ПОДГОТОВКА

Регистрация физиологических функций

Итак, животные приучены к некоторым особенностям их экспериментальной жизни. Однако в полете собаки будут подвергаться воздействию ряда новых специфических факторов, неизбежно возникающих при движении космических кораблей. С этими воздействиями надо заранее «познакомить» собак, посмотреть, как каждое данное животное их переносит. Только после этого можно будет окончательно решить вопрос о пригодности собаки к полету.
Прежде чем перейти к изложению этого материала, надо остановиться на некоторых вопросах, связанных с регистрацией отдельных физиологических показателей.
В самом деле, для того чтобы судить о состоянии организма животных во время действия различных факторов внешней среды, необходимо уловить и зарегистрировать на фотопленке (или специальной бумаге) работу сердца, величину кровяного давления, характер дыхания и т. д.,— так называемые вегетативные функции.
Следует отметить, что очень существенными в научной практике являются понятия «до», «во время» и «после» эксперимента. Они обозначают период, в который получены данные, характеризующие ту или иную функцию организма.
Материалы, полученные «до» эксперимента, собираются перед воздействиями и характеризуют исходные уровни функционирования тех или иных систем данного животного. «Во время» — те процессы, которые возникают в момент применения воздействий. И, наконец, данные «после» говорят о влиянии тех или иных факторов на состояние животных. С целью более подробного изучения последствия различных факторов обследования могут происходить периодически. В результате при анализе удается проследить как непосредственные, так и отдаленные результаты действия факторов полета.
Ряд исследований учитывает лишь данные «до» и «после». И это понятно: многие проявления трудно, а иногда и невозможно зафиксировать в период полета и других сильных воздействий. Например, вряд ли стоит пытаться вызвать у собаки сложную активную деятельность в моменты действия больших перегрузок. Зато важно проследить, как после этого восстанавливаются активные привычные действия — условные рефлексы. Характер этого процесса может быть показателем силы и глубины потрясений, пережитых животными.
Разработка методов регистрации тех или иных физиологических функций у животных в условиях лабораторного эксперимента на земле и, особенно в условиях космического полета потребовала много усилий и времени. Эти методы мы и рассмотрим ниже.
Дыхание. Издавна характер и частота дыхания были существенными показателями состояния организма.
У собак изменение дыхания происходит в ответ на различные воздействия. Изменения дыхания могут отражать различные неблагоприятные влияния, как длительные, так и кратковременные. Стоит, например, только вызвать у собак некоторое возбуждение, как их дыхание (нормой является 12—28 дыхательных движений в минуту) сразу же учащается. Стойкие изменения внешнего дыхания можно наблюдать при повышении температуры и влажности воздуха, при кислородном голодании организма и т. д. Учащение дыхания до 200—300 движений в минуту говорит о болезненном состоянии животного. Судить о плохом состоянии собак можно также и по значительному уменьшению частоты дыхательных движений (до 3—1). Своевременное определение частоты и характера дыхания позволяет вовремя принять необходимые меры для предотвращения неблагоприятных воздействий. Это заставило научных сотрудников изыскивать различные способы регистрации дыхания у собак.
Регистрировать дыхание легко. Для этого существует много способов. Большинство из них предполагает специальный прибор, устанавливаемый в потоке выдыхаемого воздуха. Такой прибор должен находиться где-то около рта. Опыты показали, что собаки быстро привыкают спокойно сидеть в маске. Кажется, все просто и хорошо!
Но тут возникает на первый взгляд малозначительное, а на самом деле непреодолимое препятствие. Маска мешает питанию собак и уже только по одной этой причине должна быть отвергнута в случае длительных экспериментов.
При ближайшем рассмотрении оказываются неподходящими и другие общепризнанные способы регистрации дыхания.
Где же выход? Как же все-таки регистрировать дыхание подопытных животных? Научные работники совместно с инженерами снова и снова возвращались к вопросу об объективном контроле дыхания собак. В результате появился так называемый датчик дыхания. Слово «датчик» существует в науке относительно недавно. Это — прибор, укрепленный на животном или в кабине и реагирующий на изменения каких-либо физиологических или физических явлений: температуры, электрического сопротивления, движения и т. д.
Так называемый контактный датчик дыхания был задуман как пояс, надевающийся на грудную клетку животного. С каждым вдохом, когда в легкие входит воздух, периметр грудной клетки собаки увеличивается примерно на 7—10 мм. Это изменяет степень натяжения надетого на грудь животного датчика, и тогда замыкаются контакты чувствительных элементов, вмонтированных в него.
Были разработаны и другие принципы регистрации частоты дыхательных движений. Представьте себе угольный слой, нанесенный на поверхность резиновой ленты. Даже при очень небольшом растяжении ленты угольный слой меняет свое электрическое сопротивление. Во время регистрации дыхания через него пропускается слабый электрический ток. Эластичный пояс, растягиваясь, изменяет сопротивление угольного слоя, которое и регистрируется при помощи специальных устройств. Таков принцип действия так называемого угольного датчика дыхания.
Угольный датчик может иметь и другой вид: состоять, например, из двух наполненных угольным порошком резиновых трубок с бронзовыми наконечниками. При растяжении трубок во время вдоха уменьшается их поперечное сечение и, следовательно, толщина угольного порошка, сопротивление угольного порошка. Остается только зарегистрировать сопротивление датчика, и тогда можно будет судить о частоте дыхания.
Реостатный датчик дыхания построен по другому принципу. Главная его часть — маленький круговой реостат с подвижным ползунком. Когда животное делает вдох — и периметр его грудной клетки увеличивается — тросик, опоясывающий собаку, перемещает ползунок реостата, и тем самым также изменяется электрическое сопротивление.
Датчики дыхания постоянно совершенствовались, менялся их внешний вид. Вначале они были похожи на портупею, затем на резиновый пояс с узкой ременной окантовкой, потом напоминали тонкий ватник. Сейчас датчики вмонтированы в защитную одежду, сделанную из матовой капроновой ткани, собранной в мелкие сборки. По бокам расположен специальный тросик, помещенный то в бусы, предохраняющие его от разрыва, то в прозрачную плексигласовую трубочку.
Животные быстро привыкают к таким своеобразным поясам и могут долго, как ни в чем не бывало, находиться в них. Почти любой эксперимент происходит с одновременной регистрацией дыхания животного. Датчик дыхания в многосуточных опытах надевается под ассенизационную одежду; в относительно коротких экспериментах — под фиксирующую.
Сидит собака в кабине. Кажется, совсем не движется ее грудная клетка. А чуткий писчик, соединенный с контактным датчиком, подскочив, вычерчивает на ленте прибора маленький аккуратный зубец. Число таких подскоков писчика в одну минуту примерно постоянно: 22—25. Значит, собака дышит, делая в минуту 23 вдоха.
Но вот частота дыхания несколько возрастает — 32 движения в минуту, еще через несколько времени — 41, потом — 56. И вот срочно начинаем проверять по приборам условия опыта: какова в кабине температура, каково снабжение собаки кислородом, какой у нее пульс и т. д. Нежелательный фактор устранен, и исследователь с удовлетворением регистрирует снижение частоты дыхательных движений подопытного животного,
Артериальное давление. Кровяное давление в медицине издавна является важным показателем изменений деятельности сердечно-сосудистой системы, оно позволяет также судить о состоянии нервной регуляции физиологических функций. Вот вы испугали собаку — она прижалась животом к полу, со страхом следит за вашими действиями. И сейчас же прибор показывает повышение кровяного давления. Собака начала двигаться, подпрыгивать, переставлять лапы — и опять кровяное давление изменяется. Оно изменяется в моменты, когда животное или человек испытывает боль, когда действуют другие неблагоприятные факторы (в том числе и механические — удары, толчки).
Что понимается под кровяным давлением? С каким из известных нам явлений его можно сравнить? Какова роль кровяного давления, от каких факторов оно зависит?
Всякая модель чрезвычайно упрощает ту картину, которая имеется в живом организме, и, тем не менее, иногда очень трудно не воспользоваться моделью для объяснения того или иного сложного явления. Подставим ладонь под слабую струю воды из водопроводного крана. Она мягко, лениво касается кожи руки. Это значит, что давление частиц воды в этом потоке относительно невелико. В другой раз вода с силой бьет в руку, и это позволяет говорить о большем давлении.
Мы знаем, что при соединении наполненного сосуда с другим вода быстро устремляется в тот, где ее уровень меньше и где, следовательно, меньше напор воды, ее давление. Давление жидкостей и обеспечивает их движение по данной системе. В свою очередь оно зависит от диаметра сосудов, от количества жидкости, от вязкости, от быстроты ее тока и т. д.
Вся эта сложная совокупность явлений имеет место в живом организме: кровь течет по сосудам под определенным давлением, и это давление изменяется по мере удаления сосудов от сердца.
В аорте — самом широком сосуде — оно значительно: у человека кровяное давление здесь равно 110—130 мм ртутного столба. На первый взгляд такое явление кажется парадоксальным: ведь аорта самый широкий сосуд, а чем шире сосуд, тем меньше должно быть в нем давление. Но, оказывается, о ширине аорты можно говорить только относительно. На самом деле, этот сосуд, наоборот, самое узкое место в кровеносной системе. Действительно, если сложить все просветы артерий и тем более капилляров, куда поступает кровь из аорты, то просвет аорты будет во много раз меньше, чем просвет таких суммированных сосудов.
Итак, в аорте давление более высокое, в узких капиллярах и артериях — низкое. В капиллярах оно равно всего 20—40 мм ртутного столба. Соответственно этому скорость движения крови в капиллярах значительно меньше. Все это имеет свой биологический смысл, ибо обмен газов между кровью и тканями (поступление кислорода в ткани и углекислого газа из тканей в кровь) происходит именно в капиллярах, и, если бы скорость движения здесь была большой, этот процесс не успел бы совершиться.
Далее капилляры вновь соединяются сначала в мелкие, а потом в более крупные вены, по которым кровь притекает к сердцу. Давление крови в венах повышается по мере их приближения к сердцу, скорость кровотока снова нарастает.
Перемещение крови обеспечивается сокращением сердца, движением мышц и некоторыми другими факторами (присасывающее действие грудной клетки и т.д.).
Просвет сосудов, стенки которых имеют мышечные волокна, может быть большим или меньшим, это регулируется нервной системой, что также имеет прямое отношение к величине кровяного давления.
Картина чрезвычайно усложняется, если учесть, что на величину кровяного давления влияет также вязкость крови (она в пять раз больше, чем вязкость воды) и т.д.
Все это надо учитывать при объяснении характера изменения кровяного давления под влиянием различных факторов. Необходимо знать, как у собак изменяется кровяное давление по сравнению с его исходным уровнем, т. е. величинами, бывшими до опыта. Такие данные позволяют, судить о сдвигах, происходящих в сердечно-сосудистой и нервной системах, о влиянии на организм различных исследуемых факторов.
Как измеряется кровяное давление у собак? Для этого разработано несколько способов.
Хорошо укрепленному на операционном столе животному под наркозом разрезают сонную или другую артерию (для того, чтобы измерить давление в венах, нужно вскрыть вену). В разрезанный сосуд вводят канюлю (стеклянную трубку, напоминающую по форме крошечную бутылочку без дна). От «горлышка» канюли отходит трубка. В нее налит раствор сернокислой магнезии, предохраняющий кровь от свертывания. Трубка соединена с ртутным манометром — прибором, который измеряет давление.
Кровь, как только вставлена канюля, быстро устремляется в трубку, давит на раствор сернокислой магнезии, а тот — на ртуть манометра. Ртуть поднимается соответственно уровню давления крови и постоянно слегка перемещается, следуя за его изменениями, показывая тем самым, какое давление имеется в этой артерии. Это так называемый прямой способ определения кровяного давления. Он наиболее точен.
Такой способ не может быть использован при полете в космическом пространстве. Ведь в космос надо посылать здоровых, полноценных и бодрствующих животных.
Не могут быть использованы и другие подобные приемы. Нужны бескровные способы регистрации кровяного давления. Что же делать?
Перед нами собака, взор ее помутнел, и поведение необычно — она не реагирует на кличку и, сделав несколько шагов, укладывается на полу. За несколько минут до этого ей был введен морфий, он сделал собаку нечувствительной ко многим раздражителям и в том числе к боли.
Лаборантка укладывает животное на стол, на лапы петелькой надеваются бинты, которые другим своим концом привязываются к особым планкам стола. Ассистент закрывает морду собаки специальной маской. Теперь животное начинает дышать эфиром и засыпает. Начинается операция. Она преследует необычную цель, а именно: вывести из тела животного запрятанный в мышцах шеи крупный сосуд — сонную артерию.
Хирург делает два параллельных надреза и рассекает кожу на запрокинутой шее собаки. Собака крепко спит и ничего не чувствует. Постепенно раздвигая ткани, хирург вычленяет сонную артерию, заворачивает ее в кожный лоскут, который по мере сшивания заключает в себя артерию, как в мягкую трубку.
Прошло 10 дней со дня операции. Собака уже давно бегает по двору. Это здоровое, веселое животное. Подзываем ее к себе, гладим. Собака замирает под ласковой рукой. В белой, уже успевшей немного подрасти, шерсти шеи находим петельку толщиной в карандаш. Легко нажмем на нее, прислушаемся к ощущениям в пальцах. Внутри кожного лоскута — плотный упругий эластичный сосуд. Он пульсирует, давая 80—100 ударов в минуту. Это и есть сонная артерия.
Теперь надо подобрать манжетку требуемого размера, приучить собаку спокойно носить ее долгие часы и, затем, дни. Животное с манжеткой на сонной артерии каждый день осматривают — необходимо предотвратить хотя бы малейшие признаки потертостей или ранения кожного лоскута.
Так подготавливают собаку для регистрации у нее кровяного давления бескровным способом.
На сонную артерию предварительно оперированной собаки надевается маленькая металлическая манжетка, внутри которой заключена резиновая «подушечка». Если в эту «подушечку» нагнетать воздух, она расширяется и сжимает сонную артерию, происходит принципиально то же, что и при изменении кровяного давления у человека.
Пульс. Изменения характера пульса (частоты, ритма, напряжения и т.д.) являются теми показателями, к которым прибегали для оценки работы сердца еще врачи глубокой древности.
Обычно думают, что пульс связан с движением крови. На самом деле это не так. С систолой (сокращением) и диастолой (расслаблением) сердца неразрывно связаны ритмические колебания давления в крупных сосудах, расположенных близко к сердцу, Эти колебания непосредственно связаны с деятельностью сердца.
Во время систолы в аорту поступает 50—80 мг крови. Она растягивает стенки аорты, вызывая волну упругого колебания, распространяющегося по артериям. Возникающие колебания и называют «пульсом». Скорость распространения пульсового колебания артериальной стенки гораздо выше (в 5—10 раз), чем линейная скорость кровотока в артериях, т. е. скорость, с которой движется по артериям каждая капля крови. Поэтому пульсовое колебание артериальной стенки возникает раньше, чем к соответствующему пункту успевает дойти порция крови, вытолкнутая сердцем при данной систоле. Таким образом, пульс почти ничего общего с током крови по артериям не имеет. Его можно сравнить с волной упругого колебания, которая образуется при ударе, например, по резиновой трубке.
В зависимости от нагрузки, которую испытывает сердце, в зависимости от качеств сердечной мышцы, клапанного аппарата, нервной системы и т. д. будет меняться и сердечная деятельность. Это немедленно скажется и на характере пульса. Вот почему регистрация пульса — один из удобных физиологических показателей состояния животного в космическом полете.
Перед нами на белой длинной бумажной ленте специального прибора кривая, записанная чернилами. Это запись пульса собаки Стрелки. Лаборант отмеряет несколько сантиметров ленты и. подсчитывает, сколько раз подскакивал писчик. Зная время движения ленты, можно легко определить частоту пульса: оказывается, пульс Стрелки равен 90—120 ударов в минуту. Это нормальная частота пульса собак.
О частоте пульса можно судить по тому, как ведет себя перышко на ленте. Если перышко поднимается и опускается быстро, значит пульс быстрый. Если кривая получается растянутой, пульс у собаки замедленный. Линия, вычерчиваемая на ленте, может быть крутой, может быть, наоборот, пологой. Ее зубцы поднимаются на разную высоту, и это говорит о величине пульса.
Много таких лент с записями пульса собаки в разное время и при разных воздействиях позволяет говорить о характере сердечной деятельности данного животного в различных условиях, в том числе во время полетов.
Электрокардиограмма. В сердечной мышце, как и во всякой другой, при ее сокращении возникают электрические потенциалы — так называемые биопотенциалы, или токи действия. Они очень малы по силе — всего около одной десятимиллионной доли ампера, а их напряжение равно 1—2 милливольтам. Однако современная техника позволяет уловить даже эти ничтожные электрические величины. После усиления они смогут привести в движение рычажок писчика, и на ленте появятся линии, будет выведен рисунок.
Движения писчика будут точно соответствовать изменениям биопотенциалов, т.е. отражать те электрические процессы, которые протекают в работающей мышце. Таким образом, если приложить два электрода к мышце сердца, соединить их с усиливающей аппаратурой, а от усилителя отвести ток на регистрирующий прибор, то мы сможем записать токи действия сердечной мышцы — так называемую электрокардиограмму.
Но как добраться до сердца? Ведь оно скрыто глубоко в грудной клетке!
Оказывается, это делать не надо. Силовые линии электрического поля, возникающего при сердечной деятельности, распространяются во все стороны. Следовательно, можно уловить на поверхности тела разность потенциалов. Так и поступают при записи электрокардиограммы.
Каждый зубец и интервал электрокардиограммы имеет определенное значение, отражает последовательный ход волны возбуждения по сердцу. Вот начали свое сокращение предсердия, и сразу чуткий писчик подскочил слегка вверх, оставив на бумажной ленте зубец. Через некоторое время волна возбуждения захватывает желудочки, и писчик сразу записывает это — появляется целый комплекс зубцов.
Электрокардиограмма регистрировалась у животных, совершивших полеты на ракетах и спутниках. Но прежде чем получить хорошие четкие записи, исследователям пришлось много потрудиться. При условии, что животное совершенно изолировано от экспериментатора, надо было добиться, чтобы электрокардиограмму можно было снимать у собак в любое время в течение длительного опыта (десятки дней). Могут ли электроды в течение столь длительного срока обеспечивать надежный контакт, не сдвигаться, быть плотно фиксированными на коже, ведь без этого биотоки не будут передаваться на записывающую аппаратуру?
Сейчас, для обеспечения надежного контакта, электроды «вживляют» под кожу животного. Операция легкая, делается она под анестезией и поэтому безболезненна для собаки, но она должна быть выполнена умелыми руками: иначе электроды не «приживутся».
Бегает собака в нарядном зеленом или красном кафтане с застежкой-молнией по всей длине спины, а под кафтаном — аккуратно уложенные провода. В любое время их можно соединить с аппаратурой и записать электрокардиограмму.
С течением времени живая ткань образует около электрода, который является инородным телом, соединительнотканную капсулу. Она препятствует улавливанию биотоков. Поэтому перед полетом или длительным опытом необходимо своевременно вживлять электроды. Важно знать, какой период они могут действовать. Как их вживлять, чтобы срок проводимости биотоков был максимальным?
Пришлось поработать и над формой, толщиной и материалами электродов. Пробовали их делать в виде маленьких блюдечек, небольших, толщиной в волосок бляшек, овалов, сплетали как тончайшие сеточки. Много разных вариантов, проб!
И вот, наконец, удалось добиться качественной записи биотоков в течение целого месяца. Это было большой победой. В отдельных случаях электрокардиограмму записывали в течение чуть ли не двух месяцев, а один раз даже 80 дней.
Впоследствии была поставлена цель создать метод не вживления, а наклеивания электродов на длительный срок. Первой собакой, у которой такие электроды длительно функционировали, была Ачка. Много пришлось потратить труда на составление клея, который бы не раздражал кожу животного, подобрать форму и величину электродов, найти не окисляющийся материал.
Многократные предварительные записи биотоков сердца собак-космонавтов позволяли изучать все особенности электрокардиограмм. Так накапливались материалы, помогающие судить об изменениях сердечной деятельности животного во время длительных опытов, а потом — и полетов.
Другие виды регистрации. Кроме электрокардиограммы, записываются: электроэнцефалограмма, т.е. кривая, отражающая биоэлектрические явления, происходящие в мозгу животных, электромиограмма, т.е. кривая, отражающая биотоки, возникающие в различных мышцах собаки и т.д.
Исследуются изменения, происходящие в крови животных, в их костном мозгу, в спинномозговой жидкости, в моче и т. д. Все эти подробные данные после тщательного анализа позволят сделать заключение о функционировании различных систем организма при действии факторов полета.
О всех видах регистрации не расскажешь. Их много и число их растет. По мере постановки новых экспериментов выискиваются различные возможности определения состояния организма собак.
Большое внимание уделяется регистрации движений собак.
В экспериментальной кабине находится во всем снаряжении маленькая ласковая собака Козявка. На ее фиксирующую одежду нашиты металлические кружочки. От них отходят легкие, но прочные двухсантиметровые трубочки. Это — датчики движения. Стоит собаке сместиться в сторону от средней линии, как под влиянием натяжения тут же изменится длина тросика датчика: он вытягивается на расстояние, равное этому смещению. Датчики расположены так, что в каждую данную минуту можно судить о положении собаки по показаниям специального прибора.
Кино и телерегистрация. Мы рассказали только о некоторых методах регистрации физиологических функций собак. Они дают много и могут дать еще больше, если различные физиологические параметры будут фиксироваться одновременно с регистрацией поведения собак. Это необходимо делать как при подготовке животных к полету, так и в самом полете.
Например, в опытах на центрифуге регистрируются изменения сердечно-сосудистой системы, дыхания под влиянием перегрузок. И в это же время поведение животного фиксируется на киноленте. Потом, просматривая записи и сопоставляя их с поведением животного, можно делать точные выводы о том, как действуют перегрузки, как на них реагирует собака. Так кино стало одним из обязательных приемов исследования.
На ракете поднимаются собаки. В полете они испытывают различные воздействия, а ученые на земле видят все их движения. Кино дает возможность убедиться в надежности применяемых средств защиты животных, оценить, как действуют перегрузки, невесомость и т. д.
Лежит собака в маленькой кабине, и кажется невозможным снять ее всю так, чтобы видны были и морда, и лапы, и спина. Но на потолке кабины на ее стенах устанавливаются несколько зеркал. Они как бы «передают» одно другому изображения, и киноаппарат снимает не самих животных, а их изображение в зеркале. Полученные таким путем снимки максимально отвечают всем нужным требованиям.
На втором космическом корабле-спутнике был применен впервые еще один метод регистрации — телевидение. Стремительно на колоссальной высоте (300 км) в космосе совершали свои удивительные облеты Земли Белка и Стрелка, а ученые видели их.
Вот на экране телевизора — Белка в анфас. Лапки ее как бы скользят по воздушному пространству над полом кабины, она поворачивает голову к сетке, за которой сидит Стрелка, пасть ее открывается — собака лает. Стрелка видна в профиль.
Применению телерегистрации на таких больших высотах предшествовала большая работа: надо было научиться получать хорошие четкие изображения при помощи легкой, малогабаритной аппаратуры, потребляющей минимум электроэнергии, найти оптимальную освещенность и т.д. Все эти трудности разрешены, и метод телерегистрации выдвинулся тем самым в число основных способов получения научной информации в космическом полете.
Теперь, познакомившись с вопросами регистрации физиологических функций, мы можем перейти к описанию действия тех специфических факторов, с которыми животные встретятся в главном эксперименте — в полете. К этим воздействиям собак (насколько это возможно) нужно приучить на земле и, разумеется, сначала в облегченной обстановке, постепенно усложняя условия опытов.

Далее…