Космическая биология и медицина

Именно исходя из необходимости ограничить социально значимые последствия при воздействиях космической радиации, как, например, снижение работоспособности и сокращение продолжительности жизни человека, разработаны «Временные нормы радиационной безопасности космических полетов» – ВНРБ-75. Эти нормативы утверждены Министерством здравоохранения СССР и определяют требования к обеспечению радиационной безопасности как при проектировании защиты, так и при осуществлении космических полетов длительностью до одного года.

Нельзя не отметить большого значения этого документа для  развития отечественной космонавтики и космической медицины. Создатели  космических кораблей и пилотируемых орбитальных станций получают практические ориентиры – нормативные уровни радиационного воздействия в  зависимости от длительности пребывания человека в космическом пространстве. Для космической медицины появляется возможность интеграции отдельных  систем жизнеобеспечения и безопасности полета в единый комплекс медицинского обеспечения.

Следует также подчеркнуть, что в утвержденных нормативах воплощен обобщенный опыт обеспечения радиационной безопасности космических полетов, накопленный как в нашей стране, так и в США. При разработке этих нормативов использовались клинические материалы по радиационным воздействиям в профессиональных условиях, при клиническом применении лучевой терапии, результаты комплексных экспериментов и исследований биологического действия протонов и многозарядных ионов на ускорителях заряженных частиц, данные радиобиологических космических исследований, а также рекомендации Международной комиссии по радиационной защите и нормативы радиационной безопасности, применяемые в СССР.

ВНРБ-75 распространяются на все радиационные факторы, которые  в условиях космического полета могут  воздействовать на экипаж пилотируемого  летательного аппарата любого назначения. Среди наиболее важных положений  этого документа можно отметить следующее. «Нормативный уровень радиации – величина суммарного эквивалента  дозы радиации за время космического полета, которая в свете современных  представлений не приводит к существенному  для выполнения программы полета снижению работоспособности участников космического полета и к появлению  неблагоприятных последствий после  его завершения».

Общие принципы, положенные в основу ВНРБ-75, таковы:

космические полеты человека относятся к виду деятельности с  высоким общим уровнем риска;

космические полеты осуществляются в условиях возможного неблагоприятного воздействия многих факторов, включая  радиацию;

успешное осуществление  программы космического полета определяется условием сохранения работоспособности  экипажа в заданных пределах;

система обеспечения безопасности предназначена для сохранения здоровья и жизни участников космических  полетов и ограничения риска  неблагоприятных последствий;

с учетом общего количества участников космических полетов  в предстоящий период генетические эффекты действия радиации практически  исключаются.

Исходные радиобиологические предпосылки, использованные при разработке ВНРБ-75, заключаются в следующем. Во-первых, при суммарной дозе стандартного облучения, составляющей 70 – 100 рад, и  мощности дозы не более 20 рад в год не достигаются дозы, обусловливающие формирование клинически выраженных проявлений лучевого заболевания даже со стороны наиболее поражаемых органов /и систем. Во-вторых, при суммарных дозах стандартного облучения порядка 100 – 150 рад и мощности дозы облучения 20 – 50 рад в год могут возникать у некоторых людей (20 – 30%) «стертые» проявления заболевания. Сроки формирования подобного синдрома затягиваются до 2 – 5 лет от начала облучения (симптомы лучевого повреждения выражены слабо). В-третьих, при суммарных дозах стандартного облучения более 150 – 400 рад и мощности дозы облучения больше 100 рад в год у 80 – 90% людей развивается клинический синдром хронической лучевой болезни с вовлечением в реакцию большинства органов и систем. Формирование синдрома происходит в первые 1 – 2 года. Нарушения, требующие госпитализации по клиническим показаниям, очень ограничены и встречаются в единичных случаях.

Главную часть ВНРБ-75 составляют нормативные уровни радиации при  космических полетах. Для проектных  расчетов защиты экипажей космических  кораблей и пилотируемых орбитальных  станций установлены следующие  нормативные уровни радиации (НУР) в  зависимости от длительности космического полета (Т):

Эти значения относятся к  равномерному общему облучению всего  тела и к воздействию на костный  мозг. В расчетах защиты эффективную  глубину залегания костного мозга  принимают равной 5 см ткани. В случае неравномерного облучения тела используются следующие множители: кожа – 3, хрусталик  глаза – 1,5 и гонады – 0,5. Для того чтобы получить нормативные уровни радиации при расчетах защиты в общем  случае неравномерного облучения тела, нужно значения НУР, приведенные  в таблице, умножить на эти множители.

Расчет защиты проводится так, чтобы радиационное воздействие  на любой из указанных органов  не превышало соответствующего значения НУР. Например, защита экипажа от радиации при длительности его пребывания в космосе 3 месяца должна быть такой, чтобы радиационное воздействие  на все тело (равномерное облучение) не превышало 80, на костный мозг – 80 да кожу – 240, хрусталик глаза – 120 и гонады – 40 бэр. Таким образом, доза облучения первого основного  экипажа станции «Салют-6» не превышает  примерно 1/27 НУР для полетов такой  длительности.

Наряду с ограничением уровня радиационного воздействия  на экипаж за время полета в ВНРБ-75 содержатся и требования к надежности защиты от радиации при космических  полетах. При этом надежность защиты пилотируемого летательного аппарата определена как «вероятность непревышения нормативного уровня радиации в условиях данного полета». Хотя требования к надежности защиты от радиации при космических полетах устанавливаются в зависимости от назначения пилотируемого летательного аппарата, однако во всех случаях надежность защиты должна быть не ниже 0,99 при доверительной вероятности 0,90. Это означает, что, например, при длительности полета в один год риск превышения нормативного уровня радиации, составляющего не более 150 бэр за такой полет, не должен превышать 1% при «риске заказчика» 10%.

Неопределенность в исходных данных при расчетах защиты, а также  неопределенности, связанные с условиями  эксплуатации данного летательного аппарата и т. п., выражаются величиной  «риска заказчика» – вероятностью реализации (во время данного космического полета) таких ситуаций, при которых  надежность защиты от радиации оказывается  ниже требуемого уровня, или соответствующим  значением доверительной вероятности.

Использование в качестве критерия не только значения дозы облучения, но и вероятности ее превышения позволяет  создателям космического корабля правильнее распределять ограниченные весовые  ресурсы на отдельные системы  корабля и учитывать не только средние характеристики радиационной обстановки на трассе, но и вероятные  отклонения от этих средних величин. Такой подход позволяет оптимизировать распределение ресурсов корабля  и определять целесообразность весовых  затрат на повышение надежности радиационной защиты.

При таком подходе создание защиты экипажей космических кораблей от ионизирующей радиации становиться  в один ряд с другими техническими проблемами обеспечения жизнедеятельности  человека в космосе, успешное решение  которых зависит в конечном итоге  от выделенного весового ресурса. В  целом же в пре делах указанной  длительности полета современный уровень  ракетной техники, космонавтики, космической  медицины и технической физики обеспечивает успешное решение проблемы радиационной безопасности экипажей космических  кораблей.

Генетика и  космос

Н. П. ДУБИНИН,

академик АН СССР

Полеты в космос по праву  относятся к величайшим завоеваниям  человечества. Они начаты учеными, техниками  и рабочими нашего государства. Среди  задач вставших перед проблемами космоплавания, имеются вопросы из области биологии и генетики. Не преувеличивая, можно сказать, что от решения вопросов биологии и генетики зависит проникновение человека во Вселенную.

Уже основоположнику космонавтики Константину Эдуардовичу Циолковскому было ясно, что кроме технических  задач, связанных с осуществлением мечты человека о полетах к  другим мирам, необходимо решить целый  ряд как медицинских, так и  биологических проблем. Человек  в космическом полете сталкивается с влиянием факторов, не типичных для  условий Земли, таких, как перегрузки, вибрация, космическая радиация, электростатические и электромагнитные поля. Кроме того, на космическом корабле ему приходится жить и работать в условиях невесомости, т. е. в условиях, качественно отличных от тех, что имеются на Земле.

Участвуя в работе Всесоюзной конференции по изучению стратосферы  в 1964 г., С. П. Королев ратовал за развитие биологических исследований в космосе. При организации полетов С. П. Королев всегда находил место  на кораблях для биологических объектов, и создание специальных биологических  искусственных спутников проходило  под его наблюдением. Незадолго  до кончины С. П. Королева автор этих строк беседовал с ним о  проблеме космической биологии и  генетики. Главный конструктор живо интересовался этими вопросами  и предсказывал им большое будущее.

Значение космических  исследований по биологии и генетике действительно очень велико. Необходимо выяснить, как влияют факторы космического полета на живой организм, на все  его системы, а также на структуру  и функционирование клетки. Клетки человека и других существ содержат генетическую информацию в виде молекул  ДНК, локализованных в хромосомах. От полноценности функционирования генетической информации в клетках человека зависит  его здоровье. При поражении ДНК  в зародышевых клетках будет  рождаться уродливое потомство. Это и определяет значение материалов по космической генетике, ибо данная наука изучает влияние факторов космического полета на наследственный аппарат в клетках.

Первая попытка послать  живые организмы в космос принадлежит  советскому ученому Г. Г. Фризену. В 1935 г. сотрудник Отдела общей генетики Института экспериментальной биологии в Москве Г. Г. Фризен послал в стратосферу самцов дрозофилы (линии Нальчик) на стратостате «СССР-1-бис». Я хорошо помню все обстоятельства этого опыта. Линия дрозофилы Нальчик была выведена автором этих строк во время экспедиционных работ по генетике популяций дрозофилы, и Г. Г. Фризен советовался с ним по вопросам постановки и проведения опыта. Позже мы все были огорчены, убедившись, что полет на стратостате не привел к появлению генетических эффектов у особей дрозофилы, испытавших влияние условий стратосферы. Позже, в том же году, американские исследователи послали в стратосферу дрозофилы и споры грибов на аэростате «Эксплорер-2». Этот эксперимент также показал, что кратковременное пребывание в стратосфере живых организмов не привело к индукции у них генетических изменений. С этих опытов начался первый этап космических биологических исследований, которые продолжались вплоть до 1960 г,

В США наряду с воздушными шарами использовались ракеты «У-2»  и «Аэроби», достигшие высот 85.– 155 км (с пребыванием в стратосфере около 30 мин). Посылались дрозофилы, мучнистые хрущи, нейроспора, клетки дрожжей, семена кукурузы, горчицы, ячменя, луковицы лука, а также яйцеклетки и сперма морского ежа, яйца карликовой креветки, мыши и обезьяны. Все эти опыты дали отрицательный результат. Исключением стали данные по депигментации черных волос на коже мышей, а также гибель яиц карликовой креветки. В этих случаях был обнаружен очень своеобразный биологический эффект. Так, в случае с яйцами карликовой креветки было показано на основании анализа фотоэмульсионного слоя, что гибель яиц явилась следствием прямого попадания тяжелых частиц.

Современный этап исследований по космической генетике начался  с 1960 г. и был обусловлен появлением первых советских искусственных  спутников Земли. С тех пор  прошло около 20 лет, именно в это  время оформились новые научные  дисциплины – космическая биология и космическая генетика. Историю  космических исследований можно  разделить на два периода. Первый проходил в течение 1960 – 1971 гг., и  начался с полета 2-го космического корабля-спутника. На его борту находились дрозофилы и другие объекты, генетический анализ которых проводился в лаборатории  радиационной генетики Института биофизики  АН СССР, а затем и в лаборатории  космической генетики Института  общей генетики АН СССР.

В течение первого периода  осуществлялся поиск соответствующих  биологических объектов, а также  методов исследования, пригодных  для опытов в специфических условиях космоса. Важнейшей научно-практической задачей стала биологическая  индикация околоземных трасс  космических полетов, т. е. оценка возможной  опасности воздействия космических  условий на космонавтов. Генетические методы должны были дать ответ на вопрос, доступны ли условия пребывания в  космосе для людей в отношении  их безопасности на клеточном уровне и на уровне молекул ДНК. Проведенные  эксперименты дали положительный результат, на основании которого космическая  генетика взяла на себя ответственность  за то, что генетический код человека и биосинтез на клеточном уровне во время полетов кораблей (по околоземным  орбитам) не испытывают поражений при  небольшой длительности (до трех месяцев) полета.

Исследования по космической  генетике проводились на пилотируемых и автоматических космических летательных  аппаратах, имеющих разные параметры  орбит (орбитальные полеты, полеты по трассе Земля – Луна – Земля) и разную продолжительность полета – от нескольких часов до нескольких месяцев. Большое значение имело  то, что в Советском Союзе, начиная  с 1960 г., появились специализированные биологические спутники. Это касается 2-го и 4-го космических кораблей-спутников. Затем в СССР были запущены специализированные биологические спутники «Космос-110, -605, -782, -936». В США удачные эксперименты были проведены на спутнике «Биос-2». Предполагается, что дальнейшее развитие биологических исследований в США  будет осуществляться с помощью  многоразового космического корабля.