Марс сильно отличается от Земли: он меньше, суше, холоднее и т.д. Но главная потенциальная проблема для человеческих колоний — это его низкая гравитация.
Ключевые тезисы:
-
С тех пор как Юрий Гагарин стал первым человеком в космосе, мечта об отправке людей на другие планеты и в звёздные системы стала казаться достижимой реальностью, даже при существующих технологиях.
-
Однако ближайшие к нам небесные тела, наиболее пригодные для высадки человека, Луна и Марс, во многом отличаются от Земли, в том числе значительно меньшей гравитацией.
-
Более 700 человек уже побывали в космосе, многие из них находились в условиях пониженной или нулевой гравитации в течение длительного времени, и мы начинаем понимать, как это влияет на наш организм. Смогут ли люди вообще колонизировать Марс?
С тех пор как мы впервые взглянули на ночное небо и осознали, что за пределами нашего мира существуют другие звёзды и планеты, они будоражили наше воображение и заставляли задумываться о возможном. Насколько они похожи на Землю или отличаются от неё? Была ли на них когда-либо жизнь, и если да, то какова она (или каковой она была)? Можем ли мы отправиться в путешествие к этим мирам, ступить на их поверхность и создать среду обитания, которая позволит нам там выжить? В идеале это было бы не кратковременное пребывание, а потенциальное установление долгосрочного присутствия человека на небесном теле, отличном от Земли.
Разумеется, на пути к человеческой колонии в другом мире существует множество препятствий, но одни из самых серьёзных проблем, с которыми мы, без сомнения, столкнёмся, связаны с различиями между свойствами планеты Земля, на которой мы эволюционировали и к которой адаптировались, и любого другого мира. В случае Марса он меньше, суше, имеет более разреженную атмосферу и расположен значительно дальше от Солнца, чем Земля. Но может ли главным барьером на пути колонизации Марса оказаться низкая гравитация на его поверхности? Именно это хочет узнать Сет Голдин, который пишет нам:
«На фоне всего этого ажиотажа вокруг SpaceX и попыток создать постоянную колонию на Марсе меня удивляет, что никто, похоже, не обсуждает долгосрочные последствия пониженной гравитации для здоровья человека. Но это кажется абсолютным препятствием».
Хотя между «трудно» и «невозможно», безусловно, существует большая разница, и я бы не стал называть эту затею абсолютно невозможной, хотя определённые трудности жизни в условиях пониженной гравитации нам понятны как никогда прежде сейчас, в 2026 году. И вот с чем нам придётся справиться.
Человеческое тело — весьма хрупкая вещь, о чём мы регулярно забываем здесь, на Земле, к среде которой мы хорошо адаптированы. Однако легко принять как должное некоторые замечательные свойства, которыми обладает наша планета, в том числе:
-
пригодная для дыхания, богатая кислородом атмосфера;
-
достаточно плотная и протяженная атмосфера, обеспечивающая достаточное, но не разрушительное давление;
-
обилие жидкой воды на поверхности;
-
озоновый слой в верхней части атмосферы, блокирующий значительную долю ультрафиолетового излучения;
-
всё это окружено магнитным полем нашей планеты;
-
расстояние до Солнца составляет 150 миллионов километров;
-
масса и радиус, обеспечивающие ускорение свободного падения на поверхности Земли 9,8 м/с²,
и прочие свойства.
Когда люди говорят о колонизации других миров, они неявно учитывают многие из этих аспектов при планировании. Они представляют себе замкнутую среду, где давление внутри искусственно поддерживается на уровне, аналогичном земному. Они предполагают добавление кислорода до нужной концентрации и наличие больших запасов жидкой воды: всё то, что необходимо для жизни человека. Они представляют себе какую-то защиту от ультрафиолетового излучения и космических частиц, то, чего атмосфера или естественное магнитное поле другого мира могут не обеспечивать. И они предполагают искусственное отопление и охлаждение для поддержания пригодных для человека температур: то, чего ни один другой мир в нашей Солнечной системе естественным образом не предоставляет.
Но последний аспект, а именно наличие гравитационного ускорения, отличного от того, что есть у нас на Земле, преодолеть гораздо сложнее. Гравитация на поверхности Земли обеспечивает определённое ускорение, но на других твёрдых небесных телах Солнечной системы это ускорение не просто отличается. Оно, как правило, значительно меньше. Например, ускорение свободного падения на поверхности:
-
Венеры — 8,87 м/с2, или 90,4 % от земного;
-
Марса — 3,71 м/с2, или 37,8 % от земного;
-
Меркурия — 3,70 м/с2, или 37,7 % от земного;
-
Луны — 1,625 м/с2, или 16,6 % от земного;
-
в межпланетном пространстве — 0 м/с2, или 0 % от земного.
Хотя ускорение на поверхности Венеры сопоставимо с земным, на остальных каменных телах Солнечной системы гравитация значительно снижена: она ближе к нулевой, чем к реальной земной гравитации.
Искусственно повысить эти значения тоже непросто. Существует множество примеров искусственной гравитации; простейшие из них — это длительное линейное ускорение (как у непрерывно работающего ракетного двигателя) или использование центростремительной силы при вращательном движении. Однако линейное ускорение требует непрерывного расхода топлива и прямолинейной траектории движения: на планете такого не обеспечить. Вращательное движение проще поддерживать с точки зрения физики, но поскольку человек получает ощущение равновесия благодаря жидкости во внутреннем ухе, непрерывное вращение вызывает тошноту, дезориентацию и потерю равновесия, то есть серьёзные побочные вестибулярные эффекты. До сих пор все эти ограничения были непреодолимыми.
Поскольку серьёзных предложений по искусственному усилению гравитации в рамках пилотируемой миссии на Марс (или Луну) не существует, любая предлагаемая миссия сталкивается с перспективой просто терпеть сильно пониженное тяготение: не просто временно, но, возможно, вечно. Мы не имели пока возможности наблюдать, как люди проводят длительное время в условиях пониженной гравитации, чтобы изучить влияние на их организм, но зато множество астронавтов и космонавтов провели время в условиях практически нулевой гравитации в открытом космосе. Конечно, они по-прежнему ускоряются, обращаясь вокруг Земли, но космический аппарат тоже ускоряется: в результате они испытывают невесомость относительно своего окружения.
Самый длительный период, проведённый одним человеком в космосе непрерывно, составляет 437 суток; этот рекорд принадлежит Валерию Полякову, который установил его на борту станции «Мир» с января 1994 по март 1995 года. Замечательной особенностью миссий Полякова (до своего рекордного полёта он уже провёл в космосе 240 суток) была устойчивость его психического здоровья. Его когнитивные функции не ухудшились. Настроение и уровень стресса повышались лишь при смене обстановки: при отлёте с Земли и возвращении на Землю, но через несколько недель возвращались в норму. После своей первой длительной миссии его первыми словами по возвращении были: «Мы можем лететь на Марс». Поляков, наряду с другими членами экипажей станции «Мир» в конце XX века, доказал, что люди действительно способны сохранять здоровое психическое состояние во время длительных космических полётов.
Но что насчёт физического здоровья?
Оказывается, как и предполагает задавший нам вопрос, на человеческий организм в условиях значительно пониженной гравитации оказывается серьёзное воздействие: не только немедленное, но и долгосрочное. При том что многие современные устремления человечества сосредоточены на космической колонизации, именно долгосрочные последствия вызывают наибольшее беспокойство. Когда NASA обсуждает совокупные негативные последствия космического полёта для человеческого организма, используется акроним RIDGE:
-
Radiation: излучение, включая высокоэнергетические формы света от Солнца, а также космические и солнечные частицы;
-
Isolation: изоляция, в том числе та, что связана с пребыванием в замкнутом пространстве, с другими людьми или без них;
-
Distance: расстояние, в частности удалённость от планеты Земля;
-
Gravity: гравитация, особенно пониженная (или нулевая), возникающая при нахождении вне поверхности Земли;
-
Environment: среда, в частности пребывание в недружественной, замкнутой среде.
Даже если ограничиться в RIDGE лишь аспектом «G», гравитацией, то оказывается, что физическое и физиологическое воздействие среды с пониженной гравитацией на человеческий организм является довольно тяжёлым, глубоким и многообразным. Некоторые из этих эффектов могут показаться вам очевидными, другие могут сильно удивить, точно так же, как они удивили и самих астронавтов, и учёных, изучавших эти эффекты.
Здесь, на Земле, с биологической точки зрения гравитация выполняет множество функций для нашего организма.
-
Она ориентирует нас, давая чёткое ощущение верха и низа, и является важнейшим условием нашей проприоцепции: понимания того, где начинается и заканчивается наше тело, и осознания того, как прикладываемые к нему силы соотносятся с движением тела.
-
Сопротивление, которое она создаёт, позволяет таким действиям, как сидение, стояние, ходьба и бег, укреплять наши кости и мышцы.
-
«Нисходящая» сила, действующая на наши внутренние органы, обеспечивает нам устойчивое равновесие: то самое, которое нарушается, например, на американских горках, когда мы чувствуем, как желудок «поднимается», и испытываем ощущение тошноты.
-
Она помогает нам, когда мы принимаем горизонтальное положение, засыпать: то, что «подушканавты» (pillownauts) NASA делали намного менее успешно, лежа под наклоном головой вниз и имитируя сон в условиях невесомости.
-
Она помогает нашим биологическим жидкостям принимать равновесное положение; когда гравитационное равновесие окружающей среды нарушается, нарушается и распределение жидкостей в организме.
В условиях пониженной (или нулевой) гравитации наша способность выполнять все эти действия, те, которые на Земле мы делаем привычно и не задумываясь, значительно снижается, что создаёт огромные, непрерывные и накапливающиеся нагрузки на наш организм, которым мы не подвергаемся на нашей родной планете.
Пожалуй, самое серьёзное и значительное изменение, происходящее с человеком, — это выраженная атрофия мышц и разрушение скелета: космическая остеопения. В среднем за каждый месяц пребывания в космосе астронавты теряют более 1% (скорее около 1,5 %) общей костной массы: кумулятивный эффект, который не проявляет признаков замедления вплоть до 14-месячного предела, в течение которого он наблюдался. Согласно исследованию NASA 2001 года, это приводит не только к потере костной массы, но и к повышению уровня ионов кальция в сыворотке крови: возникает тот же негативный эффект, что и при гиперпаратиреозе на Земле. При длительном воздействии среды с пониженной гравитацией это может привести к необратимому повреждению скелета. Физические упражнения, несмотря на их активное использование на МКС, не устраняют эти эффекты.
Аналогичным образом астронавты быстро теряют мышечную массу: от 10 до 2% сухой мышечной массы за считанные недели. На Земле гравитация обеспечивает физиологический эффект, известный как механическая нагрузка: тело должно нести вес собственной массы. Без этой нагрузки организм по сути получает сигнал: «ваши тяжёлые, несущие вес мышцы не нужны», что приводит к:
-
деградации медленных (тонических) мышечных волокон, что лишает не только силы, но и выносливости;
-
дисбалансу в использовании белка организмом: скорость распада и деградации белка остаётся неизменной, тогда как пути синтеза белка (мышечного строительства) значительно снижаются;
-
деградации важнейшей мышцы организма — сердца, поскольку ему не нужно качать кровь против силы тяжести, что приводит к ухудшению кровообращения с неизвестными последствиями за пределами 14-месячного срока.
Возможно, устройства вроде ARED (Advanced Resistive Exercise Device — усовершенствованный силовой тренажёр с сопротивлением) могли бы частично смягчить некоторые из этих эффектов, но польза невелика, а оборудование громоздкое и сложное в транспортировке.
Ещё один серьёзный эффект: без значительной гравитационной силы, «тянущей» жидкости тела «вниз», они имеют тенденцию перемещаться вверх: к голове и внутрь самой головы. Это приводит к синдрому космической слепоты, создавая дополнительное давление на глаза и вызывая нарушения зрения. Часто возникают боли в спине, поскольку позвоночник без влияния гравитации обычно удлиняется примерно на 5 см. Активное разрушение костей и мышц приводит к резкому росту риска образования камней в почках, а также к постоянной проблеме обезвоживания из-за необходимости частого мочеиспускания. 75% астронавтов страдают от заложенности носа и заболеваний околоносовых пазух, поскольку организму затруднительно отводить жидкость из пазух без гравитации.
В полёте на Марс экипаж столкнётся с дополнительным осложнением по сравнению с простым пребыванием в условиях нулевой гравитации. Это связано с тем, что существует большая разница между (практически невесомым) путешествием к Марсу, которое займёт не менее 6 месяцев для любой пилотируемой миссии, и адаптацией к перемещению в условиях пониженной (но всё же существенной, около 38 % от земной) гравитации. Согласно NASA, это может повлиять на:
-
пространственную ориентацию;
-
зрительно-моторную и вестибулярно-окулярную координацию;
-
равновесие;
-
способность ходить;
-
ощущение укачивания;
-
ортостатическую непереносимость (неспособность поддерживать артериальное давление при вставании),
и многое другое. В условиях микрогравитации у астронавтов также значительно снижена скорость образования эритроцитов, что приводит к космической анемии. Сохранение этого состояния в условиях пониженной гравитации (от 0 до 9,8 м/с2) остаётся неизвестным.
Однако необходимо учитывать ещё один момент: все астронавты, которых мы когда-либо изучали, в конечном счёте возвращались на Землю. Если цель человеческой колонии на Марсе иная — отправиться туда, остаться и никогда не возвращаться, то многие последствия могут оказаться не столь важными. В конце концов, если вы больше не приспособлены к жизни на Земле, это может не иметь большого значения в сценарии, где вы вообще не возвращаетесь на Землю.
Но последствия всё равно будут реальными. Ваш организм адаптируется к пониженной гравитации, но не каждая адаптация будет успешной. Например:
-
Хотя ваше сердце не будет атрофировано так, как в условиях нулевой гравитации, но пониженная гравитация, вероятно, приведёт к тому, что артериальное давление будет слишком высоким в одних частях тела и слишком низким в других.
-
Пищеварительная система может по-прежнему вызывать постоянное ощущение тошноты, что может увеличить риск кислотного рефлюкса, способного иметь долгосрочные последствия для пищевода.
-
По мере замедления метаболизма для компенсации уменьшенной мышечной и костной массы/плотности может также снизиться количество энергии, доступной , и в долгосрочной перспективе может ухудшиться не только координация, но и способность решать задачи.
Важно осознавать, что это серая зона: мы очень хорошо изучили условия нулевой гравитации, но наше единственное исследование условий пониженной гравитации было проведено условиях лунной гравитации во время кратковременных миссий программы «Аполлон».
В некоторых явлениях мы уверены точно: еда будет восприниматься на вкус иначе, половое влечение снизится, рвотный рефлекс усилится и будет срабатывать на запахи, безобидные в земных условиях, и многие проблемы, возникающие в условиях микрогравитации, также проявятся в условиях пониженной гравитации. Но в условиях пониженной гравитации:
-
одни явления будут больше похожи на то, как они происходят на Земле, чем на то, как они происходят в невесомости;
-
другие будут больше похожи на то, как они происходят в невесомости, чем на то, как они происходят в земной гравитации;
-
а некоторые явления будут совершенно иными, чем в любой из этих сред.
Мы не знаем, какие проблемы сохранятся, усилятся и усугубятся со временем, мы также не знаем, к каким проблемам организм адаптируется, достигнув нового равновесия, отличного от земного, но позволяющего долгосрочное существование. И хотя мы уверены, что такая смена среды приведёт к эпигенетическим изменениям, мы не знаем, как эти изменения повлияют на потомство, произведённое в этой новой среде.
Несомненно, возникнут быстрые расхождения между типом человека, существующим на Земле, и типом человека, который сформировался бы после нескольких поколений жизни на Марсе, и уже через несколько поколений возвращение на Землю и «возврат к норме» может стать попросту невозможным. Но это не обязательно означает, что создание человеческой колонии на Марсе или в любой среде с пониженной гравитацией является непреодолимым препятствием; это лишь означает, что на пути выживания колонии будут стоять препятствия, в том числе те, которые мы не обнаружим, пока не попытаемся. Возможно, это осуществимо при нашем нынешнем понимании реальности, а возможно, и нет, но единственная определённость состоит в том, что если мы не предпримем попытку, то удача не будет гарантирована никогда.
Автор: avshkol
