[Перевод] Космос, японские ученые и мыши: решаем вопросы с искусственной гравитацией и космическими путешествиями
С первых дней полета человека в космос стало ясно, что продолжительные путешествия в условиях отсутствия земной гравитации могут иметь весьма пагубные последствия для организма космонавта. Пребывание в условиях невесомости приводит к значительному уменьшению мышечной массы.
Изменения наступают очень быстро: из-за отсутствия силы тяжести, которой обычно противодействуют мышцы, они ослабевают всего за неделю. Особенно это актуально для мышц ног, спины и шеи. Во время космического полета ничего страшного не происходит, но вот после возвращения на Землю повышается риск получения травм. Что же делать?
К счастью, проблему легко решить при помощи выполнения разных физических упражнений на борту станции. Именно поэтому на космических станциях, начиная с «Салюта-1», всегда есть тренажеры, поддерживающие мышечный тонус членов команды. Но даже при условии выполнения физических упражнений космонавты все равно возвращаются на Землю ослабленными.
Один из ранних концептов НАСА по созданию искусственной гравитации
На выполнение упражнений тратится драгоценное время, ведь каждый час, проведенный в космосе, это час, который стоит тратить на проведение научных исследований или обслуживание самой станции. Физкультура космонавтов на орбите становится в буквальном смысле золотой. Это, если так можно выразиться, самый дорогой тренажерный зал в мире.
Самый простой вариант для решения проблемы с мышцами космонавтов и физическими упражнениями — создание искусственной гравитации на станции за счет центростремительной силы. В итоге все, что находится внутри как бы прилипнет к внутренней части корпуса. Другими словами, все объекты на станции и люди снова вернут свой вес — полностью или частично. Но здесь возникает еще одна проблема — для того, чтобы гравитация на корабле стала равной земной, сам корабль или станция должны быть очень большими, либо вращаться с очень большой скоростью.
На днях японские ученые из Университета Цукуба опубликовали статью, которая дает надежду на появление реальных систем искусственной гравитации на борту космических станций с экипажем. Специалисты из Японии провели серию экспериментов с мышами, результаты которых способствуют появлению того, что недавно было лишь уделом научной фантастики.
Несовершенный эксперимент
Вероятно самым интересном моментом этой работы является то, что ученые изначально не собирались изучать искусственную гравитацию. Они поставили задачу узнать больше о мышечной атрофии у млекопитающих на молекулярном уровне, поскольку это важно для длительных космических перелетов.
Обычно такие исследования заключались в отправке мышей на неделю или две, после чего их ткани сравнивались с контрольной группой грызунов, оставшихся на Земле. Но японцы решили, что такой эксперимент в корне ошибочен.
Почему? Когда есть контрольная и подопытная группа животных, условия их жизни должны быть аналогичными, за исключением фактора, который изучается. То есть мыши, отправившиеся на МКС и оставшиеся на Земле, должны были проводить время, получать питание, спать и т.п. одинаково. Исключение — наличие или отсутствие гравитации, фактор, влияние которого изучается. Но создать такие равные условия для «космических» мышей невозможно, на орбите условия жизни в корне отличаются от земных.
Все начинается уже с полета в космос — мыши, которые остаются на Земле, не испытывают перегрузок, на них не оказывают влияние и другие факторы, сопровождающие «космических» мышей. В космосе мыши будут жить в микромире с жизнеобеспечением со стороны соответствующих систем станции. При этом на них влияет космическое излучение — станцию невозможно полностью изолировать. В конце своего срока пребывания на станции мышей снова отправляют на Землю, и в ходе этого путешествия грызуны подвергаются влиянию специфических факторов. А вот контрольная группа мышей все это время просидела в клетке где-то в лаборатории.
Наверное, какие-то из этих условий можно смоделировать и для контрольной группы, но в любом случае это будет недостаточно чистый эксперимент.
Что же делать?
Ответ — все уже сделано. Японцы разработали установку, которая называется Multiple Artificial-gravity Research System (MARS). Это небольшая центрифуга с капсулами по краю, в которых живут мыши. Эта центрифуга вращается достаточно быстро, чтобы в условиях невесомости создать искусственную гравитацию, равную земной. При этом по краям находится лишь половина мышей. Вторая часть мышиной команды живет в нижней части устройства, где нет гравитации. Таким образом исследователи могут быть уверены в том, что все мыши в установке находятся в одинаковых условиях, за исключением такого фактора, как сила тяжести.
Контрольная и экспериментальная группа питаются одной и той же едой, пьют одну и ту же воду и дышат одним и тем же воздухом.
Эксперимент, как оказалось, проводился еще в 2016 году, а результаты его опубликованы лишь сейчас. В очередной раз удалось подтвердить, что потеря мышечной массы в условиях микрогравитации сильнее, чем в условиях земной силы тяжести. Здесь нет сюрпризов. Но попутно выяснилось, что экспрессия мышечного гена различается у животных контрольной и экспериментальной групп. И это — убедительное свидетельство того, что это изменение вызвано отсутствием гравитации, а не космическим излучением, как считалось ранее.
Кроме того, подтвердилась и возможность моделирования силы тяжести путем вращения системы с животными внутри. Результаты эксперимента соответствуют предположениям ученых. В дальнейшем потребуются новые исследования, но уже сейчас доказано, что вращение космического корабля/станции на протяжении всего космического путешествия предотвращает потерю мышечной массы, и продолжительные физические упражнения в этом случае не требуются.
Что дальше?
Ученые планируют провести несколько экспериментов по моделированию силы тяжести Луны или Марса — это позволит выяснить, что происходит с организмами животных в таких условиях. Ну, а после изучения результатов этих экспериментов можно будет и понять, что случится с человеком, живущим на Луне или Марсе.
А это уже критически важная информация, которая нужна для продолжения освоения космоса человеком — создания форпоста человечества на Луне, Марсе и, возможно, где-то еще. Пока все, что мы знаем о влиянии лунной гравитации — результаты, полученные астронавтами, побывавшими на Луне. Что происходит на протяжении месяцев или даже лет, проведенных в таких условиях, мы не знаем.
Еще хотелось бы знать, как влияет частичная гравитация на процесс атрофии мышц. Возможно, орбитальную станцию и не нужно раскручивать до скорости, позволяющей получить 1G. Может быть, хватит и 0,5 или даже 0,3 G. Пока мы можем лишь предполагать. Японские ученые, вероятно, вскоре смогут дать четкий ответ на все эти вопросы.
