В безопорном пространстве

Людей, побывавших в открытом космосе, пока немного. Но недалеко время, когда космонавтам придется все чаще покидать корабль и, находясь в безопорном пространстве, производить монтажные работы, переходить от одного космического объекта к другому. Каковы же психо-физиологические реакции людей и животных в этом необычном положении?

Слово «опора» говорит само за себя. Выполняя любое действие, человек всегда имеет точку опоры. Правда, при малейшем движении, перемене позы положение центра тяжести тела относительно плоскости опоры меняется, а значит — условия устойчивости нарушаются. Однако нарушение равновесия восстанавливается посредством компенсирующего движения (сгибания корпуса, выставления в сторону руки и т. д.).

При ходьбе, например, человек активно перемещает свой центр тяжести за площадь опоры и как бы «подхватывает» его выставленной вперед ногой. Для поддержания равновесия он, следовательно, выбирает оптимальный режим движения. Это характерно и для других видов деятельности, связанных с необходимостью принимать рабочую позу и сохранять устойчивость.

Даже в тех случаях, когда человек стоит на месте не двигаясь, равновесие обеспечивается непрерывной работой мышц, и чем меньше площадь опоры, тем бóльшую работу приходится им совершать. Обычно эта деятельность человеком не осознается. До сознания соответствующие сигналы доходят в обобщенном виде, если требуется срочная реакция организма при потере равновесия. Достаточно, например, поскользнуться и начинать падать, как в тот же момент все тело рефлекторно отклонится в противоположную сторону, центр тяжести переместится и равновесие восстановится. При этом «команда» выровнять тело дается тем или иным группам мышц раньше, чем человек поймет случившееся.

Способностью сохранять определенное положение по отношению к площади опоры поражают кошки, которые, падая с высоты полуметра вверх животом, успевают перевернуться и приземлиться на лапы.

Физиологический механизм регуляции позы был раскрыт известным голландским ученым Магнусом. Он экспериментально доказал, что способность животных и человека быстро и правильно уравновешивать свое тело в пространстве обусловлена сложной совместной работой ядер стволовой части мозга, мозжечка и анализаторов коры полушарий, которые непрерывно перерабатывают информацию, поступающую от органов зрения, вестибулярного аппарата, рецепторов мышц и других органов. Магнус установил, что именно рефлексы отолитового прибора определяют положение головы кошки во время ее падения. Это целая цепь рефлексов, которую схематично можно представить так. Сигналы с отолитового прибора рефлекторно вызывают поворот головы кошки «теменем вверх», то есть ориентируя ее определенным образом по отношению к силе тяжести Земли. Сигналы с нервных окончаний шеи вслед за ориентацией головы приводят к изменению положения туловища и конечностей. Этот «цепной» рефлекс в условиях силы тяжести действует достаточно быстро и точно.

В приводившихся выше примерах речь шла о реакциях человека и животных при потере равновесия, то есть площади опоры, в пределах долей секунды. Многие люди, испытавшие спуск на скоростном лифте, говорят о появлении неприятного «внутреннего» ощущения в первый момент, когда пол (опора) начинает ускользать, проваливаться под ногами.

Естественно, что ученых заинтересовало, как рефлекторные реакции восстановления позы относительно площади опоры будут проходить в условиях невесомости.

При запуске ракет на большие высоты для экспериментов были использованы мыши и крысы, которых помещали в специальных отсеках, позволяющих вести киносъемку. С наступлением невесомости мыши и крысы начинали беспорядочно вращаться в отсеке, безуспешно пытаясь остановиться; причем движение лап и хвоста, как правило, усиливало вращение или же приводило к тому, что животные начинали кувыркаться. Выяснилась также разница в том, как различные виды животных приспосабливаются к безопорному пространству. У белых мышей скорость вращательных движений в течение всего периода невесомости оставалась практически неизменной. Крысы же постепенно привыкали к новому состоянию: они широко расставляли лапы и пытались опереться хвостом о стенку контейнера.

По-разному вели себя и другие животные. Кролики, впервые испытав невесомость, делали ряд движений, напоминающих прыжки, а потом начинали барабанить передними лапами. Привыкнув же к невесомости, они принимали занятную позу: спина выпрямлена, голова откинута назад, передние лапы вытянуты. В конце концов и эта поза исчезала: кролик спокойно «лежал» в воздухе, поджав лапы.

Реакции кошек по сравнению с остальными животными наиболее индивидуальны. Одни, широко раскрыв глаза, громко мяукали, махали лапами; другие старались ухватиться за окружающие предметы.

Спокойней всего относились к происходящему собаки. С широко раскрытыми, как будто от страха, глазами они размахивали лапами, вращали поднятым хвостом. После нескольких повторений опыта они успокаивались и располагались в воздухе довольно свободно.

Причина подобных реакций заключается в том, что мозг получал измененную информацию, поступающую от отолитового прибора. В этом убеждали следующие эксперименты.

У водяных черепах и белых мышей оперативным путем разрушали отолитовый прибор. В первые дни после операции у них нарушалась ориентировка в пространстве, они не в состоянии были совершать координированные движения. Однако через несколько дней эта способность восстанавливалась, а зрение помогало им хорошо ориентироваться. Когда эти животные вместе со своими собратьями, не подвергшимися хирургическому вмешательству, оказывались в условиях невесомости, они гораздо легче ориентировались в пространстве и лучше координировали свои движения, чем те, кто не испытал операции. У последних, неожиданно «потерявших» информацию от отолитового прибора, появлялась резкая дезориентация с хаотическими двигательными реакциями.

Люди, впервые очутившиеся в безопорном состоянии в бассейне невесомости, теряют способность контролировать свои движения. В момент возникновения невесомости многие из них инстинктивно начинают производить плавательные движения руками и ногами. Кажется, будто они стремятся удержаться в воздухе, подобно тому как барахтаются не умеющие плавать люди, неожиданно потерявшие дно под ногами.

В последующих полетах эти беспорядочные движения сменяются координированными, плавными. Если вначале из-за сильных толчков космонавты «улетали» от одной стенки бассейна к другой, то в процессе тренировок они научились сохранять устойчивость тела (или, как говорят, «парить») и спокойно перемещаться в пространстве.

Во время полета Николаев и Попович освобождались от привязной системы. При этом они отметили, что тело непроизвольно перемещается к «потолку». Такой эффект, по всей вероятности, можно объяснить вращением корабля вокруг центра масс. Хотя это вращение и очень медленно, все же его достаточно, чтобы возникала незначительная центробежная сила.

Следует подчеркнуть, что хотя космонавты и находились в безопорном состоянии, все же окружавшее их пространство было ограничено помещением самолета-лаборатории или кабиной космического корабля. Они могли «подплывать» к опоре или отталкиваться от нее. Иначе никто не смог бы передвигаться в нужном направлении.

Принципиально новую и гораздо более трудную задачу предстояло выполнить Алексею Леонову при выходе из космического корабля. Речь шла ведь не только об ориентации, но и о координации движений в почти «чистом» безопорном пространстве, не ограниченном никакими рамками.

Мы уже говорили, что будущим космическим монтажникам придется работать в открытом космосе. А любая рабочая операция, будь то заворачивание гайки или бросание какого-либо предмета, создает момент взаимодействия сил, и космонавт может быть отброшен в противоположную сторону.

Поэтому перед запуском Леонов тщательно отрабатывал движения в безопорном пространстве. Тренировка происходила в самолете-лаборатории, где был расположен макет космического корабля «Восход-2» со шлюзовой камерой в натуральную величину. Выполнение основной части полетного задания — выход из корабля и возвращение в него — разбивалось на ряд последовательных операций. Космонавт должен был сначала надеть ранец автономной системы жизнеобеспечения и подключиться к нему. Затем он проверял оборудование, обеспечивающее выход из корабля, и выравнивал давление в шлюзовой камере и кабине. Далее космонавт перемещался в шлюзовую камеру, где должен был проверить герметичность шлема и скафандра, положение светофильтров, подачу кислорода. После этого командир корабля закрывал крышку кабины, стравливал давление в шлюзе и открывал крышку люка-выхода. Космонавт покидал корабль, делал в условиях безопорного пространства запланированное количество отходов от шлюза и подходов к нему и, наконец, возвращался в кабину. Отработка всех этих операций выявила совершенно определенную картину.

Оказалось, что, находясь в кресле, то есть в твердо зафиксированном месте, космонавт работает почти безупречно — точно и легко. Труднее ему становилось, когда надо было перемещаться внутри кабины или шлюза. Не говоря уже о том, что приходилось выполнять более сложные действия, он лишался надежной опоры. Успех зависел теперь от того, насколько точно он рассчитает, с какой силой ему следует отталкиваться от стенки корабля. Если толчок будет энергичным, он проскользнет через шлюз достаточно быстро. Правда, тогда возникнет угроза, что он ударится о какой-нибудь предмет. При слабом же толчке можно было вообще не выполнить необходимого маневра, тем более что движения сковывал скафандр.

Что касается подходов к кораблю и отходов от него, то здесь необходимые навыки вырабатывались особенно медленно. Сначала движения получались резкие и с разворотом тела по вертикальной и горизонтальной осям. Потребовалось много раз повторять упражнение, чтобы научиться плавно удаляться и приближаться к кораблю. В отчете, написанном в конце тренировочного цикла, Леонов писал: «Полет перенес хорошо. Неприятных ощущений не чувствовал. Ощущения те же, что наблюдались и раньше при полетах на невесомость. Скафандр несколько ограничивает движения, а гермошлем уменьшает объем поля зрения. Подходы к шлюзу выполнялись легко, так как я натягивал фал и тем самым создавал точку опоры и обозначал направление движения. Подходы и отходы следует делать плавно. По-видимому, в невесомости при наличии самой незначительной точки опоры можно выполнять любые работы без заметных нарушений координации движений».

В космосе Леонов пять раз удалялся от корабля и вновь подходил к нему. Все движения выполнялись в той же последовательности, что и во время тренировок. Не сразу удалось ему полностью стабилизировать положение тела: его разворачивало вбок и назад. Затем все пришло в норму — организм приспособился к необычным условиям.

Таким образом, подтвердилось предположение, что при выходе из космического корабля в безопорное пространство координация движений, ориентировка и работоспособность человека не претерпевают существенных изменений.

Выяснилось также, что для проведения рабочих операций космонавт должен иметь какую-то опору и располагать специальным инструментом. Для маневрирования и перемещения с одного космического корабля на другой нужна особая аппаратура, создающая реактивную тягу. Как известно, американский космонавт Э. Уайт, находясь в открытом космосе, был связан с кораблем «Джеминай-4» восьмиметровым фалом, вооружен двумя кинокамерами и «космическим пистолетом», позволявшим маневрировать с помощью реактивной струи кислорода.

В поисках веса

Благополучно завершив 34-часовой полет и приводнившись, американский космонавт Г. Купер сразу же после выхода из корабля оказался в предобморочном состоянии. Он заметно побледнел, почувствовал слабость, у него потемнело в глазах. Максимальное артериальное давление крови упало в это время со 120 до 90. Ученые связали эти нарушения с уменьшением в условиях невесомости тонуса венозных сосудов, застоем венозной крови в конечностях и затруднением притока крови к сердцу.

Подобные же изменения замечались у животных. Собаки Уголек и Ветерок, которые пробыли в невесомости около 22 суток, по окончании полета едва держались на ногах, их шатало из стороны в сторону. Обнаружились отклонения и в деятельности сердечно-сосудистой системы и других органов. Исчезли эти явления лишь спустя некоторое время.

В межпланетных полетах человеку предстоит находиться в состоянии невесомости многие месяцы и даже годы. Сможет ли он справиться с управлением корабля при посадке на планеты, когда вновь начнет действовать сила тяжести и возникнут перегрузки?

Чтобы ответить на этот вопрос, надо разобраться в том, почему человек чувствует себя ослабевшим, возвращаясь из состояния невесомости в мир тяжести.

В условиях земного притяжения вертикальное положение тела требует активной нервно-мышечной деятельности. Значительный процент энергии мы расходуем на то, чтобы противодействовать гравитации. В космическом же полете человек находится в кабине ограниченных размеров и долгое время пребывает в состоянии невесомости, когда мышечные усилия, которые необходимы для поддержания вертикального положения, резко ослабевают.

Кроме того, известно, что давление крови зависит от силы сердечных сокращений, напряжения (тонуса) стенок сосудов и веса циркулирующей крови. Поскольку кровь имеет собственный вес, ее давление в нижней части тела больше, чем в верхней. На вес крови, который «исчезает» в невесомости, приходится 10–15 процентов от общей величины кровяного давления. Если же учесть, что при невесомости отпадает нужда в мышечной работе для поддержания тела в вертикальном положении, то становится очевидным, что нагрузка на сердце и сосуды значительно уменьшится.

Состояние относительного мышечного бездействия и уменьшение нагрузки на сердечно-сосудистую систему влияют на обменные процессы. Иным становится и поток нервных импульсов, непрерывно поступающих в мозг от костно-мышечного аппарата и других органов, что, в свою очередь, сказывается на психо-физиологических реакциях космонавта.

Для изучения длительного влияния невесомости проводились эксперименты, во время которых человека погружали в воду. В какой-то степени бассейн ограниченных размеров имитировал замкнутое пространство космического корабля. В воде, естественно, изменяется обычное ощущение веса, а мышечная деятельность, необходимая для компенсации силы тяжести, не используется.

Идею подобной имитации высказал еще К. Э. Циолковский в работе «Грезы о земле и небе». Он писал, что «человек, средняя плотность которого равна плотности воды, будучи погружен в нее, теряет тяжесть, действие которой уравновешивается обратным действием воды». Но там же он указывал, что иллюзия невесомости «будет далеко и далеко не полной».

В зарубежной печати приводились данные о 27 испытаниях. Девять человек, используя специальную аппаратуру для дыхания и питания, находились под водой сначала по 6, потом по 12 и 24 часа. Девять других беспрерывно пребывали под водой по 7 суток, выходя ненадолго на поверхность лишь раз в сутки. Остальные погружались в воду по шею: голова поддерживалась губчатой резиновой подушкой, а тело — натянутой под водой сеткой. При этом пять человек находились в этих условиях от 5 до 24 часов, а остальные четверо в течение 14 суток ежедневно пребывали в резервуаре с водой по 10 часов. Остальное время им приписывался постельный режим.

Некоторые данные, полученные в ходе этих экспериментов, весьма любопытны.

Все участники опытов, находясь в воде, испытывали желание за что-нибудь держаться, а не оставаться в «свободном» состоянии. Все жаловались на слабость и выражали удивление, когда узнавали, что мышечная сила у них не изменялась (ученые объясняли это тем, что незначительные движения, которые совершались, оказались, достаточными для поддержания мышечного тонуса; очевидно, необходимо все же учитывать относительно непродолжительный период пребывания людей в состоянии пониженной гравитации).

У многих снижалось артериальное давление крови. Пульс и дыхание существенно не менялись, координация движений не нарушалась, хотя психо-моторные реакции замедлились.

Но вот люди вышли из воды. Многие из них чувствовали слабость, дрожь в ногах, кто-то даже потерял сознание.

Переход к обычной тяжести особенно сказался на сердечно-сосудистой системе: функциональные возможности ее заметно понизились. При вращении на центрифуге, когда действовали перегрузки порядка 4–5 единиц, у некоторых наступала полная потеря зрения, другие же и вовсе не могли переносить ускорений, хотя до погружения в воду у них не было никаких расстройств даже при перегрузках в 10 единиц.

Нечто подобное наблюдается у людей, долго пролежавших в постели. Из-за уменьшения гидростатического давления крови выключаются регуляторные механизмы кровообращения, компенсирующие гидростатическое давление, действующее при вертикальном положении. Поэтому, когда человек после тяжелой болезни впервые встает с постели, ослабевшая сердечно-сосудистая система немедленно дает о себе знать: у больного кружится голова, он может потерять сознание. Длительная бездеятельность снижает также мышечный тонус, что в конце концов приводит к атрофии мышц.

Из сказанного ясно, что в межпланетном полете, если не предпринять специальных мер, деятельность сердечно-сосудистой системы ухудшится, а со временем может снизиться и мышечный тонус. Все это отразится на нервно-психических процессах при посадке на Землю и другие планеты, когда вновь начнут действовать силы гравитации.

Как же защитить космонавтов от этой опасности? Прежде всего приходит мысль о создании искусственной тяжести за счет вращения корабля вокруг центра масс — идея, которая также принадлежит К. Э. Циолковскому.

Из физики известно, что вес тела при вращении зависит от угловой скорости и радиуса окружности, по которой происходит движение. Элементарный расчет показывает, что для создания искусственной гравитации, равной земной, вращающийся корабль должен иметь радиус вращения в несколько сотен метров. Если радиус будет меньше, придется увеличить скорость вращения. Но тогда под угрозой окажется здоровье космонавтов.

Сейчас утвердилось мнение, что искусственная гравитация на межпланетных кораблях не обязательно должна соответствовать земной — она может быть в несколько раз меньше. Тем не менее тело человека и окружающие предметы обретут весомость, хотя и пониженную, появится «верх» и «низ» и т. д. Но это лишь частичное решение проблемы.

Другой путь — постоянные физические упражнения в полете — например, растяжение и сжатие пружин и резиновых жгутов. В условиях невесомости для этого нужны точно такие же мышечные усилия, как и на Земле. Но вот что показали опыты. Пять человек подверглись обследованию до и после двухнедельного строгого постельного режима. Трое из них ежедневно выполняли в кровати комплекс физических упражнений, поддерживавших мышечный тонус на постоянном уровне. В конце опыта на стендовых испытаниях обнаружилось, что функциональные возможности сердечно-сосудистой системы снизились у всех пятерых почти одинаково.

Тот же результат дала проверка людей, погруженных в воду. Физические упражнения помогли сохранить лишь мышечный тонус, устранить же влияние пониженной весомости и усилить деятельность сердечно-сосудистой системы они оказались не в состоянии.

Проводились эксперименты и иного рода. Человека погружали в бассейн в специальном костюме, в котором пневматические манжеты препятствовали возвращению венозной крови из конечностей. В течение всего испытания манжеты периодически надувались воздухом на 60 секунд до давления в 60 миллиметров ртутного столба Такие надутые манжеты вызывали повышение периферического венозного давления и, по мнению руководителя опыта, имитировали гидростатический эффект, связанный с вертикальным положением. Таким способом постоянно стимулировались определенные механизмы сердечно-сосудистой системы.

У всех, кто в защитном костюме погружался в воду, по окончании опыта давление крови, частота сердечных сокращений и электрокардиограмма не отклонялись от контрольных данных перед погружением.

Во время 8-суточного полета корабля «Джеминай-5» тоже были использованы пневматические манжеты, которые были надеты на бедра космонавта Купера. Использование их, по-видимому, не оказало существенного влияния на кровообращение.

Американские ученые предполагают создать на орбитальной станции особый отсек для центрифуги, которая поможет бороться с ослаблением сердечно-сосудистой системы. Там же будут создаваться перегрузки перед возвращением космонавтов на Землю.

Таким образом, в длительных космических полетах, очевидно, придется создавать искусственную гравитацию, применять комплекс физических упражнений и специальные костюмы, а также проводить тренировки на центрифугах. Весь этот комплекс, по всей вероятности, позволит защитить организм космонавтов от вредного воздействия невесомости.

Загадки тишины

Летчики, поднимающиеся на одноместных самолетах и воздушных шарах на высоту от 10 до 25 километров, нередко начинают испытывать особые, непривычные ощущения. Статистика говорит, что почти 35 процентов из них переживают «чувство оторванности от земли». Отношение же к этому состоянию диаметрально противоположное. Половина утверждает, что оно очень приятно: вызывает радостное возбуждение и горячее желание продолжать полет как можно дальше. Другая половина переносит его с трудом и отзывается как о чем-то ужасном. Во время таких полетов, признавались летчики, «чувства оторваны от собственного тела, будто находишься в другом месте»; к этому еще прибавляются слуховые и зрительные галлюцинации.

Подобные явления ученые объяснили сенсорным голодом, о котором уже говорилось в начале книги. Поэтому, когда человека стали готовить к космическим полетам, психологи должны были определить, как отразится на психике человека однообразность впечатлений, связанная с отсутствием достаточного количества внешних раздражителей.

Чтобы полностью изолировать людей от окружающего мира, зарубежные ученые помещали их в особые боксы, где они располагались на удобных кушетках. На глаза надевались очки, рассеивающие свет, на уши — аудифоны, не позволяющие слышать даже собственную речь, и на руки — перчатки (футляры), лишавшие возможности что-либо осязать.

Какова же была реакция на подобное состояние? Оказалось, что человек быстро начинает испытывать своеобразный «голод», ему не хватает внешних впечатлений. Чтобы как-то удовлетворить эту потребность, кое-кто даже принимался колотить по стенкам бокса. Обследуемых тяготило также отсутствие ясного представления о том, спят они или бодрствуют. Любопытно, что большинство отказывалось продолжать эксперимент через 24–72 часа. У тех, кто оставался в боксе более двух суток, появлялись галлюцинации.

В другой серии опытов ограничение притока внешних раздражителей достигалось иным способом: людей погружали в особым образом оборудованный резервуар с водой, где достигалась изоляция не только от света и звука, но и от привычной информации, связанной с опорой о какую-либо поверхность. Отсутствовали также раздражения, связанные с изменением температуры. В течение первых часов участники эксперимента переживали события текущего дня, думали о себе или своих близких. Затем возникало какое-то странное чувство «удовольствия», которое, однако, очень скоро сменялось беспокойством. Все острее ощущая потребность во внешних раздражителях, люди начинали подергивать мышцами, делать плавательные движения, ударять одним пальцем о другой. Если все же им удавалось оставаться невозмутимыми, их внимание концентрировалось на маске, на своем положении и в конце концов наступало как бы внутреннее сосредоточение. Чувство времени при этом нарушалось, фантазия разыгрывалась бурно, появлялись галлюцинации — как слуховые, так и зрительные.

Находясь в воде, многие ясно слышали жужжание пчел, перекличку птиц, человеческие голоса, музыку. Другие отчетливо видели вспышки света, различные геометрические фигуры и даже целые сцены: одному представилась процессия белок, марширующих по снежному полю с мешками через плечо, другие наблюдали баскетбольный матч, групповые заплывы, падение капель с потолка. Возникали ощущения перемещения тела, отделения головы и рук от туловища, появления рядом другого субъекта (двойника) и т. д.

Немало психических нарушений обнаружили зарубежные ученые в имитаторах космических кораблей, где испытуемые операторы в условиях одиночества работали по заданной программе. Они сообщали по радио на «Землю» температуру своего тела, влажность и давление воздуха и показания ряда приборов; следили за экраном телевизора, на котором появлялись схематические изображения, похожие на тональные сигналы (черно-белое изображение) обычного телевизора. Время от времени это изображение нарушалось, и человек в кабине корабля должен был поправить его, пользуясь пультом управления.

Ситуация, казалось бы, самая безобидная. Но вот один очень квалифицированный летчик почувствовал головокружение, хотя камера не сдвинулась с места. Другому среди приборов пульта управления стали мерещиться какие-то незнакомые лица. У третьего, по профессии тоже пилота, когда «полет» подходил к концу, на его глазах приборная доска вдруг начала «таять и капать на пол». Четвертый жаловался на боль в глазах из-за расплывчатого изображения на экране телевизора, хотя экран был совершенно чист. Напрасно его пытались убедить, что ничего не произошло, — он требовал немедленного окончания опыта и, когда вышел из камеры, заявил, что, помимо зрительных иллюзий, он чувствовал, как над ним смыкаются стены помещения.

Был случай, когда участник эксперимента потребовал через 22 часа выключить телевизор, так как от него якобы исходил невыносимый жар. Как врач ни успокаивал его, летчик добился, чтобы телевизор выключили, и сразу же почувствовал себя лучше. Когда аппарат снова включили, он отнесся к этому довольно спокойно, но через три часа все повторилось. Теперь летчик даже отыскал причину повышения температуры, показав «черное, прогоревшее место» на экране, и вновь потребовал, чтобы его «освободили», потому что он не в силах выдержать такого мучения.

Подобных примеров множество. Они убеждают в том, что мирная тишина и одиночество таят немалую угрозу психическому состоянию человека.