Земное притяжение на экспорт: можно ли обмануть невесомость

На орбите земное притяжение никуда не исчезает. Космическая станция и всё, что находится внутри неё, непрерывно падают к Земле, но движутся вперёд с такой скоростью, что всё время огибают планету. Поэтому космонавт не покидает поле тяготения, а перестаёт ощущать собственный вес: корабль, человек и незакреплённые предметы падают вместе. Так возникает микрогравитация — состояние, в котором остаточные ускорения очень малы и человек почти не чувствует веса.

Для организма это не словесный парадокс, а смена условий работы. Тело человека сформировалось для жизни с постоянной опорой под ногами, поэтому исчезновение привычной нагрузки постепенно меняет мышцы, кости, кровообращение и управление движениями. Вернуть все эти сигналы одним упражнением невозможно: беговая дорожка нагружает одни системы, электростимуляция — другие, а вращение на центрифуге создаёт направленную нагрузку вдоль тела. О том, можно ли «упаковать» часть земного притяжения в орбитальный модуль и какие специалисты создают такую защиту, рассказываем в рамках проекта «Как это работает?», реализуемого при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.

На Земле человек почти не замечает, сколько работы организм выполняет просто для того, чтобы он мог стоять. Мышцы голени, бёдер, спины и шеи постоянно поддерживают позу, стопы передают нервной системе информацию об опоре, а сосуды не дают крови в избытке скапливаться в ногах. Скелет получает механические сигналы при каждом шаге и в ответ сохраняет ткань, рассчитанную на привычную нагрузку. Даже покой в кресле не равен орбитальному покою: тело по-прежнему прижато к сиденью, внутренние органы имеют вес, а для организма сохраняются направления «верх» и «низ».

В полёте эта система ориентиров меняется сразу для многих органов. Стопа больше не встречает поверхность после каждого шага, мышцам, удерживающим позу, не нужно спасать тело от падения, а вестибулярный аппарат получает непривычное сочетание сигналов от зрения и органов равновесия. Кровь и другие жидкости перераспределяются к верхней половине тела, потому что им больше не приходится постоянно преодолевать земную силу тяжести. Организм воспринимает происходящее не как поломку, а как новую норму и начинает экономить функции, которые в этих условиях кажутся избыточными.

Именно способность приспосабливаться делает невесомость коварной. Человек учится перемещаться по станции, работать и спать без привычного пола, однако параллельно перестраиваются механизмы, которые понадобятся при возвращении в гравитационное поле. После посадки сердечно-сосудистой системе снова нужно удерживать достаточный приток крови к мозгу в вертикальном положении, мышцам — нести вес тела, а вестибулярному аппарату — согласовать движения головы с направлением силы тяжести. В лунной или марсианской экспедиции этот экзамен начнётся не дома, рядом с врачами и спасателями, а сразу после посадки на другом небесном теле.

— Вопросы реадаптации будут играть особую роль при планировании миссий к другим небесным телам — например, Луне или Марсу, — подчеркнула врач-хирург, младший научный сотрудник ИМБП РАН Виктория Кириченко.

Реадаптацией называют обратное привыкание организма к силе тяжести после полёта. На Земле космонавту можно помочь встать, провести обследование и постепенно вернуть обычную нагрузку. На Луне экипажу, вероятно, придётся вскоре после посадки самостоятельно обслуживать технику и реагировать на нештатные ситуации. Поэтому средство профилактики оценивают не только по тому, сохранило ли оно самочувствие на орбите, но и по способности человека сразу начать следующий этап миссии.

Быстрее других потерю опоры замечают мышцы, которые на Земле работают почти непрерывно. Камбаловидная мышца расположена в глубине голени: она помогает удерживать вертикальную позу и участвует в ходьбе, поэтому её часто используют как показатель гравитационной разгрузки. В полёте и наземных моделях меняется не только объём мышечной ткани, но и соотношение волокон, клеточная энергетика и управление сокращением. Иными словами, мышца не просто становится меньше — она постепенно переходит на режим, рассчитанный на меньшую и более короткую работу.

В исследовании, опубликованном специалистами ИМБП РАН в 2025 году, восемь здоровых молодых мужчин провели 21 день в условиях «сухой» иммерсии. До начала опыта и после него у добровольцев брали небольшие образцы камбаловидной мышцы, а затем определяли, какие гены работают активнее и как меняются белки, управляющие ростом и обменом энергии. Учёные обнаружили уменьшение площади медленных и быстрых мышечных волокон, ослабление механизмов синтеза белка и перестройку в сторону более быстрых, но менее выносливых волокон. Одновременно снизились признаки нормальной работы митохондрий — клеточных структур, которые вырабатывают энергию. Результат относится к одной мышце и к небольшой группе здоровых мужчин, поэтому он объясняет механизм разгрузки, но не позволяет заранее вычислить потери у любого космонавта.

Кость отвечает медленнее, однако её перестройка не сводится к простой «потере кальция». Живая костная ткань постоянно обновляется: одни клетки разбирают старые участки, другие создают новые, а механическая нагрузка помогает сохранять равновесие между этими процессами. При разгрузке баланс смещается, и особенно уязвимыми становятся отделы скелета, которые на Земле несут вес тела. Ранние изменения можно искать в крови по белкам, связанным с образованием и разрушением костной ткани, ещё до того, как заметная потеря плотности появится на снимках.

Именно такой подход использовали сотрудники ИМБП РАН в работе 2025 года. Они сравнили образцы плазмы крови двух групп здоровых мужчин: восемь добровольцев три недели лежали с небольшим наклоном головы вниз, а десять провели столько же времени в «сухой» иммерсии. Масс-спектрометрия — метод, позволяющий определить множество белков по массе их молекул, — выявила разные наборы изменений, связанных с обменом костной ткани; общими для обеих моделей оказались только два белка. Исследователи подчёркивали, что за три недели у здоровых людей ещё не успевает развиться выраженное уменьшение плотности кости: работа описывает раннюю белковую регуляцию, а не уже сформировавшееся заболевание. Поэтому постельный режим и иммерсию нельзя считать взаимозаменяемыми копиями невесомости — каждая модель воспроизводит лишь часть факторов полёта.

Сердечно-сосудистая система реагирует по третьему сценарию. В первые дни жидкость смещается к голове, после чего организм начинает активнее выводить её избыток и приспосабливается к меньшему объёму циркулирующей крови. Сердцу больше не требуется преодолевать земную гравитацию при кровоснабжении верхней части тела, а сосудистые рефлексы получают меньше привычной тренировки. На орбите такая перестройка помогает жить, но после посадки способна обернуться головокружением, слабостью и невозможностью долго стоять без посторонней помощи.

Чтобы подобрать защиту, недостаточно обследовать человека только после полёта. Исследователям нужно проследить, когда начинаются изменения, какие системы реагируют первыми и что происходит после включения конкретного метода профилактики. Реальный космический полёт для этого неудобен: участников мало, программа экипажа перегружена, а биопсию мышцы нельзя брать в любой нужный день. Наземная модель позволяет контролировать распорядок, питание, время обследований и нагрузку, хотя за эту управляемость приходится платить неполным сходством с космосом.

В стенде «сухая» иммерсия человек лежит на тонкой водонепроницаемой ткани, отделяющей его от тёплой воды. Ткань повторяет форму тела и распределяет поддержку по большой площади, поэтому привычное давление на стопы и другие опорные зоны почти исчезает. Движения ограничиваются, а жидкости организма смещаются к верхней части тела — это позволяет быстро воспроизвести несколько важных последствий невесомости. Но земная гравитация продолжает действовать на внутренние органы, космической радиации в лаборатории нет, поэтому «сухая» иммерсия остаётся моделью отдельных эффектов полёта, а не «космосом в ванной».

Быстрая реакция на исчезновение опоры особенно полезна при изучении мышц. Пробы можно брать до погружения, в выбранные дни и после завершения опыта, сопоставляя силу, электрическую активность мышц, состояние сосудов и молекулярные показатели. Постельный режим с наклоном головы вниз лучше подходит для длительного воспроизведения малой подвижности и смещения жидкостей к голове, но сохраняет контакт тела с поверхностью. Сравнение моделей помогает отделить последствия общей неподвижности от реакции нервной системы на исчезновение сигналов от опоры.

Проверка профилактики строится на таком же сравнении. Одна группа проходит иммерсию без защитного воздействия, другая — максимально похожий опыт с костюмом, электростимуляцией или иной мерой, а обследования проводят в одинаковые моменты. В подобных работах редко участвуют сотни людей: стенд сложен, добровольцев нужно постоянно наблюдать, а длительное пребывание без опоры требует строгого режима. Поэтому один эксперимент не превращается в универсальную инструкцию — результат сопоставляют с прежними сериями, реальными полётами и реакциями отдельных участников.

На станции тренировка начинается с непривычного инженерного условия: космонавта нужно удержать возле тренажёра. На Земле вес прижимает бегуна к дорожке, а штангу — к рукам; на орбите человек после толчка улетит от поверхности вместе со снарядом, если нагрузку не создадут ремни, упругие элементы или система сопротивления. Поэтому орбитальный бег воспроизводит ударную и опорную нагрузку лишь в той мере, в какой человека удаётся притянуть к полотну. Силовой тренажёр тоже имитирует не вес металлических дисков, а сопротивление механизма, которое можно точно дозировать.

Разные тренировки защищают разные звенья. Бег и ходьба нужны для координации, выносливости и повторяющейся нагрузки на ноги; силовые упражнения помогают мышцам сохранять способность развивать усилие и передают механический сигнал костям. Велоэргометр, то есть стационарный велосипед, тренирует сердце и сосуды, но почти не возвращает скелету нагрузку вдоль оси тела. Поэтому российская система профилактики дополняет упражнения нагрузочными костюмами и стимуляцией мышц, а результат зависит не только от оборудования, но и от режима занятий, крепления человека и его индивидуальной реакции.

Главное ограничение спорта состоит в его продолжительности. Тренировка занимает часть дня, тогда как гравитация на Земле действует круглые сутки; после занятия космонавт снова проводит много часов без опоры и привычного перепада давления между головой и ногами. Кроме того, сильные мышцы ещё не гарантируют, что сосудистые рефлексы быстро справятся с вертикальным положением после посадки. Именно поэтому учёные проверяют способы продлить или дополнить действие тренировок.

Один из таких способов — костюм «Пингвин», система эластичных тяг, которая давит на тело от плеч к стопам и частично возвращает продольную, или осевую, нагрузку. В опубликованном в 2026 году исследовании двадцать мужчин разделили на две равные группы и на пять дней поместили в «сухую» иммерсию; участники одной группы ежедневно на несколько часов надевали костюм. У них слабее проявлялись боль в спине, изменения тонуса мышц спины и бёдер, нарушения равновесия и чрезмерное усиление некоторых спинномозговых рефлексов. Однако опыт был коротким и наземным, поэтому он подтверждает пользу конкретного режима, но не доказывает, что костюм способен заменить весь комплекс профилактики в многомесячном полёте.

Электростимуляция решает ещё более узкую задачу. Электроды передают мышце слабые импульсы и вызывают сокращения даже тогда, когда обычное движение ограничено. Метод не воспроизводит координацию всего тела и почти не нагружает кость, зато позволяет адресно воздействовать на выбранные мышечные группы с помощью компактного оборудования. При этом соседние мышцы нельзя стимулировать по одному шаблону: мышцы, удерживающие позу, и мышцы, выполняющие активное движение, по-разному отвечают на разгрузку.

Это подтвердило исследование ИМБП РАН, опубликованное в 2026 году. Две группы по десять мужчин провели шесть дней в «сухой» иммерсии; одна группа ежедневно получала электростимуляцию, после чего учёные сравнили образцы камбаловидной мышцы. За такой срок её волокна ещё не успели заметно уменьшиться, но уже изменились молекулярные сигналы, связанные с работой митохондрий и типом мышечных волокон. Стимуляция сохранила часть этих показателей, однако одновременно усилила и сигналы синтеза, и сигналы распада белка, а площадь быстрых волокон стала меньше. Следовательно, электрические импульсы могут сдерживать отдельные ранние изменения, но их режим необходимо подбирать по результату, а не по принципу «чем сильнее сокращение, тем лучше». И костюм, и стимулятор возвращают лишь часть земной нагрузки. Чтобы одновременно воздействовать на сосуды вдоль всего тела, исследователи переходят к вращению.

Искусственная гравитация звучит как обещание полностью вернуть Землю, однако центрифуга не создаёт новое поле тяготения. Она вращает человека, а возникающее ускорение прижимает его к опоре и тем самым создаёт ощущение веса. В центрифуге короткого радиуса человек лежит головой ближе к оси, а ногами — дальше от неё, поэтому нагрузка постепенно возрастает от головы к стопам. Кровь смещается к нижней части тела, и сосуды снова должны поддерживать давление примерно так, как они делают это у стоящего человека.

Короткое плечо позволяет уместить установку в ограниченном объёме, но создаёт заметную разницу нагрузки между головой и ногами. Если человек быстро поворачивает голову во время вращения, вестибулярный аппарат может получить непривычный сигнал и вызвать головокружение или тошноту. Поэтому исследователи подбирают не максимальную скорость, а переносимое сочетание силы, продолжительности и повторяемости сеансов. Для мышц и костей значение имеет и то, просто лежит человек в центрифуге или выполняет упражнения во время вращения.

В работе ИМБП РАН, опубликованной в конце 2025 года, эффекты микрогравитации моделировали трёхнедельным постельным режимом с небольшим наклоном головы вниз. Начиная со второй недели, здоровые добровольцы проходили интервальные вращения, а учёные анализировали колебания промежутков между ударами сердца и изменения электрокардиограммы. Эти показатели помогают оценить, как две части автономной нервной системы — ускоряющая и замедляющая работу органов — поддерживают равновесие. На фоне центрифуги регуляция сердечного ритма оставалась устойчивее, а исследованные признаки электрической нестабильности сердца не увеличивались. Это результат конкретного наземного протокола, а не готовая схема для межпланетного корабля.

Следующий вопрос — не только эффективность, но и безопасность повторных сеансов. В исследовании 2026 года шесть здоровых мужчин прошли пять тренировок продолжительностью по 45 минут; до и после вращения у них измеряли давление, сердечный ритм и вещества крови, которые могут указывать на перерастяжение сердечной мышцы или образование тромбов. На уровне группы опасных изменений не обнаружили, хотя у отдельных участников некоторые показатели временно выходили за исходный уровень без клинических симптомов. Работа подтвердила безопасность именно испытанного режима для обследованных здоровых людей и одновременно показала, почему переносимость необходимо оценивать индивидуально.

— Экспериментальные тесты показали, что этих систем профилактики недостаточно, чтобы полностью нивелировать эффект невесомости, — рассказал руководитель пресс-службы ИМБП РАН Олег Волошин.

Именно слово «полностью» здесь определяет место центрифуги. Её изучают не потому, что бег, силовые упражнения или костюмы бесполезны, а потому, что ни один из этих методов не возвращает организму сразу все земные сигналы. Вращение лучше воспроизводит направленную нагрузку на сосуды, но само по себе не гарантирует сохранения силы, координации и костной ткани. Перспективная схема, вероятнее всего, будет сочетать несколько средств и менять их дозировку по данным медицинского контроля.

Между наземным стендом и установкой на станции лежит большая инженерная дистанция. Центрифуга должна поместиться в модуле, не создавать опасных вибраций, выдерживать многократные циклы и не мешать соседнему оборудованию. Ей понадобятся питание, система управления, надёжная фиксация человека и возможность быстро остановить вращение. Масса и объём установки будут конкурировать с запасами, научной аппаратурой и системами жизнеобеспечения, поэтому физиологически полезная конструкция ещё должна доказать, что оправдывает место на корабле.

Не определён и оптимальный режим для очень долгой экспедиции. Короткие сеансы проще встроить в распорядок, но пока неизвестно, достаточно ли их для всех систем организма. Более длительное вращение усиливает воздействие, однако занимает время экипажа и может повышать нагрузку на органы равновесия. Упражнения прямо на центрифуге теоретически позволяют одновременно тренировать сосуды, мышцы и кости, но требуют другой конструкции и отдельной проверки безопасности.

История биоспутника «Бион-М» № 2 показывает разницу между полезной научной идеей и утверждённой программой полёта. На раннем этапе для аппарата рассматривали небольшую центрифугу, которая могла бы создавать для части животных земную и пониженную гравитацию. Позднее установку исключили из состава научной аппаратуры и сосредоточили миссию, состоявшуюся в 2025 году, на изучении реальной невесомости и условий полярной орбиты. Поэтому наличие наземной центрифуги в ИМБП РАН ещё не означает, что такой аппарат уже принят для конкретной орбитальной станции или спутника.

— Эти задумки временно отложили и решили сконцентрироваться на безгравитационной физиологии в интересах Российской орбитальной станции, — объяснил начальник лаборатории ИМБП РАН Владислав Седлецкий.

Отказ от центрифуги в одной миссии не отменяет саму задачу. Он лишь показывает, что научную установку нельзя считать частью корабля, пока для неё не найдены оптимальный режим и инженерное место. В дальнейшем вопрос придётся решать не для отдельного спутника, а для всей цепочки будущей лунной или марсианской экспедиции.

На поверхности Луны человек не будет невесомым: сила тяжести там примерно в шесть раз слабее земной. Но пока неизвестно, достаточно ли такой постоянной нагрузки, чтобы месяцами поддерживать мышцы, кости и кровообращение взрослого человека. В орбитальном опыте японских исследователей мыши около месяца жили при искусственно созданной лунной силе тяжести: она предотвратила уменьшение камбаловидной мышцы, но не остановила её перестройку от медленных волокон к более быстрым. Результат подсказывает, что для сохранения размера мышцы и её рабочих свойств могут существовать разные пороги нагрузки. Переносить вывод прямо на людей нельзя: исследование проводили на мышах, а группы были небольшими.

К тому же лунная экспедиция состоит из нескольких гравитационных режимов. После старта экипаж живёт в невесомости во время перелёта, затем оказывается в частичной гравитации, а при возвращении снова проходит через участок без постоянной опоры и земную посадку. Средство, полезное на одном этапе, может быть неудобно на другом: центрифуга нужна прежде всего в перелётном модуле, а на поверхности важнее компактные тренажёры, рабочие нагрузки и контроль восстановления. Проектировщикам придётся рассчитывать не одну «защиту от невесомости», а отдельное сочетание мер для каждого участка пути.

Для Марса неопределённость ещё выше из-за продолжительности пути и невозможности быстро вернуть заболевшего человека. Сила тяжести на планете больше лунной, но всё равно заметно слабее земной, а до неё предстоят месяцы без постоянной опоры. Если экипаж после посадки не сможет уверенно стоять, переносить груз и действовать при аварии, помощь с Земли останется рекомендацией по связи. Поэтому искусственную гравитацию рассматривают не как способ сделать перелёт приятнее, а как возможный элемент автономной безопасности.

Набор профилактических мер, вероятнее всего, придётся подбирать индивидуально. Одному человеку потребуется больше внимания к работе сосудов, другому — к сохранению мышечной силы или костной ткани, а третий хуже переносит вращение. На борту нужно будет измерять эффект, а не просто отмечать проведённую тренировку: следить за сердечным ритмом, давлением, силой, равновесием и координацией. Такой подход позволит менять режим до того, как небольшое отклонение превратится в потерю работоспособности. Те же методы точной дозировки и контроля, которые готовят для дальнего космоса, уже сейчас становятся полезны в земной реабилитации.

У пациента и космонавта разные причины снижения нагрузки, но некоторые задачи организма похожи. После тяжёлой травмы, операции или неврологического заболевания человек может долго не ходить и не способен выполнять обычный объём упражнений. Его мышцы теряют силу, сосудистые реакции на вертикальное положение ослабевают, а возвращение к движению приходится строить постепенно. Поэтому методы точного дозирования нагрузки, созданные для космоса, становятся основой гипотез и приборов для земной реабилитации.

Такой перенос не происходит автоматически. Электростимуляция, показавшая определённый эффект у здоровых добровольцев в иммерсии, должна пройти отдельные испытания у людей с конкретным заболеванием. Для пациента важны другие противопоказания, допустимая сила импульса и сочетание с лекарствами или лечебной физкультурой. По этой причине ИМБП РАН разрабатывает медицинский электростимулятор для людей с ограниченной подвижностью как самостоятельный клинический прибор, а не просто переносит на них космический протокол.

— Внедрение медицинского прибора — это очень долгий процесс, и мы должны провести множество испытаний, прежде чем вывести его в серийное производство, — рассказала заведующая отделом сенсомоторной физиологии и профилактики ИМБП РАН Елена Томиловская.

Центрифужные исследования дают знания другого рода. Наблюдая, как кровь перемещается от головы к ногам, учёные уточняют работу нервной системы и сосудов при вставании после долгой неподвижности. Эти механизмы важны для людей, которые испытывают головокружение и слабость при переходе в вертикальное положение. Сама космическая центрифуга вряд ли появится в каждой клинике, но способы постепенного увеличения нагрузки и показатели, по которым контролируют безопасность, могут перейти в более простые реабилитационные устройства.

Обратный перенос тоже работает: космическая медицина использует методы визуализации, анализа крови и восстановления движения, пришедшие из клиники. Однако на борту их приходится приспосабливать к ограничениям по массе, времени и участию врача. В дальней экспедиции рядом не будет большого диагностического центра, поэтому прибор должен быть компактным, понятным экипажу и пригодным для дистанционной консультации. Требование автономности, возникшее в космосе, может оказаться полезным для удалённых районов, экспедиций и небольших медицинских пунктов на Земле.

У центрифуги и системы профилактики нет одного автора-профессионала. Физиолог определяет, какую систему организма нужно нагрузить и чем измерить результат; врач оценивает безопасность; инженер рассчитывает конструкцию, привод и крепления. Специалист по управлению настраивает режим вращения и аварийную остановку, биомеханик изучает движения, а аналитик ищет закономерности в физиологических сигналах. Технология появляется тогда, когда эта команда переводит медицинскую задачу в проверяемые требования к прибору.

Медицинский путь начинается с высшего медицинского образования. Затем можно выбрать ординатуру по авиационной и космической медицине в Первом Московском государственном медицинском университете имени И.М. Сеченова. Там готовят врачей, которые изучают влияние перегрузок, недостатка кислорода и других экстремальных факторов, оценивают пределы адаптации здорового человека и обеспечивают безопасность полётов. Для участия в исследованиях клиническую подготовку полезно дополнить статистикой и планированием эксперимента.

Тем, кто хочет создавать тренажёры, датчики и системы медицинского контроля, подойдёт инженерная траектория. В Московском авиационном институте есть программы по биотехническим и медицинским аппаратам, инженерному делу в аэрокосмической медицине и системам жизнеобеспечения летательных аппаратов. В них соединяются физика, электроника, программирование, анатомия и физиология. При выборе программы полезно смотреть не только на название, но и на лаборатории, где студенты работают с реальными приборами и физиологическими данными.

Исследовать мышцы, кости, сосуды и нервную систему можно после подготовки по биологии, физиологии, биофизике или биомедицине. Научную работу продолжают в аспирантуре ИМБП РАН по авиационной, космической и морской медицине. Аспирант изучает не «космос вообще», а конкретную проблему: например, реакцию сосудов на центрифугу, ранние признаки мышечной перестройки или эффективность выбранного режима стимуляции. Поэтому научный руководитель, лаборатория и методы работы здесь не менее важны, чем название направления.

Первым практическим шагом может стать студенческая лаборатория, работа с физиологическими данными или проект по биомеханике. Участие добровольцем в модельном эксперименте помогает увидеть исследование изнутри, но само по себе не превращает человека во врача или учёного. Профессия начинается с умения поставить проверяемый вопрос, соблюсти правила работы с людьми, отделить эффект метода от случайности и честно описать ограничения. В космической медицине такая точность особенно важна: слишком смелый вывод однажды может стать неверным требованием к настоящему кораблю.

Обмануть невесомость в буквальном смысле не получится. Можно лишь по частям возвращать организму сигналы, которые на Земле даёт притяжение: сопротивление для мышцы, механическую нагрузку для кости, направленное перемещение крови для сосудов и опору для нервной системы. Чем дальше летит экипаж, тем меньше пользы от одного универсального тренажёра и тем важнее точное сочетание методов. Земное притяжение нельзя сложить в грузовой отсек, зато можно научиться воспроизводить отдельные стороны его работы — дозированно, проверяемо и с учётом реакции конкретного человека.