Ознакомьтесь с Условиями пребывания на сайте Форнит Игнорирование означет безусловное согласие. СОГЛАСЕН
Короткий адрес страницы: fornit.ru/2618 
Содержание журнала Достижения науки, техники и культуры
Репродуктивные эксперименты в космосе
Космонавты сейчас летают по 6 месяцев, а рекорд принадлежит врачу Валерию Полякову - 1,5 года на орбите. Бытует стойкое мнение, что на космических станциях что-то происходит под покровом ночи, втихую, но от обывателей, чтобы не будоражить пуританскую мораль, подробности скрываются. Знаменитой стала фраза героини "Американского пирога": "Это же не запуск шаттла, это просто секс". Некоторое время назад появились публикации о том, что астронавты Джудит Резник и Роберт Маклейн на шаттле по спецзаданию НАСА совершили половой акт, а в СССР аналогичное событие произошло на борту "Салюта-7", когда в 1982 году Светлана Савицкая работала с двумя мужчинами.
Некоторые ученые и в России, и в США предполагают, что лучший способ избежать проблем с сексом - отправить в полет космонавтов в возрасте за 50 лет. Еще одна идея состоит в том, чтобы последовать примеру библейского Ноя, который в свой ковчег взял каждой твари по паре, то есть формировать экипаж из супружеских пар. Если с людьми экспериментов не было, то растениям и животным в космосе тихо отсидеться не удалось - их репродуктивная функция исследовалась вдоль и поперек. Помимо аналогий с человеком, проблема заслуживает изучения ради возможности воспроизводства на борту всяких растений и живности для пропитания.
НЕВЕСОМОСТЬ И ОНТОГЕНЕЗ МЛЕКОПИТАЮЩИХ
Доктор биологических наук, Л.В. СЕРОВА научный центр РФ- Институт медико-биологических проблем
День рождения Института, где ты проработал не один десяток лет, это всегда повод обратиться к истории, пусть даже и не очень длительной: вспомнить удачи и ошибки, радости и огорчения, а главное - людей, которые сделали то, чем владеет Институт сегодня. Наша история - это не просто воспоминания, дань памяти людей, установивших и описавших те или иные явления. Это - базис, без анализа которого невозможно разумное движение вперед. Обращение к истории кажется особенно важным в наши дни, когда стало почти общепринятым забывать бывшее совсем недавно и начинать решение проблем едва ли не с нуля.
Нам посчастливилось жить в удивительное время, на глазах нашего поколения и при нашем участии космическая биология и медицина сформировалась как наука, пройден путь от восприятия самого факта полета в космос как чуда до полетов, длившихся более года.
Исследования с животными на биоспутниках "Космос" были начаты в тот период, когда уже было ясно, что человек может жить и достаточно эффективно работать в условиях невесомости. Был накоплен большой материал о влиянии факторов космического полета на различные стороны жизнедеятельности. И все же многие вопросы оставались нерешенными. Открытым оставался и вопрос о том, какой ценой осуществляется адаптация к невесомости, не сопровождается ли она скрытыми патологическими изменениями во внутренних органах, неблагоприятными отдаленными последствиями, снижением продолжительности жизни. "Человек победил боль и страх, он доказал возможность существования в условиях невесомости… - писал в 1969 году И.В.Давыдовский. - Правда, человек еще не может сказать, это дело будущего - какой ценой он достигнет новых, более высоких форм адаптации". Ответить на этот вопрос можно было только на основе экспериментов с животными, прежде всего с млекопитающими, экспонированными на борту космических летательных аппаратов в полетах разной продолжительности. Только такие эксперименты могли позволить детально изучить структуру и метаболизм внутренних органов и тканей организма, находящегося в невесомости, использовать разнообразные, в том числе достаточно сложные нагрузочные пробы, изучить отдаленные последствия действия факторов космического полета и, наконец, обеспечить статистическую значимость полученного материала. Основной задачей было изучение процессов адаптации и приспособительных возможностей млекопитающих, экспонированных в условиях невесомости, поэтому для экспериментов были выбраны белые лабораторные крысы - наиболее адекватная модель, обычно используемая для решения аналогичных задач в земных условиях (при адаптации к гипоксии, высоким и низким температурам и т.д.). Вместе с тем при анализе результатов следует конечно, помнить, что пусковые механизмы действия невесомости у крыс, стоящих на четырех конечностях, и у человека не могут быть полностью одинаковыми, и это касается прежде всего изменений, связанных с перераспределением крови. Надо обратить внимание и на достаточно высокую (в сравнении с человеком) устойчивость крыс к действию экстремальных факторов.
Замечательный физиолог Л.А.Орбели говорил, что правильное понимание явления возможно при использовании одними и теми же исследователями четырех приемов, принципиально различных, но вместе с тем ведущих к одной цели. Это изучение онтогенеза, использование материалов эволюционной физиологии, клинического материала и специальных экспериментальных приемов. Моя лекция - попытка подытожить то, что дал нам взгляд на проблему невесомости с позиций онтогенеза: изучения влияния факторов космического полета на взрослых животных, на развитие плода и процессы старения.
Исследованиям на биоспутниках серии "Космос" предшествовала разработка общих принципов и методов проведения автоматизированных экспериментов с млекопитающими в условиях космического полета (Ильин и др., 1976; Адамович и др., 1979; Серова и др., 1979). При испытаниях систем содержания животных оценивалась не только техническая надежность отдельных узлов и блоков, но и их "биологическая надежность". Задача сводилась к выбору системы, длительное содержание в которой вызывало бы в организме минимальные отклонения от физиологической нормы.
Для вычленения эффектов невесомости из общей суммы факторов, действующих на животных в космическом полете, была разработана единая схема проведения контрольных экспериментов, предусматривавшая использование интактной контрольной группы, содержавшейся в виварии, и контроля в наземном макете биоспутника, условно называемого синхронным. В нем моделировались условия содержания животных на борту космического летательного аппарата, а также физиологически значимые факторы, связанные с запуском и приземлением (Ильин и др., 1976; Серова и др., 1979).
Во всех экспериментах на биоспутниках "Космос" работа с животными проводилась одним и тем же коллективом. Это позволило создать единую схему работ, совершенствовавшуюся от полета к полету в течение десятилетий.
Успеху экспериментов способствовала и разработка широких комплексных программ послеполетного обследования животных с привлечением лучших исследовательских коллективов нашей страны и ряда зарубежных стран: Болгарии, Венгрии, Германии, Польши, Румынии, Словакии, Чехии, США и Франции при головной роли Института медико-биологических проблем.
ВЛИЯНИЕ НЕВЕСОМОСТИ НА ВЗРОСЛЫХ ЖИВОТНЫХ
При наблюдении за крысами в виварии в первые дни после космических полетов было обращено внимание на их вялость, снижение общего тонуса и двигательной активности: животные как бы создавали себе "щадящий режим", функциональную гипокинезию, облегчающую реадаптацию к земной силе тяжести после невесомости (Serova, 1980). Можно предположить, что снижение двигательной активности - универсальная реакция на увеличение силы тяжести, поскольку аналогичная картина наблюдается и у животных, помещаемых в условия гипергравитации (Bengele, 1969). Надо отметить, что при изучении механизмов адаптации в физиологических экспериментах незаслуженно мало внимания обращается на возможность приспособления за счет изменения поведения, в то время как при адаптации в природных условиях именно эти приспособительные реакции играют первостепенную роль (Северцов, 1934; Слоним, 1979).
При послеполетном наблюдении за поведением животных в лабиринте Я.Домбровской, проведенном Н.Н.Лившиц и соавторами (1977, 1979), были отмечены изменения высшей нервной деятельности крыс, вернувшихся из полета, указывающие на снижение работоспособности высших отделов центральной нервной системы. Эти изменения выражались в увеличении времени прохождения лабиринта, увеличении числа отказов от работы и количества ошибок, в ослаблении реакции на экстренный раздражитель (звонок) у животных полетной группы. Однако все эти изменения были нетяжелыми и обратимыми.
В эксперименте на биоспутнике "Космос-1129" учениками Н.Н.Лившиц З.И.Апанасенко, М.А.Кузнецовой, Е.С.Мейзеровым и другими впервые было изучено поведение животных непосредственно во время космического полета (Апанасенко и др., 1982). Оценивались характеристики условнорефлекторной деятельности крыс при предъявлении им выработанного до полета стереотипа из двух положительных (разной силы) и одного дифференцировочного световых сигналов. Положительные стимулы подкреплялись подачей пищи, наличие условных рефлексов регистрировалось по появлению целенаправленной двигательной реакции в зоне кормушки. Выработанные до полета условные рефлексы сохранялись и в опыте, и в синхронном контроле. Однако в полетной группе было зарегистрировано значительное снижение уровня условнорефлекторной деятельности животных; это снижение обнаруживалось с самого начала полета и, волнообразно меняясь по величине, сохранялось на всем его протяжении. Наибольшие различия между группами отмечались на 1-2-е сутки полета. В это время было максимально снижено число ответных реакций на сильный и слабый раздражители, не наблюдалось суточной ритмики изменений межсигнальной двигательной активности. Затем наступало постепенное улучшение состояния животных, охватывавшее период с 3-х до 11-х суток полета; его сменяло новое ухудшение на 12 - 14-е сутки, характеризовавшееся снижением числа реакций на слабый раздражитель, уравниванием величин реакций на сильный и слабый раздражители, десинхронозом, увеличением ответов на дифференцировочный раздражитель; к концу полета (к 18-м суткам) вновь наблюдалось улучшение условнорефлекторной деятельности, однако восстановление до исходного уровня происходило не по всем показателям. Эта, к сожалению, редко вспоминаемая работа представляется очень важной для понимания динамики процесса адаптации животных в условиях невесомости.
При обследовании крыс после космических полетов длительностью 1 - 3 недели (до 1/50 части жизни животных данного вида) были изучены структура и метаболизм практически всех органов и тканей. При этом сразу после полета были обнаружены достаточно выраженные изменения, условно разделенные на две группы: специфические и неспецифические, связанные с развитием умеренно выраженной стресс-реакции (Серова, 1977; Газенко и др., 1978, 1980).
Результаты этой части исследований изложены в ряде обзорных статей (Газенко и др., 1978, 1980, 1981, 1987; Португалов, 1978; Оганов, 1980; Ильин, 1988; Ильин и др., 1989; Константинова, 1988; Попова, Григорьев, 1992; Серова, 1987, 1988, 1989, 1993, 1996, 2001; Смирнов, Уголев, 1981; Ступаков, Воложин, 1989; Тигранян, 1988).
Наиболее существенными сдвигами, развившимися под влиянием невесомости, были атрофические изменения в мышечной ткани, остеопороз и замедление роста костей, снижение активности эритроидного кроветворения, изменение метаболизма липидов, воды и электролитов, коллагена.
Принципиально, однако, что при обследовании животных через 25 - 26 суток после трехнедельного космического полета различия между опытом и контролем полностью нивелировались. Это позволило сделать заключение, что невесомость не вызвала необратимых патологических изменений ни в одном из органов подопытных животных (Португалов, 1978).
Изменения в скелетных мышцах, отмеченные при обследовании животных после экспериментов на биоспутниках, включали атрофию, перестройку мышечных волокон и молекулярного состава сократительных белков, адекватную условиям космического полета. При этом выраженность изменений достаточно четко коррелировала со степенью участия мышц в осуществлении антигравитационной функции на Земле, наибольшие изменения обнаружены в камбаловидной мышце (Гаевская и др., 1976, 1979; Ильина-Какуева и др., 1977; Ильина-Какуева, 1987, 1990; Оганов, Потапов, 1979; Оганов, 1980, 1984, и др.).
При исследовании миокарда крыс, вернувшихся на Землю после 18 - 22- суточных космических полетов, было выявлено снижение активности АТФазы миозина в среднем на 44 % (Гаевская и др., 1976, 1978, 1979). При этом изменения фракционного состава белков были незначительными. По мнению М.С.Гаевской, снижение АТФазной активности миозина может быть следствием "недогрузки" мышечного аппарата сердца в условиях невесомости - адаптивной реакцией на "облегченную" работу. Поскольку период полураспада миозина миокарда составляет 6 - 8 суток, можно предположить, что под влиянием недогрузки миокарда в невесомости синтезируется миозин, характеризующийся меньшей АТФазной активностью. При этом возращение к земной гравитации может повлечь за собой несоответствие между потребной силой сокращения миокарда и возможностью ее обеспечения при сниженной АТФазной активности миозина. В полетах длительностью 18 - 22 суток описанные изменения были обратимыми и к 25 - 26-м суткам после полета полностью нивелировались. Вместе с тем в эксперименте на биоспутнике "Космос-690", где действие невесомости было отягощено дополнительным ?-облучением животных во время полета, такой нормализации не наблюдалось, хотя само по себе облучение (в наземном синхронном эксперименте) вызывало не снижение, а, наоборот, увеличение АТФ-азной активности миозина. Это дало М.С.Гаевской основание предполагать, что при внесении в ход эксперимента различных отягчающих обстоятельств, а также при удлинении экспозиции в условиях невесомости восстановление метаболизма миокарда может затянуться, что скажется на его функции и соответственно на общем состоянии и работоспособности организма.
В костной ткани, как и в ткани скелетных мышц, наибольшие изменения под влиянием невесомости возникали в тех звеньях системы, которые несут максимальную нагрузку в условиях земной гравитации - в бедренных костях. Обнаружены остеопороз губчатых отделов, умеренное истончение и разрежение кортикальной пластинки, значительное разрежение спонгиозы метафизов, уменьшение периостального костеобразования, замедление созревания остеоида и минерализации костной ткани, замедление роста костей в длину, снижение их механической прочности (Ягодовский и др., 1977, 1979; Holton, 1978; Ступаков и др., 1979, 1989; Spector et al., 1983; Дурнова и др., 1990). Обнаружено снижение механической прочности не только костей периферического скелета, но и отдельных позвонков и позвоночного столба в целом (Kazarian, 1980).
Следует отметить, что некоторые изменения в опорно-двигательном аппарате животных, возникшие под влиянием невесомости, сходны с эффектами, выявленными в модельных экспериментах с гипокинезией (Португалов и др., 1967). Общность некоторых реакций определяется, очевидно, наличием в генезе данной группы воздействий общего компонента - функциональной недогрузки опорно-двигательного аппарата. В качестве одной из главных причин изменений, возникающих в опорно-двигательном аппарате животных, находящихся в условиях невесомости, можно рассматривать изменение характера деятельности отдельных мышц при отсутствии статической нагрузки на большую группу мышц и звеньев скелета, обеспечивающих сохранение позы и участвующих в формировании тонического компонента движений в земных условиях. Последнее, по всей вероятности, сопровождается изменением характера и качества проприоцептивной импульсации, являющейся в нормальных условиях обязательным звеном в системе управления движением и нервного контроля структуры и функции мышц (Португалов, 1978; Оганов, 1980, 1984).
Функциональной недогрузкой в условиях невесомости могут быть объяснены не только изменения в опорно-двигательном аппарате, но и изменения в эритроцитарной системе: усиление спонтанного гемолиза in vivo (Leon et al., 1978, 1980), снижение активности эритроидного кроветворения (Shvetz, Portugalov, 1976; Швец и др., 1977; Каландарова и др., 1981; Серова и др., 1993), снижение числа стволовых кроветворных клеток (Vacek et al., 1982, 1985, 1988, 1990).
В эксперименте на биоспутнике "Космос-936" были обследованы две группы животных, одна из которых находилась в условиях невесомости, а другая - на бортовой центрифуге при искусственной силе тяжести величиной 1 G. Прижизненный гемолиз и другие характеристики жизненного цикла эритроцитов изучались с помощью оригинального метода (Landaw et al., 1970), основанного на количественном определении СО, выделяющейся с выдыхаемым воздухом, после предварительной (до полета) метки группы эритроцитов 2-С14-глицином. Полученные результаты говорят о том, что создание искусственной силы тяжести предотвращает изменения характеристик жизненного цикла эритроцитов, развивающиеся в условиях космического полета без дополнительного центрифугирования, что позволяет однозначно связать эти изменения с действием невесомости (Leon et al., 1980; Серова и др., 1993).
При биохимическом анализе внутренних органов животных, обследованных после завершения космических полетов, получены данные, свидетельствующие о наличии обратимых изменений практически всех видов обмена веществ.
Изменен обмен нуклеиновых кислот. Проявлением этих изменений является снижение содержания РНК в клетках Пуркинье мозжечка, в крупных нейронах межпозвоночных узлов спинного мозга, в печени, селезенке (Газенко, Демин и др., 1976, 1979; Горбунова и др., 1977; Макеева и др., 1976; Комолова и др., 1977, 1978, 1982). При этом общая направленность изменений укладывается в известную гипотезу Ф.З.Меерсона (1963, 1967), согласно которой гиперфункция органа сопровождается активацией синтеза нуклеиновых кислот и белков, а снижение активности должно вести к угнетению синтеза.
При изучении мышц отмечены изменения ферментативной активности саркоплазматических белков, которые достаточно четко коррелировали со степенью атрофического поражения, выявленного гистологическими методами и определявшегося для разных мышц степенью их участия в осуществлении антигравитационной функции на Земле (Гаевская и др., 1976, 1979; Ильина-Какуева и др., 1977, 1979; Оганов, 1980, 1984).
Большие изменения произошли под действием факторов космического полета в обмене липидов, при этом есть данные об активации и липолитических, и липогенетических процессов (Алерс и др., 1979, 1980, 1982).
Об изменении углеводного обмена говорят такие данные, как изменение спектра изоферментов ЛДГ в скелетных мышцах (Петрова, 1977, 1978), изменение уровня глюкозы, лактата и пирувата в крови (Тигранян и др., 1979) и ряд других.
При изучении водно-солевого обмена животных после космического полета была обнаружена неадекватная реакция при нагрузочной пробе с введением калия, выразившаяся в том, что, несмотря на дефицит калия в организме, способность задерживать его при нагрузке была снижена (Наточин и др., 1979; Ильин и др., 1980). После кратковременных космических полетов (7 - 9 суток) у крыс отмечено снижение содержания калия в ткани миокарда, после более длительных полетов эти изменения выявлены не были (Наточин и др., 1995).
Существенно, что в полетах, длительность которых составила около 1/50 части жизни животных, отмечены признаки активации и катаболических и анаболических процессов. Об активации катаболизма говорят задержка роста животных, уменьшение массы мышц и другие изменения. Об активации анаболизма позволяют думать такие факты, как высокая усвояемость корма во время полета (Кондратьев и др., 1979), увеличение потребления кислорода (Голов и др., 1977). Видимо, при данной длительности полета организм способен частично компенсировать процессы распада, возникающие как реакция на недогрузку опорно-двигательного аппарата. Вместе с тем, несмотря на филогенетически определенную консервативность реакции активации анаболизма, есть основание думать, что при удлинении сроков полета эта реакция, не находя адекватного подкрепления, может угаснуть и мы столкнемся с некомпенсированной прогрессирующей активацией катаболических процессов (Гаевская и др., 1976).
К разряду неспецифических изменений, отмеченных после полета, были отнесены признаки умеренной стресс-реакции, найденные в гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системе, в лимфоидных органах и крови. Описано повышение функциональной активности нейросекреторных клеток гипоталамуса, повышение функциональной активности АКТГ-клеток передней доли гипофиза и снижение содержания нейросекреторной субстанции в задней доле, гипертрофия надпочечников, увеличение объема ядер клеток пучковой зоны, делипоидизация коркового слоя надпочечников, увеличение содержания в них кортикостерона (Савина и др., 1977, 1979; Кветнянски и др., 1979). К признакам стресс-реакции, отмеченным после полета в лимфоидных органах, относятся снижение массы тимуса и селезенки, числа тимоцитов и спленоцитов. При гистологическом исследовании тимуса животных, экспонированных в условиях невесомости, отмечен массовый распад тимоцитов и накопление ядерного детрита в корковом веществе, уменьшение размеров лимфоидных фолликулов и их светлых центров, в селезенке - гипоплазия белой и красной пульпы и резкое (в 30 раз) увеличение содержания полидезоксирибонуклеотидов, обычно сопровождающее действие "острых" повреждающих факторов (Дурнова и др., 1977, 1979; Дурнова, 1978; Мишурова, 1979, 1982; Серова, 1975, 1977).
В крови животных, экспонированных в условиях невесомости, отмечены такие проявления стресс-реакции, как повышение концентрации кортикостерона и глюкозы в плазме, изменение спектра липидов, нейтрофилез и лимфопения (Алерс и др., 1979; Серова и др., 1979; Тигранян и др., 1979).
Вместе с тем после эксперимента на биоспутнике "Космос-782" у тех же крыс, у которых были отмечены все признаки стресс-реакции, упомянутые выше, не было найдено изменений в сравнении с контрольными группами в содержании гормонов в гипофизе: соматотропного, адренокортикотропного, тиреотропного, лютеинизирующего, фолликулостимулирующего, пролактина. Концентрация соматотропного гормона в плазме крови у животных полетной группы была при этом значительно (более чем втрое) и достоверно снижена, а концентрации АКТГ, тиреотропного гормона, вазопрессина не имели достоверных различий с виварийным контролем (Гринделенд и др., 1979).
В экспериментах на биоспутниках "Космос-782, -936, -1129" было проведено детальное изучение метаболизма катехоламинов в различных тканях животных (Кветнянски и др., 1979, 1980, 1981, 1983; Kvetnansky et al., 1981). Определены содержание адреналина и норадреналина в плазме крови, надпочечниках, миокарде (отдельно в правом и левом предсердиях и желудочках), гипоталамусе (целиком и в изолированных ядрах), лимбической системе, мозжечке, стволе мозга; содержание дофамина в гипоталамусе, мозжечке, лимбической системе и стволе мозга, а также активность ферментов синтеза и деградации катехоламинов в надпочечниках (тирозингидроксилаза, дофамин-b-гидроксилаза, моноаминооксидаза). При этом существенных изменений в концентрации катехоламинов и уровне их метаболизма не обнаружено. Лишь в одном из экспериментов ("Космос-782") у животных полетной группы отмечено достоверное увеличение активности ключевого фермента синтеза катехоламинов - тирозингидроксилазы в надпочечниках (Кветнянски и др., 1979).
Таким образом, при обследовании животных после полетов на биоспутниках серии "Космос" у них обнаружен ряд признаков, характерных для стресс реакции и в то же время в ряде систем, обычно вовлекаемых в стресс-синдром (гормоны гипофиза, метаболизм катехоламинов) изменений найдено не было. Прежде всего следует отметить тот существенный и в первых экспериментах неожиданный для нас факт, что комплекс факторов космического полета, включающий невесомость и действующий на протяжении 1/50 части жизни животных, оказался не сильным, а умеренным стрессором. Об этом говорит отсутствие серьезных изменений в метаболизме катехоламинов (Кветнянски и др., 1979, 1980, 1981, 1983), отсутствие изменений в гормональном статусе гипофиза (Гринделенд и др., 1979), отсутствие язв и предъязвенных состояний в слизистой желудка (Браун, Верникос-Данелис, 1979), а также умеренная выраженность и обратимость проявлений стресс-реакции, описанных выше.
В течение многих лет среди исследователей, участвовавших в экспериментах на биоспутниках, обсуждается вопрос является ли стрессорным воздействием сама невесомость или стресс-реакция является острой и развивается на завершающем этапе полета - при возвращении к земной гравитации. К сожалению, дать однозначный ответ на этот вопрос не смог даже единственный пока эксперимент, где обследование животных было проведено непосредственно в космическом полете (программа SLS-2 на американском корабле "Шаттл"). Тем не менее анализ полученного материала позволяет выделить среди признаков стресс-реакции, выявленных у животных после полета, признаки как острого, так и хронического стресса. К первым можно отнести повышение функциональной активности нейросекреторных клеток гипоталамуса и гипофиза (Савина и др., 1977), увеличение концентрации кортикостерона и глюкозы в плазме крови (Тигранян и др., 1979), нейтрофилез и лимфопению (Серова и др., 1979), увеличение содержания полидезоксирибонуклеотидов в селезенке (Мишурова и др., 1979), ко вторым - задержку роста животных полетной группы, инволюцию лимфоидных органов (Дурнова и др., 1977; Серова, 1977; Серова и др., 1979), изменение условнорефлекторной деятельности животных во время полета (Апанасенко и др., 1982).
Размышление над полученным материалом и его сопоставление с литературой об общих закономерностях адаптации заставляют рассматривать приспособление животных к невесомости как динамичный процесс, включающий стресс-реакцию в первые дни полета, частичную стабилизацию состояния в ходе полета и новую острую стресс-реакцию при возвращении на Землю. Именно такая ситуация наблюдается при гипергравитации величиной 2-3 G, когда недельная экспозиция животных на центрифуге сопровождается признаками гипергравитационного стресса, а длительная (до года) экспозиция ведет к стабилизации большинства показателей (Oyama et al., 1965; Wunder et al., 1968).
ВЛИЯНИЕ НЕВЕСОМОСТИ НА РАЗВИТИЕ МЛЕКОПИТАЮЩИХ
В 1983 г. на биоспутнике "Космос-1514" в условиях космического полета был проведен эмбриологический эксперимент с млекопитающими, впервые решивший принципиальный вопрос о возможности развития плода при действии невесомости на материнский организм. Было установлено, что в условиях космического полета возможно не только поддержание физиологических функций у взрослых животных, но и нормальное формирование функций у развивающегося плода (Serova et al., 1984; Серова, 1988, 1996).
Полет был непродолжительным, он длился 5 суток, но они составляют почти ? всего периода беременности крысы. Животные находились в космическом полете с 13-го по 18-й день беременности. Это время активного роста плода, формирования его нервной и эндокринной систем, скелета, мышц, внутренних органов. Со всеми этими задачами организм, экспонированный в невесомости, успешно справился. Во время космического полета плоды крыс, начавшие свое развитие на Земле до полета, продолжали расти и развиваться, лишь немного отставая от контроля; они завершили развитие после возвращения на Землю - в период реадаптации материнского организма к земной силе тяжести, достигли половой зрелости и, в свою очередь, дали потомство. Благополучие плодов, развивавшихся в условиях космического полета, достигалось ценой серьезных изменений в организме матери. Интегральным выражением этих изменений была задержка прироста массы тела крыс-самок на 60 г (четверть исходной массы тела) всего за 5 суток космического полета (Серова и др., 1984, 1988). При этом показатели репродуктивной функции практически не были изменены. У крыс полетной группы было (в среднем) по 13 живых плодов при 12 в виварийном и 13 в синхронном контролях. У плодов животных полетной группы отмечено небольшое отставание в развитии, выразившееся в задержке прироста массы тела и развития участков окостенения в скелете, а также в большем содержании воды в тканях плода. Однако различия между группами были небольшими (в пределах 10 %) и в дальнейшем быстро нивелировались: новорожденные крысята, появившиеся на свет через несколько дней после возвращения на Землю, уже не отставали по массе тела от животных синхронного контроля, а по размерам участков окостенения даже опережали крысят контрольных групп. Интересно отметить, что суммарная масса плодов, развившихся у каждой самки в условиях невесомости, в день завершения полета была такой же, как в виварийном контроле: 11,40 и 11,47 г соответственно, т.е. несмотря на значительную потерю собственной массы, обусловленную усилением катаболических процессов в условиях невесомости, животные полетной группы активировали анаболические процессы, связанные с ростом плодов, в той же мере, что и контрольные. Во время вскармливания потомства крысы-самки полетной группы сохранили нормальное материнское поведение и обеспечили крысят необходимым количеством молока (Серова и др., 1988; Alberts et al., 1985).
Поскольку и действие невесомости, и беременность связаны с изменениями метаболизма воды и электролитов, прежде всего кальция, планируя эксперимент, мы ожидали, что сочетанное действие этих факторов будет сопровождаться серьезными, может быть, даже катастрофическими изменениями кальциевого метаболизма. Действительно, было обнаружено значительное (более 50 %) снижение содержания кальция в печени и почках крыс-самок полетной группы, менее выраженные изменения наблюдались в коже, а в костной ткани изменения практически отсутствовали (р > 0,05). При этом материнский организм сумел обеспечить гомеостаз развивающихся плодов: концентрации натрия, калия, кальция и магния в опыте и контролях были одинаковыми как в тканях плодов в день завершения полета, так и позднее - на разных этапах постнатального онтогенеза (Денисова и др., 1988; Серова и др., 1988). О высокой эффективности поддержания гомеостаза плода во время космического полета говорит и отсутствие серьезных различий между опытом и контролями в развитии центральной нервной системы и анализаторов, которое оценивалось в течение трех месяцев постнатального онтогенеза с использованием видеосъемки и тестов, соответствующих каждой возрастной группе: от простых проб для новорожденных до сложных задач в лабиринтах разных конструкций (Апанасенко и др., 1988; Серова и др., 1988; Alberts et al., 1985). При вскрытии животных, прошедших часть периода пренатального развития в условиях космического полета, на 15, 30-й и 100-й дни жизни не найдено различий между опытом и контрольными группами в массе внутренних органов, метаболизме воды, электролитов, жиров, нуклеиновых кислот, биологически активных веществ (Алерс и др., 1988; Денисова и др., 1988; Кветнянски и др., 1988; Макеева и др., 1988; Мишурова и др., 1988; Немет и др., 1988; Ощадал и др., 1988; Юрчовичова и др., 1988). То есть экспозиция в условиях невесомости в плодном периоде, на этапе формирования внутренних органов и механизмов, регулирующих их деятельность, не повлияла на темпы роста органов и уровень метаболизма в них на разных этапах постнатальной жизни вплоть до достижения животными половой зрелости. Единственными серьезными различиями между опытом и контролем, выявленными в этом разделе исследований, были изменения метаболизма коллагена в коже и костной ткани животных, развившихся в условиях космического полета; наиболее существенным из них было увеличение содержания коллагена типа III (Поспишилова и др., 1988).
Совокупность полученных результатов позволяет достаточно высоко оценить приспособительные возможности системы мать-плод при экспозиции в невесомости. Условия космического полета оказались далеко не безразличными для матери и потребовали значительного напряжения ее компенсаторно-приспособительных механизмов. Это напряжение оказалось достаточно результативным: матери удалось поддержать гомеостаз развивающихся плодов и обеспечить их необходимым пластическим материалом.
Результаты следующего эмбриологического эксперимента с крысами, проведенного на космическом корабле "Шаттл" в 1994 г., подтвердили правильность наших выводов. Было установлено, что при увеличении экспозиции беременных животных в невесомости вдвое - с 5 до 11 суток (половина всего срока беременности) - изменения в системе мать-плод не только не углубляются, но по ряду существенных показателей (водно-солевой гомеостаз плодов, развитие скелета) даже становятся меньшими (Серова и др., 1996; Alberts et al., 1995; Serova et al., 1995).
Материалы эмбриологического эксперимента на биоспутнике "Космос-1514" и сопутствовавших ему наземных модельных опытов, демонстрируя возможность нормального развития плода млекопитающих при действии невесомости на материнский организм, демонстрируют и возможность достаточно серьезных изменений у отдельных особей. В то время как основная масса животных переносила условия космического полета без развития необратимых патологических изменений и осложнений в реадаптационном периоде, у отдельных особей возникали серьезные изменения, такие, например, как рождение мертвого помета у одной из самок полетной группы или рождение ослабленных крысят, погибавших в первые дни жизни.
Сам факт существования индивидуальных различий в реакциях организма на действие факторов среды, в том числе невесомости и гипергравитации, не является новым, он обсуждается и анализируется рядом авторов (Касьян и др., 1967; Давыдовский, 1969; Williams, 1956; Burton et al., 1965; Smith et al., 1980).
Можно предположить, что индивидуальные различия возникают за счет постепенно накапливающихся изменений в генетическом аппарате, длительное время (например, при содержании животных в виварии без дополнительных воздействий) остающихся нейтральными или почти нейтральными (Kimura, 1983), т.е. не имеющими значения для судьбы индивидуума и популяции в целом. В стрессорных ситуациях эти различия являются, очевидно, основой для дифференцировки животных по резистентности, а при экстремальных воздействиях могут привести к гибели части из них.
Деление популяций животных на четкие, количественно оцениваемые группы, существенно отличающиеся друг от друга по резистентности к действию разнообразных факторов среды, имеет принципиальное биологическое значение, определяя динамику выживаемости в природных условиях, возникновение, течение и исход болезней (Северцов, 1934; Шмальгаузен, 1942; Давыдовский, 1969).
Говоря о значении факта индивидуальной резистентности и реактивности применительно к проблемам длительных космических полетов, целесообразно вспомнить работы Р.Бартона и А.Смита (Burton et al., 1965; Smith et al., 1980), получивших более 20 поколений птиц в условиях гипергравитации величиной 2 G. При этом уже в первом поколении был выявлен определенный процент особей, плохо переносивших гипергравитацию, а отбор, как это обычно происходит в природных условиях, осуществлялся на популяционном уровне, за счет скрещивания особей, лучше других адаптирующихся к изменению условий среды. Сходная картина будет, очевидно, наблюдаться и при попытке получения нескольких поколений животных в условиях космического полета. Поэтому одной из задач дальнейших исследований является поиск методов предварительного (до полета) прогноза индивидуальных реакций отдельных особей в условиях невесомости.
НЕВЕСОМОСТЬ, БИОЛОГИЧЕСКИЙ ВОЗРАСТ И СТАРЕНИЕ ЖИВОТНЫХ
В 1978 году Эймским центром НАСА была организована конференция по проблеме космической геронтологии. Ее материалы были опубликованы в 1982 г. В конференции участвовали не только ведущие специалисты в области гравитационной биологии Дж.Ойама, Р.Гринделенд, Э.Холтон, Дж.Мигуэль и другие, но и крупнейший геронтолог А.Комфорт, автор известного учебника по геронтологии, переведенного на многие языки, в том числе и на русский. Тем не менее все материалы, представленные на конференции, были основаны в большей мере на аналогиях и гипотезах, нежели на реальных фактах. Было обращено внимание на сходство ряда изменений, наблюдавшихся у животных и человека после космических полетов, с тем, что происходит при старении (Holton, 1982; Miquel, 1982). Такие наблюдения были сделаны и в экспериментах с крысами на биоспутниках "Космос". У животных, экспонированных в условиях невесомости в течение 1 - 3 недель, отмечены инволюция лимфоидных органов (Дурнова и др., 1977), атрофия мышечной ткани (Ильина-Какуева, Португалов, 1977, 1981), остеопороз (Ягодовский и др., 1977, 1979; Holton, 1982), снижение иммунореактивности (Константинова, 1988), напоминающие изменения, развивающиеся при старении. Однако в случае невесомости все эти изменения были обратимыми и при возвращении на Землю достаточно быстро нивелировались.
На биоспутнике "Космос-782" Дж.Мигуэль и Г.П.Парфенов провели оригинальный эксперимент, в котором оценили темпы развития дрозофилы (Drosophila melanogaster) в условиях невесомости, выживаемость и продолжительность жизни в послеполетном периоде. Эксперимент длился 19,5 суток. Продолжительность жизни мух, экспонированных в условиях невесомости, имела тенденцию к увеличению, однако различие показателей между опытом и контролем не было достоверным. Не найдено выраженных различий между группами и в темпах старения. При послеполетном обследовании авторы наблюдали увеличение латентного периода спаривания у подопытных животных в сравнении с контролем почти вдвое, а также снижение двигательной активности. Однако эти изменения, очевидно, не были связаны с действием невесомости, поскольку наблюдались как у животных, экспонированных в невесомости, так и у мух, находившихся во время космического полета в условиях 1 G на бортовой центрифуге.
В 1991 г. Дж.Мигуэль и К.Сюза опубликовали обзорную статью "Влияние гравитации на репродукцию, развитие и старение"; данные о старении, представленные в ней, были, по сути, аналогичны представленным в докладах на упомянутой выше конференции 1978 года, что позволяет говорить об отсутствии прогресса в развитии проблемы в течение более чем 10 лет, разделявших эти события. Такое же положение сохранилось и в последующее десятилетие. Поэтому представляется целесообразным выбрать из огромного массива данных, полученных в экспериментах с млекопитающими на биоспутниках "Космос", материалы, имеющие отношение к проблеме, и специально обсудить их.
Продолжительность жизни животных после космических полетов
После эксперимента на биоспутнике "Космос-605", длившегося 22,5 суток, небольшая группа животных была оставлена для изучения отдаленных последствий космического полета: 4 крысы-самца из полетной группы и 6 - из виварийного и синхронного контролей. Наблюдение за животными до их естественной смерти показало, что экспозиция в условиях невесомости не привела к сокращению продолжительности жизни. Две подопытные крысы умерли в возрасте 29 - 30 месяцев, одна - в возрасте 35 месяцев, в то время как все контрольные животные умерли в возрасте 23 - 25 месяцев. И только одна подопытная крыса умерла раньше контрольных: в возрасте 13 месяцев с признаками аденокарциномы тонкого кишечника.
После эксперимента на биоспутнике "Космос-1129" (18,5 суток в условиях космического полета) мы также имели группу животных, оставленных до естественной смерти: 5 крыс полетной группы (2 самца и 3 самки), 4 крысы синхронного контроля (2 самца и 2 самки), в виварийной контрольной группе было 11 животных (5 самцов и 6 самок). Продолжительность жизни крыс полетной группы составила в среднем 23,5 месяца (22,8 для самок и 24,5 для самцов), в виварийном контроле - 21,5 месяца (21,3 для самок и 21,8 для самцов), а в синхронной контрольной группе - 22 месяца (20 для самок и 23,5 для самцов). Различие между опытом и контролем было недостоверным.
Несмотря на небольшой объем этого экспериментального материала, он, на наш взгляд, достаточен для того, чтобы сделать заключение, что космический полет длительностью до трех недель (около 1/50 части жизни животных данного вида) не сопровождается снижением продолжительности жизни после возвращения на Землю.
Сила тяжести и биологический возраст организма
По определению известного геронтолога В.В.Фролькиса (1982) биологический возраст является объективной мерой возрастных изменений уровня здоровья, способности организма адаптироваться к изменяющимся условиям существования, мерой связи текущего процесса старения с возможностью развития возрастной патологии.
Существует много критериев биологического возраста (Токарь, Войтенко, 1984). Мы использовали три критерия, применительно к которым у нас есть экспериментальные данные, полученные при обследовании крыс, экспонированных в условиях невесомости. Это - репродуктивная функция, резистентность организма и скорость процессов регенерации тканей.
Репродуктивная функция. Состояние репродуктивной функции организма - один из основных критериев биологического возраста. По мере старения "работоспособность" репродуктивной системы постепенно падает, а замедление этих изменений у отдельных лиц говорит о снижении их индивидуального биологического возраста.
Наша программа изучения влияния невесомости на репродуктивную функцию крыс-самцов была начата в эксперименте на биоспутнике "Космос-605" и затем в большем или меньшем объеме входила в программы исследований на девяти биоспутниках серии "Космос". Она включала количественную оценку клеточных элементов сперматогенеза на разных стадиях развития (Денисова и др., 1989; Серова, 1989), изучение полового поведения и репродуктивной функции при скрещивании с интактными самками в разные сроки после космических полетов (Серова и др., 1982; Серова, 1989), цитогенетические исследования (Бенова, 1988; Выгленов и др., 1981; Кушева и др., 1978).
В эксперименте на биоспутнике "Космос-605" через 2,5 месяца после приземления животных мы впервые провели скрещивание самцов полетной группы с интактными самками. Полученное потомство не отличалось от потомства контроля по общему числу новорожденных, массе тела при рождении, динамике массы в первый месяц жизни, массе органов, картине крови, устойчивости к гипоксии (Серова и др., 1979). Аналогичные результаты были получены при скрещивании самцов полетной группы с интактными самками через 2,5-3 месяца после эксперимента на биоспутнике "Космос-1129". При скрещивании, проведенном в ранние сроки (через 5 суток после полета), мы также не наблюдали увеличения доимплантационной и постимплантационной гибели потомства (Серова и др., 1982).
В наибольшем объеме программа изучения репродуктивной функции крыс-самцов была реализована после 7-суточного космического полета на биоспутнике "Космос-1667". При этом не было найдено различий между подопытной и контрольными группами в массе семенников и содержании в них воды. Количественный цитологический анализ мазков, приготовленных из гомогената ткани семенника, не выявил различий между опытом и контролями в содержании клеточных элементов сперматогенеза и соотношении герминативных, трофических и гормонпродуцирующих клеток. Вес эпидидимисов у подопытных животных, концентрация сперматозоидов и количество сперматозоидов с морфологическими аномалиями головки в опыте были такими же, как в виварийном контроле (Денисова и др., 1989).
При скрещивании самцов полетной группы с интактными самками в течение первых двух недель после космического полета не было найдено изменений половой активности. Самки, оплодотворенные самцами полетной группы, не отличались от контрольных по показателям пренатальной и ранней постнатальной смертности, числу новорожденных и соотношению самцов и самок в пометах. Не найдено увеличения числа крысят с аномалиями развития и признаками физиологической незрелости. За новорожденными крысятами всех групп наблюдали в течение месяца после рождения, при этом не было найдено достоверных различий между опытом и контролями в темпах роста и развития, физической выносливости, поведении.
Космический полет на биоспутнике "Космос-1887", длившийся 13 суток, также не оказал существенного влияния на состояние репродуктивных органов крыс-самцов. У животных полетной группы было отмечено небольшое, в пределах 10 %, снижение массы семенников и эпидидимисов за счет снижения содержания воды. Вместе с тем общее количество клеток в семеннике и соотношение отдельных клеточных элементов не были изменены. Не найдено достоверных различий между опытом и контролями в общем количестве сперматозоидов в эпидидимисе и доле сперматозоидов с морфологическими отклонениями от нормы. Сходная картина наблюдалась и после полета на биоспутнике "Космос-2044" (Серова, 1989; Serova et al., 1989).
Таким образом, у животных, находившихся в условиях невесомости до двух недель, не было найдено изменений в массе репродуктивных органов и количестве клеточных элементов сперматогенеза всех генераций. Поскольку схема скрещивания с интактными самками после полета по срокам была построена так, чтобы оценить оплодотворяющую способность сперматозоидов, находившихся во время космического полета на разных стадиях созревания, результаты этих исследований и эксперимента на биоспутнике "Космос-605", длившегося 22,5 суток, позволяют прийти к выводу, что уровень доминантных летальных мутаций, как в зрелых сперматозоидах, так и в стволовых клетках сперматогенеза у крыс-самцов, экспонированных в невесомости в течение 1-3 недель не превышает соответствующий показатель контроля. Д.Бенова (1988) и К.Выгленов (1981), проводившие специальные цитогенетические исследования, не выявили мутагенного действия невесомости на семенники взрослых животных и плодов, развившихся в условиях действия невесомости на материнский организм.
Можно сделать заключение, что по данному критерию биологический возраст животных после космических полетов длительностью до трех недель в послеполетном периоде оставался таким же, как у контрольных животных. Воздействия, используемые для моделирования физиологических эффектов невесомости, такие как гипокинезия, иммобилизация, "вывешивание", сопровождались в наших экспериментах существенно большими изменениями в репродуктивных органах крыс-самцов, чем невесомость в реальном космическом полете при одинаковой длительности экспозиции (Серова, 1996).
Резистентность организма. При обследовании животных, вернувшихся на Землю после космического полета, уже после первых опытов на биоспутниках были найдены изменения, позволяющие думать о снижении общей резистентности: замедление прироста массы тела (Серова, 1977) инволюция лимфоидных органов (Дурнова и др., 1977), снижение иммунореактивности (Константинова, 1988) и другие. Одной из основных приспособительных реакций крыс, вернувшихся на Землю, было снижение двигательной активности, своеобразная функциональная гипокинезия, облегчающая реадаптацию к земной силе тяжести после невесомости. Казалось очевидным, что при создании в послеполетном периоде даже самых незначительных нагрузочных ситуаций мы столкнемся с их худшей переносимостью у животных полетной группы и прежде всего - с нарушением согласованной работы систем, поддерживающих гомеостаз при нагрузках. Однако опыты, проведенные на следующем этапе - при использовании нагрузочных проб, - не подтвердили это предположение. На биоспутнике "Космос-1129" был проведен специальный эксперимент (Kvetnansky et al., 1981), в котором оценивалась реакция крыс-самцов на острый и хронический иммобилизационный стресс, создаваемый в послеполетном периоде (2,5 - часовая иммобилизация в положении "спиной вверх" на 0, 3, 4, 5-е и 6-е сутки периода реадаптации). Несмотря на то, что применявшиеся стресс-пробы были достаточно тяжелыми и первая проба проводилась всего через несколько часов после приземления на фоне стрессорных изменений, возникших во время полета и при возвращении к земной гравитации, и первая, и последующие пробы переносились крысами полетной группы вполне удовлетворительно. Существенных, угрожающих жизни организма изменений реактивности при стресс-пробах в опыте в сравнении с контролями отмечено не было.
По ряду показателей реакция животных полетной и контрольных групп на серию проб была практически одинаковой. Это касалось изменений массы тимуса и числа тимоцитов, концентрации адреналина в плазме крови. По другим показателям, таким, как, например, уровень кортикостерона в надпочечниках и плазме, масса селезенки, реакция на стресс в сравнении с исходными величинами, зарегистрированными в день завершения полета, в опыте была меньшей, чем в контроле. К третьей группе относятся показатели, реакция которых на серию стресс-проб в опыте была большей: содержание адреналина и активность тирозингидроксилазы в надпочечниках.
Поскольку основным смыслом стресс-реакции является мобилизация энергетических и структурных ресурсов организма, направляющихся к системам, осуществляющим усиленную функцию, тот факт, что животные, вернувшиеся из космического полета, по многим показателям сохранили глубину реакции на стресс-пробы, свойственную контролю, может рассматриваться как положительный. Вместе с тем даже там, где реакция подопытных животных на иммобилизационный стресс была по глубине такой же, как в контроле, она развивалась на фоне аналогичных изменений, уже имевших место к моменту возвращения на Землю. В результате "наложения" изменений, возникших при дополнительных стресс-пробах, на изменения, имевшие место после полета, к концу проб животные подопытной группы отличались от контрольных меньшей массой тимуса и селезенки, большей концентрацией кортикостерона в плазме, меньшим содержанием адреналина в надпочечниках при увеличенной активности ключевого фермента его синтеза - тирозингидроксилазы - и одинаковой с контролем концентрации адреналина в крови, что позволяет думать об усиленной утилизации его в тканях.
На биоспутнике "Космос-690" крысы-самцы были облучены g-лучами в дозах около 2 и 8 Гр во время экспозиции в условиях невесомости: на 10-е сутки 20-суточного космического полета. Невесомость не вызвала существенных изменений в течении лучевой болезни. Коэффициент модифицирующего влияния невесомости на чувствительность животных к ионизирующему излучению для большинства органов и систем практически не отличался от 1, и только для некоторых параметров, относящихся к системе крови, он увеличивался до 1,2 (Каландарова и др., 1981; Yu.Grigoriev et al., 1976).
Все эти данные позволяют, на наш взгляд, говорить о том, что снижение общей резистентности, выбранное нами в качестве одного из критериев биологического возраста животных, после космических полетов длительностью до трех недель было незначительным.
Скорость процессов регенерации. В экспериментах на биоспутниках "Космос" было изучено влияние невесомости на процессы физиологической и посттравматической регенерации различных тканей крыс.
А.Вацек и соавторы (Вацек и др., 1988; Vacek et al., 1983, 1990, 1991), участвовавшие в обследовании крыс после космических полетов, длившихся от пяти суток до трех недель, обнаружили снижение числа полипотентных стволовых клеток кроветворения в костном мозге и селезенке. После двухнедельного эксперимента на биоспутнике "Космос-2044" этими авторами был проведен дифференциальный анализ клеток - предшественников фибробластов, эритроцитов, гранулоцитов и макрофагов в костном мозге животных, вернувшихся на Землю. Для всех типов клеток было отмечено существенное снижение их общего числа и концентрации.
При гистологическом и цитологическом анализе костного мозга после космических полетов длительностью до трех недель было отмечено значительное уменьшение общей клеточности и процентного содержания элементов эритроидного ряда (Каландарова и др., 1981; Серова и др., 1983; Shvetz et al., 1976). Интересно отметить, что эти изменения не коррелировали с длительностью космического полета и были практически одинаковыми после экспозиции в условиях невесомости в течение 1, 2 и 3 недель.
В эксперименте на биоспутнике "Космос-690" была изучена репаративная регенерация костного мозга крыс, подвергшихся g-облучению во время космического полета (Каландарова и др., 1981; Yu.Grigoriev et al., 1976). При этом было отмечено замедление процессов репарации красного ростка костного мозга крыс, облученных в невесомости, по сравнению с синхронным контролем, облученным в той же дозе (2,2 Гр) на Земле. Если сразу после возвращения на Землю (12-е сутки после облучения) содержание клеток красного ряда в бедренных костях подопытных и контрольных крыс было одинаковым, то на 26-е сутки реадаптационного периода (36-е сутки после облучения) в контроле этот показатель увеличивался до 61,7 млн. при 34 млн. в подопытной группе (р < 0,05). Изменения в других клеточных популяциях кроветворной системы были менее выраженными.
На биоспутнике "Космос-2044" Г.Н.Дурновой, Е.И.Ильиной-Какуевой, А.С.Капланским и их коллегами был проведен специальный эксперимент, в котором изучалось влияние невесомости на процессы посттравматической регенерации костной и мышечной тканей. Взрослых крыс-самцов за двое суток до начала двухнедельного космического полета подвергали операции, в ходе которой на обеих задних конечностях были произведены переломы малой берцовой кости и раздавливание участков камбаловидной мышцы и латеральной головки икроножной мышцы. Результаты изучения участков регенерирующих тканей у животных, вернувшихся на Землю после космического полета, позволили авторам сделать заключение, что и в мышцах, и в костной ткани фазовое течение репарационного процесса не было нарушено, хотя интенсивность его у подопытных животных была существенно меньшей. У крыс, экспонированных в условиях невесомости, было найдено достоверное снижение объема и массы костной мозоли, а также прочности консолидации костных обломков. Сходная картина наблюдалась и в мышечной ткани (Дурнова и др., 1991; Ильина-Какуева и др., 1991).
Совокупность представленных данных позволяет говорить о том, что экспозиция в условиях невесомости сопровождается снижением скорости процессов физиологической и посттравматической регенерации тканей, что может быть интерпретировано как показатель некоторого увеличения биологического возраста животных.
ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
20 лет назад нами была опубликована перспективная программа изучения роста и развития млекопитающих в условиях космического полета (Serova et al., 1982). Она предусматривала:
оценку влияния невесомости и гипергравитации на различные этапы пре- и постнатального развития;
оценку возможности существования в условиях невесомости на протяжении полного цикла индивидуального развития и в последовательном ряду поколений;
изучение темпов старения, возрастных изменений общей резистентности и репродуктивной способности животных в космических полетах и после возвращения на Землю.
И хотя за истекшие годы сделано немало, программа эта еще очень далека от своего завершения, и кто знает, скольким поколениям исследователей предстоит работать, чтобы выполнить ее. Получен огромный объем данных о влиянии невесомости на взрослых млекопитающих, показана принципиальная возможность развития плода при действии невесомости на материнский организм, детально изучены структура и метаболизм органов и тканей крыс, прошедших часть периода пренатального развития в условиях космического полета.
Что произойдет со взрослыми животными при более длительной экспозиции в невесомости - будут ли возникшие изменения прогрессировать или наступит стабилизация, а может быть, даже нормализация состояния организма?
Хотя ответить на этот вопрос однозначно пока нельзя, хочется обратить внимание на тот факт, что изменения в структуре ряда органов животных после космических полетов, длившихся 1, 2 и 3 недели, были сходными (Ильина-Какуева, 1987; Капланский и др., 1987; Ильин и др., 1989). В ряде случаев изменения, возникшие в острый период адаптации к невесомости, в дальнейшем нивелировались. Например, снижение содержания калия в миокарде крыс было отмечено после 7 - 9 суток пребывания в невесомости, но не наблюдалось после двухнедельных космических полетов (Наточин и др., 1995); изменения условнорефлекторной деятельности животных в невесомости имели волнообразный характер, при этом максимальные отклонения от нормы приходились на первые дни (Апанасенко и др., 1982).
Нет пока и данных о влиянии невесомости в реальном космическом полете на ранние стадии пренатального развития млекопитающих. Американскими исследователями (Wolgemuth et al., 1985) выполнена оригинальная работа, в которой изучено влияние клиностатирования на оплодотворение и протекание ранних стадий развития у млекопитающих при культивировании зародышевых клеток in vitro. Авторы не нашли различий между подопытными и контрольными культурами в частоте случаев оплодотворения, характере протекания оплодотворения и ранних стадий дробления. Эти данные не исключают, однако, возможности изменений на ранних стадиях развития млекопитающих при действии невесомости in vivo, прежде всего за счет сдвигов в гормональном статусе матери.
Р.Майнс и Дж.Ольбертс (Mains, Alberts, 1985), проектируя системы жизнеобеспечения животных для перспективных эмбриологических экспериментов в условиях космического полета исходят из представлений, что спаривание животных и оплодотворение в невесомости будут затруднены, их проект предусматривает создание для этих целей центрифуг или других специальных устройств. Мы на основе модельных опытов в условиях гипергравитации и результатов эксперимента "Онтогенез", проведенного на биоспутнике "Космос-1129" (Serova et al., 1982, 1985), предполагаем, что спаривание и оплодотворение млекопитающих в невесомости возможно, однако для этого потребуется их предварительная адаптация к новой среде обитания.
В реакциях организма на невесомость и гипергравитацию существенная роль принадлежит неспецифическому - стрессорному компоненту (Burton, Smith, 1965; Серова, 1977; Serova et al., 1984). Признание этого факта определяет стратегию построения экспериментов исследователями, работающими в области гравитационной эмбриологии и физиологии развития. Так, Дж.Дьюк и соавторы (Duke et al., 1985) предлагают избавиться от "неспецифической составляющей" эффектов гипергравитации, работая с изолированными эмбрионами и их органами, выращиваемыми в культуре. Дж.Ойама (Oyama, 1985) достигает той же цели путем предварительной (до скрещивания) адаптации животных в условиях гипергравитации начиная с сосункового периода до наступления половой зрелости. При этом влияние гипергравитации (до 2,03 G) на пренатальное развитие крыс практически отсутствует, и основные различия проявляются в раннем постнатальном периоде при условии, что развитие животных продолжается при гипергравитации.
Результаты наших экспериментов на центрифуге также говорят о том, что для успешной реализации полного цикла развития млекопитающих (от оплодотворения до рождения и вскармливания потомства) в условиях гипергравитации необходима предварительная адаптация родителей. Однако, если предоставить животным самим "определить" время необходимой адаптации перед скрещиванием в условиях 2 G, то оно оказывается значительно меньшим, чем в экспериментах Дж. Ойамы - около двух недель, и при этом аномалии пренатального развития также практически отсутствуют (Serova et al., 1985; Серова, 1996).
Сходная картина будет, по-видимому, наблюдаться и в космическом полете: после предварительной адаптации самцов и самок в условиях невесомости часть животных будет оплодотворена, у некоторых из них зародыши успешно имплантируются в матку, начнется развитие зародыша, а затем - плода, которое у отдельных животных завершится нормальными родами, некоторые из животных, родившихся на борту космического корабля, доживут до половой зрелости и еще меньшая часть даст потомство нового поколения. На всех критических этапах развития сами условия космического полета будут "выбирать" животных с высокой "активной физиологической резистентностью" (Сиротинин, 1966), лучше других адаптирующихся к невесомости, подобно тому, как это происходило в упомянутых выше многомесячных экспериментах А.Смита и Р.Бартона в условиях гипергравитации и как это происходит в земных условиях в ходе эволюции.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Я благодарна судьбе, подарившей мне счастье реально прикоснуться к космическим исследованиям и работать вместе с замечательными людьми: коллегами - биологами из разных стран, инженерами, создавшими системы жизнеобеспечения и летательный аппарат, военными, обеспечивавшими запуски и "встречи" биоспутников.
Я благодарна Институту за все, что я имела, работая здесь: не только за блага, но и за выпавшие на мою долю трудности. За трудности - даже больше, потому что именно они заставляют идти вперед, подниматься на новые ступени, открывать для себя новые горизонты жизни. Перефразируя Станислава Лема, я хотела бы сказать, что человечество "недооценивает роли трудностей как фундаментальной категории бытия".
Отбор и подготовка животных к космическим полетам, испытания систем жизнеобеспечения, подготовка эмбриологических экспериментов были бы невозможны без самоотверженной работы сотрудников лаборатории, которой я руководила 20 лет: С.Н.Дерягиной, Г.М.Потаповой, Л.А.Денисовой, Н.А.Чельной, А. М.Пустынниковой, Е.В.Снетковой, С.Я.Ивановой, а также Е.Е. Соколовой, ухаживавшей за животными в виварии.
Я благодарна судьбе за возможность учиться, работая рядом с такими замечательными исследователями, как Н.Н.Сиротинин, К.Д.Груздев, О.Г.Газенко, С.Козловски (Польша), А.Смит (США), Ю.В.Наточин, Я.А.Винников, М.С.Гаевская, В.В.Португалов, Н.Н.Лившиц.
Я благодарна американским коллегам Р.Болларду и К.Сюзе за предоставленную мне возможность участвовать в подготовке и проведении эмбриологического эксперимента с крысами на корабле "Шаттл".
Успех работ во многом определило многолетнее сотрудничество с Г.Леоном и Дж.Ольбертсом (США), А.Вацеком, И.Поспишиловой, М.Поспишилом, З.Драготой (Чехия), Л.Махо, М.Вигашем, Р.Кветнянским, Е.Мишуровой, И.Алерсом (Словакия), В.Бараньской (Польша), К.Гехтом (Германия), С.В.Савельевым.
Некоторые ученые и в России, и в США предполагают, что лучший способ избежать проблем с сексом - отправить в полет космонавтов в возрасте за 50 лет. Еще одна идея состоит в том, чтобы последовать примеру библейского Ноя, который в свой ковчег взял каждой твари по паре, то есть формировать экипаж из супружеских пар. Если с людьми экспериментов не было, то растениям и животным в космосе тихо отсидеться не удалось - их репродуктивная функция исследовалась вдоль и поперек. Помимо аналогий с человеком, проблема заслуживает изучения ради возможности воспроизводства на борту всяких растений и живности для пропитания.
НЕВЕСОМОСТЬ И ОНТОГЕНЕЗ МЛЕКОПИТАЮЩИХ
Доктор биологических наук, Л.В. СЕРОВА научный центр РФ- Институт медико-биологических проблем
День рождения Института, где ты проработал не один десяток лет, это всегда повод обратиться к истории, пусть даже и не очень длительной: вспомнить удачи и ошибки, радости и огорчения, а главное - людей, которые сделали то, чем владеет Институт сегодня. Наша история - это не просто воспоминания, дань памяти людей, установивших и описавших те или иные явления. Это - базис, без анализа которого невозможно разумное движение вперед. Обращение к истории кажется особенно важным в наши дни, когда стало почти общепринятым забывать бывшее совсем недавно и начинать решение проблем едва ли не с нуля.
Нам посчастливилось жить в удивительное время, на глазах нашего поколения и при нашем участии космическая биология и медицина сформировалась как наука, пройден путь от восприятия самого факта полета в космос как чуда до полетов, длившихся более года.
Исследования с животными на биоспутниках "Космос" были начаты в тот период, когда уже было ясно, что человек может жить и достаточно эффективно работать в условиях невесомости. Был накоплен большой материал о влиянии факторов космического полета на различные стороны жизнедеятельности. И все же многие вопросы оставались нерешенными. Открытым оставался и вопрос о том, какой ценой осуществляется адаптация к невесомости, не сопровождается ли она скрытыми патологическими изменениями во внутренних органах, неблагоприятными отдаленными последствиями, снижением продолжительности жизни. "Человек победил боль и страх, он доказал возможность существования в условиях невесомости… - писал в 1969 году И.В.Давыдовский. - Правда, человек еще не может сказать, это дело будущего - какой ценой он достигнет новых, более высоких форм адаптации". Ответить на этот вопрос можно было только на основе экспериментов с животными, прежде всего с млекопитающими, экспонированными на борту космических летательных аппаратов в полетах разной продолжительности. Только такие эксперименты могли позволить детально изучить структуру и метаболизм внутренних органов и тканей организма, находящегося в невесомости, использовать разнообразные, в том числе достаточно сложные нагрузочные пробы, изучить отдаленные последствия действия факторов космического полета и, наконец, обеспечить статистическую значимость полученного материала. Основной задачей было изучение процессов адаптации и приспособительных возможностей млекопитающих, экспонированных в условиях невесомости, поэтому для экспериментов были выбраны белые лабораторные крысы - наиболее адекватная модель, обычно используемая для решения аналогичных задач в земных условиях (при адаптации к гипоксии, высоким и низким температурам и т.д.). Вместе с тем при анализе результатов следует конечно, помнить, что пусковые механизмы действия невесомости у крыс, стоящих на четырех конечностях, и у человека не могут быть полностью одинаковыми, и это касается прежде всего изменений, связанных с перераспределением крови. Надо обратить внимание и на достаточно высокую (в сравнении с человеком) устойчивость крыс к действию экстремальных факторов.
Замечательный физиолог Л.А.Орбели говорил, что правильное понимание явления возможно при использовании одними и теми же исследователями четырех приемов, принципиально различных, но вместе с тем ведущих к одной цели. Это изучение онтогенеза, использование материалов эволюционной физиологии, клинического материала и специальных экспериментальных приемов. Моя лекция - попытка подытожить то, что дал нам взгляд на проблему невесомости с позиций онтогенеза: изучения влияния факторов космического полета на взрослых животных, на развитие плода и процессы старения.
Исследованиям на биоспутниках серии "Космос" предшествовала разработка общих принципов и методов проведения автоматизированных экспериментов с млекопитающими в условиях космического полета (Ильин и др., 1976; Адамович и др., 1979; Серова и др., 1979). При испытаниях систем содержания животных оценивалась не только техническая надежность отдельных узлов и блоков, но и их "биологическая надежность". Задача сводилась к выбору системы, длительное содержание в которой вызывало бы в организме минимальные отклонения от физиологической нормы.
Для вычленения эффектов невесомости из общей суммы факторов, действующих на животных в космическом полете, была разработана единая схема проведения контрольных экспериментов, предусматривавшая использование интактной контрольной группы, содержавшейся в виварии, и контроля в наземном макете биоспутника, условно называемого синхронным. В нем моделировались условия содержания животных на борту космического летательного аппарата, а также физиологически значимые факторы, связанные с запуском и приземлением (Ильин и др., 1976; Серова и др., 1979).
Во всех экспериментах на биоспутниках "Космос" работа с животными проводилась одним и тем же коллективом. Это позволило создать единую схему работ, совершенствовавшуюся от полета к полету в течение десятилетий.
Успеху экспериментов способствовала и разработка широких комплексных программ послеполетного обследования животных с привлечением лучших исследовательских коллективов нашей страны и ряда зарубежных стран: Болгарии, Венгрии, Германии, Польши, Румынии, Словакии, Чехии, США и Франции при головной роли Института медико-биологических проблем.
ВЛИЯНИЕ НЕВЕСОМОСТИ НА ВЗРОСЛЫХ ЖИВОТНЫХ
При наблюдении за крысами в виварии в первые дни после космических полетов было обращено внимание на их вялость, снижение общего тонуса и двигательной активности: животные как бы создавали себе "щадящий режим", функциональную гипокинезию, облегчающую реадаптацию к земной силе тяжести после невесомости (Serova, 1980). Можно предположить, что снижение двигательной активности - универсальная реакция на увеличение силы тяжести, поскольку аналогичная картина наблюдается и у животных, помещаемых в условия гипергравитации (Bengele, 1969). Надо отметить, что при изучении механизмов адаптации в физиологических экспериментах незаслуженно мало внимания обращается на возможность приспособления за счет изменения поведения, в то время как при адаптации в природных условиях именно эти приспособительные реакции играют первостепенную роль (Северцов, 1934; Слоним, 1979).
При послеполетном наблюдении за поведением животных в лабиринте Я.Домбровской, проведенном Н.Н.Лившиц и соавторами (1977, 1979), были отмечены изменения высшей нервной деятельности крыс, вернувшихся из полета, указывающие на снижение работоспособности высших отделов центральной нервной системы. Эти изменения выражались в увеличении времени прохождения лабиринта, увеличении числа отказов от работы и количества ошибок, в ослаблении реакции на экстренный раздражитель (звонок) у животных полетной группы. Однако все эти изменения были нетяжелыми и обратимыми.
В эксперименте на биоспутнике "Космос-1129" учениками Н.Н.Лившиц З.И.Апанасенко, М.А.Кузнецовой, Е.С.Мейзеровым и другими впервые было изучено поведение животных непосредственно во время космического полета (Апанасенко и др., 1982). Оценивались характеристики условнорефлекторной деятельности крыс при предъявлении им выработанного до полета стереотипа из двух положительных (разной силы) и одного дифференцировочного световых сигналов. Положительные стимулы подкреплялись подачей пищи, наличие условных рефлексов регистрировалось по появлению целенаправленной двигательной реакции в зоне кормушки. Выработанные до полета условные рефлексы сохранялись и в опыте, и в синхронном контроле. Однако в полетной группе было зарегистрировано значительное снижение уровня условнорефлекторной деятельности животных; это снижение обнаруживалось с самого начала полета и, волнообразно меняясь по величине, сохранялось на всем его протяжении. Наибольшие различия между группами отмечались на 1-2-е сутки полета. В это время было максимально снижено число ответных реакций на сильный и слабый раздражители, не наблюдалось суточной ритмики изменений межсигнальной двигательной активности. Затем наступало постепенное улучшение состояния животных, охватывавшее период с 3-х до 11-х суток полета; его сменяло новое ухудшение на 12 - 14-е сутки, характеризовавшееся снижением числа реакций на слабый раздражитель, уравниванием величин реакций на сильный и слабый раздражители, десинхронозом, увеличением ответов на дифференцировочный раздражитель; к концу полета (к 18-м суткам) вновь наблюдалось улучшение условнорефлекторной деятельности, однако восстановление до исходного уровня происходило не по всем показателям. Эта, к сожалению, редко вспоминаемая работа представляется очень важной для понимания динамики процесса адаптации животных в условиях невесомости.
При обследовании крыс после космических полетов длительностью 1 - 3 недели (до 1/50 части жизни животных данного вида) были изучены структура и метаболизм практически всех органов и тканей. При этом сразу после полета были обнаружены достаточно выраженные изменения, условно разделенные на две группы: специфические и неспецифические, связанные с развитием умеренно выраженной стресс-реакции (Серова, 1977; Газенко и др., 1978, 1980).
Результаты этой части исследований изложены в ряде обзорных статей (Газенко и др., 1978, 1980, 1981, 1987; Португалов, 1978; Оганов, 1980; Ильин, 1988; Ильин и др., 1989; Константинова, 1988; Попова, Григорьев, 1992; Серова, 1987, 1988, 1989, 1993, 1996, 2001; Смирнов, Уголев, 1981; Ступаков, Воложин, 1989; Тигранян, 1988).
Наиболее существенными сдвигами, развившимися под влиянием невесомости, были атрофические изменения в мышечной ткани, остеопороз и замедление роста костей, снижение активности эритроидного кроветворения, изменение метаболизма липидов, воды и электролитов, коллагена.
Принципиально, однако, что при обследовании животных через 25 - 26 суток после трехнедельного космического полета различия между опытом и контролем полностью нивелировались. Это позволило сделать заключение, что невесомость не вызвала необратимых патологических изменений ни в одном из органов подопытных животных (Португалов, 1978).
Изменения в скелетных мышцах, отмеченные при обследовании животных после экспериментов на биоспутниках, включали атрофию, перестройку мышечных волокон и молекулярного состава сократительных белков, адекватную условиям космического полета. При этом выраженность изменений достаточно четко коррелировала со степенью участия мышц в осуществлении антигравитационной функции на Земле, наибольшие изменения обнаружены в камбаловидной мышце (Гаевская и др., 1976, 1979; Ильина-Какуева и др., 1977; Ильина-Какуева, 1987, 1990; Оганов, Потапов, 1979; Оганов, 1980, 1984, и др.).
При исследовании миокарда крыс, вернувшихся на Землю после 18 - 22- суточных космических полетов, было выявлено снижение активности АТФазы миозина в среднем на 44 % (Гаевская и др., 1976, 1978, 1979). При этом изменения фракционного состава белков были незначительными. По мнению М.С.Гаевской, снижение АТФазной активности миозина может быть следствием "недогрузки" мышечного аппарата сердца в условиях невесомости - адаптивной реакцией на "облегченную" работу. Поскольку период полураспада миозина миокарда составляет 6 - 8 суток, можно предположить, что под влиянием недогрузки миокарда в невесомости синтезируется миозин, характеризующийся меньшей АТФазной активностью. При этом возращение к земной гравитации может повлечь за собой несоответствие между потребной силой сокращения миокарда и возможностью ее обеспечения при сниженной АТФазной активности миозина. В полетах длительностью 18 - 22 суток описанные изменения были обратимыми и к 25 - 26-м суткам после полета полностью нивелировались. Вместе с тем в эксперименте на биоспутнике "Космос-690", где действие невесомости было отягощено дополнительным ?-облучением животных во время полета, такой нормализации не наблюдалось, хотя само по себе облучение (в наземном синхронном эксперименте) вызывало не снижение, а, наоборот, увеличение АТФ-азной активности миозина. Это дало М.С.Гаевской основание предполагать, что при внесении в ход эксперимента различных отягчающих обстоятельств, а также при удлинении экспозиции в условиях невесомости восстановление метаболизма миокарда может затянуться, что скажется на его функции и соответственно на общем состоянии и работоспособности организма.
В костной ткани, как и в ткани скелетных мышц, наибольшие изменения под влиянием невесомости возникали в тех звеньях системы, которые несут максимальную нагрузку в условиях земной гравитации - в бедренных костях. Обнаружены остеопороз губчатых отделов, умеренное истончение и разрежение кортикальной пластинки, значительное разрежение спонгиозы метафизов, уменьшение периостального костеобразования, замедление созревания остеоида и минерализации костной ткани, замедление роста костей в длину, снижение их механической прочности (Ягодовский и др., 1977, 1979; Holton, 1978; Ступаков и др., 1979, 1989; Spector et al., 1983; Дурнова и др., 1990). Обнаружено снижение механической прочности не только костей периферического скелета, но и отдельных позвонков и позвоночного столба в целом (Kazarian, 1980).
Следует отметить, что некоторые изменения в опорно-двигательном аппарате животных, возникшие под влиянием невесомости, сходны с эффектами, выявленными в модельных экспериментах с гипокинезией (Португалов и др., 1967). Общность некоторых реакций определяется, очевидно, наличием в генезе данной группы воздействий общего компонента - функциональной недогрузки опорно-двигательного аппарата. В качестве одной из главных причин изменений, возникающих в опорно-двигательном аппарате животных, находящихся в условиях невесомости, можно рассматривать изменение характера деятельности отдельных мышц при отсутствии статической нагрузки на большую группу мышц и звеньев скелета, обеспечивающих сохранение позы и участвующих в формировании тонического компонента движений в земных условиях. Последнее, по всей вероятности, сопровождается изменением характера и качества проприоцептивной импульсации, являющейся в нормальных условиях обязательным звеном в системе управления движением и нервного контроля структуры и функции мышц (Португалов, 1978; Оганов, 1980, 1984).
Функциональной недогрузкой в условиях невесомости могут быть объяснены не только изменения в опорно-двигательном аппарате, но и изменения в эритроцитарной системе: усиление спонтанного гемолиза in vivo (Leon et al., 1978, 1980), снижение активности эритроидного кроветворения (Shvetz, Portugalov, 1976; Швец и др., 1977; Каландарова и др., 1981; Серова и др., 1993), снижение числа стволовых кроветворных клеток (Vacek et al., 1982, 1985, 1988, 1990).
В эксперименте на биоспутнике "Космос-936" были обследованы две группы животных, одна из которых находилась в условиях невесомости, а другая - на бортовой центрифуге при искусственной силе тяжести величиной 1 G. Прижизненный гемолиз и другие характеристики жизненного цикла эритроцитов изучались с помощью оригинального метода (Landaw et al., 1970), основанного на количественном определении СО, выделяющейся с выдыхаемым воздухом, после предварительной (до полета) метки группы эритроцитов 2-С14-глицином. Полученные результаты говорят о том, что создание искусственной силы тяжести предотвращает изменения характеристик жизненного цикла эритроцитов, развивающиеся в условиях космического полета без дополнительного центрифугирования, что позволяет однозначно связать эти изменения с действием невесомости (Leon et al., 1980; Серова и др., 1993).
При биохимическом анализе внутренних органов животных, обследованных после завершения космических полетов, получены данные, свидетельствующие о наличии обратимых изменений практически всех видов обмена веществ.
Изменен обмен нуклеиновых кислот. Проявлением этих изменений является снижение содержания РНК в клетках Пуркинье мозжечка, в крупных нейронах межпозвоночных узлов спинного мозга, в печени, селезенке (Газенко, Демин и др., 1976, 1979; Горбунова и др., 1977; Макеева и др., 1976; Комолова и др., 1977, 1978, 1982). При этом общая направленность изменений укладывается в известную гипотезу Ф.З.Меерсона (1963, 1967), согласно которой гиперфункция органа сопровождается активацией синтеза нуклеиновых кислот и белков, а снижение активности должно вести к угнетению синтеза.
При изучении мышц отмечены изменения ферментативной активности саркоплазматических белков, которые достаточно четко коррелировали со степенью атрофического поражения, выявленного гистологическими методами и определявшегося для разных мышц степенью их участия в осуществлении антигравитационной функции на Земле (Гаевская и др., 1976, 1979; Ильина-Какуева и др., 1977, 1979; Оганов, 1980, 1984).
Большие изменения произошли под действием факторов космического полета в обмене липидов, при этом есть данные об активации и липолитических, и липогенетических процессов (Алерс и др., 1979, 1980, 1982).
Об изменении углеводного обмена говорят такие данные, как изменение спектра изоферментов ЛДГ в скелетных мышцах (Петрова, 1977, 1978), изменение уровня глюкозы, лактата и пирувата в крови (Тигранян и др., 1979) и ряд других.
При изучении водно-солевого обмена животных после космического полета была обнаружена неадекватная реакция при нагрузочной пробе с введением калия, выразившаяся в том, что, несмотря на дефицит калия в организме, способность задерживать его при нагрузке была снижена (Наточин и др., 1979; Ильин и др., 1980). После кратковременных космических полетов (7 - 9 суток) у крыс отмечено снижение содержания калия в ткани миокарда, после более длительных полетов эти изменения выявлены не были (Наточин и др., 1995).
Существенно, что в полетах, длительность которых составила около 1/50 части жизни животных, отмечены признаки активации и катаболических и анаболических процессов. Об активации катаболизма говорят задержка роста животных, уменьшение массы мышц и другие изменения. Об активации анаболизма позволяют думать такие факты, как высокая усвояемость корма во время полета (Кондратьев и др., 1979), увеличение потребления кислорода (Голов и др., 1977). Видимо, при данной длительности полета организм способен частично компенсировать процессы распада, возникающие как реакция на недогрузку опорно-двигательного аппарата. Вместе с тем, несмотря на филогенетически определенную консервативность реакции активации анаболизма, есть основание думать, что при удлинении сроков полета эта реакция, не находя адекватного подкрепления, может угаснуть и мы столкнемся с некомпенсированной прогрессирующей активацией катаболических процессов (Гаевская и др., 1976).
К разряду неспецифических изменений, отмеченных после полета, были отнесены признаки умеренной стресс-реакции, найденные в гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системе, в лимфоидных органах и крови. Описано повышение функциональной активности нейросекреторных клеток гипоталамуса, повышение функциональной активности АКТГ-клеток передней доли гипофиза и снижение содержания нейросекреторной субстанции в задней доле, гипертрофия надпочечников, увеличение объема ядер клеток пучковой зоны, делипоидизация коркового слоя надпочечников, увеличение содержания в них кортикостерона (Савина и др., 1977, 1979; Кветнянски и др., 1979). К признакам стресс-реакции, отмеченным после полета в лимфоидных органах, относятся снижение массы тимуса и селезенки, числа тимоцитов и спленоцитов. При гистологическом исследовании тимуса животных, экспонированных в условиях невесомости, отмечен массовый распад тимоцитов и накопление ядерного детрита в корковом веществе, уменьшение размеров лимфоидных фолликулов и их светлых центров, в селезенке - гипоплазия белой и красной пульпы и резкое (в 30 раз) увеличение содержания полидезоксирибонуклеотидов, обычно сопровождающее действие "острых" повреждающих факторов (Дурнова и др., 1977, 1979; Дурнова, 1978; Мишурова, 1979, 1982; Серова, 1975, 1977).
В крови животных, экспонированных в условиях невесомости, отмечены такие проявления стресс-реакции, как повышение концентрации кортикостерона и глюкозы в плазме, изменение спектра липидов, нейтрофилез и лимфопения (Алерс и др., 1979; Серова и др., 1979; Тигранян и др., 1979).
Вместе с тем после эксперимента на биоспутнике "Космос-782" у тех же крыс, у которых были отмечены все признаки стресс-реакции, упомянутые выше, не было найдено изменений в сравнении с контрольными группами в содержании гормонов в гипофизе: соматотропного, адренокортикотропного, тиреотропного, лютеинизирующего, фолликулостимулирующего, пролактина. Концентрация соматотропного гормона в плазме крови у животных полетной группы была при этом значительно (более чем втрое) и достоверно снижена, а концентрации АКТГ, тиреотропного гормона, вазопрессина не имели достоверных различий с виварийным контролем (Гринделенд и др., 1979).
В экспериментах на биоспутниках "Космос-782, -936, -1129" было проведено детальное изучение метаболизма катехоламинов в различных тканях животных (Кветнянски и др., 1979, 1980, 1981, 1983; Kvetnansky et al., 1981). Определены содержание адреналина и норадреналина в плазме крови, надпочечниках, миокарде (отдельно в правом и левом предсердиях и желудочках), гипоталамусе (целиком и в изолированных ядрах), лимбической системе, мозжечке, стволе мозга; содержание дофамина в гипоталамусе, мозжечке, лимбической системе и стволе мозга, а также активность ферментов синтеза и деградации катехоламинов в надпочечниках (тирозингидроксилаза, дофамин-b-гидроксилаза, моноаминооксидаза). При этом существенных изменений в концентрации катехоламинов и уровне их метаболизма не обнаружено. Лишь в одном из экспериментов ("Космос-782") у животных полетной группы отмечено достоверное увеличение активности ключевого фермента синтеза катехоламинов - тирозингидроксилазы в надпочечниках (Кветнянски и др., 1979).
Таким образом, при обследовании животных после полетов на биоспутниках серии "Космос" у них обнаружен ряд признаков, характерных для стресс реакции и в то же время в ряде систем, обычно вовлекаемых в стресс-синдром (гормоны гипофиза, метаболизм катехоламинов) изменений найдено не было. Прежде всего следует отметить тот существенный и в первых экспериментах неожиданный для нас факт, что комплекс факторов космического полета, включающий невесомость и действующий на протяжении 1/50 части жизни животных, оказался не сильным, а умеренным стрессором. Об этом говорит отсутствие серьезных изменений в метаболизме катехоламинов (Кветнянски и др., 1979, 1980, 1981, 1983), отсутствие изменений в гормональном статусе гипофиза (Гринделенд и др., 1979), отсутствие язв и предъязвенных состояний в слизистой желудка (Браун, Верникос-Данелис, 1979), а также умеренная выраженность и обратимость проявлений стресс-реакции, описанных выше.
В течение многих лет среди исследователей, участвовавших в экспериментах на биоспутниках, обсуждается вопрос является ли стрессорным воздействием сама невесомость или стресс-реакция является острой и развивается на завершающем этапе полета - при возвращении к земной гравитации. К сожалению, дать однозначный ответ на этот вопрос не смог даже единственный пока эксперимент, где обследование животных было проведено непосредственно в космическом полете (программа SLS-2 на американском корабле "Шаттл"). Тем не менее анализ полученного материала позволяет выделить среди признаков стресс-реакции, выявленных у животных после полета, признаки как острого, так и хронического стресса. К первым можно отнести повышение функциональной активности нейросекреторных клеток гипоталамуса и гипофиза (Савина и др., 1977), увеличение концентрации кортикостерона и глюкозы в плазме крови (Тигранян и др., 1979), нейтрофилез и лимфопению (Серова и др., 1979), увеличение содержания полидезоксирибонуклеотидов в селезенке (Мишурова и др., 1979), ко вторым - задержку роста животных полетной группы, инволюцию лимфоидных органов (Дурнова и др., 1977; Серова, 1977; Серова и др., 1979), изменение условнорефлекторной деятельности животных во время полета (Апанасенко и др., 1982).
Размышление над полученным материалом и его сопоставление с литературой об общих закономерностях адаптации заставляют рассматривать приспособление животных к невесомости как динамичный процесс, включающий стресс-реакцию в первые дни полета, частичную стабилизацию состояния в ходе полета и новую острую стресс-реакцию при возвращении на Землю. Именно такая ситуация наблюдается при гипергравитации величиной 2-3 G, когда недельная экспозиция животных на центрифуге сопровождается признаками гипергравитационного стресса, а длительная (до года) экспозиция ведет к стабилизации большинства показателей (Oyama et al., 1965; Wunder et al., 1968).
ВЛИЯНИЕ НЕВЕСОМОСТИ НА РАЗВИТИЕ МЛЕКОПИТАЮЩИХ
В 1983 г. на биоспутнике "Космос-1514" в условиях космического полета был проведен эмбриологический эксперимент с млекопитающими, впервые решивший принципиальный вопрос о возможности развития плода при действии невесомости на материнский организм. Было установлено, что в условиях космического полета возможно не только поддержание физиологических функций у взрослых животных, но и нормальное формирование функций у развивающегося плода (Serova et al., 1984; Серова, 1988, 1996).
Полет был непродолжительным, он длился 5 суток, но они составляют почти ? всего периода беременности крысы. Животные находились в космическом полете с 13-го по 18-й день беременности. Это время активного роста плода, формирования его нервной и эндокринной систем, скелета, мышц, внутренних органов. Со всеми этими задачами организм, экспонированный в невесомости, успешно справился. Во время космического полета плоды крыс, начавшие свое развитие на Земле до полета, продолжали расти и развиваться, лишь немного отставая от контроля; они завершили развитие после возвращения на Землю - в период реадаптации материнского организма к земной силе тяжести, достигли половой зрелости и, в свою очередь, дали потомство. Благополучие плодов, развивавшихся в условиях космического полета, достигалось ценой серьезных изменений в организме матери. Интегральным выражением этих изменений была задержка прироста массы тела крыс-самок на 60 г (четверть исходной массы тела) всего за 5 суток космического полета (Серова и др., 1984, 1988). При этом показатели репродуктивной функции практически не были изменены. У крыс полетной группы было (в среднем) по 13 живых плодов при 12 в виварийном и 13 в синхронном контролях. У плодов животных полетной группы отмечено небольшое отставание в развитии, выразившееся в задержке прироста массы тела и развития участков окостенения в скелете, а также в большем содержании воды в тканях плода. Однако различия между группами были небольшими (в пределах 10 %) и в дальнейшем быстро нивелировались: новорожденные крысята, появившиеся на свет через несколько дней после возвращения на Землю, уже не отставали по массе тела от животных синхронного контроля, а по размерам участков окостенения даже опережали крысят контрольных групп. Интересно отметить, что суммарная масса плодов, развившихся у каждой самки в условиях невесомости, в день завершения полета была такой же, как в виварийном контроле: 11,40 и 11,47 г соответственно, т.е. несмотря на значительную потерю собственной массы, обусловленную усилением катаболических процессов в условиях невесомости, животные полетной группы активировали анаболические процессы, связанные с ростом плодов, в той же мере, что и контрольные. Во время вскармливания потомства крысы-самки полетной группы сохранили нормальное материнское поведение и обеспечили крысят необходимым количеством молока (Серова и др., 1988; Alberts et al., 1985).
Поскольку и действие невесомости, и беременность связаны с изменениями метаболизма воды и электролитов, прежде всего кальция, планируя эксперимент, мы ожидали, что сочетанное действие этих факторов будет сопровождаться серьезными, может быть, даже катастрофическими изменениями кальциевого метаболизма. Действительно, было обнаружено значительное (более 50 %) снижение содержания кальция в печени и почках крыс-самок полетной группы, менее выраженные изменения наблюдались в коже, а в костной ткани изменения практически отсутствовали (р > 0,05). При этом материнский организм сумел обеспечить гомеостаз развивающихся плодов: концентрации натрия, калия, кальция и магния в опыте и контролях были одинаковыми как в тканях плодов в день завершения полета, так и позднее - на разных этапах постнатального онтогенеза (Денисова и др., 1988; Серова и др., 1988). О высокой эффективности поддержания гомеостаза плода во время космического полета говорит и отсутствие серьезных различий между опытом и контролями в развитии центральной нервной системы и анализаторов, которое оценивалось в течение трех месяцев постнатального онтогенеза с использованием видеосъемки и тестов, соответствующих каждой возрастной группе: от простых проб для новорожденных до сложных задач в лабиринтах разных конструкций (Апанасенко и др., 1988; Серова и др., 1988; Alberts et al., 1985). При вскрытии животных, прошедших часть периода пренатального развития в условиях космического полета, на 15, 30-й и 100-й дни жизни не найдено различий между опытом и контрольными группами в массе внутренних органов, метаболизме воды, электролитов, жиров, нуклеиновых кислот, биологически активных веществ (Алерс и др., 1988; Денисова и др., 1988; Кветнянски и др., 1988; Макеева и др., 1988; Мишурова и др., 1988; Немет и др., 1988; Ощадал и др., 1988; Юрчовичова и др., 1988). То есть экспозиция в условиях невесомости в плодном периоде, на этапе формирования внутренних органов и механизмов, регулирующих их деятельность, не повлияла на темпы роста органов и уровень метаболизма в них на разных этапах постнатальной жизни вплоть до достижения животными половой зрелости. Единственными серьезными различиями между опытом и контролем, выявленными в этом разделе исследований, были изменения метаболизма коллагена в коже и костной ткани животных, развившихся в условиях космического полета; наиболее существенным из них было увеличение содержания коллагена типа III (Поспишилова и др., 1988).
Совокупность полученных результатов позволяет достаточно высоко оценить приспособительные возможности системы мать-плод при экспозиции в невесомости. Условия космического полета оказались далеко не безразличными для матери и потребовали значительного напряжения ее компенсаторно-приспособительных механизмов. Это напряжение оказалось достаточно результативным: матери удалось поддержать гомеостаз развивающихся плодов и обеспечить их необходимым пластическим материалом.
Результаты следующего эмбриологического эксперимента с крысами, проведенного на космическом корабле "Шаттл" в 1994 г., подтвердили правильность наших выводов. Было установлено, что при увеличении экспозиции беременных животных в невесомости вдвое - с 5 до 11 суток (половина всего срока беременности) - изменения в системе мать-плод не только не углубляются, но по ряду существенных показателей (водно-солевой гомеостаз плодов, развитие скелета) даже становятся меньшими (Серова и др., 1996; Alberts et al., 1995; Serova et al., 1995).
Материалы эмбриологического эксперимента на биоспутнике "Космос-1514" и сопутствовавших ему наземных модельных опытов, демонстрируя возможность нормального развития плода млекопитающих при действии невесомости на материнский организм, демонстрируют и возможность достаточно серьезных изменений у отдельных особей. В то время как основная масса животных переносила условия космического полета без развития необратимых патологических изменений и осложнений в реадаптационном периоде, у отдельных особей возникали серьезные изменения, такие, например, как рождение мертвого помета у одной из самок полетной группы или рождение ослабленных крысят, погибавших в первые дни жизни.
Сам факт существования индивидуальных различий в реакциях организма на действие факторов среды, в том числе невесомости и гипергравитации, не является новым, он обсуждается и анализируется рядом авторов (Касьян и др., 1967; Давыдовский, 1969; Williams, 1956; Burton et al., 1965; Smith et al., 1980).
Можно предположить, что индивидуальные различия возникают за счет постепенно накапливающихся изменений в генетическом аппарате, длительное время (например, при содержании животных в виварии без дополнительных воздействий) остающихся нейтральными или почти нейтральными (Kimura, 1983), т.е. не имеющими значения для судьбы индивидуума и популяции в целом. В стрессорных ситуациях эти различия являются, очевидно, основой для дифференцировки животных по резистентности, а при экстремальных воздействиях могут привести к гибели части из них.
Деление популяций животных на четкие, количественно оцениваемые группы, существенно отличающиеся друг от друга по резистентности к действию разнообразных факторов среды, имеет принципиальное биологическое значение, определяя динамику выживаемости в природных условиях, возникновение, течение и исход болезней (Северцов, 1934; Шмальгаузен, 1942; Давыдовский, 1969).
Говоря о значении факта индивидуальной резистентности и реактивности применительно к проблемам длительных космических полетов, целесообразно вспомнить работы Р.Бартона и А.Смита (Burton et al., 1965; Smith et al., 1980), получивших более 20 поколений птиц в условиях гипергравитации величиной 2 G. При этом уже в первом поколении был выявлен определенный процент особей, плохо переносивших гипергравитацию, а отбор, как это обычно происходит в природных условиях, осуществлялся на популяционном уровне, за счет скрещивания особей, лучше других адаптирующихся к изменению условий среды. Сходная картина будет, очевидно, наблюдаться и при попытке получения нескольких поколений животных в условиях космического полета. Поэтому одной из задач дальнейших исследований является поиск методов предварительного (до полета) прогноза индивидуальных реакций отдельных особей в условиях невесомости.
НЕВЕСОМОСТЬ, БИОЛОГИЧЕСКИЙ ВОЗРАСТ И СТАРЕНИЕ ЖИВОТНЫХ
В 1978 году Эймским центром НАСА была организована конференция по проблеме космической геронтологии. Ее материалы были опубликованы в 1982 г. В конференции участвовали не только ведущие специалисты в области гравитационной биологии Дж.Ойама, Р.Гринделенд, Э.Холтон, Дж.Мигуэль и другие, но и крупнейший геронтолог А.Комфорт, автор известного учебника по геронтологии, переведенного на многие языки, в том числе и на русский. Тем не менее все материалы, представленные на конференции, были основаны в большей мере на аналогиях и гипотезах, нежели на реальных фактах. Было обращено внимание на сходство ряда изменений, наблюдавшихся у животных и человека после космических полетов, с тем, что происходит при старении (Holton, 1982; Miquel, 1982). Такие наблюдения были сделаны и в экспериментах с крысами на биоспутниках "Космос". У животных, экспонированных в условиях невесомости в течение 1 - 3 недель, отмечены инволюция лимфоидных органов (Дурнова и др., 1977), атрофия мышечной ткани (Ильина-Какуева, Португалов, 1977, 1981), остеопороз (Ягодовский и др., 1977, 1979; Holton, 1982), снижение иммунореактивности (Константинова, 1988), напоминающие изменения, развивающиеся при старении. Однако в случае невесомости все эти изменения были обратимыми и при возвращении на Землю достаточно быстро нивелировались.
На биоспутнике "Космос-782" Дж.Мигуэль и Г.П.Парфенов провели оригинальный эксперимент, в котором оценили темпы развития дрозофилы (Drosophila melanogaster) в условиях невесомости, выживаемость и продолжительность жизни в послеполетном периоде. Эксперимент длился 19,5 суток. Продолжительность жизни мух, экспонированных в условиях невесомости, имела тенденцию к увеличению, однако различие показателей между опытом и контролем не было достоверным. Не найдено выраженных различий между группами и в темпах старения. При послеполетном обследовании авторы наблюдали увеличение латентного периода спаривания у подопытных животных в сравнении с контролем почти вдвое, а также снижение двигательной активности. Однако эти изменения, очевидно, не были связаны с действием невесомости, поскольку наблюдались как у животных, экспонированных в невесомости, так и у мух, находившихся во время космического полета в условиях 1 G на бортовой центрифуге.
В 1991 г. Дж.Мигуэль и К.Сюза опубликовали обзорную статью "Влияние гравитации на репродукцию, развитие и старение"; данные о старении, представленные в ней, были, по сути, аналогичны представленным в докладах на упомянутой выше конференции 1978 года, что позволяет говорить об отсутствии прогресса в развитии проблемы в течение более чем 10 лет, разделявших эти события. Такое же положение сохранилось и в последующее десятилетие. Поэтому представляется целесообразным выбрать из огромного массива данных, полученных в экспериментах с млекопитающими на биоспутниках "Космос", материалы, имеющие отношение к проблеме, и специально обсудить их.
Продолжительность жизни животных после космических полетов
После эксперимента на биоспутнике "Космос-605", длившегося 22,5 суток, небольшая группа животных была оставлена для изучения отдаленных последствий космического полета: 4 крысы-самца из полетной группы и 6 - из виварийного и синхронного контролей. Наблюдение за животными до их естественной смерти показало, что экспозиция в условиях невесомости не привела к сокращению продолжительности жизни. Две подопытные крысы умерли в возрасте 29 - 30 месяцев, одна - в возрасте 35 месяцев, в то время как все контрольные животные умерли в возрасте 23 - 25 месяцев. И только одна подопытная крыса умерла раньше контрольных: в возрасте 13 месяцев с признаками аденокарциномы тонкого кишечника.
После эксперимента на биоспутнике "Космос-1129" (18,5 суток в условиях космического полета) мы также имели группу животных, оставленных до естественной смерти: 5 крыс полетной группы (2 самца и 3 самки), 4 крысы синхронного контроля (2 самца и 2 самки), в виварийной контрольной группе было 11 животных (5 самцов и 6 самок). Продолжительность жизни крыс полетной группы составила в среднем 23,5 месяца (22,8 для самок и 24,5 для самцов), в виварийном контроле - 21,5 месяца (21,3 для самок и 21,8 для самцов), а в синхронной контрольной группе - 22 месяца (20 для самок и 23,5 для самцов). Различие между опытом и контролем было недостоверным.
Несмотря на небольшой объем этого экспериментального материала, он, на наш взгляд, достаточен для того, чтобы сделать заключение, что космический полет длительностью до трех недель (около 1/50 части жизни животных данного вида) не сопровождается снижением продолжительности жизни после возвращения на Землю.
Сила тяжести и биологический возраст организма
По определению известного геронтолога В.В.Фролькиса (1982) биологический возраст является объективной мерой возрастных изменений уровня здоровья, способности организма адаптироваться к изменяющимся условиям существования, мерой связи текущего процесса старения с возможностью развития возрастной патологии.
Существует много критериев биологического возраста (Токарь, Войтенко, 1984). Мы использовали три критерия, применительно к которым у нас есть экспериментальные данные, полученные при обследовании крыс, экспонированных в условиях невесомости. Это - репродуктивная функция, резистентность организма и скорость процессов регенерации тканей.
Репродуктивная функция. Состояние репродуктивной функции организма - один из основных критериев биологического возраста. По мере старения "работоспособность" репродуктивной системы постепенно падает, а замедление этих изменений у отдельных лиц говорит о снижении их индивидуального биологического возраста.
Наша программа изучения влияния невесомости на репродуктивную функцию крыс-самцов была начата в эксперименте на биоспутнике "Космос-605" и затем в большем или меньшем объеме входила в программы исследований на девяти биоспутниках серии "Космос". Она включала количественную оценку клеточных элементов сперматогенеза на разных стадиях развития (Денисова и др., 1989; Серова, 1989), изучение полового поведения и репродуктивной функции при скрещивании с интактными самками в разные сроки после космических полетов (Серова и др., 1982; Серова, 1989), цитогенетические исследования (Бенова, 1988; Выгленов и др., 1981; Кушева и др., 1978).
В эксперименте на биоспутнике "Космос-605" через 2,5 месяца после приземления животных мы впервые провели скрещивание самцов полетной группы с интактными самками. Полученное потомство не отличалось от потомства контроля по общему числу новорожденных, массе тела при рождении, динамике массы в первый месяц жизни, массе органов, картине крови, устойчивости к гипоксии (Серова и др., 1979). Аналогичные результаты были получены при скрещивании самцов полетной группы с интактными самками через 2,5-3 месяца после эксперимента на биоспутнике "Космос-1129". При скрещивании, проведенном в ранние сроки (через 5 суток после полета), мы также не наблюдали увеличения доимплантационной и постимплантационной гибели потомства (Серова и др., 1982).
В наибольшем объеме программа изучения репродуктивной функции крыс-самцов была реализована после 7-суточного космического полета на биоспутнике "Космос-1667". При этом не было найдено различий между подопытной и контрольными группами в массе семенников и содержании в них воды. Количественный цитологический анализ мазков, приготовленных из гомогената ткани семенника, не выявил различий между опытом и контролями в содержании клеточных элементов сперматогенеза и соотношении герминативных, трофических и гормонпродуцирующих клеток. Вес эпидидимисов у подопытных животных, концентрация сперматозоидов и количество сперматозоидов с морфологическими аномалиями головки в опыте были такими же, как в виварийном контроле (Денисова и др., 1989).
При скрещивании самцов полетной группы с интактными самками в течение первых двух недель после космического полета не было найдено изменений половой активности. Самки, оплодотворенные самцами полетной группы, не отличались от контрольных по показателям пренатальной и ранней постнатальной смертности, числу новорожденных и соотношению самцов и самок в пометах. Не найдено увеличения числа крысят с аномалиями развития и признаками физиологической незрелости. За новорожденными крысятами всех групп наблюдали в течение месяца после рождения, при этом не было найдено достоверных различий между опытом и контролями в темпах роста и развития, физической выносливости, поведении.
Космический полет на биоспутнике "Космос-1887", длившийся 13 суток, также не оказал существенного влияния на состояние репродуктивных органов крыс-самцов. У животных полетной группы было отмечено небольшое, в пределах 10 %, снижение массы семенников и эпидидимисов за счет снижения содержания воды. Вместе с тем общее количество клеток в семеннике и соотношение отдельных клеточных элементов не были изменены. Не найдено достоверных различий между опытом и контролями в общем количестве сперматозоидов в эпидидимисе и доле сперматозоидов с морфологическими отклонениями от нормы. Сходная картина наблюдалась и после полета на биоспутнике "Космос-2044" (Серова, 1989; Serova et al., 1989).
Таким образом, у животных, находившихся в условиях невесомости до двух недель, не было найдено изменений в массе репродуктивных органов и количестве клеточных элементов сперматогенеза всех генераций. Поскольку схема скрещивания с интактными самками после полета по срокам была построена так, чтобы оценить оплодотворяющую способность сперматозоидов, находившихся во время космического полета на разных стадиях созревания, результаты этих исследований и эксперимента на биоспутнике "Космос-605", длившегося 22,5 суток, позволяют прийти к выводу, что уровень доминантных летальных мутаций, как в зрелых сперматозоидах, так и в стволовых клетках сперматогенеза у крыс-самцов, экспонированных в невесомости в течение 1-3 недель не превышает соответствующий показатель контроля. Д.Бенова (1988) и К.Выгленов (1981), проводившие специальные цитогенетические исследования, не выявили мутагенного действия невесомости на семенники взрослых животных и плодов, развившихся в условиях действия невесомости на материнский организм.
Можно сделать заключение, что по данному критерию биологический возраст животных после космических полетов длительностью до трех недель в послеполетном периоде оставался таким же, как у контрольных животных. Воздействия, используемые для моделирования физиологических эффектов невесомости, такие как гипокинезия, иммобилизация, "вывешивание", сопровождались в наших экспериментах существенно большими изменениями в репродуктивных органах крыс-самцов, чем невесомость в реальном космическом полете при одинаковой длительности экспозиции (Серова, 1996).
Резистентность организма. При обследовании животных, вернувшихся на Землю после космического полета, уже после первых опытов на биоспутниках были найдены изменения, позволяющие думать о снижении общей резистентности: замедление прироста массы тела (Серова, 1977) инволюция лимфоидных органов (Дурнова и др., 1977), снижение иммунореактивности (Константинова, 1988) и другие. Одной из основных приспособительных реакций крыс, вернувшихся на Землю, было снижение двигательной активности, своеобразная функциональная гипокинезия, облегчающая реадаптацию к земной силе тяжести после невесомости. Казалось очевидным, что при создании в послеполетном периоде даже самых незначительных нагрузочных ситуаций мы столкнемся с их худшей переносимостью у животных полетной группы и прежде всего - с нарушением согласованной работы систем, поддерживающих гомеостаз при нагрузках. Однако опыты, проведенные на следующем этапе - при использовании нагрузочных проб, - не подтвердили это предположение. На биоспутнике "Космос-1129" был проведен специальный эксперимент (Kvetnansky et al., 1981), в котором оценивалась реакция крыс-самцов на острый и хронический иммобилизационный стресс, создаваемый в послеполетном периоде (2,5 - часовая иммобилизация в положении "спиной вверх" на 0, 3, 4, 5-е и 6-е сутки периода реадаптации). Несмотря на то, что применявшиеся стресс-пробы были достаточно тяжелыми и первая проба проводилась всего через несколько часов после приземления на фоне стрессорных изменений, возникших во время полета и при возвращении к земной гравитации, и первая, и последующие пробы переносились крысами полетной группы вполне удовлетворительно. Существенных, угрожающих жизни организма изменений реактивности при стресс-пробах в опыте в сравнении с контролями отмечено не было.
По ряду показателей реакция животных полетной и контрольных групп на серию проб была практически одинаковой. Это касалось изменений массы тимуса и числа тимоцитов, концентрации адреналина в плазме крови. По другим показателям, таким, как, например, уровень кортикостерона в надпочечниках и плазме, масса селезенки, реакция на стресс в сравнении с исходными величинами, зарегистрированными в день завершения полета, в опыте была меньшей, чем в контроле. К третьей группе относятся показатели, реакция которых на серию стресс-проб в опыте была большей: содержание адреналина и активность тирозингидроксилазы в надпочечниках.
Поскольку основным смыслом стресс-реакции является мобилизация энергетических и структурных ресурсов организма, направляющихся к системам, осуществляющим усиленную функцию, тот факт, что животные, вернувшиеся из космического полета, по многим показателям сохранили глубину реакции на стресс-пробы, свойственную контролю, может рассматриваться как положительный. Вместе с тем даже там, где реакция подопытных животных на иммобилизационный стресс была по глубине такой же, как в контроле, она развивалась на фоне аналогичных изменений, уже имевших место к моменту возвращения на Землю. В результате "наложения" изменений, возникших при дополнительных стресс-пробах, на изменения, имевшие место после полета, к концу проб животные подопытной группы отличались от контрольных меньшей массой тимуса и селезенки, большей концентрацией кортикостерона в плазме, меньшим содержанием адреналина в надпочечниках при увеличенной активности ключевого фермента его синтеза - тирозингидроксилазы - и одинаковой с контролем концентрации адреналина в крови, что позволяет думать об усиленной утилизации его в тканях.
На биоспутнике "Космос-690" крысы-самцы были облучены g-лучами в дозах около 2 и 8 Гр во время экспозиции в условиях невесомости: на 10-е сутки 20-суточного космического полета. Невесомость не вызвала существенных изменений в течении лучевой болезни. Коэффициент модифицирующего влияния невесомости на чувствительность животных к ионизирующему излучению для большинства органов и систем практически не отличался от 1, и только для некоторых параметров, относящихся к системе крови, он увеличивался до 1,2 (Каландарова и др., 1981; Yu.Grigoriev et al., 1976).
Все эти данные позволяют, на наш взгляд, говорить о том, что снижение общей резистентности, выбранное нами в качестве одного из критериев биологического возраста животных, после космических полетов длительностью до трех недель было незначительным.
Скорость процессов регенерации. В экспериментах на биоспутниках "Космос" было изучено влияние невесомости на процессы физиологической и посттравматической регенерации различных тканей крыс.
А.Вацек и соавторы (Вацек и др., 1988; Vacek et al., 1983, 1990, 1991), участвовавшие в обследовании крыс после космических полетов, длившихся от пяти суток до трех недель, обнаружили снижение числа полипотентных стволовых клеток кроветворения в костном мозге и селезенке. После двухнедельного эксперимента на биоспутнике "Космос-2044" этими авторами был проведен дифференциальный анализ клеток - предшественников фибробластов, эритроцитов, гранулоцитов и макрофагов в костном мозге животных, вернувшихся на Землю. Для всех типов клеток было отмечено существенное снижение их общего числа и концентрации.
При гистологическом и цитологическом анализе костного мозга после космических полетов длительностью до трех недель было отмечено значительное уменьшение общей клеточности и процентного содержания элементов эритроидного ряда (Каландарова и др., 1981; Серова и др., 1983; Shvetz et al., 1976). Интересно отметить, что эти изменения не коррелировали с длительностью космического полета и были практически одинаковыми после экспозиции в условиях невесомости в течение 1, 2 и 3 недель.
В эксперименте на биоспутнике "Космос-690" была изучена репаративная регенерация костного мозга крыс, подвергшихся g-облучению во время космического полета (Каландарова и др., 1981; Yu.Grigoriev et al., 1976). При этом было отмечено замедление процессов репарации красного ростка костного мозга крыс, облученных в невесомости, по сравнению с синхронным контролем, облученным в той же дозе (2,2 Гр) на Земле. Если сразу после возвращения на Землю (12-е сутки после облучения) содержание клеток красного ряда в бедренных костях подопытных и контрольных крыс было одинаковым, то на 26-е сутки реадаптационного периода (36-е сутки после облучения) в контроле этот показатель увеличивался до 61,7 млн. при 34 млн. в подопытной группе (р < 0,05). Изменения в других клеточных популяциях кроветворной системы были менее выраженными.
На биоспутнике "Космос-2044" Г.Н.Дурновой, Е.И.Ильиной-Какуевой, А.С.Капланским и их коллегами был проведен специальный эксперимент, в котором изучалось влияние невесомости на процессы посттравматической регенерации костной и мышечной тканей. Взрослых крыс-самцов за двое суток до начала двухнедельного космического полета подвергали операции, в ходе которой на обеих задних конечностях были произведены переломы малой берцовой кости и раздавливание участков камбаловидной мышцы и латеральной головки икроножной мышцы. Результаты изучения участков регенерирующих тканей у животных, вернувшихся на Землю после космического полета, позволили авторам сделать заключение, что и в мышцах, и в костной ткани фазовое течение репарационного процесса не было нарушено, хотя интенсивность его у подопытных животных была существенно меньшей. У крыс, экспонированных в условиях невесомости, было найдено достоверное снижение объема и массы костной мозоли, а также прочности консолидации костных обломков. Сходная картина наблюдалась и в мышечной ткани (Дурнова и др., 1991; Ильина-Какуева и др., 1991).
Совокупность представленных данных позволяет говорить о том, что экспозиция в условиях невесомости сопровождается снижением скорости процессов физиологической и посттравматической регенерации тканей, что может быть интерпретировано как показатель некоторого увеличения биологического возраста животных.
ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
20 лет назад нами была опубликована перспективная программа изучения роста и развития млекопитающих в условиях космического полета (Serova et al., 1982). Она предусматривала:
оценку влияния невесомости и гипергравитации на различные этапы пре- и постнатального развития;
оценку возможности существования в условиях невесомости на протяжении полного цикла индивидуального развития и в последовательном ряду поколений;
изучение темпов старения, возрастных изменений общей резистентности и репродуктивной способности животных в космических полетах и после возвращения на Землю.
И хотя за истекшие годы сделано немало, программа эта еще очень далека от своего завершения, и кто знает, скольким поколениям исследователей предстоит работать, чтобы выполнить ее. Получен огромный объем данных о влиянии невесомости на взрослых млекопитающих, показана принципиальная возможность развития плода при действии невесомости на материнский организм, детально изучены структура и метаболизм органов и тканей крыс, прошедших часть периода пренатального развития в условиях космического полета.
Что произойдет со взрослыми животными при более длительной экспозиции в невесомости - будут ли возникшие изменения прогрессировать или наступит стабилизация, а может быть, даже нормализация состояния организма?
Хотя ответить на этот вопрос однозначно пока нельзя, хочется обратить внимание на тот факт, что изменения в структуре ряда органов животных после космических полетов, длившихся 1, 2 и 3 недели, были сходными (Ильина-Какуева, 1987; Капланский и др., 1987; Ильин и др., 1989). В ряде случаев изменения, возникшие в острый период адаптации к невесомости, в дальнейшем нивелировались. Например, снижение содержания калия в миокарде крыс было отмечено после 7 - 9 суток пребывания в невесомости, но не наблюдалось после двухнедельных космических полетов (Наточин и др., 1995); изменения условнорефлекторной деятельности животных в невесомости имели волнообразный характер, при этом максимальные отклонения от нормы приходились на первые дни (Апанасенко и др., 1982).
Нет пока и данных о влиянии невесомости в реальном космическом полете на ранние стадии пренатального развития млекопитающих. Американскими исследователями (Wolgemuth et al., 1985) выполнена оригинальная работа, в которой изучено влияние клиностатирования на оплодотворение и протекание ранних стадий развития у млекопитающих при культивировании зародышевых клеток in vitro. Авторы не нашли различий между подопытными и контрольными культурами в частоте случаев оплодотворения, характере протекания оплодотворения и ранних стадий дробления. Эти данные не исключают, однако, возможности изменений на ранних стадиях развития млекопитающих при действии невесомости in vivo, прежде всего за счет сдвигов в гормональном статусе матери.
Р.Майнс и Дж.Ольбертс (Mains, Alberts, 1985), проектируя системы жизнеобеспечения животных для перспективных эмбриологических экспериментов в условиях космического полета исходят из представлений, что спаривание животных и оплодотворение в невесомости будут затруднены, их проект предусматривает создание для этих целей центрифуг или других специальных устройств. Мы на основе модельных опытов в условиях гипергравитации и результатов эксперимента "Онтогенез", проведенного на биоспутнике "Космос-1129" (Serova et al., 1982, 1985), предполагаем, что спаривание и оплодотворение млекопитающих в невесомости возможно, однако для этого потребуется их предварительная адаптация к новой среде обитания.
В реакциях организма на невесомость и гипергравитацию существенная роль принадлежит неспецифическому - стрессорному компоненту (Burton, Smith, 1965; Серова, 1977; Serova et al., 1984). Признание этого факта определяет стратегию построения экспериментов исследователями, работающими в области гравитационной эмбриологии и физиологии развития. Так, Дж.Дьюк и соавторы (Duke et al., 1985) предлагают избавиться от "неспецифической составляющей" эффектов гипергравитации, работая с изолированными эмбрионами и их органами, выращиваемыми в культуре. Дж.Ойама (Oyama, 1985) достигает той же цели путем предварительной (до скрещивания) адаптации животных в условиях гипергравитации начиная с сосункового периода до наступления половой зрелости. При этом влияние гипергравитации (до 2,03 G) на пренатальное развитие крыс практически отсутствует, и основные различия проявляются в раннем постнатальном периоде при условии, что развитие животных продолжается при гипергравитации.
Результаты наших экспериментов на центрифуге также говорят о том, что для успешной реализации полного цикла развития млекопитающих (от оплодотворения до рождения и вскармливания потомства) в условиях гипергравитации необходима предварительная адаптация родителей. Однако, если предоставить животным самим "определить" время необходимой адаптации перед скрещиванием в условиях 2 G, то оно оказывается значительно меньшим, чем в экспериментах Дж. Ойамы - около двух недель, и при этом аномалии пренатального развития также практически отсутствуют (Serova et al., 1985; Серова, 1996).
Сходная картина будет, по-видимому, наблюдаться и в космическом полете: после предварительной адаптации самцов и самок в условиях невесомости часть животных будет оплодотворена, у некоторых из них зародыши успешно имплантируются в матку, начнется развитие зародыша, а затем - плода, которое у отдельных животных завершится нормальными родами, некоторые из животных, родившихся на борту космического корабля, доживут до половой зрелости и еще меньшая часть даст потомство нового поколения. На всех критических этапах развития сами условия космического полета будут "выбирать" животных с высокой "активной физиологической резистентностью" (Сиротинин, 1966), лучше других адаптирующихся к невесомости, подобно тому, как это происходило в упомянутых выше многомесячных экспериментах А.Смита и Р.Бартона в условиях гипергравитации и как это происходит в земных условиях в ходе эволюции.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Я благодарна судьбе, подарившей мне счастье реально прикоснуться к космическим исследованиям и работать вместе с замечательными людьми: коллегами - биологами из разных стран, инженерами, создавшими системы жизнеобеспечения и летательный аппарат, военными, обеспечивавшими запуски и "встречи" биоспутников.
Я благодарна Институту за все, что я имела, работая здесь: не только за блага, но и за выпавшие на мою долю трудности. За трудности - даже больше, потому что именно они заставляют идти вперед, подниматься на новые ступени, открывать для себя новые горизонты жизни. Перефразируя Станислава Лема, я хотела бы сказать, что человечество "недооценивает роли трудностей как фундаментальной категории бытия".
Отбор и подготовка животных к космическим полетам, испытания систем жизнеобеспечения, подготовка эмбриологических экспериментов были бы невозможны без самоотверженной работы сотрудников лаборатории, которой я руководила 20 лет: С.Н.Дерягиной, Г.М.Потаповой, Л.А.Денисовой, Н.А.Чельной, А. М.Пустынниковой, Е.В.Снетковой, С.Я.Ивановой, а также Е.Е. Соколовой, ухаживавшей за животными в виварии.
Я благодарна судьбе за возможность учиться, работая рядом с такими замечательными исследователями, как Н.Н.Сиротинин, К.Д.Груздев, О.Г.Газенко, С.Козловски (Польша), А.Смит (США), Ю.В.Наточин, Я.А.Винников, М.С.Гаевская, В.В.Португалов, Н.Н.Лившиц.
Я благодарна американским коллегам Р.Болларду и К.Сюзе за предоставленную мне возможность участвовать в подготовке и проведении эмбриологического эксперимента с крысами на корабле "Шаттл".
Успех работ во многом определило многолетнее сотрудничество с Г.Леоном и Дж.Ольбертсом (США), А.Вацеком, И.Поспишиловой, М.Поспишилом, З.Драготой (Чехия), Л.Махо, М.Вигашем, Р.Кветнянским, Е.Мишуровой, И.Алерсом (Словакия), В.Бараньской (Польша), К.Гехтом (Германия), С.В.Савельевым.
Оценить статью >> пока еще нет оценок, ваша может стать первой :)
http://www.scorcher.ru/xml/news.rss
|