С самого начала полетов человека в космос существует проблема возможности человека жить и работать в условиях космической окружающей среды. Особый интерес представляет собой влияние на человека ускорения при запуске космического корабля, его адаптация к условиям невесомости, его способность выдержать нагрузки при входе корабля в плотные слои атмосферы, и его реадаптация к земному притяжению после возвращения на Землю.
Во время полетов космического корабля «Джемини-III» было проведено ограниченное количество медицинских экспериментов для изучения физиологических реакций человека в течение двухнедельного полета. Во время других полетов кораблей «Джемини» и «Аполлон» проводились эксперименты по изучению физиологического состояния человека до полета, во время полета и после полета.
До того, как можно будет осуществлять продолжительные программы исследования в космосе, следует еще и еще раз удостовериться в жизнеспособности человека в условиях космоса. Этого можно добиться только в результате тщательных количественных изучений физиологической, психологической и социальной приспособляемости человека во время полета. Следует изучить и лимитирующие влияния, оказываемые окружающим космическим пространством, на возможности членов экипажа. Следует установить соответствующий порядок действия для любого данного времени во время полета. Эти изучения дадут временные профили адаптации человека в условиях космоса, они покажут, будут ли изменения организма в невесомости прогрессирующими или на определенной стадии произойдет стабилизация. Даже если члены экипажа успешно пройдут период адаптации в условиях космоса, возвращение на Землю повлечет за собой реадаптацию, о которой следует узнать подробнее.
Программа «Скайлэб» предлагает возможность для глубокого изучения этих вопросов. Полеты человека в течение 28 и 56 дней являются достаточно продолжительными для изучения эффектов, могущих быть опасными для человеческой жизни, а также для наблюдения за медленно протекающими биологическими процессами. Медикобиологические эксперименты на орбитальной станции «Скайлэб» планировались так, чтобы изучать предполагаемые изменения и исследовать основные механизмы, приводящие к этим изменениям. Медицинский контроль безопасности будет действенно осуществляться на станции «Скайлэб» с помощью известной и полностью проверенной биоаппаратуры, медицинских приемов и методов.
Медицинская программа на станции «Скайлэб» предусматривает интенсивное изучение нормального, здорового человека и его реакции на воздействие факторов космического полета. Подготовка и проведение этих продолжительных полетов с экипажем на борту в несколько человек должны привести к успехам в развитии наземной медицины в таких областях, как создание косвенных биозондов (медицинские зонды, которые не нужно вводить в тело) и биотелеметрия, где ожидают получить важные результаты, касающиеся медицинского диагноза и лечения.
Биомедицинские сведения были собраны в процессе контролирования безопасности во всех полетах с человеком на борту по программам «Меркурий», «Джемини» и «Аполлон». Были зарегистрированы частота пульса, частота дыхания, температура тела и давление крови в разные периоды. Эти сведения были дополнены целым рядом пред— и послеполетных измерений таких факторов, как способность к физическим упражнениям, реакция на напряжение сердечно-сосудистой системы, гематологические и биохимические изменения, иммунологические и микробиологические исследования. При осуществлении программы «Джемини» в полете были проведены некоторые медицинские эксперименты с тем, чтобы исследовать временное течение изменений, которые были отмечены до и после этих полетов.
Наблюдались следующие физиологические эффекты во время полета человека в космос.
Потеря веса тела, потеря кальция в костях и изменение мышечной ткани и обычно после возвращения на Землю понижение способности кровяных сосудов активно распределять кровь в те участки тела, которые в ней нуждаются (ортостатическая нетерпимость).
Эти физиологические отклонения практически полностью исчезают в течение нескольких дней после возвращения на Землю. До сих пор не была выявлена связь между ними и продолжительностью полета (до 14 дней). Однако есть основания полагать, что в условиях продолжительного полета может происходить существенное снижение работоспособности человека и могут возникать трудности реадаптации после возвращения на Землю или на другое небесное тело.
Каждый следующий полет человека, предусмотренный программой освоения космоса в США, основывается на опыте, накопленном во время предшествующих полетов. Программа полетов на орбитальной станции «Скайлэб» предусматривает большее количество участников, больший по размеру летательный аппарат, более разнообразные виды деятельности во время пребывания в космосе, более продолжительное время нахождения в условиях невесомости по сравнению с предшествующими программами. Программа «Скайлэб» позволит провести более тщательную оценку медико-биологических наблюдений во время продолжительного пребывания в условиях невесомости, при этом будут использоваться более строгие методы анализа данных (рис. 149).
Программа медико-биологических исследований на орбитальной станции «Скайлэб» будет охватывать следующие четыре области.
Проект предусматривает продолжительное нахождение в космосе девяти человек: по три человека во время каждого из трех полетов. При этом будет осуществляться медицинский контроль и наблюдения за поведением членов экипажа при выполнении ими различных научных и практических задач.
Медицинские эксперименты предусматривают проведение глубоких исследований тех физиологических эффектов и периода их действия, которые наблюдались во время предшествующих полетов.
Биологические эксперименты предусматривают изучение фундаментальных биологических процессов, на которые могут влиять условия невесомости.
Биотехнические эксперименты направлены на развитие эффективности систем человек-машина при работе в космосе и на улучшение техники использования биоаппаратуры.
Знания и опыт, накопленные за время проведения всех четырех частей программы, помогут установить критерии увеличения продолжительности полетов человека в будущем после 28-дневных и 56-дневных полетов на станции «Скайлэб».
 Рис. 149. Медицинские эксперименты на станции «Скайлэб» и на Земле: а — исследования изменений мышечной и костной ткани; б — исследования сердечно-сосудистой деятельности и кровообращения; в — анализы крови на свертывание и иммунитет; г — исследование функционирования вестибулярного аппарата; д — исследование влияния невесомости на биоритмы и на рост клеток |
Два эксперимента с животными, которые планируется провести на станции «Скайлэб» (S071 и S072), помогут определить, влияет ли сила тяжести на регуляторы некоторых основных ритмов живых организмов. На станции «Скайлэб» будут помещены небольшая колония мышей и мухи-дрозофилы и во время полетов будет проводиться наблюдение за изменениями специфических жизненных циклов в условиях невесомости в космосе.
Эксперимент М071.
Исследование солевого баланса.
Руководитель эксперимента Дж. Дональд Уэдон.
Цель эксперимента.
Собрать сведения о влиянии условий космического полета на изменения костной и мышечной ткани путем ежедневного измерения накоплений или потерь соответствующих биохимических элементов.
Необходимо собрать следующие данные: ежедневный вес тела, количество и состав принимаемой пищи, потребляемая жидкость, объем выделенной мочи за 24 ч, образцы суточных выделений мочи, для анализа берутся образцы крови до полета, во время полета и после полета.
Кроме того, будут собираться все фекалии и вся рвота (если таковая будет вообще), все это будет взвешиваться, обрабатываться и сохраняться до конца полета, с тем чтобы можно было провести соответствующие анализы после полета.
Будут проводиться анализы мочи для определения содержания в ней кальция, фосфора, магния, натрия, калия, хлора, азота, мочевины, гидрооксипролина и креатинина, а также фекалий для определения содержания в них кальция, натрия, фосфора, магния, калия и азота и крови для определения содержания в ней кальция, фосфора, магния, щелочной фосфотазы, натрия, калия, общего белка, глюкозы и гидрооксипролина, креатинина, хлорида и электрофоретического показателя гомогенности.
Все приборы, используемые в эксперименте, являются частями других систем. Они будут описаны в соответствующих разделах. К этим приборам относятся следующие:
система для сбора и анализа мочи (часть системы жизнеобеспечения) ;
система сбора фекалий (часть системы жизнеобеспечения);
устройство для измерения массы образцов (часть прибора М074);
устройство для измерения массы тела (часть прибора М172);
система питания;
прибор для взятия проб крови во время полета.
Эксперимент М073.
Биологические исследования жидкостей тела (рис. 150).
Руководитель эксперимента д-р Каролин С. Лич.
Цель эксперимента.
Определить влияние условий космического полета на эндокринно-метаболические функции, включающие механизмы контроля жидкостей и электролитов. Собрать ежедневные сведения о весе тела, приеме пищи (количество и состав), потреблении жидкости, объеме выделения мочи в течение 24 ч, образцах мочи, выделенной в течение суток (образцы собираются и обрабатываются во время полета и сохраняются для проведения анализов после полета), об образцах крови, взятых на анализ до полета, во время полета и после полета.
Будут проводиться анализы мочи на содержание в ней натрия, калия, альдостерона, эпинефрина, норэпинефрина, гидрокортизона, антидиуретических гормонов, осмос мочи, на общее содержание воды, на содержание общих и частичных кетостероидов. Будут проводиться анализы крови на ренин, натрий, калий, хлорид, осмос плазмы, объем внеклеточной жидкости, гормон паращитовидных желез, тирокальцетонин, тироксин, адренокортикатронный гормон, гидрокортизон и на общее содержание воды в теле.
Все приборы, используемые в эксперименте, являются частями других систем. К. этим приборам относятся:
система сбора и анализа мочи (часть системы жизнеобеспечения);
устройство для измерения массы образцов (часть прибора эксперимента М074);
устройство для измерения массы тела (часть прибора эксперимента M172).
 Рис. 150. Эксперименты по контролю за изменениями массы космонавтов: а — измерение массы продуктов жизнедеятельности; б — измерение массы тела космонавтов; в — измерение потребления пищи |
Эксперимент М074.
Измерение массы образцов в условиях невесомости (рис. 151).
Руководитель эксперимента космонавт Вильям Э. Торнтон, а также полковник медицинской службы Джон В. Орд.
Цель эксперимента.
Продемонстрировать возможность тщательного определения масс в диапазоне от 50 до 1000 г в условиях невесомости. Определить массы фекалий, рвоты, количества потребляемой пищи в условиях полета.
Сведения, которые должны быть собраны, включают следующие: тарировка перед полетом приспособления для измерения образцов масс (SMMD), измерение известных масс трижды в течение полета каждого из экипажей, измерение температуры в орбитальной станции. Устройство SMMD будет также использоваться для определения масс фекалий, рвоты и количества потребляемой пищи.
Устройство SMMD использует инерционное свойство образцов для определения их массы. Устройство SMMD состоит из поддона укрепленного на пружине. Период колебаний пружины есть функция количества массы на поддоне. Период колебаний пружины измеряется электрооптическим способом, и результаты этого измерения с помощью электроники преобразуются в информацию о массе образцов.
| Рис. 151. Эксперимент М074. Прибор для определения массы образцов в условиях невесомости: 1 — эластичное покрытие |  |
Эксперимент М078.
Исследование изменений костной ткани.
Руководитель эксперимента Джон М. Фогель.
Цель эксперимента.
Определить влияние условий космического полета на появление и степень изменений костной ткани в левой пяточной кости и предплечьи (лучевой кости) путем измерения масс костной ткани до и после полета станции «Скайлэб». Измерения будут показывать степень отложения кальция в костях. Нормальная химическая активность в костях стимулируется мускульной силой и силой тяжести, действующей на тело. Обе силы изменяются во время полета в невесомости.
Измерения массы костной ткани будут проводиться только на Земле до и после полета. Радиограммы костных тканей будут получены с помощью сканирующего зонда с использованием мягкого гамма излучения от радиоактивного изотопа йода-125, детектора гамма-лучей, и многоканального анализатора. Изменения в костных тканях можно определить путем сравнения фотографий, сделанных до полета и после полета. Тарировка достигается сравнением костного поглощения, главным образом, благодаря кальцию, с поглощением в контрольных слоях известной толщины и состава. Подобные измерения будут проводиться у всех членов экипажа и у членов контрольной группы.
Эксперимент М092.
Создание отрицательного давления на нижнюю часть тела в полете (рис. 152, 153, 154, 155).
Руководитель эксперимента Роберт Л. Джонсон при участии Джона Варда, полковника медицинской службы.
 Рис. 152. Эксперимент М092. Аппарат для создания отрицательного давления на нижнюю часть тела космонавтов (аппарат находится в открытом положении) |
Цель эксперимента.
Определить степень и время адаптации сердечно-сосудистой системы в условиях невесомости. Обеспечить информацию об изменениях в сердечно-сосудистой системе для сравнения с измерениями, сделанными до и после полета. Собрать во время полета сведения для предсказания ухудшения физических способностей и степени ортостатической нетерпимости, которую можно ожидать по возвращении на Землю (ортостатическая нетерпимость есть неспособность организма соответствующим образом распределять кровь, когда тело принимает вертикальное положение в земных условиях). Сведения, которые должны быть собраны, таковы: давление крови, частота пульса, температура тела, вектор-кардиограмма, отрицательное давление на нижнюю часть тела, изменения объема мышц ног и массы тела.
Эксперимент по созданию отрицательного давления на нижнюю часть тела (LBNP) предполагает изучение воздействия довольно пониженного внешнего давления на нижнюю половину тела человека. Это «отрицательное» давление (отрицательное по отношению к окружающей среде верхней части тела) будет создавать эффект
 Рис. 153. Контрольная панель для проведения медицинских экспериментов |
В эксперименте LBNP используются три основных элемента: 1 — цилиндр с перемычкой на уровне талии, в котором заключена нижняя часть тела космонавта. Давление в цилиндре может понижаться на 15-20% по сравнению с давлением в кабине, таким образом, нижняя часть тела подвергается ряду отрицательных давлений; 2 — система измерения объема мышц ног (плетизмограф), которая регистрирует увеличение объема мышц в результате измерения окружности каждой ноги на уровне икры; степень увеличения есть мера степени переполнения крови в мышцах ног; 3 — прибор для измерения давления крови, состоящий из манжеты, прикрепленной к верхней части руки, микрофона для улавливания звуков течения крови и необходимой электронной системы.
Программирующее устройство автоматически в соответствии с заданным циклом создает нужное давление. Регистрация и тарировка осуществляются с помощью системы обеспечения эксперимента.
В эксперименте используется оборудование для снятия векторной кардиограммы из эксперимента М093 и система измерения температуры тела из эксперимента М171. Обе процедуры будут выполняться каждым космонавтом три раза в день. Для осуществления эксперимента требуется 60 мин, космонавту при этом необходима помощь ассистента при использовании оборудования.
Эксперимент М093.
Получение векторных кардиограмм (рис. 156, 157).
 Рис. 154. Эксперимент М092. Наземные тренировки в аппарате для создания отрицательного давления на нижнюю часть тела космонавтов: 1 - аппарат для создания отрицательного давления на нижнюю часть тела космонавтов; 2 - прибор для определения кровяного давления; 3 - прибор для получения векторных кардиограмм |
Руководитель эксперимента Ньютон В. Аллебах.
Цель эксперимента.
Измерять деятельность сердца путем регистрации электрических сигналов (векторно-кардиографические потенциалы) у каждого космонавта до полета, во время полета и после полета для получения информации об изменениях функций сердца, вызываемых условиями полета. Векторные кардиограммы будут сниматься через определенные промежутки времени в течение всего полета в период когда члены экипажа будут отдыхать, а также до, в течение и после специфических упражнений на велоэргометре (часть эксперимента М171). Этот аппарат позволит космонавту строго дозировать уровни энергозатрат.
Система снятия векторной кардиограммы состоит из устройства с восемью электродами, сети, формирующей сигнал, схем калибрования и хронометража и трех каналов усиления сигналов электрокардиограммы (ЭКГ). Аппаратура выдает три сигнала ЭКГ и сигнал частоты пульса в систему космического аппарата и в систему обеспечения эксперимента, которая обеспечит снабжение энергией, дополнительное усиление сигнала и его регистрацию.
Эксперимент M111.
Цитогенетические исследования крови.
Руководитель эксперимента Лилиам X. Локхарт.
Цель эксперимента.
Определить частоту изменения хромосом в лейкоцитах периферической крови у членов экипажа до и после полета. Установить соотношение полученных результатов с дозами радиации, полученными космонавтами. Получить данные, которые послужат добавлением к результатам, сделанным во время проведения других цитологических и метаболических исследований. Все эти сведения необходимы для определения генетических последствий для человека после продолжительного пребывания в космосе.
 Рис. 155. Эксперимент М092. Работа с аппаратом LBNP на борту станции "Скайлэб" (рисунок) |
 Рис. 156. Эксперимент М093. Велоэргометр для получения векторных кардиограмм |
Хромосомы, расположенные в ядрах клеток, обеспечивают основу для контроля большинства биохимических функций в организме человека. Их внутренние структуры восприимчивы к изменениям под действием радиации, химических реагентов и некоторых других факторов окружающей среды, включая, возможно, и фактор невесомости.
Образцы крови будут браться периодически, начиная за месяц до полета, и закончатся через три недели после возвращения. Лейкоциты поместят на культуру ткани. В течение первого цикла деления клеток на изолированной культуре будет сделана стандартная подготовка хромосом лейкоцитов.
Лейкоциты из клеточной культуры будут удалены во время метафазы и «зафиксированы». Будет проведен визуальный анализ, который включает подсчет хромосом, число разрывов и, возможно, типы разрывов, а затем сравнение распознаваемых форм хромосом с группами нормальных хромосом.
 Рис. 157. Эксперимент М093. Получение векторных кардиограмм при выполнении физических упражнений на орбите (рисунок) |
Этот эксперимент даст сведения о частоте аберрации хромосом, если они будут обнаружены у девяти человек после полета. На основе этих данных будет изучена связь между дозой радиации, полученной каждым членом экипажа, и числом разрывов хромосом.
Эксперимент ММ2.
Исследования иммунитета.
Руководитель эксперимента Стефан Э. Рицман.
Цель эксперимента.
Определить изменения в химии человеческой клетки, которые могут возникнуть в результате пребывания человека в условиях невесомости в течение продолжительного периода времени. Изучить гуморальный и клеточный иммунитет по концентрациям плазмы и протеинов крови в клетках, бластоидным превращениям и по синтезу рибонуклеиновой (РНК) и дезоксирибонуклеиновой (ДНК) кислот лимфоцитами.
На способность организма бороться с инфекцией или восстанавливать поврежденные ткани могут влиять изменения в химии клетки, вызванные невесомостью.
Данные, отражающие нормальный клеточный обмен, будут получены за 21, 7 и 1 день до полета у членов экипажа и у контрольной группы, состоящей из трех человек, по физическим данным похожих на членов экипажа. Эта группа будет также служить наземной контрольной группой во время полета. Во время полета образцы крови будут взяты четыре раза у каждого члена первого экипажа и по восемь раз у каждого члена второго и третьего экипажей. Через 7 и 21 день после возвращения на Землю образцы крови будут снова взяты у всех членов экипажей.
Будет проведен подробный анализ крови на кинетику и на распределение РНК и ДНК в лимфоцитах, на образование бластоидов, морфологию лимфоцитов и реакцию антигенов, «а функциональную реакцию лимфоцитов на количество антигенов в плазме, на наличие иммуноглобулинов, концентрацию альбумина и глобулина и на общее содержание протеина в плазме. Система сбора крови во время полета позволит брать кровь из вены и центрифугировать образцы для сохранности. Образцы крови будут заморожены и возвращены на Землю для последующего анализа после полета. Будет проведено сравнение результатов анализа образцов, взятых до, во время и после полета с тем, чтобы определить любые значительные изменения, вызванные условиями орбитального полета.
Эксперимент М113.
Исследования изменений объема крови и продолжительности жизни красных кровяных телец (рис. 158).
Руководитель эксперимента Филлип С. Джонсон.
Цель эксперимента.
Определить влияние условий невесомости на объем плазмы крови и на популяцию красных кровяных телец. Особое внимание следует обратить на изменения общей массы красных кровяных телец, их разрушение, продолжительность жизни и скорость воспроизведения.
Красные кровяные тельца переносят кислород от легких во все части тела. Уменьшение общей массы красных кровяных телец обязательно приведет к учащению пульса и дыхания.
Этот эксперимент состоит из четырех частей, при проведении каждой части различные радиоизотопы будут вводиться в вену каждого члена экипажа и каждого члена контрольной группы на Земле.
Местом образования красных кровяных телец у взрослого человека является костный мозг перепончатых костей (например, грудины и позвоночника). Скорость образования зависит от метаболических потребностей и от наличной популяции красных кровяных телец. Скорость образования эритроцитов будет измеряться количественно путем инъекции членам экипажа известного количества радиоактивного ионного индикатора.
Рис. 158. Эксперимент М113. Автоматический анализатор крови:
1 — перегородка; 2 — вакуумная камера для крови; 3 — двухканальная игла; 4 — стопор; 5 — камера для плазмы
Так как степень образования эритроцитов связана с их разрушением, что влияет на увеличение или уменьшение их общей массы в данное время, любые изменения в степени образования и разрушения эритроцитов обязательно будут отражаться на массе красных кровяных телец. Такие изменения в массе красных кровяных телец будут измеряться и анализироваться во время полета; членам экипажа будут вводиться инъекции красных кровяных телец меченых радиоактивным хромом (в виде хромата натрия).
Чтобы определить разрушение красных кровяных телец в зависимости от возраста и их среднюю продолжительность жизни, глицин, меченый радиоактивным углеродом, будет вводиться во внешнюю вену на руке каждого члена экипажа и каждого члена контрольной группы.
И наконец, изменения объема плазмы будут измеряться добавлением известного количества альбумина радиойодистой человеческой сыворотки в кровь каждого члена экипажа.
Система сбора крови во время полета обеспечит возможность брать образцы венозной крови и центрифугировать их для сохранения; образцы крови будут замораживаться и возвращаться на Землю для анализа после полета.
У каждого члена экипажа будут брать пробы крови до полета (за 21, 20, 14, 7 и 1 день), во время полета (четыре раза во время полета первого экипажа и восемь раз во время полетов второго и третьего экипажей) и после полета (в день возвращения, через 1, 3, 7, 14 и 21 день после возвращения).
Эксперимент М114.
Исследования метаболизма красных кровяных телец.
Руководитель эксперимента Чарльз Э. Менгель.
Цель эксперимента.
Изучить влияние силы тяжести на мембрану и метаболизм красных кровяных телец. Определить, происходят ли изменения метаболизма или мембран в результате воздействия условий космического полета. Этот эксперимент явится дополнением к эксперименту М113.
Взятие проб крови у каждого члена экипажа будет проводиться до полета (за 21, 7 и 1 день), во время полета (четыре раза во время полета первого экипажа и восемь раз во время полета второго и третьего экипажей) и после полета (в день возвращения, а также спустя 1 и 14 дней).
Будет проводиться анализ крови на метемоглобин, глицеральдегидфосфат, дегидрогеназу, киназу фосфоглицериновой кислоты, пониженный глютатион, аденозин трифосфат, глютатион редуктазы, уровни перекиси липида, ацетилхолинеетеказу, фосфофруктокиназу, 2,3 — дифосфоглидерат и гексокиназу.
Система сбора крови во время полета обеспечит возможность взятия проб образцов венозной крови и центрифугирования их для сохранения. Пробы крови будут заморожены и возвращены на Землю для анализа после полета.
Эксперимент 115.
Изучение специальных гематологических эффектов (рис. 159).
Руководители эксперимента д-р Стефан Л. Кимси, Грейг Л. Фишер.
Цель эксперимента.
Изучить важнейшие физиологические параметры крови, определяющие устойчивость состояния равновесия между определенными компонентами крови, и оценить влияние невесомости на эти параметры. Получить дополнительные данные о крови и ее циркуляции, которые помогут в интерпретации результатов гематологических и иммунологических исследований (серия M111), исследований вопросов питания космонавтов и функций мышечных и костных тканей (серия М071). Красное кровяное тельце рассматривается как модель для оценки физиологических изменений, которые могут произойти у человека в условиях продолжительного состояния невесомости.
Изучение крови, взятой у космонавтов, летавших на космических аппаратах «Джемини» и «Аполлон», показали, что изменения массы красных кровяных телец, состава крови и баланса жидкости и электролитов могут ожидаться в результате действия условий космического полета.
Взятие проб крови у каждого члена экипажа будет проводиться до полета (за 21, 14, 7 и 1 день), во время полета (четыре раза у членов первого экипажа и восемь раз у членов второго и третьего экипажей) и после полета (в день возвращения, через один день, 3, 7, 14 и 21 день после возвращения).
 Рис. 159. Эксперимент M115. Ящик для хранения крови, взятой на анализ у космонавтов: 1 — автоматический анализатор крови; 2 — пузырек; 3 — игла; 4 — два тампона; 5 — бинт |
Будут проведены анализы крови на натрий, калий, клеточный гемоглобин, гемоглобин красных кровяных телец, РНК, распространение протеина, характеристику гемоглобина, электрофорезную мобильность, возрастной профиль красных кровяных телец, электролитное распространение красных кровяных телец, мембранную и клеточную ультраструктуру, критический объем, количество красных кровяных телец, количество белых кровяных телец, дифференциальный подсчет белых кровяных телец, микрогематокрит, число тромбоцитов, гемоглобин и число ретикулоцитов.
 Рис. 160. Эксперимент М131. Исследование функционирования вестибулярного аппарата на вращающемся кресле |
Система сбора крови во время полета обеспечит возможность брать венозную кровь и центрифугировать образцы для сохранения. Образцы крови будут замораживаться и возвращаться на Землю для анализа после полета.
Эксперимент М131.
Исследования функционирования вестибулярного аппарата (рис. 160).
Руководитель эксперимента Эштон Грейбил.
Цель эксперимента.
Исследовать влияние невесомости на вестибулярный аппарат, т. е. на систему полукружных каналов уха, которые обеспечивают ощущение равновесия и ориентацию. Определить любые изменения в чувствительности человека к движению и вращению, изменения в его способности к координации в условиях продолжительной невесомости.
Проверить восприимчивость космонавтов к болезни укачивания на станции «Скайлэб», получить информацию, существенную для понимания функций органов чувств человека в условиях продолжительной невесомости, а также проверить изменения чувствительности в полукружных каналах. Следует собрать следующие сведения: пороговый уровень ощущения движения, симптомы болезни укачивания, вызываемые произвольными движениями головы пру вращении; способность члена экипажа определять свою ориентацию внутри орбитальной станции без визуальной информации Сбор сведений будет производиться до, во время и после полета.
Будет использоваться следующее оборудование: вращающееся куполометрическое кресло с изменяющимся углом наклона.
Мотор для вращения кресла позволяет вращать сидящего в кресле космонавта со скоростью. 1 — 30 об/мин, задаваемой с точностью ±1 %.
 Рис. 161. Эксперимент М133. Изучение сна и реакций во время сна космонавтов |
Пульт управления. Пульт имеет селектор режима, селектор скорости, тахометр, индикаторы, таймеры и другие устройства для управления, а также чувствительную матрицу для кодирования реакции космонавтов на вращательные тесты.
Отолитные очки используются для определения визуальной ориентации в пространстве в двух измерениях. Они обеспечивают визуальную цель для проверки зрительных иллюзий.
Фиксирующий загубник используется для точной фиксации отолитных очков относительно глаз космонавта.
Ориентирная сфера и магнитный указатель с отсчетным устройством предназначены для измерения пространственной ориентации без использования визуальной информации. Магнитный указатель устанавливается радиально по отношению к сфере и может перемещаться космонавтом. Это позволит определять способность космонавта судить о своей ориентации. Положение указателя измеряется с помощью трехмерного отсчетного устройства.
Эксперимент M133.
Изучение цикла сна и бодрствования в условиях космического полета (рис. 161).
Руководитель эксперимента Джеймс Д. Фрост, младший.
Цель эксперимента.
Определить количественные и качественные показатели сна космонавтов в условиях продолжительной невесомости на основе анализа электроэнцефалограмм (ЭЭГ) и электроокулограмм (ЭОГ). Такая информация дополнит сведения, касающиеся исследования реакций центральной нервной системы в условиях космического полета. Должны быть собраны следующие данные: предполетные ЭЭГ и ЭОГ, снятые во время сна члена экипажа в течение трех ночей; периодические ЭЭГ и ЭОГ, снимаемые периодически во время полета, а также ЭЭГ и ЭОГ сна после полета примерно на первый, третий и пятый день после возвращения.
Один из космонавтов, выбранный для этого эксперимента, будет надевать на время сна шлем с электродами для снятия ЭЭГ, акселерометрами для регистрации движений головы и с электродами, фиксируемыми около одного глаза, для регистрации на ЭОГ быстрых движений глазного яблока. Сигналы от этих датчиков, записанные на магнитной ленте и проанализированные после возвращения на Землю, позволят сделать выводы относительно глубины и продолжительности стадий сна. Эти сигналы будут также передаваться на Землю в реальном масштабе времени. Записи, сделанные во время полета, будут сравниваться с наблюдениями, сделанными до полета и после полета.
 Рис. 162. Эксперимент М151. Киносъемка некоторых рабочих операций космонавтов: а — портативная фотолампа; б — 16-миллиметровая кинокамера; в — фотографирование одной из рабочих операций |
Эксперимент М151.
Киносъемка космонавтов во время выполнения некоторых рабочих операций (рис. 162).
Руководитель эксперимента д-р Джозеф Ф. Кубис.
Цель эксперимента.
Наблюдать космонавтов в движении. Сравнивать их подвижность и навыки при выполнении различных рабочих операций в условиях невесомости и в земных условиях. Получить данные о поведении космонавтов в условиях невесомости, необходимые для разработки проектов и программ будущих полетов.
Для получения этих данных было предусмотрено:
изучение передвижения членов экипажа, когда они двигаются в условиях невесомости с грузом и без него;
изучение моторной активности членов экипажа при выполнении ими некоторых операций с использованием фиксаторов и без них;
изучение выполнения членами экипажа операций, которые требуют визуальной, тактильной и слуховой обратной связи или их комбинации;
изучение действий членов экипажа при выполнении различных операций внутри орбитальной станции и при выходе в открытый космос;
изучение выполнения одних и тех же операций в начале, середине и конце полета для оценки адаптации к условиям невесомости.
Результаты этого эксперимента будут фиксироваться с помощью 16-миллиметровой кинокамеры при освещении портативной мощной лампой. Они будут также использоваться и для других целей. Кроме этого на магнитофонную пленку будет записываться словесная информация космонавтов об их впечатлениях во время работы в условиях невесомости.
Те же виды регистрации информации использовались на Земле во время тренировки экипажей.
Эксперимент М171.
Измерения скорости обмена веществ (рис. 163).
Руководитель эксперимента Эдвард Л. Мичел.
Цель эксперимента.
 Рис. 163. Эксперимент М171. Изучение метаболических характеристик космонавта при экспериментах на велоэргометре: 1 - велоэргометр; 2 - метаболический анализатор: 3 - мундштук; 4 - шланг; 5 - зонд для измерения температуры; 6 - электроды |
Определить состояние обмена веществ человека и его возможные изменения при выполнении работ в условиях невесомости. Получить информацию о физиологических возможностях космонавта и об их пределах.
Получить сведения, которые могут оказаться полезными при проектировании космических летательных аппаратов в будущем и при составлении рабочих программ полетов.
Физиологическая реакция на физическую активность будет устанавливаться путем анализа вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, частоты пульса, давления крови и других функциональных параметров космонавтов при дозируемой физической нагрузке на велоэргометре.
Дать оценку велоэргометру как снаряду для выполнения физических упражнений во время продолжительных полетов.
Собрать сведения об интенсивности нагрузки на велоэргометре, числах оборотов педалей, потреблении кислорода, выделении углекислого газа, объеме дыхания в минуту, жизненной емкости легких, дыхательном коэффициенте, жизнеспособности, частоте пульса, давлении крови, векторной кардиограмме, весе тела, температуре тела и параметрах искусственной атмосферы на станции «Скайлэб».
Основным компонентом этого эксперимента является велоэргометр (бесколесный велосипед для выполнения физических упражнений). Сопротивление трения педального колеса велоэргометра контролируется кардиотахометром таким образом, что предварительно выбранная частота пульса члена экипажа остается постоянной. Этот контроль может также осуществляться с помощью постоянной предварительно выбранной нагрузки. Оборудование кроме того включает респираторный газовый анализатор, систему измерения давления крови, систему измерения температуры тела и систему снятия векторных кардиограмм (см. эксперимент М093). С помощью метаболического анализатора, содержащего спирометр и масс-спектрометр будет измеряться потребление кислорода, выделения углекислого газа и дыхательный объем.
Каждый член экипажа будет выполнять этот эксперимент пять раз во время 28-дневного полета и восемь раз во время 56-дневного полета.
Эксперимент М172.
Измерение массы тела космонавта в условиях космического полета (рис. 164).
Руководитель эксперимента Вильям Э. Торнтон.
Цель эксперимента.
Определить массу тела каждого члена экипажа и наблюдать за ее изменениями в течение полета. Оценить качества системы измерения массы тела и ее пригодность для практического повседневного использования.
Точные сведения об изменениях массы тела во время полета в значительной степени помогут взаимоувязке других медицинских показаний, полученных во время полета.
Измерение массы в условиях невесомости проводится на основе второго закона Ньютона, согласно которому сила равна массе, умноженной на ускорение. Сила создается пружиной; масса прикрепляется к платформе,
 Рис. 164. Эксперимент М172. Измерение массы тела |  Рис. 165. S015. Изучение влияния невесомости на живые клетки и ткани человека |
Эксперимент S015.
Исследования влияния невесомости на живые клетки и ткани человека (рис. 165).
Руководитель эксперимента Филип О. Монтгомери.
Цель эксперимента.
Наблюдение влияния невесомости на живые клетки и ткани человека. Определение влияния силы тяжести на отдельные клетки путем всестороннего исследования клеточных структур и биохимических функций.
Подобные наблюдения проводились над живыми человеческими клетками в земных условиях и в условиях действия больших ускорений. Во время полета наблюдения за клетками будут осуществляться с помощью микроскопа с фотоприставками. Две отдельные клеточные культуры будут изучаться в течение 4 и 10 дней. После того, как будет проведено несколько биохимических экспериментов, клетки будут законсервированы и отправлены на Землю для дальнейших биохимических исследований. Будет определено содержание в них ДНК, РКН и липида, а также их ферменная активность.
Контрольные группы клеток будут подвержены аналогичным испытаниям в земных условиях и в условиях движения с большими ускорениями.
Аппаратура, используемая для этого эксперимента, включает микроскоп с фотоприставкой и автономную подсистему для исследования фактора роста. Оба эти прибора герметически закрыты в отдельном блоке. Два фазоконтрастных микроскопа с увеличением изображения в 20 и 40 раз, сфокусированные на исследуемые образцы, обеспечат получение изображения на 16-миллиметровую пленку двух фотокамер. Обе фотокамеры будут включаться автоматически с помощью встроенного временного устройства; каждая камера будет работать со скоростью 5 кадров в минуту по 40 мин дважды в день в течение всех 28 дней первого полета.
В камерах с образцами будет поддерживаться необходимая температура. Каждая камера будет иметь свой собственный независимый узел обмена среды для обеспечения культур клеток свежими питательными веществами дважды в день.
Подсистема для исследования роста состоит из двух действующих независимо узлов, каждый из которых способен поддерживать жизнь клеток в девяти камерах. До начала исследований по программе в восемь камер будет введено фиксирующее вещество. Клеточные культуры будут возвращены на Землю для анализа после полета.
Эксперимент S071.
Исследование влияния условий космического полета на суточный ритм мышей (рис. 166, 167).
Руководитель эксперимента д-р Роберт Дж. Линдберг.
Цель эксперимента.
Определить, влияет ли состояние невесомости на суточные физиологические ритмы млекопитающих (карманчиковая мышь). Предполагают, что на суточные ритмы (24-часовые циклы сна и бодрствования) животных и человека влияют до некоторой степени гравитационные силы. Если бы такое влияние было обнаружено, оно бы явилось свидетельством того, что биоритмы, по крайней мере, животных, синхронизируются и контролируются факторами, связанными с ощущениями силы тяжести.
Изменения ритмов влекут за собой изменения метаболизма. В интересах сохранения здоровья и работоспособности космонавтов важно, чтобы нормальные биологические ритмы у человека сохранялись в течение всего космического полета. Если в опытах на животных будет установлено, что нормальные физиологические
 Рис. 166. Эксперимент S071. Исследование суточного ритма мышей. Эксперимент S072, исследование мухи-дрозофилы в условиях невесомости: 1 — система жизнеобеспечения; 2 — контейнер с мышами; 3 — баки хладагента; 4 — контейнер с куколками дрозофилы; 5 — блоки питания и электроники; 6 — баллон с кислородом |
Эксперимент заключается в наблюдении за шестью особями карманчиковой мыши, помещенными в абсолютно темную клетку, где поддерживается температура 15°С, относительная влажность 60% и атмосферное давление, равное давлению на уровне моря.
За три недели до полета мыши будут помещены в клетку. Температура тела и уровень активности автоматически регистрируются для того, чтобы установить естественный период, фазу и устойчивость ритмов в условиях земной гравитации. Клетка устанавливается в двигательном отсеке незадолго до запуска. Те же самые измерения проводятся во время полета. Данные будут автоматически регистрироваться и с помощью системы телеметрии передаваться на Землю для анализа.
Эксперимент S072.
Исследование суточного ритма мухи-дрозофилы.
Руководитель эксперимента д-р Колин С. Питтендрай.
Цель эксперимента.
Определить, является ли в условиях невесомости суточный цикл развития дрозофилы из куколки в муху таким же, что и на Земле.
Обширные опыты показали, что если дрозофилы в стадии куколки развиваются по-разному в зависимости от температуры, взрослые особи не появятся из куколок до тех пор, пока не будет дан своего рода внутренний сигнал. Этот пусковой сигнал появляется ежедневно через один и тот же постоянный промежуток времени после вспышки света, независимо от температуры.
 Рис. 167. Подопытная мышь в эксперименте S071 |
Эксперимент устанавливает время появления особей для четырех групп куколок при температуре 20°С, чтобы выяснить, изменяют ли условия космического полета механизм, который поддерживает постоянный ритм, несмотря на изменения температуры.
Каждая группа куколок делится на две подгруппы. Вспышки света положат начало появлению взрослых особей двух подгрупп в разное время. Если вторая подгруппа обнаружит тот же ритм появления, что и первая, то вероятно, что внешний фактор не влияет на ритм и что ритмы внутренне синхронизованы со вспышками света.
Этот эксперимент проводится в связи с экспериментом с карманчиковыми мышами (S071). Если ритмы в обоих экспериментах нарушаются или изменяются в течение космического полета, можно предположить, что космический полет нарушает или изменяет обычные ритмические механизмы, и что невесомость, возможно, влияет также и на механизм биологического ритма человека.
Этот эксперимент проводится автоматически. После того, как появилась вспышка света — сигнал к началу цикла, слабый красный свет будет включаться каждые 10 мин, и 180 куколок будут просматриваться с помощью электронной системы. После появления дрозофилы оболочка ее куколки станет прозрачной, и фотоэлемент, установленный за куколкой, прореагирует на красный свет.
 Рис. 168. Система обеспечения медицинских экспериментов |
Сведения о появлении дрозофил будут накапливаться и позже передаваться на Землю.
Система обеспечения медицинских экспериментов.
Оборудование (рис. 168), размещенное в орбитальном блоке станции, обеспечивает эксперименты необходимым электропитанием, средствами управления, индикации и обработки экспериментальных данных, а также обеспечивает подачу запрограммированных сигналов времени, подачу газа под давлением, выработку калибровочных сигналов для медико-биологических экспериментов М092, М093, М131 и М171. Специальные подсистемы будут обеспечивать измерения давления крови, измерения объема ног в зависимости от состояния кровеносных сосудов и регистрацию векторных кардиограмм.