[Перевод] «Киборги и космос»
Источник: Cyberneticzoo
(перепечатано с разрешения журнала «Астронавтика», выпуск за сентябрь 1960)
Вместо того, чтобы пытаться везде создавать подобие родной планеты, гораздо логичней измениться самому в соответствие с внеземной средой… одним из способов добиться результата могут стать системы искусственных органов, увеличивающие возможности человека по бессознательному самоконтролю.
Полёты в космос бросили человечеству вызов не только в технологическом смысле, но также и в моральном, дав каждому повод стать активным участником личной биологической эволюции. Научный прогресс может в будущем разрешить людям существовать в таких условиях, которые напрочь отличаются от того, что мы привыкли называть «естественными».
Мы только начали разбираться в том, как работает гомеостаз, и стало ясно, насколько потребуется продвинуться в понимании принципов его самоуправления, чтобы решить задачу адаптации человека к любой окружающей среде. Впрочем, в течение многих лет эволюция не могла предложить иного варианта, нежели постепенное приспосабливание. Теперь же реально, не ожидая милостей от наследственной изменчивости, перейти на следующий этап, изменив привычный людям образ жизни через биохимические, физиологические и электронные дополнения. Ведь во многом стабильность внутреннего равновесия любых известных организмов обусловлена внешними факторами. А ведь у нас с вами, впадающих в спячку животных и пойкилотермических рыб совершенно отличающиеся способы сохранения рабочей температуры в отношении «тело-внешний мир».
По-разному жизнь решает и другую задачу — дыхание. Млекопитающие, рыбы, насекомые и растения, каждый вид прекрасно приспособлен к ограничениям, в которых он обитает. Но если кто-то пожелает выйти за границы своего существования, то сразу сталкивается с «непреодолимой» проблемой.
Однако, такой уж и «непреодолимой»? Понятно, что рыба не сможет выйти из воды, захоти она это сию секунду. Но предположим, что у рыбы есть интеллект и достаточные ресурсы, она соображает в биохимии и физиологии, получила степень магистра в инженерии и кибернетике, а ещё пользуется превосходными лабораториями — то такая рыба наверняка смогла бы сконструировать аппарат, позволяющий дышать воздухом и ходить по земле без наличия лёгких и ног.
В скором времени у учёных будет достаточно информации, чтобы создавать приборы, которые позволят и человеку проворачивать схожие трюки. Сейчас мы очень интересуемся космосом. Как же измениться, чтобы жить в нём без вреда для себя? Крохотная капсула с искусственной атмосферой сойдёт за временное убежище, но такое убежище крайне опасно, потому что мы уподобляемся рыбе, прихватившей с собой на сушу ковшик воды в надежде выжить. Этот «воздушный шарик» слишком уязвим.
При попытке спланировать хотя бы межпланетный перелёт у биологов сразу возникает множество разнообразных вопросов. Действительность же длительных экспедиций, не в дни, месяцы или годы, а в несколько тысячелетий, может оказаться настолько суровой, что все существующие подходы к психологии и физиологии экипажа должны быть переосмыслены.
Об этом, собственно, и наша статья. Какие-то решения могут быть реализованы на текущем уровне развития знаний и технологий. Другие являются лишь проекциями вероятного будущего и больше смахивают на научную фантастику. Например, функции дыхательной системы можно поддерживать куда менее громоздкими и при этом более действенными методами. Один рецепт, из ближайших доступных, весьма прост: не дышать!
Если прекратить попытки создать везде землеподобную среду и вместо этого попробовать частично приспособиться к открытому космосу, то откроется ряд новых путей. Один из них ведёт к мысли о том, что изменившееся посредством подключения экзогенных устройств внутреннее биологическое равновесие человека даст шанс жить в космосе как дома. Автономная нервная система и железы внутренней секреции будут совместно трудиться, обслуживая изменившуюся под новый мир биохимию. Такой процесс станет бессознательным, но в него можно будет сознательно вмешиваться. Но конечно же, чтобы настроить всю эту чудо-автоматику должным образом, нам потребуются обширные знания в области физиологии и теории управления.
«Киборг» — освобождает «человека» для постижения
Что потребуется для саморегулирующейся системы «человек-машина»? Очевидно, что всё «встроенное» должно подчиняться собственным контрольным механизмам тела и органично взаимодействовать с ними в связке. Для комплекса, который состоит из живой ткани и искусственных «деталей», но функционирует и чувствует себя при этом как единое целое, мы предлагаем термин «киборг». «Киборг» намеренно добавляет к себе дополнительные внешние компоненты, расширяя диапазон адаптации собственных систем к новой обстановке.
Если космонавт вынужден постоянно, помимо пилотирования, заниматься различными регулировками и проверками оборудования, он становится рабом техники. Суть же «киборга» как гомеостатической системы в том, чтобы «робот» самостоятельно и без лишнего присмотра позаботился о «механических» делах, разгрузив «человека» для исследований, мыслей, действий и впечатлений.
Некоторые устройства, позволяющие создать «киборга», существуют уже сейчас, например, капсульная помпа на осмотическом приводе весьма остроумной конструкции, разработанная С. Роуз для постепенного введения биохимических препаратов с заданной интенсивностью. Капсула встраивается в тело и позволяет доставлять определённое вещество в конкретный орган с выбранной заранее частотой, никоим образом не нарушая работу организма в целом. На данный момент доступны модели, которые могут оперировать объёмами порядка 0.01 миллилитра в день и функционировать не менее 200 суток, и нет никаких препятствий к тому, чтобы значительно увеличить этот срок. Инструмент был испытан на кроликах, крысах, а также для продолжавшихся в течение некоторого периода впрыскиваний гепарина человеку. При вживлении животным не обнаружилось никаких побочных эффектов. Примерно пять лет назад, инъектор длиной 7 сантиметров и 1.4 сантиметра в диаметре, массой около 15 грамм, многократно внедрялся под кожу крысам массой 150–250 грамм без каких-либо проблем. На фото ниже двухсотдвадцатиграммовая крыса с подобным инъектором:
Источник: Сyberneticzoo
(примечание переводчика: в оригинале статьи схемы помпы Роуз-Нельсон нет, поэтому она добавлена для наглядности)
Источник: Openi.nlm.nih.gov
Имплантируемая помпа Роуз-Нельсон состоит из трёх отделений, содержащих независимо соль, лекарственный препарат и воду. Полупроницаемая мембрана отделяет соль от воды. За счёт осмотического давления вода постепенно проникает в соль через мембрану. Как следствие, соль, поглощая воду, увеличивается в объёме и давит на латексную диафрагму; давление со стороны соли постепенно выталкивает препарат из капсулы.
Если скомбинировать осмотическую капсулу с датчиками и приводами, то легко сформировать контур, который дополнит собственные механизмы тела. А производительность установки может варьироваться в зависимости от необходимости. Если известно, что ждёт «киборга», то уже сегодня можно предварительно подбирать соответствующие активные вещества.
Например, систолическое давление можно регулировать введением вазодилататоров или адреностимуляторов, приводя его к необходимому уровню. Но конечно, это подразумевает, что мы точно знаем, какая именно величина кровяного давления требуется для разных условий открытого космоса.
Поскольку сложновато сказать, что такое «нормальный» предел, если разговор идёт о физиологических и психологических возможностях людей, но мы можем задать минимальную планку, основываясь на наблюдениях йогов и гипнотизёров. Даже новички Школы Йоги демонстрируют поражающий воображение контроль над мускулами; гипноз же может быть полезен с той точки зрения, что трудно даже представить, насколько проявятся в дальних перелётах разобщенность в коллективе, привычка вольно толковать инструкции илии нежелание исполнять порученные задачи.
Поскольку сейчас ведутся разработки новых средств, увеличивающими гипнабельность, то заманчиво выглядит применение гипноза одновременно с фармпрепаратами.
Психо-физиологические сложности
Давайте теперь обратимся к некоторым специфическим проблемам физиологического и психологического характера, которое проявляются в космических полётах, и попробуем представить, как гибкость «киборга» поможет обработать «человеческие» естественные потребности.
Бодрствование. Для относительно коротких рейсов от нескольких недель до месяцев было бы желательно держать астронавта постоянно бодрствующим и в состоянии максимальной готовности к неожиданностям. На сегодняшний день этого можно добиться при помощи психостимуляторов, совмещённых с дополнительными лекарственными средствами. Если же рейс длится не меньше месяца или дольше, то благодаря препаратам будет достаточно всего пары часов сна в сутки. Тесты показывают, что в данном режиме производительность скорее растёт, нежели падает, так что подобный режим выглядит вполне осуществимым.
Влияние излучений. Одной из подсистем «киборга» обязательно будет детектор радиации, скомбинированный с осмотической помпой для автоматического введения радиопротекторов в нужных дозах. Эксперименты Военного училища аэрокосмической медицины Военно-Воздушных Сил США на обезьянах доказали рост сопротивляемости излучениям при введении смеси аминоэтилизотиоурата и цистеина.
Метаболизм и контроль над гипотермией. В случае затяжного полёта прогнозируемое потребление на человекосутки составляет 5 килограммов — килограмм кислорода, 2 килограмма жидкости и 2 килограмма пищи — что вызывает определённые затруднения. Для длительностей больше года, при допущении «вся техника работает без сбоев и поломок», логично уложить экипаж в сон и будить только в аварийных ситуациях. Гипотермия — неплохой вариант для того, чтобы замедлить обмен веществ и сократить расход «человеческого топлива». Комбинация охлаждения тела, крови через артериально-венозные шунты и гибернации (через воздействие на гипофиз), сама по себе или совместно с фармпрепаратами, даст возможность залечь в сон и надолго его стабилизировать. Более предпочтительным способом было бы заставить центр терморегуляции снизить температуру тела самостоятельно, без внешних средств.
Насыщение кислородом и удаление углекислого газа. В космосе, как ни странно, кислорода нет, поэтому мало того, что нечем дышать, так ещё и существуют сложности с удалением накапливающихся в процессе углекислого газа, тепла и жидкости. Если бы существовал «обратная» электрохимическая ячейка (примечание переводчика: «обычная» электрохимическая ячейка, она же «топливный элемент», конвертирует химические вещества в электроэнергию, следовательно, «обратная» подразумевает химические преобразования под воздействием электроэнергии), которая разлагает углекислый газ на компоненты, позволяя убрать углерод и вернуть кислород обратно в дыхательный цикл, то пропала бы необходимость в лёгких. Такая система, с питанием от солнечной или атомной энергии, даже сделала бы дыхание ненужным как факт. Впрочем, возможность привычно дышать в подходящей атмосфере можно было бы оставить, возвращая её простым отключением электрохимических преобразователей.
Подвод и сброс жидкостей. Обеспечивать жидкостный баланс в целом можно установкой шунтов от мочеточников до венозного круга кровообращения, попутно удаляя или преобразовывая вредные вещества. Стерилизация желудочно-кишечного тракта в паре с внутривенным или внутрижелудочным питанием сведут количество фекальных масс к минимуму, и их тоже можно повторно перерабатывать.
Ферменты. При охлаждении тела активность разных ферментов будет отличаться от номинальной. Конечно, систематическим изучением влияния химических или фармакологических агентов на ферментную активность никто не занимался, но без сомнения, влиять на них жизненно необходимо, если мы будем играться с температурой. Опять-таки, в силу того, что весь метаболизм управляется ферментами, приходят в голову интригующие идеи. Например, некоторые микроорганизмы в лаборатории под воздействием излучения превращаются из аэробных в анаэробные, и анализ их ферментной системы может дать понимание, как изменить в соответствие человеческую. Таким образом можно подготовить исследователей для конкретного газового состава атмосферы.
Вестибулярный аппарат. Дезориентацию или обычный дискомфорт, вызванные невесомостью, можно побороть наркотиками, временным осушением или наоборот полным заполнением жидкостью внутреннего уха, и множеством других способов, включая чисто химические. Гипноз тоже может помочь.
Сердечно-сосудистая система. При исследовании роли сердечно-сосудистой системы (далее ССС) в гомеостазе применение теории управления к этим исследованиям дало настолько плодотворные результаты, что мы уверенно можем рассуждать о том, как «киборгизировать» ССС. Впрыскивание таких веществ, как эпинефрин, резерпин, дигиталис, амфетамин при помощи инъекторов Роуз изменит работу ССС под заданную обстановку. Также менять работу ССС, равно как и специфические гомеостатические цепочки, можно при помощи регулировки частоты сердечных сокращений или воздействия на определённые нервные узлы электростимуляцией, с участием мозга или внешним сигналом.
Мышечный тонус. Длительное пребывание в жидкости (примечание переводчика: по всей видимости, подразумевается для компенсации перегрузок погрузить астронавта в капсулу с жидкостью) или просто недостаток физической активности приведут к падению тонуса мышц. Несмотря на то, что снижение температуры тела и скорости метаболизма несомненно сократят негативные последствия, требуются дальнейшие исследования, чтобы понять химию процесса и синтезировать защитный фармпрепарат.
Искажение восприятия. Зрение в разрежённой атмосфере или при полном её отсутствии работает несколько иначе, чем мы привыкли на Земле. Поэтому следует обратить внимание на создание тестовых сред, в которых можно еще до старта привыкнуть к особенностям восприятия. Немаловажную часть проблемы составляет отсутствие в космосе ориентиров, и это порождает эффекты наподобие автокинетической иллюзии. По возможности, такие вещи тоже стоит подавлять при помощи фармацевтики.
Внешнее давление. При наружном давлении ниже 60 мм рт. ст. кровь начинает выкипать даже при 36.6 градусах по Цельсию. Поэтому, если астронавт планирует гулять по обшивке даже без компенсационного костюма, потребуются методы снижения рабочей температуры до такой величины, при которой давление пара жидкостей внутри не будет превышать способность тканей по удержанию. Ещё один повод, чтобы охладить тело.
Колебания наружной температуры. Если при «экстремальных» значениях неизбежно придётся укрываться внутри космического корабля, некие «приемлемые» человек вполне может вытерпеть и вне его. Комфорта можно достигнуть, контролируя отражение и поглощение тепла защитной одеждой из пористого материала и применением веществ, меняющих окраску и как следствие дающих эффективную защиту от ультрафиолета. Это будет костюм, чувствительный к свету, с химической регуляцией отражающей способности для поддержания нужного микроклимата.
Гравитация. Другое отношение сил гравитации и инерции к молекулярным силам, помимо прочего, изменит скорость протекания биохимических процессов. Вероятно, мы сможем повысить качество жизни астронавта при большей или меньшей гравитации, чем земная, сочетанием регулирования температуры тела и медикаментов.
Магнитные поля. Подстройка биохимии и терморегуляции могут также замедлить или облегчить определённые последствия, вызываемые магнитными полями космоса.
Недостаток раздражителей и активности. Как разновидность сенсорной депривации, существует сенсорная неизменность, то есть недостаток раздражителей, жупел астронавтов. В большинстве экспериментов по сенсорной депривации, именно неизменность вызывала дискомфорт, и в крайних случаях, появление психозоподобных состояний. Но куда опасней неизменности ощущений могут быть неизменность, невозможность или ограниченность действий, поскольку большинство субъектов эксперимента обычно упоминали желание «сделать хоть что-то». Во-первых, здесь может помочь разработка рабочих сценариев, в которых каждое действие будет сопровождаться весомым сенсорным откликом. Во-вторых, медикаменты и тут пригодятся, чтобы ослабить накопившееся напряжение. Поскольку бессмысленные и бесполезные с виду действия, равно как и очевидные попытки вызывать в себе хоть какое-то ощущение, являются весьма тревожными симптомами.
Психозы. Несмотря на всю изначальную заботу о космических путешественниках, разумеется, существует риск, что где-то посреди бескрайних межзвёздных просторов кто-то двинется умом, и для такого случая никакого сервомеханизма пока не придумали. И хотя в аварийный набор может входить осмотическая помпа, заряженная высокодейственными фенотиазинами в смеси с резерпином, спятивший пациент нередко не признаёт ненормальность своего поведения, эмоций или мыслей, и по этой причине отказывается принимать лекарства. В подобной ситуации, при верной оценке состояния субъекта, следует иметь возможность включить подачу препаратов удалённо с Земли или руками одного из членов экипажа.
Между жизнью и смертью. Нельзя упускать из виду возможность возникновения нерасчётной аварийной ситуации, которая приведёт к крайне болезненным травмам для астронавта, или иным мучениям. В таком случае он должен иметь возможность впасть в какое-либо бессознательное состояние, если сочтёт нужным. Лучшим выходом мы считаем продолжительный сон, индуцированный электронно или фармакологически.
Другие сложности
Разумеется, при помощи фармакологии можно победить не меньшее количество проблем, не попавших в этот список в силу ограничения на объём публикации. Это такие вещи, как тошнота, головокружение, морская болезнь, сексуальные нужды, переносимость вибраций и так далее.
Однако, всё вышеперечисленное лишь попытка заставить задуматься, что может дать нам «киборг» в контексте космических перелётов. Даже несмотря на некоторую «нереальность» высказанных подходов, многие заметят отсылки к советской технической литературе, рассказывающей об исследованиях в тех же областях. Русские предлагают предварительное перенасыщение атмосферы кислородом на ранних этапах запуска; сообщают о влиянии на вестибулярный аппарат путём совмещения хирургии с медикаментами; изучают особенности восприятия глаза и принципы его движения при построении зрительного образа; выясняют, каким образом снижение температуры действует на давление в сосудах, и так далее.
Успех в ответе на многие технические вопросы, связанные с космическими полётами, через адаптацию организма к окружению, а не наоборот, не только станет значительным шагом вперёд в научном прогрессе, но и откроет новое, огромное пространство для человеческой решительности.
Скан-версию оригинальной статьи в формате PDF можно скачать здесь.
