищем. Тривале перебування там несе чимало викликів. Тож перш ніж колонізувати інші планети та зоряні системи, варто потренуватися жити в таких умовах. А Місяць, що є найближчим до нас небесним тілом, підходить для цього найкраще .

Високий рівень радіації

Очевидно, що розбудова місячного поселення потребуватиме чималих матеріальних ресурсів і нових технічних рішень. З наявних проблем — відсутність на Місяці атмосфери та, як наслідок, значні перепади температури й високий рівень радіації. Про тераформування поки не йдеться, отже, майбутня колонія буде або заглибленим у ґрунт, або поверхневим комплексом будівель. На Землі життя захищене від іонізуючого випромінювання атмосферою та магнітним полем. Останнє захищає навіть астронавтів Міжнародної космічної станції, але впродовж дня вони все ж отримують дозу опромінення, еквіваленту земній протягом року. На поверхні Місяця рівень радіації ще вищий. Якщо ми не знайдемо матеріалів і технологій, що знизять випромінювання до прийнятного рівня, єдиним варіантом підтримання життєдіяльності колонії стане вахтовий метод. Навіть якщо мешканці нашого супутника будуть захищені всередині будівель, виходу на поверхню їм не уникнути — наприклад, для обслуговування сонячних панелей, антен тощо або ж для відвідування сусідніх колоній. Можливо, деякі технічні функції виконуватимуть роботи, що знизить ризик для людей.

Дослідники змоделювали очікуваний рівень радіаційного фону, що впливатиме на майбутніх астронавтів під час міжпланетних подорожей, і вивчили його вплив на функціонування головного мозку мишей упродовж тривалого періоду (6 місяців). Виявлені відмінності були не дуже обнадійливими.

Так, спостерігалося зниження нейронної збудливості у гіпокампі — мозковій структурі, що відповідає за навчання та пам’ять. До того ж відбувалися зміни у поведінці, які свідчили про дисфункцію мигдалини — однієї з ключових структур, що керує емоціями. Звісно, люди — не миші, але вчені припускають, що за умов підвищеної радіації кожен п’ятий астронавт або мешканець місячної колонії може отримати подібні депресивні розлади, а кожен третій — порушення пам’яті.

Знижена гравітація

Ще одна очевидна проблема, з якою зіткнуться майбутні колонізатори — це знижена гравітація. На Місяці вона становить 16% від звичної для нас земної. У таких умовах м’язи відчуватимуть нестачу навантаження, а відтак втрачатимуть тонус, що є абсолютно нормальною фізіологічною реакцією. Цей процес уже вивчений на учасниках польотів на орбітальні станції, проте тривале перебування на Місяці може мати більш серйозні наслідки, ніж короткочасні експедиції.

Вирішенням цієї проблеми можуть бути фізичні тренування або ж терапевтична електростимуляція м’язів. Також учені працюють над створенням фармакологічних агентів, здатних стимулювати опорно-руховий апарат за зниженої сили тяжіння. Однією з перспективних сполук, що чинять остео- та м’язопротекторну дію, є природна речовина ресвератрол, яка міститься у шкірці винограду, чорниці та червоному вині. Дослідники з Harvard Medical School (США) вивчали її вплив на м’язову масу щурів в умовах імітації марсіанської сили тяжіння (вдвічі більшої за місячну). Звісно, гравітацію вони змінити не могли, лише зменшили навантаження на м’язи за допомогою спеціальних підвісок. У такому стані щури перебували два тижні. Як і очікувалося, ця маніпуляція призвела до істотного зменшення м’язової маси та сили (та, відповідно, сумарної маси тіла). Вживання ресвератролу успішно компенсувало такі зміни. Тож він є потенційно ефективним у боротьбі з м’язовою дистрофією під час космічних польотів і тривалого перебування на планетах зі зниженою гравітацією.

Наступним питанням є дозування. Дослідники годували щурів із розрахунку 150 мг/кг/добу. В червоному вині цієї речовини міститься до 5 мг/л, отже, середньостатистичній людині потрібно приблизно 2000 л вина, щоб отримати відповідну добову дозу. Напевно, колонізаторам доведеться ковтати пігулки, а не смакувати алкогольним напоєм. Та й із виноробством на Місяці, мабуть, виникнуть проблеми.

Вирощування рослин на Місяці

До речі, про виноробство, точніше — вирощування рослин у цілому. Місячна колонія повинна бути незалежною від поставок їжі з Землі, інакше проєкт не матиме сенсу. Для стабільного та тривалого функціонування необхідно побудувати замкнену екосистему. Її ключовою ланкою будуть зелені рослини, які продукуватимуть біомасу за рахунок енергії сонячного випромінювання. Вони ж поглинатимуть вуглекислий газ і вироблятимуть для колоністів кисень. Найпростіший варіант — використання їстівних мікроскопічних водоростей на кшталт хлорели чи спіруліни. Проте настільки одноманітне харчування навряд чи забезпечить прийнятну якість життя людей на Місяці. Тож доведеться вирощувати різноманітніші продукти.

Рослини в камері Veggie (Vegetable Production System) на борту Міжнародної космічної станції. Джерело: NASA

На МКС із 2013 року триває проєкт Veggie (Vegetable Production System), у якому фахівці NASA прагнуть визначити, наскільки повноцінними як харчові продукти можуть бути рослини, вирощені в космосі. Задля цього культивували харчовий салат Lactuca sativa. Урожай збирали як поступово (зрілі листки щотижня), так і одноразово. Водночас на Землі вирощували контрольні рослини, яким із затримкою в 24-72 години створювали умови, аналогічні космічним (звісно, за винятком мікрогравітації). Порівнювали мікробіом (бактерії та грибки, що мешкали на салаті), а також хімічний склад урожаю. Були знайдені деякі відмінності, але вони не стосувалися небезпечних для людини мікробів. Також виявили певну різницю в кількості атомів Fe, K, Na, P, S та Zn. Проте в цілому це не зменшувало поживної цінності космічної флори. На Місяці рослинам буде трохи простіше — адже там є гравітація, хоч і менша за земну. Для успішного функціонування місячного городу необхідні ще й комахи, які зможуть запилювати рослини, покращувати для них ґрунт, а крім того — бути їжею для людини. Вони швидко розмножуються, невибагливі до умов утримання та не поступаються за харчовою цінністю «справжньому» м’ясу.

Створення довготривалої саморегульованої екосистеми

Загалом створення довготривалої саморегульованої стійкої штучної екосистеми є складним науковим завданням. Одна зі спроб його розв’язання — проєкт Biosphere 2, започаткований 1985 року. Це герметична ізольована споруда, зведена у штаті Аризона (США). Там були зібрані зразки земної флори та фауни. Система мала бути ізольованою від надходження сторонніх організмів, хімічних речовин і джерел енергії, за винятком сонячних променів. Початковою ціллю було виживання у ній команди з восьми добровольців протягом двох років, на кшталт того, що ми очікуємо від місячної колонії. Проте перша спроба виявилася невдалою — екосистема розбалансувалася, у ній розмножилися бактерії, які споживали кисень (його довелося додавати ззовні), врожайність рослин була меншою за розраховану, частина видів (зокрема комахи-запилювачі) загинула. Добровольцям вдалося завершити експеримент, але його результат не відповідав очікуваному.

Учасники експерименту Biosphere 2 під скляним герметичним куполом

Biosphere 2 — не останній подібний проєкт. Зараз під керівництвом Європейської космічної агенції (ESA) триває місія MELiSSA (MicroEcological Life Support System Alternative), у здійсненні якої беруть участь майже 30 різних організацій. Її метою є розробка замкненого циклу підтримки життєдіяльності людини, аналогічного тому, що буде забезпечувати життя колоністів на Місяці чи далі — на Марсі.

Психологічний фактор

Замкненість простору колонії провокує психологічну загрозу. Звісно, перші колоністи будуть проходити ретельний відбір на стійкість до існування в обмеженому просторі та невеликому колективі людей. У цьому напрямі накопичено чималий арсенал відбіркових тестів і методик владнання конфліктів, апробованих під час формування колективів морських експедицій або зимувальників дослідницьких станцій в Антарктиді. Проте у разі довготривалої експедиції постануть більш складні питання — формування подружніх пар, виховання дітей тощо. Якщо на Землі після розлучення люди можуть роз’їхатися на різні вулиці чи навіть до різних міст — в обмеженому просторі колонії це буде неможливим. Ймовірно, стійкість суспільства колонізаторів вимагатиме розроблення нових соціальних моделей, але це вже завдання соціологів.

Алергія на місячний пил

Повернімося до біології. Звичайно, освоєння Місяця принесе людству чимало сюрпризів, не завжди приємних. Наука обмежена лише результатами наявних спостережень на МКС, де один астронавт безперервно перебуває не більше року. Але й інших даних накопичено чимало. Відомо, що проблемою стане місячний пил. Через відсутність вітрів його частинки не стираються одна об одну та зберігають гострі краї. На додачу він набуває електричного заряду, що допомагає повсюдному його проникненню. Для позбавлення від пилу всередині колонії необхідно буде встановити спеціальні фільтри. Зовні він створюватиме проблеми для рухомих механізмів (антен, сонячних панелей тощо). Вивчення властивостей місячного пилу проблематичне — адже в умовах Землі він поводиться зовсім по-іншому.

Виявляється, на Місяць може бути алергія, як на пилок земних квітів. Про подібні симптоми повідомляли астронавти місій Apollo. При цьому вони перебували на поверхні супутника Землі дуже обмежений час. Що ж буде, коли людство побудує там постійну базу?

Дослідження фізіологічних змін в організмі людини внаслідок перебування у космосі є цікавим завданням, проте воно виходить за межі цієї статті. Окрім згаданих вище змін в опорно-руховому апараті, є відомості щодо згортання крові, імунітету, кровообігу та, звісно, нервової системи.

Брати-близнюки астронавти Марк і Скотт Келлі. Джерело: NASAНещодавно були опубліковані результати унікального експерименту NASA. Фахівці спостерігали за станом здоров’я астронавта Скотта Келлі (Scott Kelly) під час перебування на МКС. Паралельно моніторився стан організму його брата-близнюка Марка Келлі (Mark Kelly), який перебував на Землі. Одним із виявлених фактів було вкорочення у Скотта теломерів — кінцевих ділянок хромосом, що захищають їх від ушкодження. У нормі зменшення довжини теломерів пов’язують із процесом старіння. Ймовірно, на орбіті цей ефект викликаний підвищеним радіаційним фоном.

Учені зібрали чимало інших даних. Зокрема, Скотт Келлі уперше за історію освоєння космосу зробив собі щеплення (від грипу). Прикметно, що імунна функція організму не змінилася. Докладно з результатами проєкту NASA Twins Study можна ознайомитися на його офіційному сайті.

Сон на Місяці

Цікаве також питання сну на Місяці, оскільки цикл освітлення там суттєво відрізняється від земного. Звісно, його можна скоригувати штучним шляхом, проте залишається фактор зниженої гравітації. Політ першого космонавта — Юрія Гагаріна — був надто коротким. Першою людиною, яка спала в космосі, став Герман Тітов, а перший тривалий запис сну здійснили американці у 1965 році. Для імітації добової ритміки навіть завішували ілюмінатори корабля, щоб «перебити» фізичний цикл у 90-120 хвилин, пов’язаний із рухом по орбіті. Проте умови космічного апарата були непридатними для адекватного відпочинку через обмаль місця та незручні пози астронавтів. Більш детально сон вивчався під час програми Skylab (1973-74). Виявилося, що загальна тривалість космічного сну менша за земну, проте на результати спостережень впливали розклад роботи, соціальні та інші чинники. Спостереження за тривалим перебуванням космонавтів на станції «Мир» виявило, що з адаптацією тривалість і структура сну також нормалізуються. Отже, майбутнім колоністам, напевно, не варто хвилюватися за цей аспект, і це приємно, зважаючи на обсяг згаданих вище проблем.

Астронавт Овен Герріот (Owen Garriott) готується до сну під час експедиції Skylab 3. Джерело: NASA

Автору цього тексту пощастило взяти участь в одному з «космічних» наукових проєктів, що проводяться під егідою ESA. Його метою було встановити, як мікрогравітація позначається на роботі гіпокампа — мозкового центру пам’яті та просторового орієнтування. Дослід проводився на літаку, що здійснював так звані параболічні маневри: з двократним прискоренням він летить угору, потім на деякий час його двигуни вимикаються, а літак починає «падати». Звісно, йому ніхто не дає розбитися — за 20 секунд двигуни знову вмикаються, але в цей період вільного падіння виникає стан «невагомості», точніше — мікрогравітації. Такий цикл повторюється 31 раз. Піддослідними були миші з уживленими в мозок електродами, які реєстрували активність їхніх гіпокампів. Виявилося, що настання «невагомості» супроводжувалося зникненням специфічного ритму в цій активності, а відновлення гравітації повертало його. Тож зміни цього ритму можна розглядати як корелят мозкового реагування на зміни сили тяжіння. З’ясувалося, що у тварин із ураженим гіпокампом ускладнена короткотривала адаптація до змін гравітації. Ступінь розвитку цієї мозкової структури у людей є різним — наприклад, у лондонських професійних таксистів він доволі високий, що допомагає їм «не загубитись» у місті. Можливо, сканування головного мозку та визначення об’єму гіпокампа стане одним із профорієнтаційних тестів майбутніх пілотів космічних апаратів, аби вони бездоганно орієнтувались у просторі під час стрімких змін прискорення?

Отже, наразі спорудження бази на Місяці пов’язане з чималою кількістю проблем. Досі багато з них ми не вміємо владнати. Але можна бути впевненим: знаючи напрям розвитку, людство впорається!

Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!

Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine