Кошки… в космосе!
Около 1960 г. ученые Аэрокосмической медицинской исследовательской лаборатории на авиабазе Райт-Паттерсон в Дейтоне, штат Огайо, сняли документальный фильм, рассказывающий о том, каких успехов они добились в обеспечении безопасности пилота и изучении действия невесомости на человека. В одной из частей фильма люди, кошки и голуби поднимаются в воздух на модифицированном грузовом самолете C-131 и подвергаются невесомости просто так, для развлечения зрителей. Кошки, в частности, как видно по отснятому материалу, прекрасно переворачиваются в воздухе при нормальной гравитации, но, находясь в невесомости, начинают беспорядочно кувыркаться в пространстве, не будучи в состоянии определить, где верх, а где низ. То же самое происходит с голубями; люди справляются с ситуацией намного лучше, вероятно, потому что заранее готовы к возникающим условиям.
Можно сказать, что этот фильм знаменует собой вершину первых предпринятых ВВС исследований действия невесомости на живых существ — исследований, которые к этому моменту продолжались уже около 10 лет. Кошки благодаря своему природному таланту переворачиваться в правильное положение в воздухе помогли не только в этих разработках. Им предстояло сыграть серьезную роль и в последующей работе, когда NASA попыталось определить наилучший способ менять ориентацию для астронавтов, плавающих в пространстве. Замечательно, что кошкам пришлось многому научить людей, когда человечество делало свои первые шаги к звездам.
Путь в космос для людей — и кошек — начался с маленькой группы идеалистов и энтузиастов конструирования ракет в Германии в 1920-е гг. У этих увлеченных людей, мечтавших о космических полетах, было более чем достаточно энтузиазма, но не хватало средств. В начале 1930-х гг. их усилия привлекли внимание германской армии, поскольку оказалось, что они могут помочь в разрешении одной из стоявших перед Германией политических проблем. Версальский договор, подписанный после Первой мировой войны, запрещал Германии создавать сколько-нибудь значительные вооруженные силы и традиционные современные системы вооружений. Ракетная техника не была включена в список просто потому, что в ходе Первой мировой войны она не использовалась как оружие. Воспользовавшись этим упущением, Германия, в принципе, могла создать новые атакующие системы дальнего действия, не навлекая на себя громы и молнии остальной Европы. Понаблюдав за ракетными испытаниями любительской группы, германская армия предложила работу основной части ракетчиков, включая и знаменитого (часто печально знаменитого) Вернера фон Брауна. Так начались исследовательские работы, кульминацией которых стали ужасающие бомбардировки ракетами Фау-2 Лондона во время Второй мировой войны.
Фон Брауна и его коллег интересовало в основном освоение космоса, а не создание нового оружия, но режим не давал им особого выбора в этом вопросе; выбор сводился к тому, что они могли вступить в нацистскую партию или умереть. Они вступили — и продолжали развивать ракетную технику до конца Второй мировой войны и поражения фашистов. Американцы и Советы не могли не разглядеть очевидный потенциал новой технологии. В хаосе окончания войны те и другие поспешили завербовать как можно больше германских ученых-ракетчиков. Советы сделали это в ходе одной беспощадной облавы — так называемой операции «Осоавиахим»: 22 октября 1946 г. они «завербовали» под дулами автоматов в свою ракетную программу около 2000 немецких ученых из оккупированной Советами части Германии. Аналогичный американский проект — операция «Скрепка» — продолжался дольше, с 1945 по 1959 г. Первоначально многие ученые помещались под наблюдение и допрашивались в подконтрольной Западом части Германии, но со временем многие из них вместе с семьями эмигрировали в Соединенные Штаты, чтобы участвовать в космическом проекте. Вернер фон Браун и его коллеги, узнав о смерти Гитлера, сразу же отправились искать убежища у американских войск; фон Браун переехал в США уже к концу 1945 г.
Среди привлеченных ученых были, в частности, братья Фриц и Хайнц Хаберы, эмигрировавшие в США в 1946 г. Фриц Хабер, как авиационный инженер, во время войны в Германии работал на компанию Junkers Aircraft и занимался разработкой метода транспортировки ракеты «на спине» самолета; аналогичная система позже будет использоваться для перевозки американского космического челнока на модифицированном боинге-747. Хайнц Хабер, физик по образованию, в военные годы служил в авиационной разведке. После войны оба были направлены в Школу авиационной медицины ВВС США, которая располагалась на авиабазе Рэндольф в Техасе (позже эта школа вошла в состав Департамента космической медицины). Как ни забавно, оба брата оставили свои прежние специальности и сосредоточились на физиологии, пытаясь в первую очередь разобраться в действии невесомости на человеческое тело.
Школа авиационной медицины отсчитывала свое существование, в той или иной форме, с 1918 г., поскольку использование самолетов в Первой мировой войне вызвало настоятельную потребность разобраться в том, какие заболевания и проблемы со здоровьем могут угрожать пилотам. Формально Департамент космической медицины был создан в 1949 г. для исследования медицинских проблем, которые могли бы возникнуть в ходе космического путешествия. Термин «космическая медицина» первым пустил в оборот в 1947 г. Хубертус Штругхольд — еще один немецкий ученый, привезенный в Соединенные Штаты в результате операции «Скрепка». Именно Штругхольд и стал первым директором Департамента космической медицины.
Несмотря на то что сегодня долговременное пребывание в космосе считается нормальным, в конце 1940-х гг. ученые никак не могли предвидеть, какое действие окажет на физиологию человека даже короткая встреча с невесомостью. Сила тяжести всегда присутствует в нашей жизни, она вездесуща, и первые исследователи просто не могли знать, насколько функционирование нашей физиологии зависит от этой постоянной силы. Как с большой тревогой писал Хайнц Хабер в журнальной статье 1951 г.:
В большинстве дискуссий о космических путешествиях последствия для пассажиров от воздействия невесомости воспринимаются очень легко. В самом деле, невесомость порождает приятную картину: возможность свободно плавать в пространстве, не испытывая никаких напряжений, кажется приятной и даже полезной. Но плавание в невесомости не будет таким беззаботным, как кажется. Скорее всего, природа заставит нас заплатить за удовольствие.
На Земле не существует опыта, который сказал бы нам, на что будет похожа невесомость. Правда, первое мгновение свободного падения при прыжке в воду с трамплина приближается к свободному от силы тяжести состоянию, ассоциирующемуся с идеальным свободным падением, но продолжается оно всего лишь мгновение.
Какого рода негативные эффекты мог бы ожидать человек от состояния невесомости? Хайнц Хабер вместе с коллегой Отто Гауэром считали, что дыхательная и сердечно-сосудистая системы будут переносить невесомость относительно спокойно и без последствий. Однако их беспокоило, что те же проприоцептивные импульсы, которые обеспечивают нас важной информацией о состоянии и ориентации частей тела, при длительном воздействии невесомости могут просто отказать. Конфликт между информацией об ориентации, получаемой одновременно от зрительной и вестибулярной систем, теоретически мог привести к крайней дезориентации или к чему-то вроде непрекращающейся морской болезни. Проприоцепторы в мышцах также внушали ученым тревогу. Поскольку человеческое тело, по существу, «калибруется» для правильной работы при постоянной силе тяжести, утрата этой силы могла сбросить калибровочные настройки, сделав каждое движение космического путешественника многократно преувеличенным. Если бы эти гипотезы подтвердились, то наложили бы серьезные ограничения на человеческое будущее в космосе.
Космос, однако, не был единственным поводом для тревоги. С появлением в ходе Второй мировой войны реактивной авиации самолеты стали летать быстрее и выше, чем когда-либо прежде, поднимаясь на высоты, где сопротивление воздуха практически не играло роли в полете. Любой самолет, планирующий в таких условиях без работы двигателя, по существу будет находиться в свободном падении, а летчик — в состоянии невесомости. Так что земные заботы тоже волновали исследователей в области космической медицины.
Самой большой сложностью при изучении подобных эффектов было отсутствие на Земле сколько-нибудь продолжительного состояния невесомости. Как отмечал в свое время Хабер, прыжок с трамплина позволяет испытать истинную невесомость лишь на мгновение. То же можно сказать и о затяжном прыжке с парашютом: даже в прыжке с монгольфьера человек всего несколько секунд испытывает состояние, напоминающее истинную невесомость, прежде чем сопротивление воздуха дает ему новое ощущение «низа».
Еще одной возможностью для создания продолжительного состояния невесомости было использование вышки для вертикальных испытаний. Такая вышка представляет собой лифт, сконструированный так, чтобы свободно падать с высоты и тормозить только перед ударом об землю. Но такие башни ограничены по высоте и могут создать для пассажиров невесомость в лучшем случае на несколько секунд. В 1950 г. братья Хабер предложили наилучшее решение — использование самолета, летящего по параболической траектории.
Эта стратегия иллюстрируется приведенной схемой. Согласно принципам общей теории относительности, любой объект, свободно движущийся в гравитационном поле, находится в состоянии невесомости. Состояние, приближенное к этому, может быть достигнуто для пассажиров самолета, летящего подходящим образом. Этот самолет сначала разгоняется по восходящей траектории — пассажиры во время разгона испытывают перегрузку, то есть увеличенную силу тяжести. Затем самолет снижает тягу двигателей и летит по параболической траектории — по траектории, по которой летел бы бейсбольный мяч, брошенный другу. Пилот при этом должен поддерживать тягу такой, чтобы ее как раз хватало на компенсацию тормозящего действия, которое сопротивление воздуха оказывает на самолет, иначе тот испытывал бы на себе соответствующую силу тяжести. Дойдя до высшей точки траектории, самолет начинает ускоряться вниз, и пилот, естественно, должен вывести его из пике, опять подвергая пассажиров перегрузкам. При желании процесс можно повторить, сделав траекторию самолета похожей на серию взлетов и падений на американских горках.
На реализацию этой схемы потребовалось совсем немного времени, и самые отчаянные летчики-испытатели первыми опробовали на себе сколько-нибудь длительную невесомость. Летом 1951 г. летчик-испытатель Скотт Кроссфилд с авиабазы Эдвардс сумел получить состояние нулевой тяжести как в нормальном, так и в перевернутом полете. Он отметил ощущение «утраты пространственной ориентации» при переходе к невесомости, но обнаружил, что после пятого полета его организм адаптировался к этому ощущению, и это, безусловно, внушало оптимизм. Он отметил также, что в невесомости у него появлялась тенденция прикладывать слишком большое усилие, протягивая руку к переключателям на приборной доске, и в результате промахиваться; это отчасти подтверждало тревогу Гауэра и Хабера по поводу нарушений в работе проприоцепторов. Двумя годами позже Кроссфилд прославился как первый летчик, сумевший достичь двукратной скорости звука.
Летчик-испытатель ВВС Чак Йегер, совершавший аналогичные полеты в 1952 г., тоже отмечал некоторую дезориентацию и, в частности, ощущение падения в переходный период, а также «нарушения ориентации» во время невесомости, которые исчезли, как только вес восстановился. Йегер знаменит тем, что первым среди летчиков преодолел звуковой барьер, что ему удалось сделать в 1947 г.
Первое систематическое исследование действия невесомости на человека было предпринято в Лаборатории авиационной медицины авиабазы Райт-Паттерсон, куда в 1949 г. перевелся Хубертус Штругхольд. Эта лаборатория стала еще одним крупным центром космической медицины. В данном исследовании реактивный истребитель Lockheed F-80E был модифицирован таким образом, чтобы разместить в его носу лежанку. После модификации самолет можно было пилотировать либо с этой лежанки, либо с традиционного сиденья в кокпите. По существу, пилот мог управлять самолетом лежа, хотя, как правило, на лежанке размещался испытуемый, а пилот управлял полетом из кокпита.
Типичные полеты включали в себя 8–10 субгравитационных траекторий длительностью по 15 с. В периоды невесомости испытуемых просили выполнять разнообразные задания на координацию движений — покачать головой или протянуть руку за объектом. Участники экспериментов проявляли себя очень хорошо: невесомость слабо влияла на ориентацию, показатели сердцебиения и электрокардиограмма также не демонстрировали значительных изменений. Правда, испытуемые чувствовали, что фиксация в кресле и наличие визуальных ориентиров, с которыми можно соотносить любые вестибулярные ощущения, помогали им сохранять ориентацию. Свободно плавающий в пространстве человек с завязанными глазами мог бы, вероятно, испытать серьезную дезориентацию.
Невесомость была не единственным поводом для беспокойства исследователей. В любом предполагаемом ракетном полете в космос астронавт обязательно должен был подвергнуться действию экстремальных сил, и эти силы, по идее, могут быть опасны и даже убить. Вследствие этого испытуемых на лежанке в истребителе также подвергали экстремальным ускорениям, измеряемым в единицах нормального земного ускорения свободного падения, так называемых g, и просили описать свои ощущения. Однако эксперименты с высокими перегрузками намного проще проводить на твердой земле с использованием ракетных саней, способных разгоняться до громадных скоростей и резко тормозить. Такие испытания начались в 1947 г. и продолжались до середины 1950-х. Самым знаменитым участником этих испытаний был полковник ВВС Джон Стэпп, который 10 декабря 1954 г. разогнался на ракетных санях до максимальной скорости более 1000 км/ч и резко затормозил, подвергнув себя невероятной перегрузке в 46,2 g. Этот эксперимент одновременно сделал Стэппа рекордсменом по величине перегрузки, которой человек намеренно себя подверг, и по величине достигнутой на суше скорости. Джон Стэпп по заслугам получил титул «самого быстрого человека на Земле». Благодаря его работе конструкторам удалось серьезно усовершенствовать систему пристяжных ремней и пилотские кресла истребителей. Примечательно, что, несмотря на чрезвычайные жесткие и даже жестокие нагрузки, которым он подвергал свое тело, Стэпп дожил до 89 лет и мирно умер в собственном доме в 1999 г.
Эксперименты с высокими перегрузками в 1950-е гг. проводились массово, вследствие чего величайшим неизвестным фактором и основанием для тревоги в плане будущих космических путешествий оставалось действие субгравитации, то есть силы тяготения меньше земной. К экспериментам, связанным с действием этого фактора, традиционно привлекались животные. При этом использовались ракеты как определенный компромисс между двумя идеальными условиями — продолжительностью и безопасностью. Если на самолетах невесомость для пассажиров была ограничена короткими интервалами длительностью около 20 с, то ракета могла взлететь намного выше и двигаться по параболической траектории намного дольше, что позволяло получить несколько минут невесомости. Ракетные полеты были новинкой, причем невероятно рискованной, об экспериментах с участием человека не могло идти и речи.
Для этих экспериментов использовалось два типа ракет. ВВС по-прежнему пользовались надежными германскими ракетами Вернера фон Брауна Фау-2, но они были дороги в строительстве. Вооруженные силы в конце 1940-х гг. заключили с корпорацией Aerojet Corporation контракт на создание менее дорогой альтернативы для исследовательских полетов под названием Aerobee. В первой серии экспериментов, пуски которой проводились с полигона Уайт-Сэндс в штате Нью-Мексико с 1948 по 1952 г., было запущено пять Фау-2 и три Aerobee. Испытуемыми во всех полетах служили обезьяны и мыши. Обезьяны, которым обеспечивали обезболивание, подключались к мониторам, способным передавать показатели их жизнедеятельности по радио на протяжении всего полета; в некоторых полетах мыши тоже подключались к мониторам, тогда как в других полетах мышей, плавающих в невесомости, снимали на пленку, чтобы посмотреть, как они себя ведут в таких условиях.
Как оказалось, тревоги о безопасности полетов были более чем оправданны. У всех пяти Фау-2, как и у первой Aerobee, парашюты не вышли или не раскрылись. Вторая Aerobee приземлилась в целости, но задержка с доставкой животных на базу после поиска ракеты привела к тому, что примат умер в пути от перегрева. Только в третьем полете ракеты Aerobee все животные были найдены и привезены на базу живыми. Но все ракеты во время полета передавали по радио на землю показатели жизнедеятельности животных, и в каждой из них была прочная кассета для отснятой пленки, так что даже разбившиеся ракеты приносили ученым важную информацию.
Исследования с участием приматов подтвердили то, что предполагали еще Гауэр и Хабер и что ученые уже видели в более ранних работах: состояние невесомости не влияет на сердечно-сосудистую и дыхательную системы животных. Материалы съемки мышей показали, что животные, свободно плавающие в невесомости, казались слегка дезориентированными, но те, которым удалось уцепиться за какую-нибудь стабильную поверхность, вели себя нормально. Это соответствовало наблюдениям за испытуемыми-людьми в полетах с нулевой силой тяжести: судя по всему, наличие неподвижной опоры или кресла способно было значительно снизить растерянность и неприятные ощущения, связанные с невесомостью. Для сравнения реакций в экспериментах использовались мыши как с нормальной, так и с поврежденной вестибулярной системой, причем мышам с изменениями еще до полета, на земле, давали время освоиться с жизнью и координацией без чувства движения. Оказалось, что мыши без вестибулярного аппарата выглядели в обстановке невесомости более спокойно и непринужденно, чем здоровые. Исследователи предположили, что для здоровых мышей внезапное изменение вестибулярных ощущений оказывалось неожиданным и вызывало растерянность, тогда как мыши с поврежденной вестибулярной системой, не чувствуя никаких изменений, способны были быстро адаптироваться.
В следующем году эти наблюдения нашли свое подтверждение в ключевой серии экспериментов, которые, в виде исключения, были проведены не в Соединенных Штатах, а в Аргентине. Автором этого исследования был Харальд фон Бекх, который родился в 1917 г. в Вене (Австрия) в семье врачей. Харальд пошел по стопам родителей и получил диплом врача в 1940 г. В 1941 г. он стал преподавателем Академии авиационной медицины в Берлине; кроме того, служил летчиком и полетным врачом. После падения нацистского режима фон Бекх понял, что в Германии еще долго невозможно будет продолжать летные исследования. Оказавшись в итальянской Генуе, он явился в аргентинское консульство и договорился о продолжении своей работы в Буэнос-Айресе.
Фон Бекха интересовало изучение ориентации и мышечной координации в состоянии невесомости, и Южная Америка обеспечила его идеальным животным для подобных исследований — им оказалась аргентинская змеиношейная черепаха Hydromedusa tectifera. Фон Бекх так описал идеальные для исследователя поведенческие качества этого животного:
Эти черепахи представляются особенно подходящими объектами для исследования ориентационного поведения и мышечной координации благодаря их способности двигаться под водой с необычайной скоростью и мастерством во всех направлениях во время поиска пищи. Эти животные принадлежат к чрезвычайно прожорливому классу водяных черепах. При обычных условиях силы тяжести, то есть на земле или в горизонтальном полете, они набрасываются на пищу, как змеи, вытягивая к добыче свои S-образные шеи с большой точностью. Они готовы также выхватить кусок мяса, свисающий изо рта у другого животного. Мало того, когда они голодны, то пытаются вытащить кусок, уже попавший в рот к другим черепахам.
Таким образом, аргентинские черепахи обладают природной способностью охотиться во всех направлениях, обладают точностью удара и весьма мотивированы, что делает их желанным объектом для испытаний на координацию. Одна конкретная черепаха, кроме того, обладала дополнительным удачным качеством для фон Бекха. Будучи случайно оставлена на несколько дней в перегретом аквариуме, эта черепаха утратила свою вестибулярную функцию. Поначалу ей трудно было точно прицелиться, чтобы нанести удар по добыче, но постепенно она восстановила свои навыки и через три недели уже могла питаться нормально. Фон Бекх сделал вывод, что у этого животного навсегда пострадала функция вестибулярного аппарата, но в качестве компенсации оно научилось использовать визуальные средства ориентации. Используя эту черепаху и других, здоровых животных, фон Бекх мог проводить сравнение их реакций на невесомость.
Животные помещались в двухместный истребитель в цилиндрическом контейнере, наполненном водой и открытом сверху. Во время периодов пикирования с нулевой силой тяжести черепах кормили кусочками мяса, удерживаемыми специальным пинцетом; оценивалась при этом точность ударов черепах по добыче. Следует отметить, что пикирование с нулевой силой тяжести никогда не бывает идеальным и открытые сосуды с водой в самолете в эти моменты могут давать весьма интересные эффекты. Фон Бекх заметил, что «при переходе от горизонтального полета к вертикальному возникают короткие периоды отрицательного ускорения. В это время вода (и иногда животные вместе с ней) поднимается вверх, образуя над верхом сосуда яйцевидный купол высотой 20–30 см. Однако, когда сосуд поднимается на прежнюю высоту, бóльшая часть воды стекает обратно».
Фон Бекх обнаружил, что здоровые черепахи, как мыши в более ранних американских ракетных экспериментах, с трудом попадали в цель — кусочки предназначенной им приманки, тогда как черепаха с поврежденным вестибулярным аппаратом справлялась со своей задачей так же хорошо, как на земле. Как предсказывали ранее Хабер и Гауэр, здоровые животные, очевидно, терялись из-за того, что зрительная информация у них расходилась с информацией от вестибулярной системы; у пострадавшего животного такого конфликта не возникало. Здоровые черепахи после 20 или 30 полетов постепенно приспосабливались и заново научались охотиться; это позволяло предположить, что и люди, после некоторых начальных трудностей, могли бы адаптироваться к состоянию невесомости и функционировать нормально.
В полетах с нулевой силой тяжести фон Бекх проверял также и координацию людей. В периоды невесомости испытуемых просили рисовать крестики в квадратиках на бумаге. Испытуемые вполне справлялись с этой задачей, за исключением случая, когда делать это предлагалось в состоянии невесомости и с закрытыми глазами; этот результат согласуется с более ранними выводами о том, что и кошки, и люди используют для координации движений одновременно и вестибулярный аппарат, и глаза. Дезориентация наступает в случаях, когда не функционируют обе эти системы.
Учитывая, что поведение животных в условиях свободного падения изучалось довольно активно, немного удивляет, что кошки присоединились к этим исследованиям так поздно. Наконец, в 1957 г. Зигфрид Гератеволь — еще один немец, завербованный в ходе операции «Скрепка», и майор Герберт Столлингс, летчик Школы авиационной медицины авиабазы Рэндольф, занялись исследованием кошек в полетах с нулевой силой тяжести. Сами они так описывали свою мотивацию:
С практической точки зрения задавался вопрос о том, как будет работать рефлекс переворачивания в правильное положение у кошек в условиях пониженной и нулевой гравитации. Будет ли кошка переворачиваться, если держать ее вниз головой, или останется в прежнем положении? Существует ли какая-то временнáя характеристика, которая могла бы указывать на приспособление и адаптацию? Как другие признаки, к примеру визуальные данные об ориентации, будут влиять на действие этого рефлекса? Поиск ответов на данные вопросы велся не только для удовлетворения нашего собственного любопытства, но и для прояснения роли отолитового аппарата в невесомости.
Один тревожный вопрос о невесомости по-прежнему оставался нерешенным: как будет чувствовать себя человек в невесомости, если его не пристегивать к креслу или какой-то другой закрепленной опоре? Исследователи тогда еще не использовали для испытаний в невесомости больших грузовых самолетов. Приходилось действовать иначе и брать для испытаний и животных, и самолеты поменьше. В экспериментах с невесомостью участвовали восемь кошек: четыре котенка в возрасте около трех недель, две двухмесячные и две трехмесячные кошки. Не все животные чувствовали себя в невесомости одинаково хорошо. Самые юные кошечки и котики не проявляли рефлекса переворачивания вовсе, из чего исследователи сделали вывод, что этот рефлекс у кошек формируется между четвертой и шестой неделями жизни.
