Почему человеку будет тяжело на Луне? Физиологические проблемы внеземной жизни

 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

Человечество возникло в Африке, откуда распространилось на все континенты. Сейчас на Земле постоянные поселения есть даже в самом суровом регионе — Антарктиде. Следующим шагом нашей экспансии станет космос. Мечта об этом — центральная тема многих фантастических произведений. Мы уже умеем отправлять пилотируемые аппараты на околоземные орбиты, а беспилотные — к соседним планетам и даже за пределы Солнечной системы. Однако активных астронавтов пока всего несколько десятков, а идея создания человеческих поселений за пределами нашей планеты пока находится на стадии планирования.

Романтический в творчестве космос в реальности представляет собой опаснуб для человека среду. Долгое пребывание там несет немало вызовов. Поэтому, прежде чем колонизировать другие планеты и звездные системы, следует потренироваться жить в таких условиях. А Луна, являющаяся ближайшим к нам небесным телом, подходит для этого лучше всего.

Высокий уровень радиации

Очевидно, что развертывание лунного поселения потребует немалых материальных ресурсов и новых технических решений. Из имеющихся проблем — отсутствие на Луне атмосферы и, как следствие, значительные перепады температуры и высокий уровень радиации. О терраформировании пока речь не идет, следовательно, колония будет либо углубленным в грунт, либо поверхностным комплексом зданий. На Земле жизнь защищена от ионизирующего излучения атмосферой и магнитным полем. Последнее защищает даже астронавтов Международной космической станции, но в течение дня они все же получают дозу облучения, эквивалентную земной в течение года. На поверхности Луны уровень радиации еще выше. Если мы не найдем материалов и технологий, снижающих излучение до приемлемого уровня, единственным вариантом поддержания жизнедеятельности колонии станет вахтенный метод. Даже если жители нашего спутника будут защищены внутри зданий, выхода на поверхность им не избежать — например, для обслуживания солнечных панелей, антенн и т.п. или для посещения соседних колоний. Возможно, некоторые технические функции будут выполнять роботы, что снизит риск для людей.

Исследователи смоделировали ожидаемый уровень радиационного фона, влияющего на будущих астронавтов во время межпланетных путешествий, и изучили его воздействие на функционирование головного мозга мышей в течение длительного периода (6 месяцев). Выявленные отличия были не очень обнадеживающими.

Так, наблюдалось снижение нейронной возбудимости в гиппокампе — мозговой структуре, отвечающей за обучение и память. К тому же происходили изменения в поведении, которые свидетельствовали о дисфункции миндалины — одной из ключевых структур, управляющей эмоциями. Конечно, люди — не мыши, но ученые предполагают, что при повышенной радиации каждый пятый астронавт или житель лунной колонии может получить подобные депрессивные расстройства, а каждый третий — нарушение памяти.

Пониженная гравитация

Еще одна очевидная проблема, с которой столкнутся будущие колонизаторы — это пониженная гравитация. На Луне она составляет 16% от привычной для нас земной. В таких условиях мышцы будут испытывать недостаток нагрузки, а затем терять тонус, что является абсолютно нормальной физиологической реакцией. Этот процесс уже изучен на участниках полетов на орбитальные станции, однако длительное пребывание на Луне может иметь более серьезные последствия, чем кратковременные экспедиции.

Решением этой проблемы могут быть физические тренировки или терапевтическая электростимуляция мышц. Также ученые работают над созданием фармакологических агентов, способных стимулировать опорно-двигательный аппарат при пониженной силе тяжести. Одним из перспективных соединений, оказывающих остео- и мышцепротекторное действие, является природное вещество ресвератрол, содержащееся в кожуре винограда, чернике и красном вине. Исследователи из Harvard Medical School (США) изучали его влияние на мышечную массу крыс в условиях имитации марсианской силы тяжести (вдвое больше лунной). Конечно, гравитацию они изменить не могли, только уменьшили нагрузку на мышцы с помощью специальных подвесок. В таком состоянии крысы находились две недели. Как и ожидалось, эта манипуляция привела к существенному уменьшению мышечной массы и силы (и соответственно суммарной массы тела). Употребление ресвератрола успешно компенсировало такие изменения. Поэтому он потенциально эффективен в борьбе с мышечной дистрофией во время космических полетов и длительного пребывания на планетах с пониженной гравитацией.

Следующим вопросом является дозировка. Исследователи кормили крыс из расчета 150 мг/кг/сутки. В красном вине этого вещества содержится до 5 мг/л, следовательно, среднестатистическому человеку требуется примерно 2000 л вина, чтобы получить необходимую суточную дозу. Наверное, колонизаторам придется глотать таблетки, а не смаковать алкогольные напитки. Да и с виноделием на Луне, пожалуй, возникнут проблемы.

Выращивание растений на Луне

Кстати, о виноделии, точнее — о выращивании растений в целом. Лунная колония должна быть независимой от поставок пищи с Земли, иначе проект не будет иметь смысла. Для устойчивого и длительного функционирования необходимо построить замкнутую экосистему. Ее ключевым звеном станут зеленые растения, производящие биомассу за счет энергии солнечного излучения. Они будут поглощать углекислый газ и производить для колонистов кислород. Самый простой вариант — использование съедобных микроскопических водорослей вроде хлореллы или спирулины. Однако столь однообразное питание вряд ли обеспечит приемлемое качество жизни людей на Луне. Так что придется выращивать разнообразные продукты.

Растения в камере Veggie (Vegetable Production System) на борту Международной космической станции. Источник: NASA

На МКС с 2013 года продолжается проект Veggie (Vegetable Production System), в котором специалисты NASA стремятся определить, насколько полноценными в качестве пищевых продуктов могут быть растения, выращенные в космосе. Для этого культивировали пищевой салат Lactuca sativa. Урожай собирали как постепенно (зрелые листья еженедельно), так и однократно. На Земле выращивали контрольные растения, которым с задержкой в ​​24-72 часа создавали условия, аналогичные космическим (конечно, за исключением микрогравитации). Сравнивали микробиомы (бактерии и грибки, обитавшие на салате), а также химический состав урожая. Были найдены некоторые отличия, но они не касались опасных для человека микробов. Также обнаружили определенную разницу в количестве атомов Fe, K, Na, P, S та Zn. Однако в целом это не снижало питательной ценности космической флоры. На Луне растениям будет немного проще — ведь там есть гравитация, хоть и меньшая, чем земная. Для успешного функционирования лунного огорода необходимы еще и насекомые, которые смогут опылять растения, улучшать почву, а кроме того — быть пищей для человека. Они быстро размножаются, неприхотливы к условиям содержания и не уступают по ценности «настоящему» мясу.

Создание долговременной саморегулируемой экосистемы

В целом создание долговременной устойчивой саморегулирующейся искусственной экосистемы является сложной научной задачей. Одна из попыток ее решения — проект Biosphere 2, начатый в 1985 году. Это герметичное изолированное сооружение, построенное в штате Аризона (США). Там были собраны образцы земной флоры и фауны. Система должна быть изолированной от попадания посторонних организмов, химических веществ и источников энергии, за исключением солнечных лучей. Первоначальной целью было выживание в ней команды из восьми добровольцев в течение двух лет, вроде того, что мы ожидаем от лунной колонии. Однако первая попытка оказалась неудачной — экосистема разбалансировалась, в ней размножились бактерии, потреблявшие кислород (его пришлось добавлять извне), урожайность растений была меньше рассчитанной, часть видов (в том числе насекомые-опылители) погибла. Добровольцам удалось завершить эксперимент, но его результат не соответствовал ожидаемому.

Участники эксперимента Biosphere 2 под стеклянным герметичным куполом

Biosphere 2 — не последний подобный проект. Сейчас под руководством Европейского космического агентства (ESA) продолжается миссия MELiSSA (MicroEcological Life Support System Alternative), в осуществлении которой принимают участие около 30 различных организаций. Ее целью является отработка замкнутого цикла поддержания жизнедеятельности человека, аналогичного тому, что будет обеспечивать жизнь колонистов на Луне или далее — на Марсе.

Психологический фактор

Замкнутость пространства колонии провоцирует психологическую угрозу. Разумеется, первые колонисты будут проходить тщательный отбор на устойчивость к существованию в ограниченном пространстве и небольшом коллективе людей. В этом направлении накоплен немалый арсенал отборочных тестов и методик разрешения конфликтов, апробированных при формировании коллективов морских экспедиций или зимовщиков исследовательских станций в Антарктиде. Однако в случае длительной экспедиции возникнут более сложные вопросы — формирование супружеских пар, воспитание детей и т.д. Если на Земле после развода люди могут разъехаться на разные улицы или даже в разные города — в ограниченном пространстве колонии это будет невозможно. Вероятно, устойчивость сообщества колонизаторов потребует разработки новых социальных моделей, но это уже задание для социологов.

Аллергия на лунную пыль

Вернемся к биологии. Конечно, освоение Луны преподнесет человечеству немало сюрпризов, не всегда приятных. Пока наука ограничена только результатами имеющихся наблюдений на МКС, где один астронавт непрерывно находится не больше года. Но и других данных накоплено немало. Известно, что проблемой станет лунная пыль. Из-за отсутствия ветра ее частицы не стираются друг о друга и сохраняют острые края. Вдобавок она приобретает электрический заряд, что помогает повсеместному ее проникновению. Для избавления от пыли внутри колонии необходимо установить специальные фильтры. Снаружи она будет создавать проблемы для движущихся механизмов (антенн, солнечных панелей и т.п.). Изучение свойств лунной пыли проблематично — ведь в условиях Земли она ведет себя совсем по-другому.

Оказывается, на Луну тоже может быть аллергия, как на пыльцу земных цветов. О подобных симптомах сообщали астронавты миссий Apollo. При этом они находились на поверхности нашего естественного спутника очень ограниченное время. Что же будет, когда человечество построит там постоянную базу?

Исследование физиологических изменений в организме человека в результате пребывания в космосе является интересной задачей, однако оно выходит за пределы данной статьи. Кроме упомянутых выше изменений в опорно-двигательном аппарате, имеются сведения о свертывании крови, иммунитете, кровообращении и, конечно, нервной системе.

Братья-близнецы астронавты Марк и Скотт Келли. Источник: NASA

Недавно были опубликованы результаты уникального эксперимента NASA. Специалисты наблюдали за состоянием здоровья астронавта Скотта Келли (Scott Kelly) во время пребывания на МКС. Параллельно мониторилось состояние организма его брата-близнеца Марка Келли (Mark Kelly), находившегося на Земле. Одним из выявленных фактов было укорачивание у Скотта теломеров — конечных участков хромосом, защищающих их от повреждения. В норме уменьшение длины теломеров связывают с процессом старения. Вероятно, на орбите этот эффект вызван повышенным радиационным фоном.

Ученые собрали немало других данных. В частности, Скотт Келли впервые в истории освоения космоса сделал прививку (от гриппа). Примечательно, что иммунная функция организма не изменилась. Подробно с результатами проекта NASA Twins Study можно ознакомиться на его официальном сайте.

Сон на Луне

Интересен также вопрос сна на Луне, поскольку цикл освещенности там существенно отличается от земного. Естественно, его можно скорректировать искусственным методом, но остается фактор пониженной гравитации. Полет первого космонавта — Юрия Гагарина — был слишком коротким. Первым спавшим в космосе человеком стал Герман Титов, а первую длительную запись сна осуществили американцы в 1965 году. Для имитации суточной ритмики даже завешивали иллюминаторы корабля, чтобы «перебить» физический цикл в 90-120 минут, связанный с движением по орбите. Однако условия космического аппарата были непригодными для адекватного отдыха из-за недостатка места и неудобных поз астронавтов. Более подробно сон изучался во время программы Skylab (1973-74). Оказалось, что общая продолжительность космического сна меньше земной, но на результаты наблюдений влияли график работы, социальные и другие факторы. Наблюдения за длительным пребыванием космонавтов на станции «Мир» обнаружили, что с адаптацией продолжительность и структура сна также нормализуются. Следовательно, будущим колонистам, наверное, не стоит беспокоиться по поводу этого аспекта, и это приятно, учитывая объем упомянутых выше проблем.

Астронавт Оуэн Гэрриотт (Owen Garriott) готовится ко сну во время экспедиции Skylab 3. Источник: NASA

Автору данного текста посчастливилось принять участие в одном из «космических» научных проектов, проводимых под эгидой ESA. Его целью было установить, как микрогравитация сказывается на работе гиппокампа — мозгового центра памяти и пространственной ориентации. Опыт проводился на самолете, совершавшем так называемые параболические маневры: с двухкратным ускорением он летел вверх, затем на некоторое время его двигатели выключались, а самолет начинал «падать». Конечно, ему никто не давал разбиться — через 20 секунд двигатели снова включались, но в этот период свободного падения возникало состояние невесомости, (точнее, микрогравитации). Такой цикл повторялся 31 раз. Испытуемыми были мыши с вживленными в мозг электродами, регистрировавшими активность их гиппокампов. Оказалось, что наступление «невесомости» сопровождалось исчезновением специфического ритма в этой активности, а возобновление гравитации возвращало его. Поэтому изменения этого ритма можно рассматривать как кореллят мозгового реагирования на изменения силы тяжести. Выяснилось, что у животных с пораженным гиппокампом осложнена краткосрочная адаптация к изменениям гравитации. Степень развития этой мозговой структуры у людей различна: в частности, у лондонских профессиональных таксистов она достаточно высока, что помогает им «не потеряться» в городе. Возможно, сканирование головного мозга и определение объема гиппокампа станет одним из профориентационных тестов будущих пилотов космических аппаратов, чтобы они безупречно ориентировались в пространстве во время стремительных изменений ускорения?

Итак, сейчас строительство базы на Луне связано с немалым количеством проблем. До сих пор многие из них мы не умеем преодолевать. Но можно быть уверенным: зная направление развития, человечество справится!

Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!

Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine