Вот перед вами знакомая фотография 1959 г.: собаки Отважная, Малек и посередине еще один пассажир ракеты — кролик.
При полете в ракете кролика впервые были получены документальные снимки, наглядно раскрывающие процессы, происходящие в глазной мышце кролика при исчезновении веса.
Это очень большая удача для исследования, когда ученый сумеет из комплекса сложных явлений вычленить простое и в этом явлении отчетливо показать и зафиксировать те изменения, которые вызваны определенными воздействиями. Так и произошло с влиянием состояния невесомости на тонус мышц.
Возьмем обычного кролика, привяжем его к специальному лотку так, чтобы он не мог двигаться, главное внимание при этом надо обратить на надежную фиксацию головы. Привязанный кролик покорно лежит и смотрит спокойно.
Вот мы поворачиваем его вместе с лотком на бок и видим, как глазное яблоко кролика отклоняется, поворачивается внизу. Это — явление, общее для всех животных. Поворот кролика на правый бок изменяет нервную импульсацию, идущую из отолитового аппарата, расположенного во внутреннем ухе, вызывает рефлекторное изменение тонуса глазных мышц.
Козявка в скафандре, без шлема
Малек, Отважная и крольчиха
Тонус мышц легче всего представить себе как напряжение мышц без изменения их длины и диаметра сечения. Его роль заключается в поддержании того благоприятного фона, который нужен для работы мышцы. При изменении тонуса соответствующих мышц глаза глазное яблоко перемещается вверх, в другом случае оно, наоборот, двигается вниз.
Это явление биологически целесообразно. Глаза кролика при помощи такого механизма удерживаются в исходном положении независимо от изменения положения тела, что позволяет животному в обычных условиях существования сохранять стабильность прежнего поля зрения, т. е. способствует хорошей пространственной ориентировке. Действительно, представьте себе, что бы получилось, если бы при движении зверька (например, беге) его глаза все время перемещались: очевидно, кролик просто не смог бы бежать в нужном направлении.
Движения глаз были использованы для выяснения вопроса о влиянии изменений силы тяжести на состояние мышечного тонуса. Будет ли изменяться движение глаза кролика при полете ракеты, во время перегрузок и невесомости? И если будет, то как? Кролик в необычном ложе — гипсовой ванночке — укрепляется в кабине ракеты. Гипс не позволяет ему двигаться. Это сделано для того, чтобы исключить влияние на тонус глазной мускулатуры поворотов головы и шеи. Над глазом животного на расстоянии 6 см блестит линза кинообъектива. Ракета будет подниматься через несколько секунд, но киноаппарат уже шумит, работает: зрачок животного должен быть запечатлен на киноленте и в момент, когда кролик находится на земле и его вес обычен.
Вот перед нами длинная кинолента, отражающая движение глаз кролика. Измеряем промежутки между радужкой и роговицей глаза. Вначале они все одинаковы. Затем мы видим, что глазное яблоко постепенно начинает отклоняться книзу. Все больше и больше. Вот уже отклонение равно целым 2 мм (для масштабов маленькой мышцы это много!). По отметке на киноленте выясняем, что в эти моменты вес кролика, находившегося в ракете, возрос в шесть с половиной раз. Вот откуда такой удивительный, глубокий «запад» глаза.
И вдруг — глазное яблоко быстро перемещается вверх. Такой его «скачок» совпадает с началом невесомости.
Быстро оно доходит до первоначального положения, и скоро мы регистрируем отклонение глаза уже вверх и тоже на 2 мм. В таком положении он удерживается 5 минут, т. е. все время пребывания кролика в состоянии невесомости.
Все эти, казалось бы, незначительные, изменения свидетельствуют о многом. Дело в том, что кверху глазное яблоко может перемещаться только в том случае, если понижается тонус соответствующей мышцы, и, наоборот, книзу оно перемещается, если тонус возрастает. Эти факты показали зависимость изменения тонуса мышц от действия силы земного тяготения. Тонус повышается при перегрузках и понижается при невесомости — вот основной вывод рассмотренных экспериментов.
Советские и зарубежные авторы на основе относительно небольшого числа экспериментов и многих теоретических предположений говорят о возможном изменении обычной структуры движений в условиях невесомости. Одни из исследователей отмечают незначительные отклонения от нормы, которые на деятельность летчика не влияют — его движения достаточно точны и совершаются в обычном темпе. Другие говорят об отклонениях действующей руки в условиях невесомости вверх и вправо. Много фактов некоординированных движений было получено при изучении двигательной активности животных в обстановке пониженной весомости.
В основе подобных взглядов лежат определенные теоретические предположения. Коротко их можно изложить следующим образом.
В каждый двигательный акт животных как бы вплетена сила земного притяжения. И это понятно: миллионы лет, в течение которых развивались живые организмы, сила земного притяжения участвовала в формировании движений, они не могли возникнуть и протекать, минуя ее. Вот почему любой двигательный акт в качестве обязательного условия предполагает земное притяжение — вес и вот почему можно допустить какие-то изменения в работе мускулатуры в том случае, когда этого притяжения нет.
Какие же системы организма животных могут быть подвержены воздействию невесомости?
Процесс движения в земных условиях зависит, прежде всего, от самих мышц. Мышцы — это пучки живых волокон особого устройства. Главное их свойство — способность сокращаться и расслабляться. Сила сокращения мышцы определяется качеством и количеством мышечных волокон, их тонусом и т. д., но мышечным волокнам не страшно ни изменение веса, ни его полное исчезновение: они будут работать в этих условиях, как обычно.
Координация (согласование) отдельных мышечных сокращений в законченное целесообразное действие осуществляется при участии нервной системы в целом и в особенности — коры головного мозга. Может быть, невесомость влияет на нервную систему, мозг и через него на мышцы?
Управление движениями, согласно учению И.П. Павлова, предполагает два процесса: во-первых, отражение в мозгу, в воспринимающих нервных клетках, каждого уже совершенного двигательного акта, во-вторых, формирование в коре головного мозга импульсов, которые затем (по системе нервных стволов) идут к определенным мышцам, вызывая новое движение. Эти два процесса взаимосвязаны. Каждое новое движение животного происходит с учетом предыдущего и на его основе.
Таким образом, следует предположить, что в условиях невесомости могут пострадать как механизмы, обеспечивающие отражение в коре мозга предыдущего движения, так и системы, обеспечивающие процесс возникновения нового движения. Чем же определяется функционирование этих механизмов, связаны ли они с действием силы тяжести?
Прежде всего, изменяются ли в условиях невесомости свойства так называемых проприорецепторов. Расположенные на поверхности и в глубоких слоях мышц, эти нервные окончания реагируют на все изменения, происходящие в мышцах, сухожилиях и связках. Стоит животному согнуть лапу, двинуть головой, как, возбуждаясь, проприорецепторы посылают импульсы в мозг, отражая картину возникшего движения. Вряд ли можно предполагать, что в состоянии невесомости причиной нарушения двигательных актов могут быть проприорецепторы. Их работа зависит в основном от внутримышечных отношений, которые складываются в каждый данный момент в организме и в условиях невесомости существенно изменяться не должны.
Большое значение в формировании и течении двигательных актов, координации движений имеет, кроме перечисленных моментов, так называемый отолитовый аппарат. Доказано, что именно он играет главную роль в тех отклонениях от обычного состояния, которые имеют место в двигательном аппарате в условиях невесомости.
Мы знаем, что функции отолитового аппарата в условиях Земли непосредственно связаны с работой мышц, он имеет прямое отношение к их тонусу. Расположенный в костной основе внутреннего уха отолитовый аппарат спрятан глубоко внутри черепа. В небольшой замкнутой полости дно выстлано чувствительными нервными клетками, которые имеют тончайшие нервные отростки, на них лежат отолиты — маленькие песчинки, кристаллы углекислой и фосфорнокислой извести, они своей тяжестью давят на нервные окончания. Когда животное меняет положение головы, песчинки перемещаются, изменяется и сила давления отолитов на нервные клетки. В результате происходит возбуждение нервных клеток, возникают нервные импульсы, сила которых прямо пропорциональна величине давления отолитов. Эти импульсы передаются в центральную нервную систему и сигнализируют об изменениях положения тела в пространстве.
Можно думать, что в состоянии невесомости, когда отолиты, потеряв силу тяжести, перестанут давить на нервные окончания, будет изменена сигнализация о положении тела в пространстве. Вот тут-то и появляются необычные для земных условий сокращения одних мышц и, наоборот, расслабление других. Итак, изменения, которые определяют нарушения движений животных (а также, по-видимому, и человека) в условиях невесомости захватывают отолитовый аппарат, мышечный тонус, мускулатуру.
О позах и реакциях животных в условиях невесомости мы и поговорим на примере еще одного вида ракетных пассажиров.
Экспериментальная крыса уже более полутораста лет служит целям науки. Это маленькое белое животное с розовыми лапами и гладкой шерстью — хорошо и всесторонне изученный биологический объект. Это обстоятельство каждый раз облегчает его использование в новых целях. А вот другое животное. Оно очень похоже на крысу, но меньших размеров. Это — белая подопытная мышь, тоже очень часто используемая в различных биологических исследованиях.
Сейчас группе отобранных крыс и мышей предстоит участвовать в экспериментах, направленных на изучение характера движений в состоянии повышенной гравитации и невесомости.
Двигательные акты животных в условиях невесомости при разных степенях свободы представляют не только теоретический, но и практический интерес. В ходе подготовки полета человека в космос важно было выяснить, как влияет состояние невесомости на координацию движений животных при относительно длительном времени полета.
Поведение собак в состоянии невесомости изучалось как в том случае, когда они были прочно привязаны к лоткам, так и тогда, когда они имели возможность незначительно перемещаться (движения вперед и в стороны примерно на 10—15 см). Проследить за двигательными реакциями в условиях свободного перемещения оказывалось особенно интересным. Это пока было возможно только в экспериментах с мелкими животными — крысами, мышами.
Перед нами два небольших контейнера, сделанные из плексигласа. В одном находятся крысы, в другом — мыши. Прозрачные стенки позволяют наблюдать за поведением животных и фиксировать его на кинопленке.
Затем эта пленка подвергается внимательному изучению. Отмечаются отдельные детали поведения животных, конфигурация, изменение формы двигательных актов, подсчитываются данные, характеризующие скорость движения крыс и т.д.
Уже первые кадры показывают явно необычное поведение крыс. Постепенно нарастает замедленность их движений, лапы широко расставлены, прогиб спины уменьшен. Животное все ниже опускает голову и, наконец, кладет ее на дно контейнера. Вы уже, по-видимому, догадались, что перед нами моменты, когда контейнер находится в условиях повышенной гравитации. Эти кадры характеризуют поведение крыс во время все нарастающих перегрузок,
Вес крысы настолько увеличивается, что вначале резко замедляется обычный для нее темп движений, а затем маленькое животное вообще перестает двигаться. Очевидно, для преодоления испытываемых перегрузок мышечная сила зверьков недостаточна.
Проходит несколько секунд. Вдруг крыса быстро отрывается от пола. На какие-то доли секунды она «повисает» где-то посередине контейнера. Непривычное отсутствие точек опоры вызывает резкие движения, а они, в свою очередь, порождают новые двигательные акты. И вот уже крыса беспорядочно перемещается в контейнере. Она то крутится вокруг своей оси, то летит куда-то в угол и там вращается наподобие веретена. Затем кувыркается через голову около пола контейнера. Хвост животного ведет себя как своеобразный рычаг, выпрямляется, сгибается под углом. Лапы растопырены. Все это — явления, происходящие с крысой во время невесомости. Примерно так же ведут себя и мыши.
Чем можно объяснить такое поведение крыс? Приведем только одно из наиболее вероятных теоретических предположений.
В привычных, земных, условиях у всех животных при изменениях положения тела в пространстве меняется напряжение самых различных мышечных групп. Нервные импульсы к мышцам идут от различных органов и систем (зрение, слух, орган равновесия и т. д.) и от них к мышцам. Это происходит автоматически, рефлекторно, обеспечивая нужное положение тела. Так возникают разные позы. Громадное значение в этих рефлексах имеет ощущение «верха» и «низа», а это в свою очередь прямо связано с земным притяжением — весом. Указанные рефлекторные реакции, определяющие положение тела в пространстве, получили название постуральных рефлексов, или рефлексов позы.
Крысы испытывают воздействие перегрузок, а затем состояние невесомости, уже обладая подобными, наследственно закрепленными рефлексами. При перегрузках, в связи с увеличивающимся весом тела, изменяется поток нервных импульсов, идущих в кору головного мозга, что приводит к изменениям указанных рефлексов позы.
Изменения афферентации происходят и при невесомости, когда перестают действовать обычные раздражители. Ослабляются или исчезают совсем кинестезические и вестибулярные раздражения, т.е. раздражения, возникающие при движении мышц или идущие из отолитового аппарата (а он влияет на состояние мышечного тонуса), нарушаются чувствительные (афферентные) системы постуральных рефлексов.
В результате, потеряв вес, крыса теряет ощущение «низа», остается как бы без опорного вертикального стержня. Нет у нее сейчас и привычных точек опоры, изменены тактильные и другие ощущения в лапах и хвосте, изменена и импульсация, идущая из вестибулярного аппарата. Только зрение продолжает нормально служить животному. Однако оно, особенно в первое время, не в состоянии скорретировать хаос непривычных ощущений. Немудрено, что после этого у животных, потерявших точку опоры, наблюдается бурная двигательная активность, как бы стихийные поиски нужного положения.
Вначале эти попытки приводят к обратному результату. Каждое движение порождает следующее, также очень интенсивное по своей силе, амплитуде и темпу. Движения крысы становятся некоординированными. Кажется, очень печальная картина, и неизвестно, как животное выберется из создавшегося положения! Но не будем спешить.
Продолжим анализ кадров фильма, еще более внимательно вглядываясь в движения крыс.
Вот мы замечаем (примерно через 40—45 секунд после перехода в невесомость), что скорость движений животного больше не увеличивается. Уже хорошо! Еще через некоторое время движения явно становятся более медленными и плавными.
Наглядно об этом говорят цифры. До 20-й секунды крыса двигалась все быстрее и быстрее. Далее 17 секунд (начиная с 20-й и до 37-й) темп движений животного не возрастает: оно вращается со скоростью примерно в два с половиной оборота в секунду. После этого скорость вращения постепенно уменьшается до одного оборота в секунду. Та же закономерность проявляется при сопоставлении цифр, характеризующих темп двигательных реакций других крыс.
О чем же здесь можно говорить? Первое, что приходит в голову,— крысы утомились от энергичных кувырканий, отсюда и снижение темпа их движений.
Но вряд ли это так, ведь прошло немногим более минуты, за это время такое животное, как крыса, не устанет. К тому же ей во время интенсивных движений не приходилось преодолевать вес, а следовательно, и затрата энергии была меньше, чем в обычных условиях.
Сопоставляя многие факты, экспериментаторы доказывают, что появление плавности в двигательных реакциях, уменьшение их числа, возникновение отдельных относительно координированных двигательных актов — все это говорит о приспособлении животных к условиям невесомости. По-видимому, у крыс стали складываться механизмы, обеспечивающие им некоторую нормализацию двигательных актов. Очевидно, ведущим в такой адаптации является орган зрения — мощный поток импульсов, идущих из зрительного анализатора, все больше подчиняет себе другие рефлексы. Жаль, конечно, что состояние невесомости нельзя было продлить и посмотреть, как будут вести себя животные дальше. Но вспомним, что эти испытания проводились до запуска искусственных спутников и космических кораблей и, следовательно, изучение состояния невесомости, длящегося значительно дольше, было еще впереди.
Эксперименты и анализ полученных фактов позволили сделать вывод о различии между отдельными животными в их приспособлении к условиям невесомости. Оказалось, что у разных крыс плавность и замедленность движений появляются в разные сроки.
Таким образом, в результате описанных предварительных опытов можно было предполагать, что и человек довольно быстро приспособится к условиям невесомости, научится передвигаться в нужном направлении, совершать целенаправленные координированные двигательные акты. Это, вероятно, решающий фактор. Окончательный ответ на эти вопросы можно было дать лишь после первых космических полетов человека. В описываемый период имелось лишь небольшое число наблюдений за движениями человека, который находился в состоянии, близком к невесомости при полете реактивного самолета, а также наблюдения за кратковременным состоянием невесомости (около минуты) во время специальных тренировок человека. Однако все эти данные уже позволяют говорить о приспособляемости организма к условиям невесомости.
