Научно-техническое обоснование космического эксперимента


Научно-техническое обоснование космического эксперимента «Механизмы
действия и эффективность различных методов профилактики нарушений в
деятельности двигательной системы космонавта в длительных космических полетах»
Шифр эксперимента – «Профилактика-2»
1. Сущность исследуемой проблемы. Краткая история и состояние вопроса
Цель КЭ состоит в исследовании механизмов действия и эффективности различных
режимов физической нагрузки (ФН) в условиях длительных КП на состояние общей и
физической работоспособности космонавтов.
В настоящий момент в длительных КП на борту МКС используется российская система
профилактических мероприятий, включающая в качестве основного элемента – ФТ.
Эффективность физических тренировок убедительно доказана ранее в длительных
космических полетах (Григорьев, Дитлайн, Козловская, Соуин, 2001; Козловская, Степанцов,
Егоров, 2001). Бортовая документация строго регламентирует режимы ФУ. Практически же
каждый космонавт модифицирует рекомендованную систему в соответствии с текущим
уровнем физической работоспособности, самочувствием и приобретенным опытом
предыдущих КП. Ситуация на МКС осложняется наличием двух существенно
различающихся подходов к ФТ ― российским и американским. Американская система
профилактики базируется на силовых ФТ, тогда как в российской системе профилактике
ключевая роль отводится интервальным локомоторным тренировкам. Была показана
эффективность локомоторных тренировок в предотвращении потерь мышечной массы
(Trappe et al., 2009; 2010). Эксперимент «Профилактика», проводимый на борту МКС с 2002
по 2008 годы, показал, что интенсивные интервальные тренировки по бортовой
документации, характеризующиеся аэробно-анаэробным механизмом энергообеспечения,
позволяют сохранить физическую работоспособность на достаточном уровне и нивелируют
обусловленные действием гипогравитации негативные изменения в различных звеньях
двигательной системы. Тогда как у космонавтов, тренирующихся непрерывным методом с
аэробным характером энергообеспечения (типа jogging'а), наблюдается значительное
снижение работоспособности и уровня здоровья. Предположительно, улучшение
работоспособности в результате интервальных тренировок обусловлено реакцией опоры,
проявляющейся в усилении афферентного потока со стороны проприорецепторов стопы
(Kozlovskaya et al., 2011).
В многочисленных модельных экспериментах была показана значительная роль
опорной афферентации в поддержании свойств двигательной системы (Grigoriev,
Kozlovskaya, Stepantsov, 1995; Kozlovskaya et al., 2002; Григорьев с соавт., 2004). Согласно
результатам этих исследований опорная афферентация является триггером активности
тонической мышечной системы, и ее устранение в условиях невесомости запускает широкий
спектр изменений в деятельности и состоянии различных двигательных механизмов и
структур. Одной из задач эксперимента «Профилактика-2» является оценка влияния
компенсатора опорной разгрузки на состояние общей и физической работоспособности
членов экипажа. В модельных наземных экспериментах было показано, что механическая
стимуляция опорных зон стоп позволяет предупредить снижение поперечной жесткости,
изменение электромиографической активности мышц голени (Миллер, Козловская, 2010),
ухудшение сократительных свойств мышечных фибрилл (Shenkman et al., 2004;
Khusnutdinova, Netreba, Kozlovskaya, 2004).
Отбор наиболее эффективных режимов ФТ требует накопления данных о
физиологической, электромиографической и энергетической «стоимости» различных ФН в
условиях микрогравитации. Как показали результаты эксперимента «Профилактика»,
система тестов, использующаяся на борту в настоящее время, позволяет на основе данных о
физиологической и эргометрической стоимости оценивать в определенных пределах
состояние работоспособности космонавтов и эффективность выполняемых космонавтом ФН.
Однако, с учетом вышесказанного о разнообразии применяемых космонавтами применяемых
режимов и необходимости точного определения эффективности этих режимов в
эксперименте «Профилактика-2» в протокол тестов оценки эффективности вводятся анализ
электромиограммы и характеристика газообмена.
Введение
дополнительных
тестовых
показателей,
отражающих
характер
энергообеспечения и состояние двигательной системы при выполнении ФН на борту,
позволит улучшить информативность и надежность мониторинга физической
работоспособности космонавтов. Впервые попытка использования метода газоанализа для
оценки энергетической «стоимости» ФН в условиях КП была предпринята в эксперименте
«Профилактика». Неисправность газоанализатора, связанная с выходом из строя датчика
кислорода, не позволила, однако, получить весь объем показателей газоанализа и, как
следствие, не позволила полностью выяснить механизм энергообеспечения при выполнении
ФН в условиях КП.
В эксперименте «Профилактика-2» будет использован новый
отечественный газоанализатор, разрабатываемый в настоящее время, который качественно
отличается от использованного ранее в эксперименте «Профилактика».
2. Необходимость проведения КЭ в условиях космического пространства в
составе РС МКС
Исследование механизмов действия и эффективности различных режимов физической
нагрузки на первом этапе было проведено в модельных экспериментах. Следующим этапом
должна явиться оценка эффективности различных режимов физической нагрузки в условиях
длительного воздействия комплекса факторов космического полета.
3. Описание КЭ
3.1. Порядок проведения КЭ
КЭ состоит из двух частей — экспериментально-тренировочной и тестовой. Схема
эксперимента подробно изложена в п. 2.3.4 основной части ТЗ.
3.2. Принципиальные требования к условиям выполнения КЭ – см. выше (п. 2.5.).
4. Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными
отечественными и зарубежными исследованиями
До настоящего времени в научной литературе данные об энергетической и
миографической стоимости различных видов ФН в условиях КП весьма ограничены, что не
позволяет корректно оценить эффективность различных видов ФН.
5. Ожидаемые научные и технические результаты и их предполагаемое
использование.
В ходе эксперимента предполагается получить данные о физиологической,
электромиографической и биоэнергетической «стоимости» ФН, на основании анализа
которых может быть уверенно оценена эффективность различных режимов ФТ в
поддержании физической работоспособности и здоровья космонавтов.
Полученные результаты составят научную базу совершенствования рабочих и
профилактических режимов ФН на борту МКС. Важным элементом эксперимента явятся
также возможности эффективности использования КОРа в качестве пассивного средства
профилактики в длительных космических полетах. Результаты эксперимента будут
направлены на совершенствование системы профилактики применительно к
сверхдлительным межпланетным полетам.
6. Обоснование
характеристиками.
технической
возможности
создания
НА
с
заданными
На данном этапе разработаны КОР-01-Н, комплекс «Миограф». Бегущая дорожка БД-2,
газоанализатор «Метабол» находятся на стадии разработки.
7. Характеристики рисков и дискомфорта для экипажа, связанных с КЭ.
КЭ безопасен для экипажа и его проведение не связано с какими-либо рисками и
дискомфортом для экипажа.
Список цитируемой литературы
1.
Григорьев А.И., Дитлайн Л.Ф., Козловская И.Б., Соуин Ч.Ф.,
Профилактические мероприятия в кратковременных и длительных полетах // Космическая
биология и медицина. Т. 4. Здоровье, работоспособность, безопасность космических
экипажей. Совместное российско-американское издание. М., 2001. С. 252 – 310.
2.
Козловская И.Б., Степанцов В.И., Егоров АД. Физические тренировки в
длительных полетах // Орбитальная станция «Мир». М., 2001. Т.1. С. 393 -414.
3.
Trappe S., Costill D., Gallagher P., Creer A., Peters J.R., Evans H., Riley D.A., Fitts
R.H. Exercise in space: human skeletal muscle after 6 month abroad the International Space Station
// Applied Physiology, 2009. P.11159-1168.
4.
Trappe S., Costill D., Gallagher P., Creer A., Peters J.R., Evans H., Riley D.A., Fitts
R.H. // Avaition, Space, and Environmental Medicine, 2010. Р. 1050 – 1052.
5.
Kozlovskaya I.B., Oganov V.S., Khusnutdinova D.R., Shpakov A.V., Faletenok
M.V., Fomina E.V. Study of efficacy of interval and aerobic locomotor exercises to counteract the
negative effects of weightlessness // «Integration and Cooperation in the Next Golden Age of
Human Space Flight». 18 th IAA Humans in Space Symposium. Houston, 2011. P. 2197.
6.
Grigoriev A.I., Kozlovskaya I.B., Stepantsov V.I. Countermeasures of the negative
effects of the weightlessness on physiological systems in long-term flights //Acta Astronautica,
1995. -Vol. 36. № 8-9. P. 661-688.
7.
Vinogradova O.L., Popov D.V., Saenko I.V., Kozlovskaya I.B. Muscle transverse
stiffness and venous compliance under conditions of stimulated supportlessness // Journal of
Gravitational Physiology, 2002. Vol. 9 (1). P. 327-329.
8.
Григорьев А.И., Козловская И.Б., Шенкман Б.С. Роль опорной афферентации в
организации тонической мышечной системы // Российский физиологический журнал им.
И.М. Сеченова, 2004. Т. 90. № 5. 508-521.
9.
Миллер Т.Ф., Саенко И.В., Попов Д.В., Виноградова О.Л., Козловская И.Б.
Влияние безопорности и стимуляции опорных зон стоп на характеристики поперечной
жесткости и электромиограммы покоя мышц голени // Авиакосмическая и экологическая
медицина. М., 2010. Т. 44. № 6. С. 13-17.
10.
Shehkman B.S., Podlubnaya Z.A., Vikhlyantsev I.M., Litvinova K.S., Udaltsov S.N.,
Nemirovskaya T.L., Lemesheva Yu.S., Mukhina A.M., Kozlovskaya I.B. Contractile characteristics
and sarcomeric cytoskeletal proteins of human soleus fibers in muscle unloading: role of
mechanical stimulation from the support surface // Biophysics, 2004. Vol. 49. № 5. P. 807-815.
11.
Khusnutdinova D., Netreba A., Kozlovskaya I.B. Mechanical stimulation of the soles
support zones as a countermeasure of the contractile properties decline under microgravity
conditions // Journal of Gravitational Physiology, 2004. Vol. 11 (2). P. 141-142.