כוח הכבידה בצורה של גלי כבידה נמצא כיום במוחם של אנשים רבים. כולנו חווים כוח משיכה. קפוץ למעלה ותחזור לקרקע. לרוע המזל לכל מי שרוצה להפוך לעל אנושי. אבל מה אם נכבה את כוח המשיכה? אם יום אחד ייעלם כוח הכבידה, טיסה לחלל תהיה הפחות משתי רעות. פיזיקאים בטוחים שזה לעולם לא יקרה. אבל מה מונע מאיתנו לעשות ניסויי מחשבה? ומה חושבים מומחים על היעלמותה הפתאומית של כוח המשיכה?
ג'יי באקי, רופא ואסטרונאוט של נאס"א, דיבר על האופן שבו היעדר כוח המשיכה משפיע על גוף האדם. הגוף שלנו מותאם לתנאי הכבידה של כדור הארץ. אם אנחנו חיים לזמן מה שבו כוח המשיכה שונה (לדוגמה, על הסיפון תחנת החלל), הגוף שלנו משתנה.
זה כבר לא סוד לאף אחד שהתהילה של האסטרונאוט מעט מוצלת על ידי העובדה של אובדן עצם חוזק שרירבעוד בחלל, גם תחושת האיזון משתנה.
חוסר כוח המשיכה גורם לבעיות. מסיבות שאינן ברורות לחלוטין, מספר תאי הדם האדומים יורד, וכתוצאה מכך נוצרת צורה מיוחדת של "אנמיה בחלל". לפצעים לוקח יותר זמן להחלים מערכת החיסוןמאבד כוח. אפילו השינה מופרעת על ידי היעדר או היחלשות של כוח המשיכה.
זה בדיוק מה שקורה אחרי ביקור קצר בחלל. "מה היה קורה אם נגדל ללא כוח הכבידה? שואל בוקי. "מה לגבי מערכות התלויות בכוח הכבידה, כמו שרירים, שיווי משקל, לב, כלי דם?"
יש סיבות טובות להאמין שגוף האדם יתפתח אחרת.
בוקי נותן דוגמה לניסוי שבו חתול גדל כשעין אחת מכוסה באופן קבוע בתחבושת. כתוצאה מכך היא התעוורה בעין אחת. המעגל שמקשר בין העין למוח פשוט לא יכול היה להתפתח כי העין לא עיבדה שום מידע חזותי. כמו שאומרים, אם הם גנבו את זה, זה אומר שהם לא נראו טוב, אז זה לא הכרחי.
בהחלט ייתכן שחלקים אחרים בגופנו יתפתחו בצורה דומה. אם כוח המשיכה לא ישפיע על הלב, השרירים והעצמות שלנו, האיברים שלנו יתפתחו אחרת. מסתבר שללא כוח המשיכה, נצטרך לחשוב על התוכניות ארוכות הטווח לפיתוח האנושות.
קארן מאסטרס, אסטרונומית מאוניברסיטת פורטסמות' בבריטניה, חוקרת את ההשפעות הפיזיות המיידיות של אובדן כוח הכבידה. הבעיה הראשונה היא שכדור הארץ מסתובב עם מהירות גבוהה, כמו משקולת על חוט דיג שאתה מסובב מעל הראש.
"כיבוי כוח המשיכה יהיה כמו לשבור חוט דיג", כותב מאסטרס. "דברים שאינם מחוברים לכדור הארץ יעופו החוצה לחלל בקו ישר."
מי שיתמזל מזלו להיות בחוץ ברגע זה יאבד לנצח. לאנשים בתוך מבנים יהיה מזל טוב יותר, כי מבנים נטועים היטב באדמה ויכולים לעמוד גם ללא כוח משיכה - לפחות לזמן מה.
האטמוספרה של כדור הארץ והאוקיינוסים, הנהרות והאגמים שלו יהיו הראשונים לצאת לחלל. וכמובן, כולנו מתים. היעדר כוח המשיכה יגנה גם את הפלנטה שלנו. כדור הארץ עצמו יתפרק וירחף לחלל. גורל דומה יחול על השמש. ללא כוח המשיכה שיחזיק אותו יחד, הליבה פשוט תתפוצץ תחת לחץ.
דבר דומה יקרה לכל הכוכבים ביקום. אבל מכיוון שהם רחוקים, יעברו שנים עד שהאור יודיע על מותם הפתאומי. בסופו של דבר, לא יישארו רסיסי חומר, לא כוכבים, לא כוכבי לכת, כלום. זה פשוט יהיה מרק מפוזר של אטומים ומולקולות שייסחפו מסביב.
התרחיש הזה - שאגב, רק כדי לזכור, לעולם לא יקרה - ממחיש עד כמה כוח המשיכה קובע את אופן פעולת היקום. זהו אחד מארבעת הכוחות הבסיסיים השולטים ביקום. גם שלושת האחרים חשובים. ללא אלקטרומגנטיות, אינטראקציות חזקות וחלשות, אטומים היו מתרחקים. אבל כוח המשיכה הוא עדיין המעניין שבהם - אחרת לא היינו מקבלים כל כך השראה ממחשבות על אנטי-כבידה.
כאן על כדור הארץ, אנו רואים את כוח המשיכה כמובן מאליו – אייזק ניוטון, למשל, פיתח את תורת הכבידה האוניברסלית בזכות תפוח שנפל מעץ. אבל כוח הכבידה, שמושך חפצים זה כלפי זה ביחס למסה שלהם, הוא כבר משהו יותר מפרי שלכת. לפני שאתה - כמה עובדותעל הכוח הזה.
1. הכל בראש שלך
כוח הכבידה על כדור הארץ יכול להיות כוח קבוע למדי, אבל התפיסה שלנו לפעמים אומרת לנו שזה לא. מחקר משנת 2011 מצביע על כך שאנשים טובים יותר בשיפוט כיצד חפצים פוגעים בקרקע כשהם יושבים זקוף מאשר כשהם שוכבים על הצד, למשל.
המשמעות היא שתפיסת הכבידה שלנו מבוססת פחות על רמזים חזותיים לגבי כיוון הכבידה ויותר על כיוון הגוף במרחב. הממצאים עשויים להוביל לאסטרטגיה חדשה ולעזור לאסטרונאוטים להתמודד עם מיקרו-כבידה בחלל.
2. החזרה לכדור הארץ היא קשה
הניסיון של האסטרונאוטים מלמד שהמעבר לאפס כוח משיכה וחזרה יכול להיות קשה לגוף, מכיוון שבהיעדר כוח הכבידה, ניוון השרירים והעצמות מאבדות מסת עצם. לפי נאס"א, אסטרונאוטים יכולים לאבד עד 1% ממסת העצם בחודש בחלל.
כאשר האסטרונאוטים חוזרים לכדור הארץ, לגוף ולמוח שלהם לוקח זמן להתאושש. לחץ דם, שבמרחב מופץ באופן שווה בכל הגוף, חייב להסתגל שוב לתנאים ארציים, שבהם הלב חייב לפעול באופן שיבטיח זרימת דם למוח.
לפעמים אסטרונאוטים צריכים לעשות מאמצים ניכרים כדי לעשות זאת: בשנת 2006, האסטרונאוט היידמרי סטפנישין-פייפר נפלה ממש במהלך טקס קבלת פנים יום לאחר החזרה מה-ISS.
הסתגלות פסיכולוגית יכולה להיות לא פחות קשה. בשנת 1973, האסטרונאוט ג'ק לוזמה חללית Skylab 2 אמר שהוא שבר בטעות בקבוק של תחליב אפטר שייב במהלך ימיו הראשונים על כדור הארץ לאחר חודש בחלל - הוא פשוט הרפה מהבקבוק, שכח שהוא ייפול וישבר, ולא יתחיל לצוף בחלל.
3. השתמשו בפלוטו לירידה במשקל
פלוטו הוא לא רק כוכב לכת, הוא גם כן דרך טובהלרדת במשקל: אדם שמשקלו על פני כדור הארץ הוא 68 ק"ג, על כוכב לכת ננסי ישקול לא יותר מ-4.5 ק"ג. ההשפעה ההפוכה תתרחש על צדק - שם אותו אדם ישקול 160.5 ק"ג.
כוכב הלכת שהאנושות צפויה לבקר בו בעתיד הקרוב, מאדים, ישמח גם את החוקרים בתחושת קלילות: כוח המשיכה של מאדים הוא רק 38% מזה של כדור הארץ, מה שאומר שהאדם שלנו במשקל 68 ק"ג "יירד במשקל" שם עד 26 ק"ג.
4. כוח המשיכה אינו זהה אפילו בכדור הארץ
אפילו בכדור הארץ, כוח הכבידה אינו תמיד זהה, מכיוון שהכוכב שלנו אינו באמת כדור מושלם, אז המסה שלו מחולקת בצורה לא אחידה, ומסה לא אחידה פירושה כוח משיכה לא אחיד.
אחת מחריגות הכבידה המסתוריות נצפתה באזור מפרץ הדסון בקנדה. לאזור זה יש צפיפות נמוכה יותר בהשוואה לאזורים אחרים בכדור הארץ, ומחקר משנת 2007 הראה שהסיבה לכך היא ההמסה ההדרגתית של קרחונים.
הקרח שכיסה את האזור הזה בעידן הקרח האחרון נמס מזמן, אבל כדור הארץ לא התאושש לחלוטין מזה. מכיוון שכוח הכבידה על האזור פרופורציונלי למסה על פני אזור זה, הקרח "הזיז" בבת אחת חלק ממסת כדור הארץ. עיוות קל של קרום כדור הארץ יחד עם תנועת המאגמה במעטפת כדור הארץ מסבירים גם את הירידה בכוח המשיכה.
5 ללא כוח הכבידה, חלק מהחיידקים יהיו קטלניים יותר
סלמונלה היא חיידק שבדרך כלל גורם הרעלת מזון- בתנאי מיקרו כבידה הופכים למסוכן פי שלושה. היעדר כוח המשיכה שינה משום מה את פעילותם של לפחות 167 גנים של סלמונלה ו-73 מהחלבונים שלהם. עכברים שהאכילו בכוונה מזון מזוהם בסלמונלה באפס כוח משיכה חלו הרבה יותר מהר, למרות שהם בלעו פחות חיידקים בהשוואה לתנאים על פני כדור הארץ.
6. חורים שחורים במרכזי הגלקסיות
שנקרא כך מכיוון ששום דבר, אפילו לא אור, יכול להימלט משדה הכבידה שלהם, חורים שחורים הם מהעצמים ההרסניים ביותר ביקום. במרכז הגלקסיה שלנו נמצא חור שחור עצום במסה של שלושה מיליון שמשות, אולם לפי התיאוריה של מדען מהאוניברסיטה הסינית Tatsuya Inui, החור השחור הזה אינו מהווה סכנה עבורנו - הוא רחוק מדי. משם, ובהשוואה לחורים שחורים אחרים, מזל קשת-A שלנו קטן יחסית.
אבל לפעמים היא מציגה הצגה: בשנת 2008, פיצוץ של אנרגיה שהוקרן לפני כ-300 שנה הגיע לכדור הארץ, ולפני כמה אלפי שנים נפלה כמות קטנה של חומר (הדומה במסה למרקורי) לתוך חור שחור, מה שהוביל ל התפרצות נוספת.
מועמד למדעי הפיזיקה והמתמטיקה E. Lozovskaya
שדה הכבידה, גורם טבעי בלתי משתנה של קיומנו, שיחק תפקיד מהותיבאבולוציה של בני אדם וחיות יבשה. עם זאת, פיזיולוגיה כבידה היא המדע של מקומם של כוחות הכבידה ואינטראקציות במבנה -ארגון פונקציונלימערכות חיים - התעוררו לא כל כך מזמן, רק לפני חצי מאה. כדי להבין באיזו מידה אורגניזמים חיים תלויים בכוח הכבידה, היה צורך להתגבר על משיכה זו, כלומר לצאת לחלל. מומחים בפיזיולוגיה של כבידה נפגשים בקביעות כדי לדבר על המחקר שלהם ולדון בבעיות. הסימפוזיון הבינלאומי הבא, ה-25 בנושא פיזיולוגיה כבידה, נערך במוסקבה ביוני 2004. לקחו בו חלק מדענים מרוסיה, ארה"ב, צרפת, גרמניה, יפן ומדינות נוספות. בסימפוזיון השתתף כתב מיוחד של כתב העת "מדע וחיים", מועמד למדעי הפיזיקה והמתמטיקה E. LOZOVSKAYA.
מדע וחיים // איורים
מדע וחיים // איורים
מודל הטבילה (טבילה במים דרך סרט או בחליפת צלילה) מאפשר לך לדמות הרבה מהשפעות של חוסר משקל.
שריר הסולאוס, שנקרא כך בשל צורתו השטוחה, נושא בנטל העיקרי של שמירה על הגוף במצב זקוף.
נעל מיוחדת המדמה עומס תמיכה. הלחץ על כף הרגל מופעל על ידי אוויר דחוס הנשאב על ידי המדחס בקצב הליכה או ריצה.
אם העצם אינה תחת עומס תמיכה רגיל, עובי השכבות הספיגות רקמת עצםיורד.
המשיכה של כדור הארץ היא כל כך טבעית שאנחנו כמעט ולא שמים לב אליה. ואיך אפשר להבחין בכוח שפועל תמיד והוא כמעט קבוע בגודלו? למרות זאת, כוח הכבידה "נלקח בחשבון" כמעט בכל המערכות התפקודיות של הגוף, בכל הרמות, מהתאים ועד השלד. אבל כדי שאדם ישים לב סוף סוף לכוח הכבידה, נדרשה קפיצה לחלל, למקום שבו כוח הכבידה כמעט נעלם. כמובן, ז'ול ורן הציע חוסר משקל, וציולקובסקי הציע את הרעיון של תחנת מסלול, אבל עדיין, רק לאחר השיגורים הראשונים של בעלי חיים ובני אדם למסלול, אנשים בפעם הראשונה באמת הבינו כמה חזק התפקוד של אורגניזם חי תלוי בגודל כוחות הכבידה. עם תחילת עידן החלל התעוררה ביולוגיה גרביטציונית כמדע. בארצנו, מחקרים כאלה מרוכזים במכון לבעיות ביו-רפואיות של האקדמיה הרוסית למדעים.
טיול אבולוציוני, או רכישת פוקוס
החיים, כידוע, מקורם באוקיינוס, ובעלי החוליות הראשונים שאכלסו את עמוד המים היו במצב שניתן לכנותו פסאודו חוסר משקל. הגדרה מדויקת יותר למצבים אלו היא חוסר תמיכה. ואני חייב לומר שדגים ובעלי חוליות ימיים אחרים מותאמים מצוין לקיום בסביבה ללא תמיכה, יש להם מערכות מפותחות למדי של תנועה והתמצאות במרחב תלת מימדי. בעיות כבידה התעוררו עם שחרור בעלי חיים ביבשה. היה צורך לא רק לשמור על מיקומו של הגוף בחלל (אחרי הכל, אין עוד כוח ארכימדאי צף), אלא גם להסתובב, להשיג מזון. זחילת בטן או קפיצה אינה אמצעי התנועה הנוח ביותר, והיא זמינה רק לבעלי חיים קטנים יחסית. (אגב, בעלי החוליות הגדולים ביותר - לווייתנים - יכולים להתקיים רק באוקיינוס בשל הכוח הארכימדאי המפצה על כוח המשיכה.) ביבשה, בעלי חיים גדולים נאלצו להרים את גופם מעל פני הקרקע, ומאותו רגע כל החוקים של הפיזיולוגיה של הכבידה עבדה.
היינו צריכים מנגנונים להתנגד לכוח הכבידה, אז האבולוציה והכוחות שהניעו אותה בנו את גורם הכבידה כמעט בכל מערכת. החלה להיווצר לא רק מערכת שרירים ושלד מחוזקת עם גפיים מפותחות, המחזיקה את הגוף בחלל מעל פני הקרקע במנוחה ובתנועה, אלא גם מערכת לספק לכל חלקי הגוף חמצן וחומרי הזנה - משאבת לב רבת עוצמה המסוגלת להניע. דם עולה. וכאשר אבותיו של האדם עלו על רגליהם, זה הצריך גם מבנה מחדש של מנגנוני מערכת העצבים השולטים בתנועת הגפיים (המדען הצרפתי הצעיר ג'יי קורטן דיבר על כך בסימפוזיון).
ראה בחלל, למד על כדור הארץ
למרות שפיזיולוגיה של הכבידה קשורה קשר הדוק לחקר החלל, המדע הזה הוא ארצי למדי. הישגיה כבר מצאו (ועוד ימצאו!) יישומים ברפואה לטיפול במחלות של מערכת העצבים והמנגנון המוטורי. יתר על כן, הניסויים העיקריים בהשתתפות אנושית מבוצעים כעת לא בחלל, אלא בכדור הארץ. החלל מאפשר לנו לחשוף את תפקיד הכבידה, אך אינו מאפשר לנו ללמוד אותו נכון. אימון גופני, המסייעים לאסטרונאוטים לשרוד במסלול, מאפשרים לבצע ניסויים "נקיים". בנוסף, על כדור הארץ, ליד הנבדק, יש תמיד צוות של רופאים המוכנים לספק סיוע מיידי. על סיפון תחנת החלל המצב שונה, אין דרך לסכן את הבריאות והיעילות של הצוות.
באופן קפדני, חללית או לוויין במסלול קרוב לכדור הארץ אינם מספקים מצב של חוסר משקל מוחלט. כוח משיכה קטן עדיין קיים, ותנאים כאלה נקראים מיקרו כבידה. ניתן להשיג חוסר משקל אמיתי במכשיר שטס במהירות קבועה ואינו חווה הפרעות כבידה כלשהן מגרמי שמים אחרים. וטיסה במסלול סביב כוכב הלכת היא, למעשה, נפילה ארוכה וארוכה, עד לנחיתה עצמה. עם זאת, ההבדל הזה, החשוב מנקודת המבט של הפיזיקה, אינו משנה לפיזיולוגיה, והגוף תופס את המיקרו-כבידה כהיעדר מוחלט של כוח הכבידה.
על פני כדור הארץ ניתן לקבל את מצב חוסר המשקל בקפיצה לרוחק (לפני פתיחת המצנח) או במהלך טיסה של כלי טיס לאורך מסלול ירידה פרבולי. לא מעט ניסויים בטיסות פרבוליות מבוצעים על ידי מדענים אמריקאים, אבל מצב חוסר המשקל נמשך 40 שניות - זניח אפילו לסיבוב אחד של חללית סביב כדור הארץ.
הרבה יותר נוחים הם מודלים ניסיוניים המחקים חלק מההשפעות של כוח המשיכה המופחת. אחד הדגמים הנפלאים הללו, שהומצאו בארצנו עוד בשנת 1973, הוא טבילה, או טבילה יבשה. בריכת מים מכוסה בסרט עמיד למים הניתן בחופשיות, אדם שוכב על הסרט הזה, אך אינו בא במגע עם המים, המים נסגרים על האדם בסרט, וראש אחד בולט החוצה. מודל כזה פשוט מספק את עצם הביטחון שקיים באוקיינוס.
חקר השפעות הכבידה אינו מוגבל למיקרו-כבידה. לתוצאות חמורות, המתבטאות מיד, יש כוח משיכה יתר, או עומס יתר. מצבים כאלה מתעוררים, למשל, במהלך ההמראה והנחיתה של מטוסים וחלליות, אך הם מעוצבים ונלמדים באמצעות צנטריפוגה.
טונוס השרירים עוזר לכלי השיט
איך האורגניזם יודע ששדה הכבידה הוא זה, ולא אחר, שהוא קיים או שאינו קיים, שהכיוון שלו השתנה?
בבעלי חיים ובבני אדם, המערכת הרגישה לכבידה החשובה ביותר היא מערכת הלב וכלי הדם. דם נוטה לשקוע בהשפעת כוח הכבידה, אך מערכות מסוימות התפתחו בגוף כדי לנטרל גורם זה. כולל מערכת הברוררצפטורים המווסתת את לחץ הדם בפלג הגוף העליון, בעורקי הצוואר המספקים את המוח, שהוא חיוני. Baroreceptors הם תאים שקצות העצבים שלהם מגיבים ללחץ הדם. לדוגמה, אם הלחץ יורד, הם מפעילים את מערכת תחזוקת הלחץ. אבל אם ירידת הלחץ חדה מדי ולברוררצפטורים אין זמן לעבוד, מתרחש אובדן הכרה. מצב זה מוכר לרבים, אם לא כולם. אדם מתעורר בבוקר, קם - מסוחרר. מטופל השוכב כל הזמן במיטה והסתגל למצב אופקי מפתח אי ספיקה גרביטציונית, או אורתוסטטית: כל ניסיון לנקוט בעמדה אנכית ("אורתוסטזיס" בלטינית פירושו "עמידה זקופה") גורם לקשיים גדולים.
כדי להתמודד עם מצב זה, עליך להבין כיצד מאורגנת התחזוקה של התפקוד האורתוסטטי. בשנים האחרונות התברר כי בנוסף לקולטנים, קיים מנגנון חשוב נוסף לוויסות לחץ הדם - מה שנקרא משאבת השרירים. בעבר לא ניתנה לכך חשיבות רבה, שכן לוורידים שדרכם עולה הדם מהפלג התחתון ללב אין שכבת שרירים חלקה כמו העורקים, כלומר אין להם כמעט פעולת שאיבה משלהם. אז איך מתרחשת זרימת הדם? חברה מקבילה באקדמיה הרוסית למדעים אינסה בנדיקטוב בקוזלובסקיה העלתה השערה לגבי התפקיד טונוס שריריםבפעולה מערכת כלי הדם. בתנאים רגילים, אדם מותח כל הזמן את שרירי הגפיים, עיתונות הבטן. המשימה לשמור על הגוף ולנוע דורשת מהם טון קבוע. טונוס שרירים זה מאפשר לדחוף את הדם באופן מכני בלבד. אם הטון מופחת, דחיפת הדם מתדרדרת בחדות.
ממש לאחרונה, במחקרים משותפים רוסיים-צרפתיים על סיפון תחנת החלל הבינלאומית ובניסויים בטבילה, הוכח שבחוסר משקל (או בהדמיה שלו) ההתאמה, הרכות של הורידים גוברת. המועמד למדעי הרפואה G. Fomina ופרופסור O. L. Vinogradova דיווחו על נתונים אלה בסימפוזיון.
אנחנו מרגישים כוח משיכה... עם הסוליות
אז, שינויים כבידה בעבודה של מערכת הלב וכלי הדםקשור לטונוס השרירים, אך במה תלוי טונוס השרירים הזה? השריר האנושי הרגיש ביותר לכוח הכבידה הוא הסולאוס. הוא ממוקם על המשטח האחורי של הרגל התחתונה בעומק, מיד מעל גיד אכילס, ונסגר בשני ראשים. שריר התאומים. שריר הסולאוס לבדו "מושך" 70 ק"ג ממשקלו של אדם, וכשהוא רץ וקופץ - אפילו יותר. האמריקאים חישבו שהשריר הזה עומסים דינמייםחשבו על עד 10 משקלי גוף, כמובן, פעם אחת, ברגע הדחיפה.
בחוסר משקל או בניסויים המדמים אותו, הטונוס של שריר הסולאוס יורד בחדות. איך השריר יודע שרמת הכבידה השתנתה? כמובן, ישנם כמה אותות ממערכת העצבים, אבל ברקמת השריר עצמה, כנראה, ישנם חיישנים תאיים ומולקולריים. כעת המחקר שלהם רק החל, רעיונות לגבי ערוצים רגישים למכנו בקרום התא הופיעו, אך אזור זה עדיין נותר נקודה ריקה במדע.
אבל אפשר היה לחשוף את קיומו של איבר חישה חדש לגמרי. זה עדיין לא מופיע בספרי הלימוד, אבל פיזיולוגים כבידה כבר זיהו בקיומה של מערכת חושית חדשה המגיבה לשינויים בכוח המשיכה - מערכת תפיסת התמיכה. תפקידם של איברי החישה החדשים מבוצע על ידי כפות הרגליים, או ליתר דיוק, הקולטנים של רגישות עור עמוקה הממוקמים בהם - מה שנקרא גופים של Vater-Pacini. הם התגלו כבר במאה ה-19, אך תפקידם בתפיסת הכבידה התבסס רק לאחרונה. כמובן, אנו קולטים עם הסוליות לא את משקל הגוף, אלא את כוח התגובה של התמיכה, שווה למשקל בגודלו והפוך בכיוון, אבל זה לא משנה את המהות הפיזיולוגית.
עדיין לא ברור איך בדיוק פועלות גופות Vater-Pacini. מדענים מאמינים שההשפעה המכנית של כוח תגובת התמיכה מועברת דרך מערכת עצביםומשפיע על מצבם של תאים מסוימים עמוד שדרה- מוטונאורונים. כתוצאה מכך, בהתאם לכוח התגובה של התמיכה, המערכות השולטות בעבודתם של אותם שרירים התומכים ביציבה מופעלות או מכובות – זוהי מה שנקרא מערכת יציבה-טוניק. מערכת שרירים נוספת - תנועתיות - מספקת תנועות מהירות וחדות במרחב. אגב, יש שניים מערכות שרירים- גילוי הפיזיולוגיה של הכבידה, הקשור בשמה של I. B. Kozlovskaya. זוהי מערכת הטוניק שמתנגדת לכוח הכבידה.
מודל ניסיוני מועדף לחקר טונוס השרירים הוא טבילה, שנדון לעיל. הדגם הזה באמת מספק אבטחה. לפי חוקי ההידרוסטטיקה הלחץ זהה מכל הצדדים ולכן הגוף לא מרגיש לחץ. עם זאת, אם התמיכה היא חיקוי מלאכותי, אז טונוס השרירים יכול להישמר ברמה המתאימה גם בתנאי טבילה. לשם כך המציא המכון לבעיות ביו-רפואיות סימולטור ייחודי, שהוא נעל בעלת הנעה פניאומטית. אוויר, דחיסה, מפעיל לחץ תקופתי על כף הרגל, המדמה הליכה. באימון כזה, טונוס השרירים של הנבדקים לאחר שבעה ימים של טבילה במים נשאר תקין.
מדענים מנסים להבין כיצד מווסתת פעילות השרירים ברמה התאית. כיצד יודעת מערכת סינתזת חלבון סיבי השריר להפסיק לפעול? כיצד קולטת מערכת פירוק החלבונים את האות - תקיפה, הגברת פעילות? ברור שיש מערכת ש"מרגישה" האם השריר עובד או לא. מנגנון אפשרי אחד קשור ליוני סידן. לאחרונה נודע כי בזמן פריקה (וכמובן בהיעדר התכווצויות שרירים) רמת הסידן בסיבי השריר עולה. מעניין שאם עודף סידן נקשר, ניתן להימנע רבות מההשפעות השליליות של חוסר משקל. ב"ש שנקמן דיבר על הניסויים הראשונים הללו בקשירת סידן בסימפוזיון.
כוח משיכה, מלח ומים
העובדה שגוף האדם מורכב מ-70% מים ידועה מזמן, אך מים אלו, בהתאם למודל המקובל בפיזיולוגיה, ממוקמים במגזרים שונים: נוזל תוך תאי, נוזל חוץ תאי (זה כולל את נוזלי החללים - הבטן , חזה, מוחי) וכלי דם (דם). האבולוציה הבטיחה שלא רק ההרכב, אלא גם נפח נוזל הגוף נשמר קבוע, שכן הדבר מעניק לבני אדם ולבעלי חיים גדולים את החופש הגדול ביותר בהסתגלות לתנאי סביבה שונים.
כיצד מובטחת קביעות כזו של קומפוזיציה ונפח? בְּ אדם בריאהמנגנונים של ויסות פסיבי, המבוסס על חוקים פיזיקליים וכימיים, ובעזרת חומרים פעילים ביולוגית פועלים. כאשר משהו משתבש, מתרחשת בצקת או מתרחשת סוכרת אינספידוס, שבה הגוף אינו מסוגל לשמור על הנוזל שאתה שותה.
לפני שהאדם טס לחלל, מדענים לא חשדו שתפקיד השמירה על הרכב ונפח הנוזל תלוי בכוח הכבידה. אבל מסתבר שהגוף מגיב לירידה בכוח המשיכה במאמצים מכוונים להקטנת נפח הנוזל החוץ תאי. גם נפח הנוזל התוך-וסקולרי יורד. אם אדם היה צריך לבלות את שארית חייו על סיפון תחנת חלל, אז התגובה הזו צריכה להיקרא אדפטיבית: בחוסר משקל עם נפח נוזל מופחת, קל יותר לחיות ולעבוד. אך כאשר חוזרים לכדור הארץ לאחר טיסות ארוכות בחלל (יותר ממספר ימים), נוצר מצב בו הלב אינו יכול בדרך כלל לספק דם למוח. והנקודה היא לא רק ירידה בטונוס השרירים, אלא גם העובדה שלמערכת הלב וכלי הדם פשוט אין מספיק נפח דם כדי למלא את כל מיטת כלי הדם.
נראה שמספיק לתת לאדם משקה מים או תמיסה של מלחים, אבל הכל לא כל כך פשוט. למערכות הוויסות של חילוף החומרים במים-מלח לוקח זמן להיבנות מחדש, ובהתחלה הנוזלים בגוף לא משתהים. מרטינה Heer ממרכז קלן לפיזיולוגיה אווירית וחלל הציגה בסימפוזיון. לדבריה, לפי הנתונים שהתקבלו בטיסות של קוסמונאוטים גרמנים, בתנאים של חוסר משקל אמיתי בעור רקמות חיבורנתרן מתחיל להיות מושקע, אבל לא בצורה של יון, אלא בצורה הקשורה לחלבון. מנגנון דומה של "אחסון" של מינרלים קיים אצל יונקים שעומדים בתרדמת חורף. מדוע זה קורה אצל אסטרונאוטים עדיין לא ברור.
אוסטאופורוזיס בחלל וכיצד להילחם בה
לומד מערכת השלד- אחד הסעיפים החשובים ביותר בפיזיולוגיה של הכבידה. חוסר הלחץ על העצמות במיקרו-כבידה מוביל לירידה בצפיפות המינרלים בעצם, הדומה מאוד לאוסטאופורוזיס. העצמות מאבדות סידן בצורה לא אחידה. יותר מכל, הוא נשטף מאזורי העצם היוצרים את המפרקים, כלומר הם חווים את העומס הגדול ביותר בתנאים יבשתיים. IN גפיים תחתונותתהליך איבוד הסידן בולט יותר מאשר באלה העליונים, וסידן אפילו מושקע בגולגולת. כפי שהראו מחקריו של דוקטור למדעי הרפואה V. S. Oganov, תהליך החזרת צפיפות המינרלים הרגילה לוקח פי 2-3 יותר זמן מאשר נמשכת טיסה בחלל, ולאחר מסעות חלל ארוכות הוא נמתח במשך שנים.
מניעת אובדן סידן היא משימה דחופה, שכן האסטרונאוט, החוזר לכדור הארץ, חווה עומסי נחיתה. אם העצם איבדה כוח, עומס יתר עלול להוביל לשבר דחיסה של החוליות או אפילו לשבר בעצמות צינוריות.
כדי לחקור את התהליכים ברקמת העצם בניסויים יבשתיים, נעשה שימוש במודל עם עכברושים תלויים על הזנב. במקרה זה, החולדה מונחת על הרצפה עם כפותיה הקדמיות, אך האחוריות, כביכול, נמצאות במצב של חוסר משקל. בתנאים רגילים, עצמות השלד של החולדה גדלות עד לגיל מבוגר, וכאשר מושעה, גדילתן מעוכבת. גם תהליך השיפוץ - חידוש מתמיד של רקמת העצם - מאט. בניסויים שערך I.M. Larina, נמנע איבוד סידן בחולדות בעזרת איבנדרונט, תרופה שמאטה את ספיגת רקמת העצם. אולי בעתיד הקרוב תרופה זו תהיה חלק מערך העזרה הראשונה על הסיפון.
תאים אינם יוצאים מן הכלל
המחקרים הראשונים על תאים, שבוצעו לפני הטיסה לחלל האנושית, הניבו תוצאות סותרות. טכניקת המחקר לא הייתה מושלמת, המודלים לא עובדו, קרה שהתאים מתו, ואז החלו הספקנים לטעון שהקוסמוס סגור לבני אדם. אבל ככל שהציוד והדגמים הניסיוניים השתפרו, התברר שברמת הסלולר הכל לא כל כך מפחיד. תאים בחלל התרבו, ייצרו את החומרים הרגילים שלהם. במשך תקופה מסוימת רווחה הדעה שחוסר משקל אינו משפיע כלל על התאים, שהתא קטן מדי, אינו חש בכוח הכבידה, ורק ברמה הפיזיולוגית ניתן לתפוס השפעה כלשהי. ורק מחקר שנים האחרונותהראה בצורה משכנעת שמיקרו-כבידה עדיין משפיעה על תאים, אבל השפעתה אינה הרסנית, ואחת מנקודות היישום היא שלד הציטוס. אלמנטים מבניים של שלד הציטו - חוטי אקטין, שבדרך כלל ממלאים באופן שווה את נפח התא, מוזזים לקצוות. זה משנה את תפקודם של הקולטנים ותעלות היונים כאחד. התא, כביכול, מתאים את פעילותו החיונית לכוח המשיכה המופחת.
האם אפשר איכשהו להשתמש במיקרו-כבידה למטרות ביוטכנולוגיות? נדונים פרויקטים לגידול סחוס או רקמת עצם, אבל זה דורש ציוד שלא כל כך קל להציב בשטח המצומצם של תחנת חלל.
עד כה, ניסויים פשוטים יותר, אך לא פחות חשובים, עם תאי חיסון מתבצעים ב-ISS, עליהם דיבר L. B. Buravkova בסימפוזיון. מטרות המחקר היו מה שנקרא רוצחים טבעיים, המהווים 5-8% מכלל אוכלוסיית הלימפוציטים, המזהים ומשמידים תאי גידול, כמו גם תאים שנפגעו מהנגיף, ותאים עם חריגות. הניסויים הראשונים הראו שמיקרו-כבידה אינה מפרה את האינטראקציה הבין-תאית, אך פעילותם של רוצחים יכולה להשתנות. כעת החלו מדענים לחקור את השפעת המיקרו-כבידה על תאי גזע.
שיטות חלל בטיפול במחלות כדור הארץ
אחת המטרות של פיזיולוגיה כבידה היא להבין כיצד חוסר משקל משפיע על בריאותם של אסטרונאוטים ולסייע בפיתוח צעדי מנע. עם זאת, רבות מהתוצאות המתקבלות עשויות להיות מבוקשות בעיסוק ברפואה יבשתית.
תחום מחקר מבטיח מאוד הוא התנהגותם של אנזימי שריר במיופתיות. מחלות אלו הן קשות, ולעתים קרובות מובילות לכך תוצאה קטלנית V גיל צעיר. לדוגמה, עם מיודיסטרופיה של דושן, חולים חיים רק לעתים רחוקות עד גיל 20, וברוסיה נולדים 3 אנשים לכל 10,000 עם אבחנה זו.
באדם בריא, עם עומס שרירי אינטנסיבי, משתחררת לדם כמות משמעותית למדי של האנזים קריאטין פוספוקינאז מסיבי השריר. מדוע זה קורה עדיין לא לגמרי ברור, ככל הנראה, קרום תאי השריר הופך ל"דולף" תחת עומס. תופעה דומה, אך ללא גדולה פעילות גופניתנצפתה בחולים עם מיופתיה, בעוד שריכוז האנזים בדם גבוה אף יותר. אבל בחלל ובניסויים בטבילה, זרימת המולקולות של האנזים הזה לדם מופחתת בחדות. תוצאות אלו נותנות תקווה כי טבילה יכולה להפחית את ההשפעות המזיקות של גורמים המובילים למיאופתיה. במעבדה של ב.ש. שנקמן עדיין עורך מחקרים רלוונטיים בבעלי חיים.
חלק מהשיטות שפותחו במחלקה לפיזיולוגיה סנסומוטורית ומניעה, שבראשה עומד I. B. Kozlovskaya, כבר מוכנסות באופן פעיל למרפאה. בעזרת חליפות עומס מטופלים כעת ילדים שיתוק מוחי, שבץ מוחי, מחלת פרקינסון. השלב הבא הוא שימוש בתמיכה מלאכותית - אותה נעל פנאומטית, שכבר הוזכרה. זה נבדק במרפאת העצבים של האוניברסיטה הרוסית לרפואה.
חקר החלל מסייע לפתח שיטות חדשות לפעולה תרופתית על חילוף החומרים של מים-מלח, טיפול במצבים הקשורים להתייבשות.
איך לטוס למאדים
הדו"ח של מנהל המכון לבעיות ביו-רפואיות, האקדמאי AI Grigoriev, הוקדש לבעיות הפיזיולוגיות של הטיסה למאדים. ההצלחות של האסטרונאוטיקה בעשורים האחרונים הופכות פרויקט כזה לאמיתי למדי. הצטבר ניסיון בתמיכה ביו-רפואית במשלחות ארוכות טווח לתחנות מסלול וטיסות לירח, שבהן כוח הכבידה קטן בערך פי 6 מזה של כדור הארץ. ואחרי הירח, המטרה הטבעית הקרובה ביותר לחקר החלל היא מאדים. הודות לטיסות בלתי מאוישות, הידע שלנו על הכוכב האדום גדל באופן משמעותי.
מהם הקשיים העיקריים הממתינים לאדם במהלך טיסה כזו? משך המינימום המשוער של המשלחת הוא 500 ימים, כלומר שנה וחצי, והטיסה תתקיים במצב לא מקוון. אם תמיד ניתן לשלוח ספינה עם מזון ודלק נוספים לתחנה הממוקמת במסלול קרוב לכדור הארץ, אז במסע למרחקים ארוכים הצוות יצטרך להסתמך רק על כוחם. יש הרבה גורמים ש"יערערו" את הכוחות הללו: מתח עקב נאלץ להישאר במרחב מוגבל ובסביבה מלאכותית, קרינה קוסמית, חוסר הרגל שדה מגנטי. אבל מעל הכל - שינוי בשדה הכבידה. במהלך טיסה מאוישת למאדים, אדם ייתקל ברמות כבידה שונות. ראשית, מדובר בכוח יתר (עומס יתר) במהלך ההמראה והנחיתה. שנית, מיקרו-כבידה (חוסר משקל) במהלך טיסה בין-כוכבית ארוכה. שלישית, תת-כבידה על פני מאדים, שהיא 38% מכוח המשיכה של כדור הארץ.
עומסי יתר קשים לגוף: זהו לחץ עצום לשרירים, לעצמות, לכלי דם. גם חילוף החומרים משתנה: צריכת החמצן עולה, טמפרטורת הגוף יורדת, והקצב הצירקדי מופרע. למרבה המזל, עומסים כאלה הם לטווח קצר, וניתן להתכונן אליהם על ידי אימון על צנטריפוגות.
נראה שבהשוואה לעומס יתר, חוסר משקל אמור לספק תחושות נעימות יותר. אבל, כאמור לעיל, היעדר כוח המשיכה טומן בחובו השלכות לא נעימות על מגוון מערכות הגוף: ישנה חלוקה מחדש של נוזלים בגוף, התכווצות סיבי השריר וצפיפות המינרלים בעצם יורדת, והסיכון לשברים ו היווצרות אבנים בכליות עולה.
שינויים במדינה בטיסה לחלל מנגנון וסטיבולריו מערכות חישה. יש הפרעה בכל צורות תנועות הראייה. יתר על כן, מיקרו-כבידה משפיעה הן על המהירות והן על הדיוק של התגובה החזותית. אבל המשימה של אדם בטיסה ארוכה היא לא רק לעמוד בעומס, אלא גם לשמור על היכולת לבצע פעולות מפעיל מורכבות. לאחר טס למאדים, יהיה צורך להנחית מודול ירידה על פני כדור הארץ, ואז להתחיל. ובשביל עבודה מוצלחת על מאדים, יש צורך להסתגל במהירות לכוח המשיכה של מאדים לאחר שהייה ארוכה בחוסר משקל.
איך להתמודד עם בעיית ההשפעות השליליות של חוסר משקל בטיסה ארוכה? הדבר הראשון שעולה בראש הוא הרעיון של יצירת כוח משיכה מלאכותי. הרעיון של כוח משיכה מלאכותי שנוצר בעזרת סיבוב הועלה לראשונה על ידי ציולקובסקי. הוא יושם בלוויין המלאכותי Kosmos-936, שבו עפו חולדות. עם זאת, תוצאות המחקרים הראשונים מראות שכוח הכבידה המלאכותי אינו מסיר את כל הבעיות. כעת מתבצע פרויקט בינלאומי לחקר ההשפעות הפיזיולוגיות של כוח הכבידה המלאכותי, בו משתתפות רוסיה, גרמניה וארצות הברית.
הניסיון של תחנות מסלול מראה שמבטיח יותר להשתמש במתחם הסימולטור המשולב, הפועל על פי העיקרון מָשׁוֹבוקובע אוטומטית את העומס הנדרש על ידי האסטרונאוט.
בכל מקרה, אם שולחים אדם למאדים, יש לעשות הכל כדי שיחזור ויחזור בריא.
הרהורים לאחר הסימפוזיון
לסימפוזיון על פיזיולוגיה כבידה יש היסטוריה משלהם. באמצע שנות ה-70 התכנסו ארבעה מדענים בולטים: האמריקאים ארתור סמית' ונלו פייס, השבדית הילדינג ביורסטדט ואולג ג'ורג'יביץ' גזנקו, באותה תקופה מנהל המכון לבעיות ביו-רפואיות, והקימו את מה שמכונה ועדת הכבידה, או ליתר דיוק, האיחוד הבינלאומי לפיזיולוגיה של הכבידה מדעי הפיזיולוגיה. מישיבות ועדה זו החלו פגישות קבועות של מומחים החוקרים את השפעת כוח הכבידה על יצורים חיים, המתקיימים באווירה של תקשורת לא רשמית וידידותית.
"כולנו מכירים כבר הרבה זמן, וכל מפגש כזה הוא חג", אומר ב"ש שנקמן, מזכיר הוועדה המארגנת. "יש צורך בסימפוזיאונים כאלה כדי ללמד ברמה בינלאומית. בתעשיית החלל, כמעט כל הניסויים הם בינלאומיים. ולמרבה הצער, למדע שלנו כאן יש אותן בעיות כמו למדינה כולה. אנו מבצעים ניסויים טובים ומעניינים, והטכנולוגיות האנליטיות המשובחות (כולל ציוד יקר) המאפשרות לנו לחקור מנגנונים ביולוגיים תאיים ומולקולריים נמצאות לרוב רק בבעלות עמיתינו המערביים. במילים אחרות, קל לנו לשגר חולדה לחלל, אבל כבר הרבה יותר קשה לחקור את הגנים שלה. אף על פי כן, תחום המדע שלנו יוצא מפריצת דרך. מכשירים חדשים מופיעים במעבדות. יותר ויותר עובדים צעירים חוזרים מחו"ל לאחר התמחות ארוכה חמושים בהישגים המתודולוגיים האחרונים. ותרשו לי להביע מחשבה ממרידה: אולי זה הכרחי עוד כסףלהשקיע בניסויים בסיסיים משובחים, בציוד ניסיוני חדש. למרבה הצער, לא כולם מבינים שביצוע פיתוחים מעשיים ללא תמיכה מדעית בסיסית פירושו רק חזרה לשיטה הקודמת של "ניסוי וטעייה" (שבסופו של דבר תעלה לחברה הרבה יותר). אין לצפות לתחושות יומיומיות מהמדע, אין לדרוש ממנו ניסים רגעיים. כפי שמראה חוויה היסטורית, השקעות במדע תמיד משתלמות, אבל לא תמיד - מיד.
העורכים מבקשים להודות לדוקטור למדעי הביולוגיה ב"ש שנקמן, דוקטור למדעי הרפואה י"מ לרינה ודוקטור למדעי הרפואה ל"ב בורבקובה על עזרתם בהכנת החומר.
בצורת גלי כבידה מרחפת כיום במוחם של אנשים רבים. כולנו חווים כוח משיכה. קפוץ למעלה ותחזור לקרקע. לרוע המזל לכל מי שרוצה להפוך לעל אנושי. אבל מה אם נכבה את כוח המשיכה? אם יום אחד ייעלם כוח הכבידה, טיסה לחלל תהיה הפחות משתי רעות. פיזיקאים בטוחים שזה לעולם לא יקרה. אבל מה מונע מאיתנו לעשות ניסויי מחשבה? ומה חושבים מומחים על היעלמותה הפתאומית של כוח המשיכה?
ג'יי באקי, רופא ואסטרונאוט של נאס"א, דיבר על האופן שבו היעדר כוח המשיכה משפיע על גוף האדם. הגוף שלנו מותאם לתנאי הכבידה של כדור הארץ. אם אנו חיים לזמן מה שבו כוח המשיכה שונה (למשל, על סיפון תחנת חלל), הגוף שלנו משתנה.
זה כבר לא סוד לאף אחד שהתהילה של האסטרונאוט מעט מאפילה על ידי עובדת איבוד מסת העצם וחוזק השרירים במהלך שהותו בחלל, וגם תחושת האיזון משתנה.
חוסר כוח המשיכה גורם לבעיות. מסיבות שאינן ברורות לחלוטין, מספר תאי הדם האדומים יורד, וכתוצאה מכך נוצרת צורה מיוחדת של "אנמיה בחלל". לפצעים לוקח יותר זמן להחלים, מערכת החיסון מאבדת כוח. אפילו השינה מופרעת על ידי היעדר או היחלשות של כוח המשיכה.
זה בדיוק מה שקורה אחרי ביקור קצר בחלל. "מה היה קורה אם נגדל ללא כוח הכבידה? שואל בוקי. "מה לגבי מערכות התלויות בכוח הכבידה, כמו שרירים, שיווי משקל, לב, כלי דם?"
יש סיבות טובות להאמין שגוף האדם יתפתח אחרת.
בוקי נותן דוגמה לניסוי שבו חתול גדל כשעין אחת מכוסה באופן קבוע בתחבושת. כתוצאה מכך היא התעוורה בעין אחת. המעגל שמקשר בין העין למוח פשוט לא יכול היה להתפתח כי העין לא עיבדה שום מידע חזותי. כמו שאומרים, אם הם גנבו את זה, זה אומר שהם לא נראו טוב, אז זה לא הכרחי.
בהחלט ייתכן שחלקים אחרים בגופנו יתפתחו בצורה דומה. אם כוח המשיכה לא ישפיע על הלב, השרירים והעצמות שלנו, האיברים שלנו יתפתחו אחרת. מסתבר שללא כוח המשיכה, נצטרך לחשוב על התוכניות ארוכות הטווח לפיתוח האנושות.
קארן מאסטרס, אסטרונומית מאוניברסיטת פורטסמות' בבריטניה, חוקרת את ההשפעות הפיזיות המיידיות של אובדן כוח הכבידה. הבעיה הראשונה היא שכדור הארץ מסתובב במהירות גבוהה, כמו משקולת על חוט דיג שאתה מסובב מעל ראשך.
"כיבוי כוח המשיכה יהיה כמו לשבור חוט דיג", כותב מאסטרס. "דברים שאינם מחוברים לכדור הארץ יעופו החוצה לחלל בקו ישר."
מי שיתמזל מזלו להיות בחוץ ברגע זה יאבד לנצח. לאנשים בתוך מבנים יהיה מזל טוב יותר, שכן מבנים נטועים היטב באדמה ויכולים לעמוד גם ללא כוח משיכה - לפחות לזמן מה.
האטמוספרה של כדור הארץ והאוקיינוסים, הנהרות והאגמים שלו יהיו הראשונים לצאת לחלל. וכמובן, כולנו מתים. היעדר כוח המשיכה יגנה גם את הפלנטה שלנו. כדור הארץ עצמו יתפרק וירחף לחלל. גורל דומה יחול על השמש. ללא כוח המשיכה שיחזיק אותו יחד, הליבה פשוט תתפוצץ תחת לחץ.
דבר דומה יקרה לכל הכוכבים ביקום. אבל מכיוון שהם רחוקים, יעברו שנים עד שהאור יודיע על מותם הפתאומי. בסופו של דבר, לא יישארו רסיסי חומר, לא כוכבים, לא כוכבי לכת, כלום. זה פשוט יהיה מרק מפוזר של אטומים ומולקולות שייסחפו מסביב.
התרחיש הזה - שאגב, רק כדי שתזכרו, לעולם לא יקרה - ממחיש עד כמה כוח הכבידה קובע כיצד היקום פועל. זהו אחד מארבעת הכוחות הבסיסיים השולטים ביקום. גם שלושת האחרים חשובים. ללא אלקטרומגנטיות, אינטראקציות חזקות וחלשות, אטומים היו מתרחקים. אבל כוח המשיכה הוא עדיין המעניין שבהם - אחרת לא היינו מקבלים כל כך השראה ממחשבות על אנטי-כבידה.