Поведение животных при полете в космосе

       В крови животных, экспонированных  в условиях невесомости, отмечены такие  проявления стресс-реакции, как повышение концентрации кортикостерона и глюкозы в плазме, изменение спектра липидов, нейтрофилез и лимфопения. 

       Вместе  с тем после эксперимента на биоспутнике "Космос-782" у тех же крыс, у  которых были отмечены все признаки стресс-реакции, упомянутые выше, не было найдено изменений в сравнении  с контрольными группами в содержании гормонов в гипофизе: соматотропного, адренокортикотропного, тиреотропного, лютеинизирующего, фолликулостимулирующего, пролактина. Концентрация соматотропного гормона в плазме крови у животных полетной группы была при этом значительно (более чем втрое) и достоверно снижена, а концентрации АКТГ, тиреотропного гормона, вазопрессина не имели достоверных различий с виварийным контролем. 

       В экспериментах на биоспутниках "Космос-782, -936, -1129" было проведено детальное  изучение метаболизма катехоламинов  в различных тканях животных. Определены содержание адреналина и норадреналина в плазме крови, надпочечниках, миокарде (отдельно в правом и левом предсердиях и желудочках), гипоталамусе (целиком и в изолированных ядрах), лимбической системе, мозжечке, стволе мозга; содержание дофамина в гипоталамусе, мозжечке, лимбической системе и стволе мозга, а также активность ферментов синтеза и деградации катехоламинов в надпочечниках (тирозингидроксилаза, дофамин-b-гидроксилаза, моноаминооксидаза). При этом существенных изменений в концентрации катехоламинов и уровне их метаболизма не обнаружено. Лишь в одном из экспериментов ("Космос-782") у животных полетной группы отмечено достоверное увеличение активности ключевого фермента синтеза катехоламинов - тирозингидроксилазы в надпочечниках (Кветнянски и др., 1979). 

       Таким образом, при обследовании животных после полетов на биоспутниках серии "Космос" у них обнаружен  ряд признаков, характерных для стресс реакции и в то же время в ряде систем, обычно вовлекаемых в стресс-синдром (гормоны гипофиза, метаболизм катехоламинов) изменений найдено не было. Прежде всего следует отметить тот существенный и в первых экспериментах неожиданный для нас факт, что комплекс факторов космического полета, включающий невесомость и действующий на протяжении 1/50 части жизни животных, оказался не сильным, а умеренным стрессором. Об этом говорит отсутствие серьезных изменений в метаболизме катехоламинов, отсутствие изменений в гормональном статусе гипофиза, отсутствие язв и предъязвенных состояний в слизистой желудка, а также умеренная выраженность и обратимость проявлений стресс-реакции, описанных выше.  
 
В течение многих лет среди исследователей, участвовавших в экспериментах на биоспутниках, обсуждается вопрос является ли стрессорным воздействием сама невесомость или стресс-реакция является острой и развивается на завершающем этапе полета - при возвращении к земной гравитации. К сожалению, дать однозначный ответ на этот вопрос не смог даже единственный пока эксперимент, где обследование животных было проведено непосредственно в космическом полете (программа SLS-2 на американском корабле "Шаттл"). Тем не менее анализ полученного материала позволяет выделить среди признаков стресс-реакции, выявленных у животных после полета, признаки как острого, так и хронического стресса. К первым можно отнести повышение функциональной активности нейросекреторных клеток гипоталамуса и гипофиза, увеличение концентрации кортикостерона и глюкозы в плазме крови, нейтрофилез и лимфопению, увеличение содержания полидезоксирибонуклеотидов в селезенке, ко вторым - задержку роста животных полетной группы, инволюцию лимфоидных органов, изменение условнорефлекторной деятельности животных во время полета.

       Размышление над полученным материалом и его сопоставление с литературой об общих закономерностях адаптации заставляют рассматривать приспособление животных к невесомости как динамичный процесс, включающий стресс-реакцию в первые дни полета, частичную стабилизацию состояния в ходе полета и новую острую стресс-реакцию при возвращении на Землю. Именно такая ситуация наблюдается при гипергравитации величиной 2-3 G, когда недельная экспозиция животных на центрифуге сопровождается признаками гипергравитационного стресса, а длительная (до года) экспозиция ведет к стабилизации большинства показателей.  

       4.Первые запуски ракет с животными

       В мае 1946 г. советским правительством было принято решение о создании ракетостроительной промышленности. В  ее структуру вошли организации, ответственные за разработку комплексов автоматически управляемых ракет, ракетных двигателей, систем радио— и автономного управления ракет, средств наземного оборудования и гироскопических систем. В ОКБ, возглавляемом СП. Королевым, параллельно с проектированием баллистической ракеты дальнего действия (БРДД), начавшимся в 1947 г., осваивалась технология производства и запуска трофейной немецкой ракеты А-4.

       С 1947 по 1949 гг. на полигоне Капустин Яр состоялись шесть запусков ракет А-4. Для обработки  технологии запуска ракет проводились  исследования динамики и баллистики полета, измерялись параметры верхних  слоев атмосферы (газовый состав, распределение метеорного вещества, температура).

       В 1949 г. все работы по разработке первой отечественной БРДД Р-1 успешно завершились. На ракете Р-1 продолжилось изучение температурных  и газодинамических условий полета, проверка баллистических и прочностных  расчетов, отрабатывалась система управления в полете, организована технологическая  и производственная база.

       С появлением такой ракеты СП. Королев  получил возможность реализовать  давно захватившую его идею: применить  ракеты для изучения околоземного пространства. Президиум АН СССР создал Комиссию по изучению верхних слоев атмосферы, объединившую и возглавившую работы в области научных ракетных исследований. Председателем Комиссии назначен директор ЦНИИ машиностроения академик А.А. Благонравов, крупный специалист в области  баллистики. В довольно короткое время  при активной поддержке президента АН СССР академика С.И. Вавилова и  благодаря большим усилиям коллектива ученых и конструкторов во главе  с С.П. Королевым создали различные  модификации высотных ракет по изучению атмосферы. С мая 1949 г. начались экспериментальные  исследования верхних слоев атмосферы  с помощью ракет В-1А (модификация  ракеты Р-1). Поскольку эти ракеты разрабатывались по заданию Академии наук СССР, их назвали "академическими" (или "геофизическими"). Комиссия по изучению верхних слоев атмосферы  готовила программы и методики различных  вариантов исследований, руководила изготовлением необходимой научной аппаратуры. Первоначальные задачи сводились к исследованию параметров верхних слоев атмосферы (изменения с высотой состава атмосферы, ее температуры и давления, плотности метеорной пыли), а также проведению исследований ионосферы и интенсивности первичного космического излучения.

       Первые  успешные запуски высотных ракет  позволили приступить к решению  ряда медико-биологических вопросов, связанных с подготовкой полета живых существ в верхние слои атмосферы.

       К концу 1940-х гг. стали известны реакции  организма человека и животных на перегрузки, вибрации, шум и другие факторы полета на самолетах. Однако не было эксперментальных данных о  биологическом действии невесомости. По рекомендации выдающегося авиаконструктора А.Н. Туполева осенью 1947 г. Королев предложил  возглавить исследования в этой области  В.И. Яздовскому, заведующему лабораторией скафандров и герметических кабин (Научно-исследовательский институт авиационной медицины (НИИАМ) ВВС  МО СССР). Активную поддержку Королеву оказали министр обороны СССР А.М. Василевский и президент АН СССР СИ. Вавилов. НИИАМ разработал программу исследований медико-биологических  проблем полетов на ракетах в  верхних слоях атмосферы. Обоснование  возможности полета человека на ракетных летательных аппаратах и выработку  комплекса мероприятий, обеспечивающих безопасность человека в полете, возложили  на В.И. Яздовского и сотрудников его лаборатории (В.И. Попов, А.Д. Серяпин, Б.Г. Буйлов). В исследованиях принимали также участие А.В. Покровский, А.Г. Кузнецов, В.И. Спасский, В.Г. Миролюбив. В течение первого года велась работа над анализом доступных научных знаний в этой области, состоявших преимущественно из переводов статей американских исследователей (Г. Габер, О. Генри, Махер), начавших готовиться к полетам ракет "Aerobee" с мышами и крысами.

       Исследователи решили разбить факторы полета на три группы:

       — связанные с физическими характеристиками верхних слоев атмосферы и  околоземного космического пространства (резкие колебания температуры, отсутствие молекулярного кислорода, наличие  метеорного вещества и первичного космического излучения);

       — обусловленные динамикой ракетного полета (ускорение, невесомость, вибрация, шум);

       — вызванные помещением живых существ  из привычной обстановки в экстремальные  условия среды (стрессовые реакции, изменения условий питания, гигиены  и др.). Это была первая в мире полная классификация факторов, действующих  в космическом полете.

       Исследователи с самого начала понимали, что человек  и животные в условиях верхних  слоев атмосферы и околоземного космического пространства без защитных устройств жить не смогут. Поэтому  для будущих полетов необходимо создавать искусственную среду  обитания и разрабатывать систему  жизнеобеспечения. К тому времени  уже было известно наиболее оптимальное  направление действия ускорений  — оно перпендикулярно магистральным  кровеносным сосудам. По проблеме невесомости  не только не было никакой информации, но и ясности в понимании самого термина. В результате дискуссий  исследователи решили, что невесомость  есть такое физическое состояние, когда  равнодействующая всех сил, действующих  на организм, равна нулю. Большинство  факторов полета невозможно воспроизвести  в наземных условиях, а защиты от условий космического пространства как таковой не существует. Было решено изучать данную проблему во время полетов и проводить  комплексные работы по обеспечению  безопасности, составлена поэтапная  программа исследований на несколько  лет вперед.

       В 1949 г. состоялась выездная сессия АН и  АМН СССР, на которой обсуждалась  и принята программа исследований. В дискуссии приняли участие  академики К.М. Быков, Л.С. Штерн, В.В.Парин, Н.Н. Аничков и другие. В 1950 г. в  НИИАМ стала работать группа по изучению медико-биологических проблем полета на ракетах под руководством В.И. Яздовского. На геофизических ракетах устанавливались кабины с животными. Это давало возможность изучить влияние комплекса факторов суборбитального полета, прежде всего невесомости, на основные жизненные функции различных подопытных животных. Подготовкой и осуществлением научной программы руководили А.А. Благонравов, С.П. Королев и В.И. Яздовский. Во время полетов геофизических ракет провели три серии экспериментов.

       Первая  серия экспериментов (1951 г.) предусматривала:

       — выбор наиболее удобного биологического объекта для проведения исследований;

       — разработка методов исследований физиологических  функций животного, пригодных для  применения в условиях полета на ракете;

       — создание системы жизнеобеспечения животных в герметичной кабине малого объема для полета до высоты 100 км;

       — изучение характера и степени  влияния полета в верхние слои атмосферы на состояние физиологических  функций организма и поведение  животных;

       — выяснение возможности использования  отделяющейся кабины с целью спасения животных и аппаратуры при приземлении;

       — испытание работы контрольно-регистрирующей аппаратуры в необычных условиях.

       При выборе биологических объектов исследования исходили из условий минимального размера  и веса лабораторных животных (мыши, крысы). Вследствие небольших размеров получение физиологической информации от них в полете затруднено. Высшие обезьяны как экспериментальный  объект наилучшим образом моделируют физиологические и нервные функции  человека. Однако обезьяны трудно поддаются  дрессировке и научению, взрослые особи проявляют агрессивность  и медленно привыкают к необычным  условиям эксперимента. Кроме того, обезьяны были достаточно дорогим и редким объектом для исследований. 

       Иное  дело собаки: они хорошо поддаются  тренировке, быстро привыкают к необычным  условиям, обладают большей выносливостью  в среде с неблагоприятными факторами. Поэтому для полетов на ракетах  выбрали собак.

       Разрабатывалась специальная  регистрирующая аппаратура для автоматического получения и передачи по телеметрическим каналам гигиенических показателей среды кабины и показателей основных физиологических функций организма. Аппаратура состояла из четырехканальных осциллографов, усилителей с комплектом малогабаритных датчиков, аэрокиносъемочного аппарата и акселерографа. Она позволяла регистрировать в полете температуру и давление воздуха в кабине, величину перегрузок, температуру кожи, частоту пульса и наблюдать поведение животных. До и после полетов у животных снимались показатели ЭКГ, делалась рентгенография органов грудной клетки, проверялись условно-пищевые рефлексы и регистрировалась масса тела. Перед полетом проводились наземные эксперименты в барокамере и самолете, пикирующем по параболе Кеплера, в макете ракеты с целью отбора наиболее устойчивых к воздействию необычных условий полета особей и их тренировке. Перед физиологами встало множество методических проблем: подготовка животных и выполнение ряда хирургических вмешательств (выводилась в кожный лоскут сонная артерия для определения артериального давления — под кожу вживлялись электроды для регистрации биотоков). Потребовалось разработать датчики и приборы для регистрации физиологических показателей во время космического полета.

       В соответствии с задачами исследований состоялась пять полетов на ракетах  с 9 собаками (из них три летали дважды). В герметичный отсек объемом 0,28 м³ помещали двух беспородных собак (до 10 кг каждая), укрепленных привязными ремнями на специальных лотках. Для поддержания необходимого газового состава атмосферы в кабине использовалась инжекторная система регенерации воздуха. Барометрическое давление в необходимых пределах в кабине поддерживалось регулятором давления.

       Первая  геофизическая ракета Р-1Б с собаками Дезик и Цыган, запущенная в июле 1951 г. с космодрома Капустин Яр, поднялась на высоту 100,8 км и успешно приземлилась. В США исследования с животными начались в июне 1948 г., но первое их успешное возвращение после полета на ракете произошло только 20 сентября 1951 г.

       Перегрузки  в полетах ракет этой серии  не превышали 5,5g. На 177-й секунде полета (на высоте около 100 км) головная часть  ракеты отделялась от корпуса и свободно падала. Затем на уровне 6-8 км раскрывался  парашют. Общее время пребывания животных в полете составляло 20-30 мин. Исследования показали, что температура  воздуха в кабине в период полета превышала расчетные величины, барометрическое  давление не опускалось ниже 680 мм рт. ст., содержание О₂ в воздухе кабины составляло 21,5%, количество СО₂ не превышало 1,5%, относительная влажность — около 70%. Учащение пульса и дыхания наблюдались только в период вибрации на нисходящем участке траектории при вхождении кабины в плотные слои атмосферы. У животных, летавших дважды, не обнаруживалось каких-либо изменений. После проведения серии экспериментов пришли к выводу, что герметичная кабина с системой регенерации воздуха обеспечивает необходимые условия для двух собак в течение трех часов. Воздействие перегрузок, космического излучения, частичной невесомости и других факторов полета не повлияли на состояние ряда физиологических функций и поведение животных. Регистрирующая аппаратура давала возможность получать научную информацию в полете.