Поведение животных при полете в космосе

       Исследованиям на биоспутниках серии "Космос" предшествовала разработка общих принципов и  методов проведения автоматизированных экспериментов с млекопитающими в условиях космического полета. При  испытаниях систем содержания животных оценивалась не только техническая  надежность отдельных узлов и  блоков, но и их "биологическая  надежность". Задача сводилась к  выбору системы, длительное содержание в которой вызывало бы в организме  минимальные отклонения от физиологической  нормы.

       Для вычленения эффектов невесомости из общей суммы факторов, действующих на животных в космическом полете, была разработана единая схема проведения контрольных экспериментов, предусматривавшая использование интактной контрольной группы, содержавшейся в виварии, и контроля в наземном макете биоспутника, условно называемого синхронным. В нем моделировались условия содержания животных на борту космического летательного аппарата, а также физиологически значимые факторы, связанные с запуском и приземлением.

       Во  всех экспериментах на биоспутниках "Космос" работа с животными проводилась одним и тем же коллективом. Это позволило создать единую схему работ, совершенствовавшуюся от полета к полету в течение десятилетий.

       Успеху  экспериментов способствовала и  разработка широких комплексных  программ послеполетного обследования животных с привлечением лучших исследовательских  коллективов нашей страны и ряда зарубежных стран: Болгарии, Венгрии, Германии, Польши, Румынии, Словакии, Чехии, США  и Франции при головной роли Института  медико-биологических проблем.

       При наблюдении за крысами в виварии  в первые дни после космических полетов было обращено внимание на их вялость, снижение общего тонуса и двигательной активности: животные как бы создавали себе "щадящий режим", функциональную гипокинезию, облегчающую реадаптацию к земной силе тяжести после невесомости. Можно предположить, что снижение двигательной активности - универсальная реакция на увеличение силы тяжести, поскольку аналогичная картина наблюдается и у животных, помещаемых в условия гипергравитации. Надо отметить, что при изучении механизмов адаптации в физиологических экспериментах незаслуженно мало внимания обращается на возможность приспособления за счет изменения поведения, в то время как при адаптации в природных условиях именно эти приспособительные реакции играют первостепенную роль.

       При послеполетном наблюдении за поведением животных в лабиринте Я.Домбровской, проведенном Н.Н.Лившиц и соавторами (1977, 1979), были отмечены изменения высшей нервной деятельности крыс, вернувшихся из полета, указывающие на снижение работоспособности высших отделов центральной нервной системы. Эти изменения выражались в увеличении времени прохождения лабиринта, увеличении числа отказов от работы и количества ошибок, в ослаблении реакции на экстренный раздражитель (звонок) у животных полетной группы. Однако все эти изменения были нетяжелыми и обратимыми. 

       В эксперименте на биоспутнике "Космос-1129" учениками Н.Н.Лившиц, З.И.Апанасенко, М.А.Кузнецовой, Е.С.Мейзеровым и другими впервые было изучено поведение животных непосредственно во время космического полета (Апанасенко и др., 1982). Оценивались характеристики условнорефлекторной деятельности крыс при предъявлении им выработанного до полета стереотипа из двух положительных (разной силы) и одного дифференцировочного световых сигналов. Положительные стимулы подкреплялись подачей пищи, наличие условных рефлексов регистрировалось по появлению целенаправленной двигательной реакции в зоне кормушки. Выработанные до полета условные рефлексы сохранялись и в опыте, и в синхронном контроле. Однако в полетной группе было зарегистрировано значительное снижение уровня условнорефлекторной деятельности животных; это снижение обнаруживалось с самого начала полета и, волнообразно меняясь по величине, сохранялось на всем его протяжении. Наибольшие различия между группами отмечались на 1-2-е сутки полета. В это время было максимально снижено число ответных реакций на сильный и слабый раздражители, не наблюдалось суточной ритмики изменений межсигнальной двигательной активности. Затем наступало постепенное улучшение состояния животных, охватывавшее период с 3-х до 11-х суток полета; его сменяло новое ухудшение на 12 - 14-е сутки, характеризовавшееся снижением числа реакций на слабый раздражитель, уравниванием величин реакций на сильный и слабый раздражители, десинхронозом, увеличением ответов на дифференцировочный раздражитель; к концу полета (к 18-м суткам) вновь наблюдалось улучшение условнорефлекторной деятельности, однако восстановление до исходного уровня происходило не по всем показателям. Эта, к сожалению, редко вспоминаемая работа представляется очень важной для понимания динамики процесса адаптации животных в условиях невесомости. 

       При обследовании крыс после космических  полетов длительностью 1 - 3 недели (до 1/50 части жизни животных данного  вида) были изучены структура и  метаболизм практически всех органов  и тканей. При этом сразу после  полета были обнаружены достаточно выраженные изменения, условно разделенные  на две группы: специфические и  неспецифические, связанные с развитием  умеренно выраженной стресс-реакции. Результаты этой части исследований изложены в ряде обзорных статей (Газенко и др., 1978, 1980, 1981, 1987; Португалов, 1978; Оганов, 1980; Ильин, 1988; Ильин и др., 1989; Константинова, 1988; Попова, Григорьев, 1992; Серова, 1987, 1988, 1989, 1993, 1996, 2001; Смирнов, Уголев, 1981; Ступаков, Воложин, 1989; Тигранян, 1988). 

       Наиболее  существенными сдвигами, развившимися под влиянием невесомости, были атрофические изменения в мышечной ткани, остеопороз и замедление роста костей, снижение активности эритроидного кроветворения, изменение метаболизма липидов, воды и электролитов, коллагена. 

       Принципиально, однако, что при обследовании животных через 25 - 26 суток после трехнедельного космического полета различия между  опытом и контролем полностью  нивелировались. Это позволило сделать  заключение, что невесомость не вызвала  необратимых патологических изменений  ни в одном из органов подопытных животных.

       Изменения в скелетных мышцах, отмеченные при  обследовании животных после экспериментов  на биоспутниках, включали атрофию, перестройку мышечных волокон и молекулярного состава сократительных белков, адекватную условиям космического полета. При этом выраженность изменений достаточно четко коррелировала со степенью участия мышц в осуществлении антигравитационной функции на Земле, наибольшие изменения обнаружены в камбаловидной мышце.

       При исследовании миокарда крыс, вернувшихся  на Землю после 18 - 22- суточных космических  полетов, было выявлено снижение активности АТФазы миозина в среднем на 44 %. При этом изменения фракционного состава белков были незначительными. По мнению М.С.Гаевской, снижение АТФазной активности миозина может быть следствием "недогрузки" мышечного аппарата сердца в условиях невесомости - адаптивной реакцией на "облегченную" работу. Поскольку период полураспада миозина миокарда составляет 6 - 8 суток, можно предположить, что под влиянием недогрузки миокарда в невесомости синтезируется миозин, характеризующийся меньшей АТФазной активностью. При этом возращение к земной гравитации может повлечь за собой несоответствие между потребной силой сокращения миокарда и возможностью ее обеспечения при сниженной АТФазной активности миозина. В полетах длительностью 18 - 22 суток описанные изменения были обратимыми и к 25 - 26-м суткам после полета полностью нивелировались. Вместе с тем в эксперименте на биоспутнике "Космос-690", где действие невесомости было отягощено дополнительным ?-облучением животных во время полета, такой нормализации не наблюдалось, хотя само по себе облучение (в наземном синхронном эксперименте) вызывало не снижение, а, наоборот, увеличение АТФазной активности миозина. Это дало М.С.Гаевской основание предполагать, что при внесении в ход эксперимента различных отягчающих обстоятельств, а также при удлинении экспозиции в условиях невесомости восстановление метаболизма миокарда может затянуться, что скажется на его функции и соответственно на общем состоянии и работоспособности организма.

       В костной ткани, как и в ткани  скелетных мышц, наибольшие изменения  под влиянием невесомости возникали  в тех звеньях системы, которые  несут максимальную нагрузку в условиях земной гравитации - в бедренных  костях. Обнаружены остеопороз губчатых отделов, умеренное истончение и  разрежение кортикальной пластинки, значительное разрежение спонгиозы метафизов, уменьшение периостального костеобразования, замедление созревания остеоида и минерализации  костной ткани, замедление роста  костей в длину, снижение их механической прочности. Обнаружено снижение механической прочности не только костей периферического  скелета, но и отдельных позвонков и позвоночного столба в целом.

       Следует отметить, что некоторые изменения  в опорно-двигательном аппарате животных, возникшие под влиянием невесомости, сходны с эффектами, выявленными  в модельных экспериментах с  гипокинезией. Общность некоторых реакций  определяется, очевидно, наличием в  генезе данной группы воздействий общего компонента - функциональной недогрузки опорно-двигательного аппарата. В  качестве одной из главных причин изменений, возникающих в опорно-двигательном аппарате животных, находящихся в  условиях невесомости, можно рассматривать  изменение характера деятельности отдельных мышц при отсутствии статической  нагрузки на большую группу мышц и  звеньев скелета, обеспечивающих сохранение позы и участвующих в формировании тонического компонента движений в  земных условиях. Последнее, по всей вероятности, сопровождается изменением характера  и качества проприоцептивной импульсации, являющейся в нормальных условиях обязательным звеном в системе управления движением  и нервного контроля структуры и функции мышц.

       Функциональной  недогрузкой в условиях невесомости  могут быть объяснены не только изменения  в опорно-двигательном аппарате, но и изменения в эритроцитарной системе: усиление спонтанного гемолиза in vivo, снижение активности эритроидного кроветворения, снижение числа стволовых кроветворных клеток.

       В эксперименте на биоспутнике "Космос-936" были обследованы две группы животных, одна из которых находилась в условиях невесомости, а другая - на бортовой центрифуге при искусственной силе тяжести величиной 1 G. Прижизненный гемолиз и другие характеристики жизненного цикла эритроцитов изучались  с помощью оригинального метода (Landaw et al., 1970), основанного на количественном определении СО, выделяющейся с выдыхаемым воздухом, после предварительной (до полета) метки группы эритроцитов 2-С14-глицином. Полученные результаты говорят о том, что создание искусственной силы тяжести предотвращает изменения характеристик жизненного цикла эритроцитов, развивающиеся в условиях космического полета без дополнительного центрифугирования, что позволяет однозначно связать эти изменения с действием невесомости. 
При биохимическом анализе внутренних органов животных, обследованных после завершения космических полетов, получены данные, свидетельствующие о наличии обратимых изменений практически всех видов обмена веществ. 

       Изменен обмен нуклеиновых кислот. Проявлением  этих изменений является снижение содержания РНК в клетках Пуркинье мозжечка, в крупных нейронах межпозвоночных узлов спинного мозга, в печени, селезенке. При этом общая направленность изменений укладывается в известную гипотезу Ф.З.Меерсона (1963, 1967), согласно которой гиперфункция органа сопровождается активацией синтеза нуклеиновых кислот и белков, а снижение активности должно вести к угнетению синтеза.

       При изучении мышц отмечены изменения ферментативной активности саркоплазматических белков, которые достаточно четко коррелировали  со степенью атрофического поражения, выявленного гистологическими методами и определявшегося для разных мышц степенью их участия в осуществлении  антигравитационной функции на Земле. 
Большие изменения произошли под действием факторов космического полета в обмене липидов, при этом есть данные об активации и липолитических, и липогенетических процессов.

       Об  изменении углеводного обмена говорят  такие данные, как изменение спектра  изоферментов ЛДГ в скелетных  мышцах, изменение уровня глюкозы, лактата  и пирувата в крови и ряд  других.

       При изучении водно-солевого обмена животных после космического полета была обнаружена неадекватная реакция при нагрузочной  пробе с введением калия, выразившаяся в том, что, несмотря на дефицит калия  в организме, способность задерживать  его при нагрузке была снижена . После кратковременных космических полетов (7 - 9 суток) у крыс отмечено снижение содержания калия в ткани миокарда, после более длительных полетов эти изменения выявлены не были .

       Существенно, что в полетах, длительность которых  составила около 1/50 части жизни  животных, отмечены признаки активации  и катаболических и анаболических  процессов. Об активации катаболизма  говорят задержка роста животных, уменьшение массы мышц и другие изменения. Об активации анаболизма позволяют  думать такие факты, как высокая  усвояемость корма во время полета (Кондратьев и др., 1979), увеличение потребления  кислорода (Голов и др., 1977). Видимо, при данной длительности полета организм способен частично компенсировать процессы распада, возникающие как реакция  на недогрузку опорно-двигательного  аппарата. Вместе с тем, несмотря на филогенетически определенную консервативность реакции активации анаболизма, есть основание думать, что при удлинении  сроков полета эта реакция, не находя адекватного подкрепления, может угаснуть и мы столкнемся с некомпенсированной прогрессирующей активацией катаболических процессов. 

       К разряду неспецифических изменений, отмеченных после полета, были отнесены признаки умеренной стресс-реакции, найденные в гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системе, в лимфоидных органах и крови. Описано повышение функциональной активности нейросекреторных клеток гипоталамуса, повышение функциональной активности АКТГ-клеток передней доли гипофиза и снижение содержания нейросекреторной субстанции в задней доле, гипертрофия надпочечников, увеличение объема ядер клеток пучковой зоны, делипоидизация коркового слоя надпочечников, увеличение содержания в них кортикостерона. К признакам стресс-реакции, отмеченным после полета в лимфоидных органах, относятся снижение массы тимуса и селезенки, числа тимоцитов и спленоцитов. При гистологическом исследовании тимуса животных, экспонированных в условиях невесомости, отмечен массовый распад тимоцитов и накопление ядерного детрита в корковом веществе, уменьшение размеров лимфоидных фолликулов и их светлых центров, в селезенке - гипоплазия белой и красной пульпы и резкое (в 30 раз) увеличение содержания полидезоксирибонуклеотидов, обычно сопровождающее действие "острых" повреждающих факторов.