Мы уже рассказывали историю Кудрявки – или Лайки, дворняжки, навсегда вписавшей свое имя в историю советской космонавтики в ноябре 1957 г. Она стала первым живым существом в космосе, советская пресса с гордостью именовала ее «первым космонавтом». Сегодня мы знаем горькую правду: собаку отправили на верную смерть и она погибла в страшных мучениях. Королев был вынужден выполнить приказ Хрущева – отметить 40-летие Октябрьской революции новым триумфом, всего через месяц после исторического запуска первого спутника.
Капсулу для Кудрявки собирали второпях, а системы возвращения не существовало в принципе. Не успели как следует провести испытаний системы терморегулирования, а ведь в космосе солнечные лучи нагревают освещенную поверхность до температур, смертельных для любого живого существа. Дрессировщица Адиля Котовская, прощаясь с собакой, гладила ее в последний раз и со слезами просила прощения[105]. Она знала: Кудрявке не суждено вернуться. По плану собака должна была прожить несколько дней, но судьба распорядилась иначе: уже через несколько часов после старта температура в капсуле поднялась выше 40 °C. Жизненные показатели Кудрявки становились все слабее, пока не растворились в радиошуме[106].
Подробности этой истории держались в тайне десятилетиями. Лайку, как и других подопытных животных – многим из которых повезло больше, – отправили в космос, чтобы выяснить: способно ли живое существо выжить в невесомости. До них еще никто не проводил в таких условиях целые часы и дни: суборбитальные полеты могли создать невесомость лишь на считаные минуты.
К истории Лайки и других четвероногих космонавтов мы возвращаемся неслучайно: они проложили путь к главному открытию, которое через несколько лет подтвердил полет Гагарина, – при правильной подготовке человек способен жить в космосе.
Сам факт того, что человек может жить в космосе, не избавляет нас от извечного вопроса – его особенно часто задают скептики и люди, далекие от космической отрасли. Зачем тратить столько денег и сил на полеты за пределы атмосферы? Ради чего вкладывать сотни миллиардов в освоение самой враждебной для человека среды? Подобные вопросы звучат постоянно – и в адрес ЦЕРН тоже: мол, не разумнее ли направить эти огромные средства на решение насущных земных проблем? Парадокс в том, что космические исследования как раз и служат решению земных задач.
Согласно определению NASA, «МКС – это лаборатория на орбите: здесь агентство проводит космические исследования, а астронавты учатся жить и работать в космосе». ЕКА называет станцию самым масштабным международным проектом в истории. Чтобы оставаться на орбите, МКС и ее экипажу нужно постоянно сохранять скорость, полученную при запуске. Это делается путем периодического поднятия ее орбиты – хотя станция и находится на высоте около 400 км, но сопротивление атмосферы, пусть и крайне небольшое, все-таки оказывает влияние.
Представьте, что вы едете в лифте и вдруг трос обрывается. Именно такое ощущение испытывают космонавты на МКС – они постоянно находятся в свободном падении. Правда, в отличие от пассажиров злополучного лифта, им не грозит встреча с нижним этажом. И на орбите, и в падающем лифте человек оказывается в состоянии невесомости – хотя ученые предпочитают более строгий термин «микрогравитация». Дело в том, что на орбите действие силы тяжести практически сходит на нет и все вокруг начинает свободно парить в пространстве[107]. Такое возможно только там, на этом удивительном форпосте человечества, который мы построили, чтобы раздвинуть границы познания. Впервые в истории жизнь, миллиарды лет намертво прикованная к земной тверди, вырвалась в космос. И оказалось, что живые существа не просто выживают в невесомости – они вполне способны работать, учиться, изумляться новому и даже веселиться. А тот факт, что человеческому организму все же некомфортно вдали от родной «колыбели», превратился в отдельную и крайне увлекательную область научных исследований.
В космосе перестает действовать сила, которая на Земле тянет все к ее центру (говорить о направлении «вниз» на орбите просто бессмысленно). Та самая сила, которую мы преодолеваем каждое утро, вставая с постели, – и каждую минуту после, когда ходим, бегаем, поднимаем вещи или взбираемся по лестнице. Когда она исчезает, тело начинает меняться. Уже через несколько недель в космосе мышцы заметно слабеют: без нагрузки они теряют до 20% массы всего за 5–11 дней. Кости тоже страдают – лишенный привычного давления, скелет становится все более хрупким, теряя 1–2% костной массы каждый месяц из-за развивающегося остеопороза.
Чтобы противостоять этим изменениям, экипаж МКС каждый день минимум два часа посвящает физическим упражнениям. Силу притяжения здесь имитируют специальные тренажеры: космонавтов привязывают к беговой дорожке эластичными фиксаторами, а при работе на велотренажере создается искусственное сопротивление. Такие ежедневные нагрузки не только помогают быстрее адаптироваться к жизни на земле по возвращении, но и уберегают от травм, когда после долгих месяцев жизни в невесомости тело снова оказывается во власти гравитации.
Впрочем, как и большинство экспериментов на МКС, эти тренировки решают не только земные задачи. Астронавт Рэндольф Брезник объяснил это в обучающем видео: «Зачем мы это делаем? Очень просто: когда летишь на Марс девять месяцев, точно не захочешь сломать ногу, едва ступив на его поверхность»[108].
На Земле гравитация удерживает все жидкости нашего организма в нужных местах. В невесомости этот якорь исчезает и жидкости устремляются из нижней части тела вверх. Первое, что бросается в глаза при взгляде на космонавтов, – их «лунообразные лица»: черты заметно меняются, лицо отекает и краснеет. Исследования, проведенные с помощью МРТ до и после полугодовой космической вахты, выявили серьезные изменения в структуре мозга. Увеличиваются периваскулярные пространства, заполненные спинномозговой жидкостью, растет внутричерепное давление – оно становится таким высоким, что может влиять даже на работу гипофиза. Все эти изменения, включая отек зрительного нерва, нередко приводят к проблемам со зрением, например к развитию дальнозоркости[109].
К счастью, пока все эти эффекты оказываются временными – во всех изученных случаях организм космонавтов со временем возвращался к норме. Но исследования продолжаются: длительные экспедиции (от полугода до года) – относительно новое явление в космонавтике.
Но есть проблема посерьезнее – радиация. Экипажи МКС проводят месяцы за пределами земной атмосферы, которая вместе с магнитным полем служит нашим щитом от космического излучения. Этот невидимый щит защищает нас от настоящего ливня высокоэнергетических частиц: протонов, нейтронов, альфа-частиц, рентгеновских и гамма-лучей. Они летят отовсюду – от Солнца (особенно во время вспышек) и из глубин межзвездного пространства. Вдобавок МКС регулярно проходит через радиационные пояса Земли.
Для молекул человеческого тела эти ионизирующие частицы – как пушечные ядра. Они способны повреждать ДНК, и последствия таких повреждений предсказать крайне сложно. По данным NASA, во время длительной экспедиции космонавты получают дозы радиации, превышающие земные в 100 раз. Чтобы было понятнее: это как сделать от 160 до 6000 рентгеновских снимков[110]. А вот данные ЕКА еще тревожнее: космонавт, летящий к Марсу, покинув защиту радиационного пояса Земли, всего за несколько дней получит годовую дозу земной радиации. Звучит не слишком обнадеживающе.
В 2015–2016 гг. Скотт Джозеф Келли оказался в центре внимания научного сообщества. Вместе с российским космонавтом Михаилом Корниенко он провел на орбите почти целый год – 340 дней, с 27 марта 2015 г. до начала марта следующего года. Но случай Келли оказался особенным: у него есть брат-близнец Марк, тоже астронавт NASA. Поскольку братья обладают идентичным набором генов, для американского космического агентства это стало уникальной возможностью изучить влияние длительного пребывания в космосе на человеческий организм.
Исследования, проведенные на всех этапах – до, во время и после полета, – показали удивительную способность человеческого организма приспосабливаться к новым условиям. Около 10 научно-медицинских групп отслеживали малейшие изменения в организме Скотта Келли: от двигательных функций до микрофлоры кишечника и генетических мутаций. После возвращения на Землю многие параметры восстановились: нормализовался вес, пришла в равновесие кишечная микрофлора. Однако некоторые проблемы, например воспаления и нарушения иммунного ответа, проявились уже после приземления. А целый ряд изменений – в работе генов, длине теломер[111], структуре ДНК, толщине сонной артерии, зрении и некоторых когнитивных функциях – сохранился надолго[112].
В 2018 г. СМИ всколыхнула сенсация: якобы ДНК астронавта изменилась настолько, что братья Келли больше не являются однояйцевыми близнецами. Скотт отреагировал шуткой в Twitter: «Что? Моя ДНК изменилась на 7%! Кто бы мог подумать? Только что прочитал об этом в статье. Пожалуй, это даже хорошо! Теперь не придется называть @ShuttlecdrKelly моим однояйцевым братом-близнецом». NASA пришлось выступить с разъяснением: «Марк и Скотт Келли по-прежнему однояйцевые близнецы. ДНК Скотта не претерпела радикальных изменений. Исследователи наблюдали лишь изменения в экспрессии генов – то есть в том, как организм реагирует на внешние условия. Подобные изменения происходят с любым человеком в стрессовых ситуациях, будь то восхождение на гору или глубоководное погружение»[113].
Но главная загадка все еще не разгадана – как именно космос влияет на нашу ДНК? Никто не может предсказать, какие изменения проявятся в будущем и когда это случится. Как часто бывает в медицине, однозначных ответов на наши вопросы просто нет. Кое-что наука уже выяснила: повреждения ДНК нередко приводят к смертельным последствиям, прежде всего к развитию опухолей. Большая доза радиации, полученная за короткое время, смертельна. Но и меньшие дозы, накопленные за долгий срок, могут вызвать серьезные проблемы.
За 60 лет космической эры защитный покров атмосферы покинули более 500 человек. Около 200 из них участвовали в длительных экспедициях на МКС. Врачи внимательно следили за состоянием каждого, но лишь единицы провели в космосе больше полугода. Этих данных слишком мало, да и получены они совсем недавно – поэтому мы не можем делать надежные прогнозы о том, что ждет этих людей в ближайшие десятилетия.
Сейчас со Скоттом Келли все в порядке. Хотя вскоре после своего рекордного полета он ушел из NASA, врачи и ученые продолжают следить за его здоровьем и изучать изменения в организме. Эти данные бесценны: они помогут подготовиться к лунным и межпланетным экспедициям, где космонавтов ждет куда больше опасностей, чем на родной околоземной орбите.
И здесь главный вопрос – сколько радиации может поглотить человеческий организм без необратимых последствий и как защитить космонавтов от излучения? На МКС уровень радиации высок, но не настолько. Все изменится, когда мы покинем магнитный щит нашей колыбели и отправимся в далекий космос.
Эксперименты на лабораторных животных привели ученых к тревожному выводу: долгий полет в далеком космосе, например путешествие к Марсу, может серьезно повлиять на психику космонавтов. Исследования показали: космическая радиация повреждает нейронные связи[114], что приводит к нарушениям характера, настроения[115] и мышления[116] – то есть всего, что определяет наше восприятие реальности. В условиях длительной изоляции и замкнутого пространства космического корабля или станции эти изменения могут иметь катастрофические последствия.
Келли, Корниенко и многие другие стали живыми лабораториями для науки. Хотя, если задуматься, каждый космонавт – уже участник грандиозного эксперимента. Только представьте: человек забирается в ракету с двигателями мощностью 40 млн л. с., взмывает на высоту 400 км, разгоняется до умопомрачительных 28 000 км/ч – и месяцами живет в герметичной капсуле, парящей в бескрайней пустоте космоса.
Значительную часть времени на МКС космонавты посвящают исследованию самих себя: сдают кровь на анализ, проходят тесты на работу мозга. Каждый такой эксперимент – еще один шаг к пониманию того, как ведет себя человеческий организм в условиях, радикально отличающихся от тех, в которых наш вид существовал с момента его появления на планете.
Чем глубже мы погружаемся в эти исследования, тем яснее понимаем: наше тело – результат миллионов лет эволюции в условиях земной гравитации под защитой магнитного поля планеты. Стоит этим условиям измениться – как происходит при пониженной гравитации на Луне или Марсе, – и все правила игры переписываются заново.
Радикально новые условия, которые открывает перед нами космос, лишний раз подчеркивают уникальность и научную ценность МКС. Это единственное место, где мы можем взглянуть на привычные вещи под совершенно новым углом. Здесь мы испытываем возможности человеческого организма, выявляем его слабые места и ищем способы их компенсировать. Здесь мы наблюдаем, как ведут себя материя, молекулы, клетки и белки, освободившись от власти гравитации. Последствия и практическое применение этих исследований поистине безграничны – мы только в начале пути. Именно на МКС особенно очевидно, как тесно переплетаются и дополняют друг друга космическая и земная наука. И это лучший ответ тем скептикам, которые сомневаются в пользе изучения космоса.
«Космос – это машина времени для нашего организма, – объясняла в интервью Scientific American американский астронавт и врач Серена Ауньон-Чанселлор. – Мы можем наблюдать изменения на молекулярном уровне, следить, как меняются клетки на орбите. Процессы, которые на Земле длятся годами, например развитие остеопороза, там ускоряются в разы. Для ученых это бесценный исследовательский полигон»[117].
Во время пребывания на орбите Ауньон-Чанселлор выращивала клетки эндотелия – те, что выстилают внутренние стенки кровеносных и лимфатических сосудов, а также сердца. Цель эксперимента – понять, как они развиваются в невесомости. В отсутствие привычной гравитации клетки ведут себя совершенно иначе, позволяя изучать работу целых систем организма под новым углом. «Клетки эндотелия обеспечивают приток крови, – поясняет Ауньон-Чанселлор, – а опухоли не могут расти без кровоснабжения. Если мы научимся его блокировать, это станет мощным оружием в борьбе с раком».
Примечательно, что это исследование финансировала не государственная структура вроде американского министерства здравоохранения или какого-нибудь университета, а частная компания Angiex из Кембриджа, которая ищет способы лечения 90% известных видов рака.
В архивах NASA хранятся данные о сотнях экспериментов, проведенных на МКС. Десятки из них посвящены кристаллизации белков. Ученые изучают, как формируются кристаллы в космосе, чтобы создавать более качественные лекарства, а затем воссоздавать необходимые условия их получения на Земле[118]. Американский фармацевтический гигант Merck отправил на орбиту молекулы моноклональных антител, используемых в лечении некоторых видов рака: в невесомости их кристаллы растут легче и получаются качественнее[119]. А Калифорнийский университет развивает направление, о котором говорила Ауньон-Чанселлор: исследователи разработали препарат, который не только замедляет остеопороз, но и стимулирует формирование костной ткани. После длительного периода в невесомости болезнь развивалась у подопытных животных с невероятной скоростью. На Земле подобные изменения происходят гораздо медленнее, даже при таких факторах риска у людей, как малоподвижность или менопауза у женщин[120].
Похожий принцип используется и в исследованиях болезни Альцгеймера, только с противоположной целью. Ученые наблюдают, как в условиях микрогравитации накапливаются амилоидные белки – те самые, что, образуя скопления в мозге пожилых людей, разрушают нейроны и вызывают это тяжелое нейродегенеративное заболевание. Над таким проектом совместно работали NASA, группа ученых и частная компания Teledyne Brown Engineering из Хантсвилла, штат Алабама[121]. Подобные эксперименты проводил и Пармитано в 2019 г., во время своего второго полета[122].
В 2020 г. МКС отметила 20-летие непрерывной работы на орбите. К этой дате NASA включило исследования остеопороза, нейродегенеративных заболеваний и рака в список 20 важнейших научных достижений станции. По данным журнала Nature, к тому моменту на борту МКС было проведено более 3000 экспериментов с участием ученых из 108 стран[123]. И это только начало.
Любопытно, что большая часть научной работы на МКС посвящена биологии и биотехнологиям – всего было проведено более 1200 экспериментов, преимущественно от японского космического агентства JAXA. На втором месте – испытания новых технологий (свыше 500 экспериментов), на третьем – образовательные проекты. Просветительская работа, особенно со школьниками всех возрастов, считается одной из ключевых задач станции. Во время миссии «Минерва» астронавт ЕКА Саманта Кристофоретти стала первым астронавтом, использующим TikTok для рассказов о работе на орбите. В своих научно-популярных роликах она объясняла суть экспериментов, показывала особенности жизни на станции и делилась советами о здоровом образе жизни. Один из ее экспериментов в 2022 г. был посвящен правильному питанию: как в невесомости поддерживать оптимальный состав тела и предотвращать увеличение доли жировой массы из-за вынужденной малоподвижности. Очевидно, что результаты таких исследований могут принести пользу и тем, кто в жизни не покинет пределов Земли.
Подобные эксперименты проводятся и на Земле. Добровольцев укладывают на несколько месяцев на специальные больничные кровати, наклоненные так, что голова находится ниже ног. Такое положение имитирует условия микрогравитации: кровь приливает к верхней части тела, а мышцы ног бездействуют – все как в космосе. Один из лидеров таких исследований – медицинский центр Medes в Тулузе. Он регулярно набирает добровольцев, готовых провести 60 дней в постели с наклоном 6°, практически не двигаясь. Полная продолжительность эксперимента, включая предварительные и последующие обследования, составляет 88 дней. За это участники получают 18 000 евро (выплачиваемых в течение четырех лет). Такие эксперименты получили название bed-rest – «постельный режим». Они помогают изучать влияние невесомости на человека, не покидая Земли, и лучше подготовиться к будущим космическим полетам[124]. Два месяца постельного режима только звучат как райское удовольствие – на деле это серьезное испытание для тела и духа. Эксперименты дают понять, что чувствуют космонавты во время длительных полетов и с какими трудностями столкнется человечество при освоении космического пространства.