История авиационной физиологии

Полный текст

Введение

Необходимость понимания того, как функционирует организм человека в полете, возникла вместе с развитием воздухоплавания. В изучении истории медицинских и биологических дисциплин важную часть составляет выявление этапов их становления и развития. В связи с этим представляется важным сделать историко-­научный аналитический обзор развития представлений об авиационной физиологии, охватывающий разные этапы истории науки и отражающий вклад исследователей разных регионов, который будет полезным для преподавания историко-­научных и специальных дисциплин, а также для исследователей, занимающихся изучением авиационной физиологии.

Цель исследования — дать характеристику этапам становления и развития авиационной физиологии.

Методы исследования

При подготовке настоящей публикации использовались преимущественно статьи в изданиях, включенных в РИНЦ, PubMed, Scopus. Предпочтение было отдано материалам, опубликованным в последние 15 лет.

Результаты исследования

Французский физиолог Поль Бер (Paul Bert, 1833–1886) написал работу, в которой установил понятие парциального давления кислорода как физиологического параметра, влияющего на организм. Защита человека, находящегося во время полета на большой высоте, учитывает это понятие, изменяя либо давление, окружающее тело, либо долю кислорода во вдыхаемых газах [1].

В 1862 г. английские воздухоплаватель Хенри Трейси Коксуэлл (Henry Tracey Coxwell, 1819–1900) и аэронавт Джеймс Глейшер (James Glaisher, 1809–1903) совершили подъём на воздушном шаре на высоту более 8800 м. Оба испытали временный паралич конечностей, а также слепоту. Позднее некоторые исследователи пытались объяснить это декомпрессионной болезнью (ДКБ). Другие предполагали, что паралич конечностей Глейшера и Коксуэлла и изменения зрения (слепота) вряд ли были вызваны ДКБ, поскольку «ДКБ спинного мозга крайне редко встречается у летчиков (если это вообще происходит)» и «визуальные изменения, скорее всего, были связаны с гипоксемией и/или гипотензией» [2].

Несмотря на опасность жизням ученых, этот полет способствовал росту исследовательского интереса к проблеме влияния изменения высоты и перепадов давления на организм человека.

Работы великого отечественного ученого Ивана Михайловича Сеченова (1829–1905) по газообмену и растворению газов в жидкостях заложили основы будущей авиационной, а затем космической физиологии и медицины. Его фундаментальные труды посвящены изучению взаимодействий систем анализаторов при решении задачи пространственной ориентации человека в условиях полета, разработке нейрогенной теории утомления [3]. Его изучение альвеолярного воздуха имело исключительное значение для возникновения и развития летного и водолазного дела [4]. Идеи Сеченова имели важное значение для дальнейших исследований по повышению эффективности выполнения и безопасности авиационных и космических полетов.

Работы немецкого физиолога Натана Цунца (Zuntz Nathan, 1847–1920) охватывали широкий спектр областей исследований; основными направлениями были метаболизм, питание, дыхание, газы крови, физические упражнения и физиология высокогорья. Цунц был первым, кто описал разницу между лабораторными данными, полученными в гипобарической камере, и измерениями на большой высоте. В 1902 г. он вместе со своим учеником, австрийским физиологом Антоном Шрёттером (Anton Hermann Victor Thomas Schrötter, 1870–1928), провел две экспедиции на воздушном шаре, которые ознаменовали собой переход от земной физиологии к авиационной медицине. Авиационный союз, армия и научные ведомства были тесно связаны друг с другом. В сотрудничестве с этими учреждениями Цунц и Шрёттер построили систему подачи кислорода и спроектировали герметичную кабину для полетов на высотах более 10 000 м [5].

В СССР в 1930 г. на базе Центральной психофизиологической лаборатории (ЦПФЛ) был создан авиационный сектор Научно-­исследовательского санитарного института РККА. В 1935 г. сектор преобразовали в Авиационный научно-­исследовательский санитарный институт, переименованный позднее в Институт авиационной медицины (ИАМ) ВВС им И.П. Павлова. Центр занимался решением проблем, связанных с обеспечением жизнедеятельности, работоспособности и безопасности человека во время полета. Круг данных проблем был довольно широк: кислородное голодание организма человека и способы его профилактики и защиты летного состава; переносимость ускорений в зависимости от направления их действия; влияние факторов полета на функции анализаторских систем и т. д. Эти исследования помогли получить и обобщить данные о психофизиологических возможностях летчиков и разработать методы их адаптации к высотным полетам и перепадам давления, что особенно было важно в послевоенные годы, когда получила развитие реактивная авиация. В настоящее время Центр продолжает исследования психофизиологических проблем специалистов в авиационной сфере с целью обеспечения их профессиональной надежности [6].

В начале 1930‑х гг. отечественный физиолог Леон Абгарович Орбели (1882–1958) и его сотрудники проводили исследования в области физиологии высотного полета, что в дальнейшем позволило стратонавтам совершить в 1933 году подъем на высоту 18600 м. Во время Великой Отечественной вой­ны при кафедре физиологии Военно-­медицинской академии была создана Лаборатория авиационной медицины, общее руководство которой взял на себя Орбели. В этой лаборатории были осуществлены важные исследования по изучению влияния ускорений и резких изменений атмосферного давления на человеческий организм [7].

Норвежский врач Карл Вильгельм Сем-­Якобсен (Carl Wilhelm Sem-­Jacobsen, 1912–1991) стал пионером исследований глубокой стимуляции мозга и аэрокосмической нейрофизиологии. Он сконструировал свои собственные медицинские технические устройства, одним из первых разработал глубокую стимуляцию мозга и создал самые миниатюрные из когда‑либо существовавших ранее систем записи ЭЭГ и ЭКГ. В главной психиатрической больнице Осло Сем-­Якобсен организовал собственный нейрофизиологический институт для исследований в области нейрохирургии, глубоких записей мозга и глубокой стимуляции мозга. В сотрудничестве с опытными нейрохирургами Осло Сем-­Якобсен провел самые первые испытания глубокой стимуляции мозга у пациентов с болезнью Паркинсона. По-видимому, еще в 1950‑х гг. он уже пробовал применять субталамическую стимуляцию [8].

История профилактики гипоксии тесно связана с авиационной физиологией. Когда самолеты стали летать выше 3 км, гипоксия пилотов, влияющая на их производительность, становилась все более серьезной проблемой. Незадолго до Второй мировой вой­ны американские врачи Уолтер М. Бутби (Walter M Boothby, 1880–1953) и Уильям Рэндольф Лавлейс II (William Randolph Lovelace II, 1907–1965) и американский хирург Артур Х. Булбулян (Arthur H. Bulbulian, 1900–1996) разработали специальную маску, которая должна была помочь преодолеть низкое парциальное давление кислорода во вдыхаемом воздухе [9].

Во время Второй мировой вой­ны пилоты разных стран продолжали сталкиваться с проблемами, связанными с быстрым изменением высоты и перепадами давления. Описываются случаи преходящей слепоты. Один из пилотов после гипоксии был поднят на высоту 11 582 м. «У него появились небольшие изгибы в плечах, он стал невосприимчивым и нескоординированным. Спуск производился в течение семи минут, и он был сбит с толку. Примерно через пять-десять минут он пришел в сознание, но жаловался на полную слепоту, которая полностью прошла в следующие пятнадцать-­тридцать минут. Фундаментальных изменений обнаружено не было…» Другой пилот пребывал примерно на той же высоте и «по-видимому, находился без сознания в течение двадцати минут. У него был крайне тяжелый шок… и он был слеп в течение дня, с постепенным возвращением зрения в течение следующих четырех суток. На полях его сетчатки отмечалось заметное артериальное сужение» [2].

Потеря сознания у пилотов во время быстрого набора высоты была одной из серьезнейших проблем. К великому сожалению, в 1941–1942 гг. проводились эксперименты над пациентами, больными шизофренией с целью изучения причины этого явления с помощью разработанного шейного устройства KRA-Cuff, которое при надувании могло перекрыть приток крови к мозгу. При прекращении кровотока до 100 секунд исследователи наблюдали последовательность реакций, включая потерю сознания, за которой следовали расширенные зрачки, тонические/клонические движения, потеря контроля над мочевым пузырем и, в итоге, опорожнение кишечника, а также появление патологических рефлексов [10].

В годы Второй мировой вой­ны Теодор Ханнес Бензингер (Theodor Hannes Benzinger, 1905–1999), американский физиолог немецкого происхождения, проводил физиологические исследования (нередко с собственным участием) влияния быстрой декомпрессии и связанного с ней кислородного оборудования во время полетов на больших высотах. С 1934 по 1944 г. он возглавлял авиамедицинскую лабораторию «EMed» в Рехлине, где сыграл важную роль в проведении исследований, связанных с полетами в стратосфере и эксперименты с быстрой декомпрессией на высоте до 19 000 м. (часто с его личным участием). Эти эксперименты внесли существенный вклад в понимание физиологии человека и требований жизнеобеспечения в сфере высотной авиации, а позднее и для работ в условиях, эквивалентных космическим [11].

Американский физиолог Эрл Ховард Вуд (Earl Howard Wood, 1912–2009), исследовавший факторы потери сознания, вызванной ускорением, с которой сталкиваются пилоты высокопроизводительных самолетов, разработал приборы для измерения и регистрации артериального давления и содержания крови в тканях. Эти данные привели к разработке успешных мер противодействия потере сознания, вызванной ускорением, с помощью надувного «G-костюма» и маневра задержки дыхания «M1». После Второй мировой вой­ны он использовал и модифицировал эти инструменты и использовал методы разведения индикатора путем непрерывного забора внутрисердечной крови, чтобы значительно повысить специфичность и чувствительность диагностики внутрисердечных анатомических и функциональных аномалий у пациентов с врожденными пороками сердца. Это способствовало значительному увеличению числа успешных операций на открытом сердце в 1950‑е гг. [12].

Уже упоминавшийся У.Р. Лавлейс II вместе с военным летным хирургом Доном Дэвисом Фликингером (Don Davis Flickinger, 1907–1997) предположили, что с инженерной точки зрения было бы более практично отправлять в космос не мужчин, а женщин ввиду их меньшей массы тела и потребности в кислороде. В 1960 г. доктор Лавлейс взял на себя руководство программой «Женщина в космосе» и начал медицинские и физиологические испытания ряда опытных женщин-­летчиков. Тесты, которым подверглись эти женщины, были идентичны тем, которые использовались для тестирования первых астронавтов программы «Меркурий», с добавлением гинекологических осмотров. 13 из 19 протестированных женщин сдали эти напряженные физиологические экзамены (для сравнения, среди протестированных мужчин сдали 18 из 32); часть этих пилотов была дополнительно протестирована на серии психологических экзаменов, которые были аналогичны или, в некоторых случаях, более требовательны, чем те, которые проводились для мужчин-­кандидатов на «Меркурий». Несмотря на эти многообещающие результаты, дальнейшие испытания были остановлены [13].

В 1989 г. были рассмотрены 133 случая высотной ДКБ типа II (множественные системные симптомы, включая неврологические проявления), хранящиеся в файлах Школы аэрокосмической медицины ВВС США, большинство из которых (94,7 %) последовало за обучением в барокамере. Наиболее часто проявляемым симптомом было нарушение зрения. Были изучены 143 случая неврологической ДКБ типа II, также зарегистрированных в Школе аэрокосмической медицины ВВС США. Снова было выяснено, что наиболее распространенными неврологическими симптомами и признаками высокогорной ДКБ были визуальные изменения [2].

Отечественный специалист в области военной медицины Георгий Михайлович Зараковский (1925–2014) в 1965–1987 гг. возглавлял отдел психофизиологических исследований в Государственном научно-­исследовательском испытательном институте авиационной и космической медицины. Качество решения задач, которые ставились перед летчиками, оценивались в зависимости от особенностей внимания, памяти и мышления, психического состояния и профессионально важных качеств человека оператора. Результаты теоретических и практических исследований по обеспечению профессиональной надежности летного состава, космонавтов и авиационных специалистов, проводимых Зараковским, легли в основу его докторской диссертации, защищенной в 1974 г. Он стал автором концепции управления психофизиологическим состоянием космонавтов в полете, разработал принципы, методы и способы поддержания их работоспособности и профилактики утомления [14].

С началом космических полетов перед исследователями встали новые вопросы. К ним относятся нейровестибулярные проблемы, включающие укачивание в пространстве и дезориентацию во время полета, а также нарушение баланса и нервно-­мышечной координации после приземления; сердечно-­сосудистые и жидкостные проблемы ортостатической гипотензии сразу после космического полета; изменение сердечной восприимчивости к желудочковым аритмиям; снижение массы сердечной мышцы и снижение сердечной функции; проблемы атрофии мышц, включая потерю мышечной массы, силы и выносливости; снижение минеральной плотности костей; проблемы, связанные со сном, производительностью и циркадными ритмами; проблемы, связанные с ослаблением иммунитета.

Выводы и дальнейшие перспективы исследования

Таким образом, в развитии авиационной физиологии можно условно выделить два этапа. 1. Доавиационный, в рамках которого происходит зарождение этой области медико-­биологических знаний. 2. Авиационный. На втором этапе у ученых появилась возможность исследовать множественные и разнонаправленные перегрузки и влияние их на организм человека.

Материалы настоящей статьи дополняют существующие историко-­биологические исследования, посвященные развитию представлений об авиационной физиологии. Они могут быть использованы при дальнейшем исследовании становления и развития авиационной физиологии, а также как учебно-­методический материал для изучения в рамках дисциплин «История биологии», «История медицины», «Физиология».

Об авторах

Е. К. Гребенников

Новосибирский государственный педагогический университет

Email: subotyalov@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0000-5495-7922
SPIN-код: 5283-5396
Новосибирск, Российская Федерация

И. Н. Гребенникова

Новосибирский государственный педагогический университет

Email: subotyalov@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0002-7466-3651
SPIN-код: 7369-2925
Новосибирск, Российская Федерация

А. М. Суботялова

Новосибирский государственный педагогический университет

Email: subotyalov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8235-4395
SPIN-код: 8681-6985
Новосибирск, Российская Федерация

М. А. Суботялов

Новосибирский государственный педагогический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: subotyalov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8633-1254
SPIN-код: 9170-4604
Новосибирск, Российская Федерация

Список литературы