Космонавтика

БРАТЬ ЛИ НА МАРС МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ?

В следующем году будет отмечаться знаменательная дата - 50 лет выхода человека в космос: 12 апреля 1961 г. на корабле "Восток" наш соотечественник Юрий Гагарин впервые облетел планету. А теперь люди стремятся к Марсу, разрабатывают планы создания долговременных лунных баз. Чем же будут отличаться межпланетные пилотируемые полеты от ставших уже привычными орбитальных?

ЗАЩИТНАЯ "БРОНЯ" ПЛАНЕТЫ

Длительность экспедиции к Марсу на двигателях малой тяги оценивается примерно в 1,4 года. Вспомните: непрерывное пребывание на орбитальной станции "Мир" врача Валерия Полякова в 1994 - 1995 гг. по длительности приблизилось к этой величине, составив 1,2 года.

Более существенным отличием межпланетного полета от околоземных и даже лунных миссий будет автономность (никаких космических грузовиков с кислородом, водой, питанием, оборудованием и т.п.) и замедление радиодиалога с Землей - в марсианской экспедиции оно может достигать 40 мин. Но еще важнее то, что в путешествии будет отсутствовать привычное геомагнитное поле. Простираясь за пределы планеты, оно отклоняет от нее большую часть заряженных частиц высокой энергии, приходящих из Галактики или от Солнца, особенно при вспышках на нем, защищая биосферу. К счастью, потоки незаряженных частиц (квантов жесткого электромагнитного излучения - рентгеновского и больших энергий) из космоса очень малы. Защищает геомагнитное поле и земную атмосферу, которую мог бы "сдуть" солнечный ветер.

В дальнем космосе, где присутствует лишь межпланетное поле, на три-пять порядков меньшее, чем геомагнитное, потоки галактических космических лучей существенно выше, что приводит к росту радиационной опасности от них в будущем полете. Особую угрозу представляют многозарядные частицы (тяжелые ионы). По выражению одного американского физика: "Господь не предполагал, что его возлюбленные чада начнут летать около его незащищенных ядерных реакторов".

Чем еще грозит отсутствие геомагнитного поля в межпланетном полете? Сравнительно недавно (примерно до 60 - 70-х годов XX в.) большая часть ученых полагала, что слабые магнитные поля, особенно постоянные (а именно таким является геомагнитное), не могут оказывать какого-либо биологического воздействия. Эксперименты, результаты которых противоречили этому мнению, причисляли к сомнительным.

Такому подходу способствовало и то, что в 1960-е годы перед полетами к Луне по программе "Аполлон" пребывание некоторых американских астронавтов в пониженном в тысячу раз геомагнитном поле не привело, как сообщалось, к заметным отклонениям в их состоянии. Однако подчеркнем: в этих исследованиях регистрировали в основном достаточно общие показатели жизнедеятельности, причем длительность воздействия ослабленного поля была невелика (порядка десяти суток).

Но со временем устоявшиеся представления подверглись пересмотру. В частности, выяснилось, что геомагнитное поле, сниженное в 500 - 1000 раз, как правило, неблагоприятно воздействует на организмы, особенно в стадии развития. Отмечено, например, неправильное развитие личинок японского тритона, вплоть до появления двухголовых особей (профессор биологии Токийского университета Макато Асашима), парезы (паралич) ног и крыльев у 20 - 40% вылупившихся цыплят (академик РАМН Влаиль Казначеев), остановка в развитии двухклеточных зародышей мышей (работы Института биофизики клетки РАН под руководством члена-корреспондента РАН Евгения Фесенко). Показано влияние гипомагнитных условий на когнитивные (познавательные) функции человека (работы под руководством доктора физико-математических наук Владимира Бинги, Институт общей физики РАН им. А. М. Прохорова).

Проводя медицинские обследования людей, трудившихся там, где уровень геомагнитного поля понижен всего в 3 - 10 раз (экранированные сооружения, железобетонные подземные сооружения и т.п.), доктора медицинских наук Юрий Пальцев и Лариса Походзей (Научно-исследовательский институт медицины труда РАМН) выявили нарушения со стороны центральной нервной, сердечно-сосудистой, иммунной систем и системы крови. В частности, были обнаружены признаки дисбаланса основных нервных процессов в виде преобладания торможения, увеличения времени реакции на появляющийся объект и т.п.

Появились, наконец, и теоретические объяснения на молекулярном уровне механизма воздействия гипомагнитных факторов на основе квантовой механики. Итог этих работ - не только научные публикации. С мая 2009 г. действующие в России Санитарно-гигиенические правила и нормативы дополнены ограничениями на величину снижения уровня геомагнитного поля в производственных, жилых и общественных зданиях и сооружениях по сравнению с его величиной в открытом пространстве в данном регионе.

А НАЧИНАЛИ С КОМПАСА...

Открытие магнетизма Земли относится к X-XII вв. Постепенно накапливались сведения об его свойствах, в особенности с конца XV по конец XVI в. в начале эпохи великих географических открытий (плавания Христофора Колумба*, Васко да Гамы, Фернана Магеллана, английских мореплавателей) при наблюдениях за поведением компаса.

В 1600 г. личный врач английской королевы Елизаветы I Уильям Гильберт опубликовал книгу "О магните, магнитных телах и большом магните - Земле", в которой обобщил известные к тому времени сведения об этом физическом явлении, а также итоги собственных исследований. Он показал, что распределение магнетизма нашей планеты совпадает с магнетизмом намагниченного шара.

В настоящее время общепринято: это свойство Земли обусловлено электрическими токами, текущими в ее жидком металлическом ядре (геодинамо). На поверхности Земли магнитное поле этих токов выглядит как поле магнитного диполя.

Виртуальный диполь, наиболее близко представляющий главное поле Земли, т.е. поле без учета магнитных аномалий, сдвинут более чем на 400 км относительно ее центра (6378 км от поверхности) и наклонен под углом около 1Г к оси ее вращения. На магнитных полюсах (они не совпадают с географическими) поле максимально, на экваторе - вдвое меньше. А, скажем, в районе Южно-Атлантической аномалии, охватывающей значительную часть Бразилии и Аргентины, составляет всего около трети максимального и до высот порядка 1000 км остается таким же, как и на поверхности. Поэтому оно является здесь "воронкой" для высокоэнергичных частиц из космоса. При пролете через нее орбитальные объекты попадают в более интенсивные потоки космических лучей.

Поле диполя убывает обратно пропорционально кубу расстояния от него. На борту космической станции, движущейся по круговой орбите с высотой над поверхностью Земли порядка 300 - 400 км, величина геомагнитного поля всего на 15 - 20 % меньше, чем в регионе, над которым она пролетает. Но из-за изменения геомагнитных координат станции поле на борту все время меняется.

Магнитные полюса дрейфуют, и ныне этот процесс заметно ускорился. К тому же периодически (несколько раз за миллион лет) геомагнитное поле претерпевает инверсию, т.е. проходит через нуль и меняет полярность. По некоторым гипотезам изменения в биосфере (вплоть до биологических катастроф планетарного масштаба) связаны с такими событиями. По выражению одного из ученых, инверсия служит "ситом", через которое проходит биосфера. Инверсия по палеомагнитным данным случилась около 730 тыс. лет назад. По прогнозам начало смены полярности на Земле можно ожидать через несколько тысяч лет. Сама же инверсия, если опять же судить по палеомагнитным данным, может продолжиться от 100 лет до 8 тысяч.

В геомагнитном поле наблюдаются небольшие пульсации сверхнизкой частоты с периодом от единиц секунд до сотен и тысяч. Некоторые их типы важны для человека. В качестве примера приведем ситуацию, возникшую на борту отечественной орбитальной станции "Салют-6" (1978 г.). Командир экипажа Владимир Коваленок в определенный момент полета отметил неожиданно возросшую возбудимость и раздражительность космонавтов, что, в частности, выразилось в конфликте с Центром управления полетом при радиодиалоге. А через какое-то время напряженность спала. Анализируя эту ситуацию уже после полета, Владимир Коваленок и доктор физико-математических наук Сергей Авакян (Государственный оптический институт им. С. И. Вавилова, Санкт-Петербург) выяснили, что именно в этот период времени полностью пропали все типы пульсаций геомагнитного поля. Было сделано заключение: отсутствие пульсаций при будущем межпланетном полете может негативно отразиться на физическом состоянии людей. И другой вывод: в экспериментах на орбитальном комплексе "Мир" (1990 - 1997 гг.) было показано (доктор медицинских наук Роман Баевский, Институт медико-биологических проблем РАН): колебания уровня геомагнитного поля на борту из-за изменений геомагнитных координат комплекса, а также магнитные бури воздействуют на сердечную деятельность членов экипажа, причем это сказывается и в период наземной реабилитации.

МЕХАНИЗМЫ МАГНИТОРЕЦЕПЦИИ

Один из самых сложных в магнитобиологии - вопрос о механизмах воздействия (и магниторецепции) полей, по величине примерно равных геомагнитному. Их наличие можно предполагать, исходя из соображений, что весь эволюционный процесс на Земле шел в присутствии геомагнитного поля. С магниторепепцией связывают навигацию птиц, морских и других животных при миграциях, особенно дальних. А пчелы используют ее при танцах, указывающих им местонахождение взятка. Принципиальные возражения многих исследователей против существования таких механизмов были основаны на том, что энергия взаимодействия поля с биологическим веществом гораздо меньше энергии теплового движения его молекул. Иными словами, тепловое движение должно "сбивать с ног" любые процессы упорядочивания при воздействии слабого поля. Однако природа умеет изящно обходить свои же фундаментальные запреты. Существенный шаг в объяснении магниторецепции связан с открытием в 1960 - 1970-х гг. в живых организмах частиц магнетита биогенного происхождения. Но механизм магниторецепции оставался все же неясным. Владимир Бинги и доктор физико-математических наук Дмитрий Чернавский (Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН) недавно проанализировали динамику магнитосом в цитоскелете при воздействии слабых магнитных полей и показали: клетка может отвечать на флуктуации геомагнитного поля именно таким путем.

Еще в 80-е годы XX в. были получены экспериментальные данные и разработана теория, объясняющая воздействие сравнительно слабых постоянных и переменных магнитных полей на химические и биохимические реакции с участием радикалов (академики Анатолий Бучаченко, Ренад Сагдеев, член-корреспондент РАН Кев Салихов, доктор физико-математических наук Евгений Франкевич). Ими показано: соударения молекул вследствие теплового движения не успевают вмешаться в процессы воздействия магнитного поля на такие реакции, т.к. те завершаются за более короткое время. А на базе квантовой механики предложена теория, объясняющая эффекты биологического действия постоянного магнитного поля интерференцией связанных ионов в комплексах ион-белок, играющих важную роль в жизнедеятельности (Владимир Бинги). Было предсказано, а затем подтверждено экспериментами, что в гипомагнитных условиях повышается вероятность диссоциации этих комплексов, т.е. меняется метаболизм. Это ведет к нарушению функции клетки.

Эти представления наглядны на молекулярном уровне. Однако дальнейшие преобразования сигнала первичной мишени магнитного поля в цепочке биофизических и биохимических превращений, взаимодействие магнитобиологических эффектов разных систем организма и, наконец, состояние его в целом в результате колебаний уровня еще и геомагнитного поля оценить пока трудно.

В ЗЕРКАЛЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

В Научно-исследовательском институте биологии и биофизики Томского государственного университета (в работе участвовали доктора биологических наук Татьяна Замощина, Равиль Тухватулин, кандидаты биологических наук Марина Ходанович, Ольга Заева, Татьяна Мизина) совместно с Институтом медико-биологических проблем РАН (Москва) в 2007 - 2008 гг. изучали влияние гипогеомагнитных условий, близких к межпланетному полю, оценивая состояние организма по поведенческим реакциям крыс.

Подобные методические приемы в экспериментальной физиологии были разработаны для кратковременных наблюдений. Например, тест "открытое поле" длительностью 5 мин позволяет по поведению животного, помещенного в стандартную обстановку, оценить его интегральную активность и эмоциональность. Более длительные наблюдения - процедура очень трудоемкая. Но с появлением технологий видеонаблюдения (в ночное время его можно вести с инфракрасной подсветкой) и архивацией отснятого материала на компьютере, круглосуточные наблюдения за поведенческими реакциями стали доступными. Для обработки полученных видеофайлов была разработана специальная программа, анализирующая интегральную двигательную активность крыс в течение суток (автор - кандидат физико-математических наук Дмитрий Суханов, Сибирский физико-технический институт Томского государственного университета).

Необходимо было также смоделировать гипогеомагнитные условия. Выбрали способ, состоящий в ослаблении вертикального и горизонтального компонентов геомагнитного поля противоположно направленными магнитными полями, создаваемыми соответственно двумя системами колец Гельмгольца*. Установку ориентировали так, чтобы оси колец находились в плоскости магнитного меридиана. Клетку с подопытными крысами располагали в области однородного поля экспериментального устройства. Магнитометры, размещенные под клеткой, непрерывно измеряли вертикальную и горизонтальную составляющие магнитного поля Земли и передавали данные на компьютер, который управлял токами в кольцах так, чтобы остаточное геомагнитное поле соответствовало заданной величине. В данном эксперименте она составляла ± 50 нанотесла, что соответствует ослаблению геомагнитного поля в регионе города Томска примерно в 1000 раз.

Исследования вели на белых лабораторных крысах-самцах. На основе тестирования в "открытом поле" их разделили на три группы: первую - с высокой двигательной активностью и низкой эмоциональностью, вторую - со средними значениями указанных показателей, третью - с низкой двигательной активностью и высокой эмоциональностью. В результате из 62 крыс отобрали 24 со средними показателями, т.е. со сбалансированными процессами возбуждения и торможения. И эти особи случайным образом разделили на "контроль" и "опыт".

"Опыт" поместили в экспериментальную установку, а "контроль" - на расстоянии 3 м от нее в условиях практически невозмущенного магнитного поля. Были поставлены две серии опытов: 25-суточный (с 18 октября по 12 ноября 2007 г.) и 10-суточный (с 23 февраля по 5 марта 2008 г.). Почему именно 25 суток определили как базовый срок? Исходили из предполагаемой длительности марсианской миссии и жизни человека с экстраполированием этого соотношения на длительность жизни лабораторных крыс. Более короткий эксперимент был необходим для определения динамики развития наблюдаемых изменений в состоянии животных.

Поведенческие реакции подопытных животных при анализе круглосуточных видеофайлов оценивали на основе указанной компьютерной программы по уровню общей двигательной активности, а также с помощью визуального подсчета количества коротких (менее 5 с) и длительных (свыше 5 с) межиндивидуальных взаимодействий агрессивного характера (иначе говоря - драк). Анализ показал: ночью (а крысы - ночные животные) интегральная двигательная активность в опытной группе значительно превышала таковую у контрольных животных. В дневные и вечерние часы, наоборот, контрольные крысы были подвижнее, чем опытные. Почему же проявлялись столь существенные различия?

Наибольший уровень двигательной активности подопытных животных был зафиксирован с 6 до 7 ч утра, поэтому для этого времени суток был проведен дополнительный визуальный анализ видеозаписей. При просмотре фиксировали количество длинных и коротких межиндивидуальных взаимодействий агрессивного характера (только стычки сосчитать легче, чем обычные перемещения 12 крыс в клетке).

В ходе 10-суточного эксперимента количество как коротких, так и длительных драк в опытной группе было больше, чем в контрольной. Причем наибольшие различия по длительным взаимодействиям агрессивного характера (в 12 раз по сравнению с контролем) наблюдались в первые 3 суток. На четвертые и пятые они были менее выражены (в 5 раз), а к концу 10-суточного эксперимента снова возрастали (в 11 раз). Количество коротких драк в опытной группе тоже было больше, чем в контроле, но эта разница уменьшалась к концу опыта. Как нам кажется, именно описанные различия в двигательной активности и агрессивных взаимодействиях крыс в условиях гипогеомагнитного поля - самый значительный результат данного исследования.

Дело в том, что у крыс межиндивидуальные взаимодействия агрессивного характера - способ установления иерархических отношений в группе. По длительности процесс занимает менее 3 суток, что и наблюдалось у контрольных животных. А у опытных, находившихся в резко ослабленном геомагнитном поле, в ходе эксперимента иерархические отношения так и не установились. Это может быть связано с различными причинами, но нам удалось показать: у крыс нейротропное воздействие гипогеомагнитного поля проявилось в нарушениях запоминания или способности к обучению.

Благодаря маркировке всех особей появилась возможность сравнить результаты тестирования в "открытом поле" до и после эксперимента для каждой особи. В контрольной группе часть из них исследовала "открытое поле" с первого предъявления и при втором не проявила к нему большого интереса (двигательная активность снизилась). А в опытной одни и те же крысы и до, и после эксперимента вели себя активно, но отличались меньшей эмоциональностью. Указанные различия могут отражать преобладание слабо мотивированной двигательной активности опытных животных, а также свидетельствовать о нарушениях у них памяти.

Были также изучены и те функции организма, изменения в которых могли бы быть значимы с точки зре-

ния интерференции связанных ионов под действием гипогеомагнитных условий, и также характеризующие общее состояние подопытного. Отдельные из этих показателей изменялись однонаправленно в 25-суточном и 10-суточном экспериментах (снижение образования свободных радикалов в плазме крови, увеличение индекса агрегации эритроцитов, свидетельствующего о соотношении агрегационных и дезагрегационных процессов в системе крови). А нарушение или отсутствие изменений в других показателях (уровень антиоксидантной активности, распределение электролитов в плазме крови, моче, весовые коэффициенты органов) могло быть связано с сезонными особенностями функционирования организма крыс.

Но основной результат в поведенческих реакциях - повышение агрессивности - был достоверно зафиксирован и в 25-суточном, и в 10-суточном хронических опытах. Представляется, что этот, видимо, впервые обнаруженный эффект, как и нарушения памяти у крыс при воздействии гипогеомагнитных условий (ослабление поля в 700 - 1000 раз) требуют дальнейшего изучения и учета при подготовке межпланетных экспедиций и при продолжительной работе на Луне.

ИСКУССТВЕННОЕ ГЕОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Одно из решений проблемы, связанной с отсутствием геомагнитного поля при межпланетном полете, состоит в создании на борту пилотируемого корабля его искусственного аналога с помощью магнитной системы (идея одного из авторов данной статьи Кирилла Труханова и доктора технических наук Льва Луганского из Института физических проблем им. П. Л. Капицы РАН). Эта система должна формировать в обитаемом объеме поле достаточно однородное и близкое по величине к геомагнитному; обладать небольшой массой, энергопотреблением, минимально возможными габаритами; иметь простое устройство и вписываться в конструкцию корабля.

Впрочем, кроме технических, возникает ряд биологических проблем. Например, какова должна быть наименьшая величина и однородность аналога геомагнитного поля? Требуется ли поддерживать последнее постоянно или же можно временно выключать? Какие биологически значимые его вариации нужно воспроизводить? Вопрос о режиме аналога связан и с необходимостью проводить во время полета такие исследования, как, скажем, измерение характеристик межпланетного магнитного поля. Предпочтительны системы с током (активные): их параметры легко регулировать. Более того, в случае надобности они могут имитировать биологически значимые вариации геомагнитного поля.

Если обитаемый объем будет иметь цилиндрическую форму, целесообразнее использовать системы, в которых однородность поля достигается оптимальным расположением пар витков симметрично по длине, причем ток во всех одинаков.

В качестве примера приведем результаты расчетов аналога геомагнитного поля величиной 50 микротесла (близкое к существующему в Московском регионе) для обитаемого объема радиусом 2 м и длиной 32 м. Масса проводников из алюминия составит 150 кг, а энергопотребление - около 0,15 кВт, т.е. речь идет о малых величинах в сопоставлении с аналогичными параметрами межпланетного пилотируемого корабля. Если выбрать величину поля, как в Южно-Атлантической аномалии, то масса проводников и энергопотребление снизятся вдвое. Таким образом, система искусственного геомагнитного поля на борту будет иметь сравнительно небольшую массу и энергопотребление по сравнению с аналогичными параметрами межпланетного пилотируемого корабля.

Для ответа на вопросы медицинского и биологического характера необходим дальнейший поиск, причем с учетом возможного модифицирующего влияния на магнитобиологические эффекты других факторов полета в дальний космос. Это представляет собой и фундаментальный интерес, ибо позволит продвинуться в понимании значимости геомагнитного поля для жизни на Земле и его роли в эволюции.

Американские ученые Абрахам Либов и Карл Блэкман (1985 г.) открыли эффект комбинированного биологического действия слабого постоянного магнитного поля и параллельного ему переменного, причем максимальный отклик определялся как свойствами иона (его зарядом и массой), так и величиной постоянного поля. То есть первое из полей играло роль ручки настройки частоты. Как уже говорилось, в России разработана теория, объясняющая этот эффект на основе квантовой механики (Владимир Бинги).

Кстати, в поведенческих экспериментах, проведенных для удобства при постоянном магнитном поле, на порядок более высоком, чем геомагнитное, выяснилось: воздействие на частоте ионов кальция вызывало подавление исследовательской активности крыс-самцов, а на частотах ионов магния активировало их двигательную и исследовательскую деятельность (доктор физико-математических наук Михаил Жадин, Институт биофизики клетки РАН, 1996 г.). Вероятно, имея аналог геомагнитного поля в обитаемом объеме, можно, подавая дополнительно переменное поле на соответствующих частотах, способствовать лучшей обстановке на борту. Разумеется, необходимо выяснить, не будет ли это воздействие вызывать какие-либо нежелательные отдаленные последствия для человека.

В древнегреческих мифах рассказывается о великане Антее - сыне бога морей Посейдона и богини Геи (Земли). Прикасаясь во время поединков к своей матери, он получал новые силы и был непобедим.

По-видимому, человеку, отправляясь в дальний космос или на Луну, придется взять с собой частицу Матери-Земли - геомагнитное поле.

Доктор биологических наук Наталья КРИВОВА, директор Научно-исследовательского института биологии и биофизики Томского государственного университета, доктор технических наук Кирилл ТРУХАНОВ, ведущий научный сотрудник Института медико-биологических проблем РАН (Москва)