Ранните писания на Жул Верн (От Земята до Луната, 1865; Фиг. 1 ) и Х. Г. Уелс (Първи мъже на Луната, 1901; Фиг. 2 ) бяха отправна точка на научната фантастика и мечтата за изследване на космоса. Верн предложи „изстреляна капсула от куршум“, изстреляна от дълго оръдие на име Колумбиада, като средство за 3 изследователи за постигане на скоростта на бягство, необходима за напускане на гравитацията на Земята (1). Дори през 1865 г. имаше опасения относно способността на хората да преживяват екстремни скорости. Верн направи груби изчисления за дължината на оръдията, необходими на човек, за да оцелее при изстрелване до Луната. Почти 100 години по-късно САЩ използваха капсула Аполон с много подобна форма на име Колумбия, за да отведат 3 астронавти - Армстронг, Колинс и Олдрин - на Луната и да се върнат на Земята.

отвъд

„Капсулата от куршум“ на Жул Верн, предназначена да отведе 3 изследователи до Луната чрез изстрел от много дълга цев. Илюстрация от романа От земята до луната на Жул Верн; нарисувано от Анри дьо Монто (1868). Снимката е предоставена от частния колекционер.

Илюстрация на корицата с меки корици за First Men in the Moon от H. G. Wells, публикувана за първи път през 1901 г. С любезното съдействие на Airmant Publishing Co., Inc.

Визията за космически полети започва с научно-фантастична литература, която е последвана от десетилетия по-късно от научните, инженерните и други технологични постижения, които я превръщат в реалност. Импулсът на войната отне на по-нататъшното развитие на технологиите до такава степен, че космическите пътувания бяха възможни. След Втората световна война САЩ и СССР възстановяват плячката от войната, превръщайки някога тероризиращата немска ракетна програма V-2 в нови космически програми. Някои превозни средства са специално проектирани за суборбитален (балистичен) полет; примерите включват екипажи с екипаж, като ракета-самолет X-15, сондажни ракети и SpaceShipTwo на Virgin Galactic, както и отвинтени ракети, като междуконтинентални балистични ракети (МБР).

Първият космически полет е бил балистичен и е достигнал височина от 17 морски мили (31,5 км) над земята. По дефилиция балистичните полети не излизат в орбита и имат само кратки периоди на микрогравитация (10-3 до 10-6 г). По време на балистични полети микрогравитацията в космически полет продължава от няколко секунди или минути до няколко часа, преди да се върне на планетата. Този тип полет предлага само кратки възможности за научни запитвания.

Орбиталните полети се движат с 17 500 морски мили в час (32 400 км/ч) около планетата и са в различен експериментален мащаб, тъй като микрогравитацията може да продължи от дни, седмици и месеци до години. Орбиталните полети поддържат широк спектър от научни изследвания от трансдукция на сигнали и генна експресия до диференциация, физиология и развитие. Височината на орбитата около Земята зависи от космическия кораб: совалката, орбитирана на ∼160 морски мили (∼300 км), докато Международната космическа станция (МКС) е в почти кръгова орбита на ∼192 морски мили (∼360 км ). Американската армия и Националната администрация по аеронавтика и космос (НАСА) връчват полетни медали на астронавтите на членове на екипажа, които летят на ≥50 морски мили над земята. С изключение на ракетата X-15 и ранните летци на Меркурий, повечето астронавти са изпълнили необходимата си височина на орбитални полети.

С излитането на първия обект, създаден от човека в орбита на 4 октомври 1957 г., Sputnik 1 започва интензивното съревнование между СССР и Съединените щати, борейки се за място номер едно в космическата надпревара. За да се определи дали животните могат да оцелеят при изстрелване, двете страни летяха с животни, за да тестват устойчивостта на живота по време на космически полети и започнаха полетата на гравитацията и космическата биология. Никита Хрушчов нареди първия орбитален космически полет на животно след успешния полет на Sputnik 1. Той искаше да направи грандиозно изстрелване на 7 ноември 1957 г., 40-годишнината от болшевишката революция. В отговор на молбата му съветските плановици и инженери излязоха с орбитален полет с куче на борда. Бездомна, Лайкия ( Фиг. 3 ), беше избрана за първото куче в космоса заради уменията й за оцеляване на снежните улици на Москва. За съжаление, в бързането да се определи крайният срок, нямаше време да се планира устойчива екологична система или план за повторно влизане. Лайкия, първата Земя, обиколила планетата, не оцеляла в полета си.

Лайка, първото животно, обиколило земята (1957). Снимката е предоставена от колекцията от снимки на автора.

По-късно космическите полети бяха използвани за изследване на ефекта на микрогравитацията върху живите системи и изискването за гравитация за нормална функция на системите на тялото. Мисиите Аполо бяха първите, които показаха значителни промени в множество биологични системи в космически полети. Тези промени включват вестибуларни нарушения, сърдечна аритмия по време на полет, намалена ортостатична толерантност след полет, дехидратация след полет и загуба на тегло. Учените също така установиха значително намаляване на масата на червените кръвни клетки (RBCM). Други основни документирани промени са отрицателният баланс по време на полет за азот и значителна загуба на калций и кости (2–5).

Тези наблюдения помогнаха на учените от НАСА да планират по-подробни физиологични изследвания по време на ерата на Skylab (1973–1974; Фиг. 4 ). По време на мисиите Skylab учените проведоха първите подробни метаболитни и имунни изследвания. Когато членовете на екипажа на Skylab бяха тествани за остеопороза в os calcis (най-голямата кост на петата), загубата на кост беше очевидна само при по-дългите мисии на Skylab (5).

Skylab 3 (1973–1974), първата космическа станция на НАСА. Снимката е предоставена от НАСА.

По време на мисиите на Skylab за първи път бяха подробно проучени значителните промени в имунната функция. Лимфоцитите от летателния и резервния екипаж бяха тествани за стимулиран от фитохемаглутинин (PHA) предварителен растеж при кацане и след това отново 13 дни по-късно. Не се наблюдават значителни промени в имунния отговор в резервния екипаж; по-голямата част от отговора на Т-клетката обаче е загубен в полетния екипаж при завръщане на Земята. Имунната функция се връща едва 13 дни по-късно (6). Експериментите на Skylab също показаха ползите от енергичните упражнения като противодействие за минимизиране на сърдечно-съдовото декондициониране.

Мисията Skylab 4 беше първата, която изследва появата на визуални светкавични светкавици, които бяха забелязани за първи път на Аполон 11. Един астронавт преброи общо 168 светкавици за 2 сесии. Смяташе се, че светкавиците, наблюдавани след адаптиране на тъмнината, се дължат на загуба на йонизационна енергия като частица, пресичаща клетките на ретината (7). По време на моя полет през 1991 г. ни беше казано, че има слънчева светкавица; след като затворих очи тази нощ, спомням си, че гледах блестящи светлинни проблясъци - заспах преди броят ми да достигне 20.

През 1991 г. НАСА изпълнява първата специална медицинска мисия, обозначена като Spacelab Life Sciences-1 (STS-40). Екипажът се състоеше от 7 членове: 3 орбитални астронавти и 4 астронавти с полезен товар. Мисията е предназначена да проучи причината за физиологичните промени, които преди са били наблюдавани по време на програмите Apollo, Skylab и СССР. Физиологичните космически адаптации, обсъдени тук, са изместване на течностите (поради липсата на гравитация, привличаща течността в долната част на тялото) и космична анемия (загуба на RBCM); космическа остеопороза и загуба на калций; и имуносупресия в космоса.

ФЛУИДЕН ПРОМЕН И КОСМИЧЕСКА АНЕМИЯ

По време на космически полет обемът в долните крайници намалява с ∼10% поради изместване на течността от 1 до 2 L от краката към горната част на тялото. Пълнотата на лицето и подпухналият външен вид на главата и намаления обем в долните крайници се наричат ​​синдром на „подпухнало лице-птичи крак“ (8). Космическите изследвания на плазмения обем показаха 22% намаление от средния плазмен обем, взет от данните преди полета. Тази загуба на плазмен обем е настъпила през d 2 полет, въпреки че екипажът е бил усърден да поддържа високо състояние на хидратация. На d 8 от полета все още имаше 12% намаление на плазмения обем и отне 6 дни след кацане, за да се върне плазменият обем на екипажа до нивата преди полета. Намаляването на плазмения обем по време на космически полети е най-вероятно резултат от изместването на течността, което се усеща от тялото и води до повишена диуреза (9). Когато обемът на плазмата беше намален, имаше драматично намаляване на еритропоетина (EPO), гликопротеин, образуван в бъбречната кора.

Установено е, че проучването на влиянието на космическия полет върху еритрокинетиката при хората се дължи на намаленото плазмено ЕРО, което от своя страна засяга различни хормони, като предсърден натриуретичен пептид (ANP). ANP е намален с 20% от d 1 от полета, като надирът е ∼60% при d 8 от полета (10–13). Нивата на серумен ANP не се нормализират до 6 дни след кацането. Нивата на серумен EPO намаляват ∼40% с d 2 от полета и остават потиснати до деня след кацането, като по това време се възстановяват почти 2 пъти в сравнение с базовите нива преди полета.

Alfrey et al. (11) установи, че преживяемостта на червените кръвни клетки е намалена по време на космически полет чрез апоптоза на червените кръвни клетки поради недостатъчни нива на серуми на EPO по време на космически полет. След тази пробивна констатация от космическите си експерименти Алфри продължава проучванията на регулацията на червените кръвни клетки и показва, че масата на червените клетки намалява, когато нивото на серумите на ЕРО е потиснато. Това води до селективна хемолиза на най-младите циркулиращи еритроцити, наречени неоцити. Сега процесът се нарича неоцитолиза и е потвърден с различни физиологични и патофизиологични ситуации, включително спускане на обитатели на височини до морското равнище, анемия при бъбречна недостатъчност и в човешки модел, базиран на приложение и отнемане на ЕРО (13 - 18).

КОСМИЧЕСКА ОСТЕОПОРОЗА

Загубата на кост също е добре документирана при мисиите Apollo и Skylab. Понастоящем остеопорозата е една от най-сериозните опасности за здравето при дългосрочен космически полет. Налице е непрекъсната и прогресивна загуба на калций и носеща тегло кост (19) по време на излагане на микрогравитация. В ранен преглед беше показано, че има загуба на кост както при хората, така и при животните след 1 седмица до 237 дни в микрогравитация (19). SLS-1 беше първата възможност за системно измерване на паратиреоиден хормон (PTH) и калций в серумни проби от мъже и жени от членовете на екипажа по време на космически полет. Arnaud и Cann (20) установяват значително увеличение на серумно-йонизирания калций с ~ 30% до d 2 от полета. Йонизираният серумен калций, измерен на d 8, все още е бил повишен с ∼30%, измерванията на PTH през същите дни показват ∼50% намаление на непокътнатия PTH (iPTH) по време на мисията. Дори 16 дни след кацане, нито стойностите на калций, нито iPTH се нормализираха (20).

Загубата на кост при мисиите Apollo 14–16 беше почти 2%, въпреки че космическите полети продължиха само 9 до 12 дни (5). Въпреки че мисиите на Аполон бяха с кратка продължителност, астронавтите на Аполон прекарваха голяма част от времето си, вързани в малка капсула и бяха относително неподвижни. Първата мисия Skylab с екипаж (Skylab 2) беше 28 дни, но поради обширна активност на екипажа не се забелязва значителна загуба на костна маса. Когато обаче мисиите на Skylab се увеличиха на 2 и 3 месеца, се забелязва значителна загуба на кост (5). На Skylab 3 (59 d) само ученият пилот е имал значителна костна загуба; на Skylab 4 (84 d), както ученият пилот, така и пилотът са имали високи нива на костна загуба, което предполага, че продължителността на излагане на безтегловност е причинен фактор за загуба на костна хомеостаза (5). Командирите са имали малка или никаква промяна в костната плътност, най-вероятно поради увеличеното упражнение, необходимо за изпълнение на техните задължения. Счита се, че основната причина за загубата на кост се дължи на загубата на механичен стрес при микрогравитация и продължителност на полета (8, 21-23).

Vico и сътр. (24) са докладвали до 24% загуба на дистална трабекуларна кост на пищяла при космонавти след 6 месеца космически полет, измерена чрез периферна количествена компютърна томография (pQCT). Шест месеца след завръщането много от космонавтите не са показали пълно възстановяване на костната минерална плътност (КМП). Lang et al. (25, 26) показаха, че за период от 4 до 6 месеца космически полет, КМП се губи със скорост от 0,9%/месец в гръбначния стълб (P Фиг. 5 ) средно членовете на екипажа са претърпели значителна и значителна загуба както на трабекуларна, така и на кортикална кост в бедрото и малко по-малки загуби в гръбначния стълб (25, 26). По-късни проучвания от ISS (25, 27-29) показват, че възстановяването на скелетната плътност след дългосрочни космически мисии може да надвишава 1 година (27). Интересно е, че загубата на костна маса е настъпила въпреки ~ 2 часа ежедневно упражнение. Това предполага, че индуцираната от микрогравитация костна загуба може да има основен клетъчен механизъм, причиняващ космическа остеопороза. Изследванията на остеобластоподобни клетки показват загуба на целостта на цитоскелета в космически полет в сравнение с наземни (30) и 1-g контролни полети (31). Други са открили промени в цитоскелета в множество типове клетки при симулирана микрогравитация и космически полети (32–36). И накрая, беше показано, че остеобластните клетки имат променена ядрена форма и намалена експресия на анаболен ген на пролифериращ клетъчен ядрен антиген (PCNA), трансформиращ растежен фактор β (TGFβ), циклооксигеназа-2 (cox-2), цитозолна фосфолипаза A2 (cpla2), остеокалцин (OC), c-myc и фибробластен растежен фактор-2 (fgf-2) в сравнение с нормалната гравитация (31). По-нататъшни проучвания ще определят дали самата гравитация е необходима за нормалния растеж на костите.

Международна космическа станция, американска национална лаборатория, както се вижда от STS-134. Снимката е предоставена от НАСА.

ИМУНОСУПРЕСИЯ В КОСМОСА

По време на мисиите "Аполо" 15 от 29-те астронавти на "Аполо" съобщават за бактериална или вирусна инфекция по време на или в рамките на 1 седмица след кацането обратно на Земята (3). Считаше се, че относително високата честота на инфекция на Аполон е свързана с повишените нива на кортизол и симпатиковата активация, открита в проби от кръв и урина от астронавти. Тези открития накараха ранните изследователи да предложат системна причина за инфекция (6, 37). Изследвания на Cogoli et al. (38, 39) демонстрира, че лимфоцитите са притъпили активирането по време на космически полет, като по този начин предполагат гравитацията като необходим фактор за нормалната имунна функция.

Последващи наземни проучвания, използващи генни масиви и количествена RT-PCR (qRT-PCR), показват, че гравитацията е необходима за нормалното активиране на Т-клетките (40). Използвайки машина за произволно позициониране, за да симулираме микрогравитация, изненадващо установихме, че индукцията на 91 гена зависи от наличието на гравитация. Генната индукция се регулира частично от транскрипционни фактори в промоторния регион в 5 'края на гена. Анализът на промоторния регион установява, че по-голямата част от гените, регулирани надолу в микрогравитацията, се контролират от транскрипционни фактори NFκB, CREB, ELK, AP-1 и STAT - транскрипционни фактори, които се намират след сигнализирането на протеин киназа А (PKA) (40). Нови предварителни данни от тази лаборатория (41) показват, че некодиращата РНК е неправилно регулирана в Т клетки, активирани в космически полет на ISS, в сравнение с 1-g бордови контроли. Това ново ниво на регулиране на имунните клетки при космически полети предлага нови възможности за изучаване на нова технология, която може да помогне за идентифицирането на уникални фармацевтични цели за лечение на имунни заболявания.

Въпреки че се знае много за имунния статус непосредствено след космически полет, разбирането за имунитета по време на космически полети е ограничено. Няколко проведени проучвания по време на полет показват, че космическият полет може да бъде специфично свързан с реактивирането на латентни херпесни вируси и увреждането на клетъчно-медиирания имунитет (42–48). Наблюденията на имунния статус на астронавтите след кацане показват многобройни промени във функцията на имунните клетки, включително променено разпределение на циркулиращите лимфоцити, променено производство на цитокини, намалена функция на гранулоцитите и намалено активиране на Т-клетките (8). Случаи на латентно вирусно реактивиране, променен вирусен специфичен имунитет и експресия на ранни/късни генни вируси на Epstein-Barr са отбелязани при астронавти след полет (42, 45-48). Бъдещите изследвания на вирусното реактивиране в космически полети също могат да хвърлят нова светлина върху вирусната регулация тук на Земята.

Има все повече доказателства, че гравитацията е необходима за нормалната функция на костите и имунните клетки. Тъй като целият живот се развива в гравитационна среда, не е изненадващо, че някои биологични системи могат да зависят от гравитационната сила. В математиката, когато дадена променлива е премахната от уравнение, много пъти тя може да бъде решена. Възможно е същото да се отнася и за биологичните системи. Бъдещите проучвания на предизвиканата от космически полети остеопороза и имуносупресия може да дадат нова информация и фармацевтични цели за лечение на земни човешки заболявания.

БЪДЕЩЕТО НА БЕЗКРАЙНОСТТА

Полетът на STS-135 сложи край на ерата на совалката. Има планове обаче да се използва ракетата SpaceX Falcon и нейната капсула Dragon, за да доставят доставки и експерименти на МКС в близко бъдеще. Наскоро НАСА предостави 92 милиона долара на Boeing, за да помогне за развитието на капсулата за развитие на търговския екипаж (CCDev2), 80 милиона долара за корпорацията Sahara Nevada за проектиране на кораб Dream Chaser, подобен на совалката, и 75 милиона долара за SpaceX, за да направи подобрения в Драконова капсула за доставка на екипажи до МКС. Като се има предвид, че правителството на САЩ сега плаща на Русия 63 милиона долара на астронавт за едно пътуване до и от МКС, това са скромни технологични инвестиции, които да позволят на САЩ да има транспорт до МКС.

Ще финансират ли САЩ разследванията на космически полети на МКС, за да дадат нови медицински открития и нови технологии? Ще напредне ли напредъкът на науката и технологиите през следващия век, както през последните 60 години? Зависи от финансирането; през 2003 г. 90% от финансирането на науката на НАСА е „временно“ намалено след загуба на космически кораб „Колумбия“; това по същество деактивира всички области на космическата наука по времето, когато МКС ставаше достъпна за използване. Намаленото финансиране включва прекратяване на обучението на студенти и специализанти, като по този начин се прекъсва тръбопроводът за доставка на следващото поколение учени. За съжаление това финансиране така и не беше възстановено. Днес имаме подобни съкращения в бюджета на Националните здравни институти, които допълнително ограничават медицинските изследвания и обучението на нови изследователи.

Нашето бъдеще зависи от днешните визионери - нашите писатели трябва да си представят бъдещето, нашите политици трябва да гласуват, за да финансират тази визия, а нашите училища трябва да образоват нови инженери и учени. Тези инженери и учени трябва да работят за разработване на нови технологии, а бизнесмените трябва да се ангажират с новите технологии и да обновят нашата икономика. Ще стигне ли науката до безкрайност и извън нея, като създаде нови работни места и осигури бъдещия ни просперитет? Със сигурност се надявам.

Благодарности

Авторът е бивш астронавт на НАСА. Увещанието към заглавието е цитат от космическия рейнджър Бъз Лайтиър, във филма „История на играчките“ (Pixar Animation Studios), 22 ноември 1995 г.