Ханнс-Кристиан Гунга

Мобилизация организма. На что способно наше тело в экстремальных условиях

Луизе.

Она думает.

Она направляет.

Она дарит.

Hanns-Christian Gunga

EXTREM

Was unser Körper zu leisten vermag

© S. Fischer Verlag GmbH, Hedderichstr. 114, D-60596 Frankfurt am Main, 2021

© Анваер А.Н., перевод на русский язык, 2023

© Издание на русском языке. ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», 2023

КоЛибри®

Об авторе

Ханнс-Кристиан Гунга – физиолог и специалист по космической медицине. Один из руководителей Центра космической медицины Университетского медицинского комплекса «Шарите». Преподаватель Свободного университета Берлина и Берлинского университета им. Гумбольдта, приглашенный профессор космической медицины в нескольких университетах Китая и Чили, председатель Комитета по программам Немецкого аэрокосмического центра, экс-председатель Life Science Working Group Европейского космического агентства. Участник космических миссий и международных исследований полетов, в рамках которых посещал Северную и Южную Америку, Азию, Африку и Антарктиду. Удостоен награды Life Science Book Award Международной академии астронавтики.

Предисловие александра герста

В этой книге речь идет о людях в экстремальных ситуациях и о пределах переносимости связанных с ними нагрузок. Будучи астронавтом в составе европейской Организации по изучению и освоению космического пространства, я провел почти год в экстремальных условиях – в космосе. Жизнь в космосе невозможна без вспомогательных технических средств; невозможна она там и без поддержки высококвалифицированной команды, как на Земле, так и на космической станции. Всесторонняя теоретическая и практическая подготовка к пребыванию на Международной космической станции безусловно необходима, как и готовность отправиться навстречу приключениям. Интенсивная тренировка помогает освоиться в новых условиях уже в течение первых недель. Там, на борту МКС, находясь в весьма удаленном «жизненном пространстве», я впервые по-настоящему осознал, каких технических и логистических затрат потребовало создание жизнеспособной среды обитания человека за пределами планеты Земля. Тем более что я – особенно как геофизик – ценю природные ресурсы нашей планеты. Это становится ясным при первом же взгляде на Землю из иллюминатора космического корабля. Там, внизу, нам «за просто так» доступны кислород, вода, продовольствие – во всяком случае, пока. Однако этой доступности все больше угрожает сам человек. Нерациональное потребление ресурсов, загрязнение окружающей среды и усугубляемое людьми изменение климата стремительно сокращают жизненное пространство человечества. Всего лишь один пример – расширение площади пустынь, которое разрушает условия жизни миллионов людей в Африке, Азии и Австралии. Важнейшей основой для противодействия такому развитию событий становится более полное понимание окружающего мира и независимый взгляд на самих себя – как бы со стороны. Это возможно не только благодаря космическим исследованиям, но и благодаря изучению отдаленных регионов нашей планеты – будь то полярные области, высокие горы или глубины морей. Будучи специалистом по физиологии человека, Ханнс-Кристиан Гунга много работал в таких регионах и разработал собственные новаторские методы для полевых исследований. Один из таких методов – непрерывное измерение температуры тела, и метод этот хорошо мне известен, так как я сам принял участие в многолетнем исследовании, инициированном Гунгой, в ходе которого изучались суточные колебания температуры тела в условиях невесомости. В этой книге Ханнс-Кристиан Гунга не только описывает перегрузки, какие может вынести человек, но и одновременно указывает, когда человеческий организм переступает эти границы, и приводит примеры того, как другие организмы выживают в столь же экстремальных условиях. Этот эволюционный подход врача особенно интересен и, вероятно, обусловлен тем, что он получил дополнительную перспективу благодаря изучению геологии и палеонтологии. Но что делает эту книгу действительно замечательной в моих глазах, так это соединение биографического и естественно-научного, запланированного и, казалось бы, случайного, что в конечном итоге придает ей цельность. Эта книга, возможно, внушит и другим людям мужество искать свой путь.

Астронавт, геофизик и вулканолог Александр Герст на борту МКС во время проведения эксперимента по постоянному измерению температуры тела (© European Space Agency)

Предисловие автора

Как реагирует организм на многие месяцы невесомости, на арктическую зиму, на бедный кислородом высокогорный воздух, на непомерную жару или недостаток жидкости? Как возможно, что в различных экстремальных условиях температура тела, артериальное давление или частота пульса остаются относительно постоянными, а если и изменяются, то весьма незначительно? Наука пока разгадала далеко не все загадки жизни.

Что может перенести человек, какой приспособляемостью обладает человеческий организм – постоянная головоломка для медицины. Несмотря на несомненный прогресс медицинской науки, несмотря на все успехи в диагностике и лечении, жизнь и сегодня ставит перед нами вопросы, на которые мы пока не можем ответить, но ответы на которые могут иметь огромное значение для предупреждения и лечения заболеваний. Возьмем, к примеру, исследования, касающиеся повышения артериального давления крови: при исследовании изоляции перед отправлением в длительные космические экспедиции ученые с удивлением обнаружили, что кожа, очевидно, служит значительным местом хранения поваренной соли в организме. Если по причине генетических особенностей организм не способен активировать это хранилище, то у данного человека, скорее всего, разовьется гипертоническая болезнь. Не исключено, что в будущем фармакологам удастся создать лекарство, которое будет воздействовать на кожу, чтобы регулировать уровень артериального давления. Если же ученым удастся выяснить все детали этого физиологического феномена и создать соответствующие лекарства, то такое открытие будет вполне достойно Нобелевской премии. Далее, новейшие молекулярно-биологические исследования показали, что в ДНК человека обнаруживаются – и весьма немалые – участки вирусного наследственного материала. Вероятно, в эпоху Covid-19 такая новость звучит не слишком оптимистично: оказывается, мы сами отчасти представляем собой вирусы! Приблизительно одна десятая всего наследственного материала человека имеет вирусное происхождение, эта наследственная субстанция, которой были когда-то инфицированы наши предки, оставила неизгладимый след в геноме человека. Некоторые из этих, исходно вирусных, генных последовательностей выполняют сегодня важные функции в иммунной системе, защищая нас от возбудителей различных заболеваний. Поистине поразительное превращение из бывшего агрессора в защитника людей. Имеют ли определенные функции другие фрагменты наследственности вирусного происхождения в ДНК человека, до сих практически неизвестно; этот вопрос – предмет интенсивных научных исследований. Не исключено, что такие геномные последовательности в определенных обстоятельствах могут иметь большое значение при патологических изменениях физиологических функций организма, например при возникновении определенных типов рака. Можно наверняка утверждать, что такие же фрагменты вирусных генов сыграли ключевую роль в развитии млекопитающих, поскольку только с их помощью может созревать функционально полноценная плацента, что становится предпосылкой имплантации оплодотворенной яйцеклетки и нормального дальнейшего развития эмбриона.

Между тем эволюционно-биологические данные вызывают все больший интерес со стороны ученых, занятых биологическими, физиологическими и медицинскими исследованиями. Так, например, проведенные к настоящему времени генные исследования позволили найти указания на то, что современные носители определенного гена, обнаруженного у неандертальцев, имеют двух- или даже трехкратный риск тяжелого течения Covid-19. Это может объяснить, почему некоторые регионы нашей планеты были поражены этой инфекцией в меньшей степени, чем другие. Население, которое в силу эволюционных условий имеет больше общего с неандертальцами, например в Северной и Восточной Европе, оказалось – и статистика это подтверждает – более восприимчивым к заболеванию Covid-19. Почему это так, пока остается неясным.

Именно экстремальные ситуации, например такие события, как пандемии, голод, волны аномальной жары или полная изоляция отдельных индивидов или групп людей, часто раскрывают удивительные взаимосвязи, которые могут примирить нас с мыслью, что человек отчасти до сих пор остается неизвестным существом. Экстремальные физические и психические нагрузки могут при этом возникать как сами по себе, например в контексте стихийных бедствий, так и произвольно или целенаправленно, например из профессиональных, спортивных или туристических побуждений. Поэтому медицинские исследования жизни в таких экстремальных средах, из которых космическое пространство, несомненно, наиболее враждебно для человека, в корне отличаются от медицинских исследований, проводимых в тепличных условиях; эти первые заставляют нас выйти за границы нашего знания, чтобы добыть новые важные сведения.

В этой книге я расскажу о таких исследованиях, которые выполняются поистине в приключенческих обстоятельствах. Мы познакомимся с удивительными адаптивными возможностями человека и животных, позволяющими и тем и другим выживать в Арктике и Антарктике, в пустынях и на высоких горах, а также с их физиологическими основами, которые я постараюсь описать как можно более доступным и понятным языком, насколько они вообще были до сих пор известны. Несмотря на широко распространенное мнение, будто наука познала почти все биологические и медицинские основания жизни, она во многих вопросах, как и прежде, топчется в темноте. Именно эти вопросы живо интересуют меня как физиолога.

«Все это хорошо и прекрасно», можете возразить мне вы, дорогие читательницы и читатели, но что это вообще все значит? Чем, во имя Гиппократа, занимается физиолог и кто он такой? Все знают, например, чем занимаются кардиологи, ортопеды, офтальмологи и дерматологи. Многие знакомы с тем, чем занимаются онкологи или отоларингологи, а также пульмонологи, абдоминальные хирурги и – в связи с их возросшей сейчас популярностью в СМИ – вирусологи. Но едва ли кто-то из вас когда-либо бывал на приеме у врача-физиолога. Меня приравнивают к физиотерапевтам, физикам, психологам или филологам, а друзья не раз дарили мне книги по астрономии, астрологии и деменции. Однако то, что приложение моей профессии мало кому известно, это в порядке вещей. Если угодно, то я врач для здоровых людей, например для тренированных и практически абсолютно здоровых астронавтов на космических станциях. И в этом нет никакого противоречия. Речь здесь идет не о здоровье или болезни в традиционном смысле этих слов. Речь идет о благополучии в различных условиях – благополучии физическом, психическом и социальном. Эта задача требует необычного и более широкого взгляда на вещи, поскольку если одному человеку какие-то условия представляются невыносимыми, то другой может неплохо себя в них чувствовать.

Но как при всем биологическом и физиологическом сходстве людей объяснить такие различия? Какие уроки можно из этого извлечь? Если попытаться дойти до основ, то очень скоро становится ясно, что ответы следует искать не только в медицине, биологии или физиологии. Для того чтобы лучше познать это неизвестное существо, человека, необходим более целостный, комплексный подход, включающий использование достижений других наук, от геологии до астрономии, от палеонтологии до психологии, но при всех «экскурсах» в другие научные сферы, этот подход неизменно ставит человека в центр своего рассмотрения. («Все это неправильно, – возразила бы в этом месте моя жена, – ведь исследуют по большей части мужчин!» И она была бы не так уж и неправа, особенно в недавнем прошлом.) То, насколько то или иное «чуждое медицине» знание или наблюдение способствует пониманию нашего обыденного бытия, не всегда очевидно на первый взгляд и требует от нас известного терпения, упорства и выносливости.

Что общего вообще может быть у сердечно-сосудистой системы, терморегуляции или водного баланса организма с Большим взрывом? Ответы на эти вопросы раскрывались мне очень постепенно по мере учебы, о чем я хочу рассказать в первой главе.

Слово «рассказать» я выбрал не случайно, а целенаправленно и с умыслом. Правда, я время от времени буду использовать и вполне научную терминологию. Но при этом надо помнить, что моя задача не чисто научная. Мои адресаты в данном случае не дорогие коллеги, а все, кто интересуется чудом жизни. Выяснение природы загадочных явлений – это напряженная, трудная и нередко приключенческая задача. Если мне удастся на последующих страницах сделать все это наглядным и тем самым внести мой скромный вклад в лучшее понимание человеческой природы, да и природы живого вообще – право судить об этом я предоставляю читательницам и читателям, – то я почту это за счастье.

Июнь 2021 года

Хаарштранг, или Бытие – это становление

Мой путь к физиологии

Как человек, родившийся в семье лютеранского пастора, стал врачом, геологом и физиологом? И как физиология, наука о функциях клеток и органов всех живых существ, связана с возникновением и развитием Вселенной, Солнечной системы и нашей планеты? Вот моя личная ретроспекция.

Я вырос в католическом Мюнстерланде, в доме протестантского священника. Отец был пастором, а мать – врачом психиатрической больницы. Этот своеобразный союз наложил отпечаток на мой характер. Вся жизнь родителей была посвящена повседневному труду. От нас, детей, меня, моих сестер и братьев, требовались успехи в учебе и безупречное – как приличествовало пасторским детям – поведение в семье и общине. На ежемесячных вечерах, где собирались коллеги отца, мы, для начала, пели песни Пауля Герхардта и молились. Все были в черном, за исключением матери, которая неизменно появлялась на этих встречах в белом. Потом мы, пасторские дети, были предоставлены самим себе. После того как гости расходились, начиналось самое неприятное: родители за ужином обсуждали то, что творилось в других пасторских семьях, а дела там шли не очень хорошо. Обычные темы – плохая учеба, употребление наркотиков и ранняя половая жизнь отпрысков. Косвенно нам, детям, давали таким образом понять, где граница, которую нам нельзя переступать.

Однажды я на уроке рассказал учительнице биологии о своем интересе к поиску ископаемых окаменелостей. Было мне тогда около двенадцати лет. Вскоре после этого нам позвонил директор школы. Родители, вероятно, были от этого в ужасе – пока еще только учитель математики не отмечал мою завидную склонность к сезонным работам. Директор, однако, не жаловался и ни в чем меня не обвинял, он лишь высказал желание сопровождать меня в раскопках. Мало того, он поехал со мной в дальнюю каменоломню. До того я производил свои изыскания на близлежащих прибрежных склонах. Тогда, в шестидесятые годы, царило увлечение спрямлением речных русел, благодаря чему обнажились известковые отложения, в которых было множество окаменелостей позднего мелового периода, верхнего мела, – эпохи, отстоящей от нас на 66–100 млн лет.

Вооружившись полевым блокнотом, молотком, долотом и местной газетой «Патриот» – она великолепно подходила для упаковки добытых образцов (печатали газету на добротной, прочной и хорошо впитывающей бумаге; правда, типографская краска частенько оставляла следы на руках), – мы на велосипедах поехали в Кливе. Стоял теплый погожий день, небо над головой сияло синевой. В полях уже вызревал яровой ячмень, так что эта поездка с директором, скорее всего, происходила в июле. Тогда в полях еще росли синие васильки и маки, такие ярко-красные, что даже я мог их явственно различать, несмотря на дальтонизм. Мы не спеша крутили педали, пересекая слегка холмистую местность, столь характерную для Вестфальского ландшафта, а на горизонте появилась, приближаясь, идущая с запада на восток полоса горичника, южная граница Вестфальской низменности с горными породами туронского (90–94 млн лет назад) и сеноманского (94–100 млн лет назад) периодов. По приезде к каменоломне нам пришлось преодолеть еще 20 м неукрепленной лестницы, ведущей в самую глубокую шахту каменоломни. Сырой, прохладный воздух пропитывался известковым запахом тем сильнее, чем глубже мы спускались в темноту шахты. Там директор расспросил меня о стратиграфии, геологических эпохах, основных ископаемых окаменелостях и поделился планом привезти сюда весь школьный класс. И в самом деле через неделю я провел целый урок в каменоломне. Директор очень серьезно относился к своему педагогическому призванию. Я часто вспоминаю ту летнюю вылазку и начало моей «преподавательской деятельности» у подножия горы, поросшей горичником. До сего дня и благодарен моему директору, хотя я, кажется, так и не сказал ему «спасибо».

Пасторский вечер в родительском доме, ок. 1966 г.

Благодарен я и другому, не столь заметному своему наставнику. Это было, по-моему, в середине шестидесятых – во времена, когда телевидение было еще черно-белым, в то время, когда Эмма Пил в умопомрачительном комбинезоне охотилась за преступниками в криминальном сериале «Мстители», когда космический корабль «Орион» планировал нападение на Землю, – именно тогда западногерманское телевидение показывало передачу о «Происхождении видов», а канал ZDF показывал серию «Наша Голубая планета». Седовласый физик, сидя в скудно обставленной студии, непререкаемым тоном излагал естественную историю Земли. Он почти все время сидел за столом на вращающемся стуле, и камера была направлена прямо на него. Впрочем, он иногда поворачивался на стуле, что позволяло ему намеренно менять взгляд на зрителя, когда ему казалось необходимым привлечь к себе особое внимание. Речь его была неторопливой, но время он контролировал добросовестно, так как периодически бросал быстрый взгляд на свои наручные часы. За спиной профессора, на заднем плане, стояла доска, увешанная картинами, классная доска, а иногда и глобус; однако на столе всегда лежал белоснежный блокнот формата А1 и толстые угольные карандаши. Этими угольными карандашами ведущий, Гейнц Хабер, рисовал сложные орбиты планет и иллюстрировал физические законы. Хабер вставал со своего места только в отдельных, исключительных случаях и крупно рисовал и писал на доске мелом нужные пояснения. Иногда он обращался и к глобусу.

Что было чарующего и особенного в этом физике? Он объединил космологические и астрономические знания со знанием естественной истории Земли. Это было новостью. Такое включение Земли в общую картину приближало к зрителю самые отдаленные галактики, космическое и солнечное излучение. Хабер говорил о темах, которых мы почти совсем не касались на школьных уроках. То, что он рассказывал, вызывало удивление – и это еще мягко сказано. Причем он так умело объяснял самые удивительные вещи, что создавалось впечатление посвящения в глубочайшие тайны мироздания. Сложнейшие проблемы в его изложении казались простыми, но без тривиальности. На самом деле, конечно, даже в его изложении многое (пока) оставалось весьма загадочным, но именно эта недосказанность делала его передачи такими же увлекательными, как криминальные сериалы, а простота студии направляла внимание на самое существенное в передаче.

Но тогда я еще не знал, что Хабер на протяжении многих лет тесно сотрудничал со знаменитым физиологом Отто Гауэром (1910–1979). Этот человек в шестидесятые годы создал при Свободном Берлинском университете физиологический институт и превратил его в центр медицинских и физиологических исследований мирового уровня. Отто Гауэр занимался физиологией системы кровообращения, в особенности кровообращения головного мозга. В результате своих экспериментов он пришел к выводу (верному выводу) о том, что внезапные потери сознания у пилотов, страшные «отключки» при резких изменениях направления полета, связаны с ухудшением кровоснабжения головного мозга. Хайнц Хабер описал языком физики и математики те события, которые играют роль, например, при маневрах воздушных судов.

Сразу после войны Гауэр, Хабер и другие ведущие ученые в области авиации и космических исследований были интернированы американцами в здании Института Кайзера Вильгельма в Гейдельберге главным образом для того, чтобы эти специалисты не попали в руки Советов. В это время они вместе работали в Гейдельберге над книгой «Немецкая авиация во Второй мировой войне», а кроме того, и над теоретическим трудом «Человек в условиях невесомости». Это была первая в мире публикация, посвященная возможному влиянию невесомости на человеческий организм. В начале пятидесятых Отто Гауэр и более шестидесяти других ученых и инженеров в ходе тайной американской операции под кодовым наименованием «Скрепка» были через Мексику вывезены в Соединенные Штаты. Там им была поставлена задача участвовать в создании и развитии Национального управления по аэронавтике и освоению космического пространства (НАСА). Только в 1960 году Гауэр – вместе с Хайнцем Хабером – вернулся из США в Германию.

Их одноименная книга «Голубая планета», изданная в мягкой обложке, стала первым научным трудом, который я проглотил за один присест. Темы, затронутые в нем, очаровали меня, они не только возбудили мое любопытство, они породили желание участвовать в этих исследованиях. Я написал конкурсную статью о моих предсказаниях на следующие пятьдесят лет, а также начал писать статьи о геологии долины Пепельше, ручья в округе Зост в школьной газете «Ирис» гимназии «Замок Оверхаген». Этот печатный орган в то время был заполнен материалами о Че Геваре, Фиделе Кастро, Руди Дучке, «Власти Черных», Пасхальных маршах или бесчинствах полиции, а также о новейших музыкальных течениях – группе The Beatles и Procol Harum. Я же в то время покупал себе книги по геологии, палеонтологии и астрономии.

Неудивительно, что очень скоро в родительском саду появился маленький телескоп. Зимой с нашего участка открывался великолепный вид на Орион, его туманность и некоторые планеты. Особое место в моей коллекции занимала книга Герберта Вендта «До наступления потопа». Мне повезло: в последующие десятилетия я бы нигде не смог приобрести эту библиографическую редкость, этот талмуд толщиной в Библию с двумя морскими лилиями юрского периода на желто-белом переплете – морскими лилиями из Музея первобытной истории Гауффа. Истории и рассказы о палеонтологии, как я сейчас понимаю, были для меня способом бегства из тесного мирка пасторского дома; кроме того, они пробудили во мне желание изучать палеонтологию. Физиология как наука была для меня тогда темна и казалась далекой, как докембрий.

Таким образом, все началось с мечтаний в поисках окаменелостей и с холодных зимних ночей при ясном небосводе у телескопа. Тогда человек и его организм, его физиология, не стояли в центре моего внимания. Только много позже выкристаллизовалось желание изучить и ее, чтобы понять, как все это связано – тело, окружающий мир и космос. Иногда я спрашивал себя, почему это интерес не проснулся у меня еще в ранней юности. Возможно, причиной был пасторский дом, точнее говоря, протестантизм. Отречение от телесного, от чувственных радостей считается в протестантизме добродетелью, свидетельством силы характера. Ценностью считается поистине аристократическое осознание свободы, основанной на упорядоченном и внутренне управляемом образе жизни, которую все и каждый рассматривают с некоторым отчуждением. Дух и духовное стоят в центре мироздания, но не тело.

Тем не менее наш дом был домом открытым. В сенях, которые отделялись от внутренних помещений дома распашной дверью, на стене висел небольшой простой крест, а рядом с ним цветная геологическая карта Зауэрланда масштаба 1:200 000. На этой карте цветными булавками отмечались места находок окаменелостей и интересных минералов в нашей местности. Некоторые гости в недоумении останавливались перед этой картой, но им объясняли, что это увлечение одного из детей. Удовлетворившись этим объяснением, гости проходили влево, в «хозяйскую» комнату. Это могло происходить в любое время дня и ночи. Пасторский дом, пастор, пасторское семейство и община считались одним целым. Поэтому семья служила общине образцом в светском и христианском образе жизни. Для нас – моего брата, моей сестры и меня – это означало, что мы все время находились под неусыпным наблюдением. Мой отец воспринимал некоторые наши «шалости», но, руководствуясь известной крестьянской хитростью, ничего при этом не говорил, а дожидался комментариев матери, чтобы потом, словно реагируя на ее слова, высказаться, вмешавшись в разговор или конфликт. Религиозные свои обязанности он отправлял свежо, не по-миссионерски, и ханжеские житейские наставления были ему – благодарение Богу! – чужды и подозрительны; он не присваивал себе «Главу, покрытую ранами». Он всегда умел находить удивительно практичные решения самых щекотливых вопросов повседневной жизни, и решения эти он мог без всяких усилий согласовывать со своей совестью. Он глубоко усвоил положения Мартина Грейфенхагена об «Обмирщении благой вести» и сделал их основой жизни в пасторском доме. Проповеди он сочинял в уже упомянутом кабинете в субботние вечера, заполняя своим угловатым четким почерком маленькие листы бумаги размером А5. Свои мысли он записывал, сидя за слишком маленьким письменным столом, ящики которого были набиты всякой всячиной – множеством чернильниц, купленных, судя по этикеткам, в разные десятилетия, разнообразными авторучками, баночками с клеем, извещениями о крещениях и венчаниях. Ко всем этим вещам он относился очень сосредоточенно. Однако во время проповеди он, как правило, отрывался от написанного и «возвещал слово» простыми предложениями, произносимыми мощным проникновенным голосом, а для того, чтобы, как он говорил, «подкрепить душу», отец, с помощью виртуозного органиста Уфера, выжимавшего все возможное из регистров маленького органа, стал петь на проповедях. Отца хорошо знали благодаря его урокам Закона Божьего в гимназии «Замок Оверхаген». Занятия он проводил в капелле замка. Он парковал свой старенький белый BMW 2002 года выпуска у входа в капеллу. Из хранилища наглядных пособий он извлекал проектор, динамик, экран и коробки с фильмами. Перед алтарем он ставил экран, вынимал пленки из алюминиевых коробок, а затем устанавливал заряженные катушки с пленкой в переднюю часть проектора, а пустые – в заднюю. Теперь оставалось только вставить целлулоид в нужные прорези, и после короткого треска фильм начинался: «Ровно в полдень» Фреда Циннемана или «Альберт Швейцер» Эрики Андерсон. Вестерн? Это может показаться удивительным, но более уместен «Альберт Швейцер». Этими фильмами он хотел внушить нам на уроках Закона Божьего честное отношение, совестливость, призвание и ответственность во всех делах. Его отношение, необычная форма преподавания снискали признание не только среди учеников-евангелистов, но и среди некоторых католиков, которые посещали уроки отца. Его это очень трогало. Он был скорее духовником, нежели священником.

Когда позволяли дела общины в течение недели, он возил меня на разные образовательные мероприятия в народных школах нашего региона, чтобы я лучше познакомился с его геологией. Сегодня я, пожалуй, хорошо понимаю, что он думал, когда мы сидели в аудитории и слушали какой-нибудь доклад о кораллах девонского периода или о меловом периоде в Зауэрланде, читанный профессором-палеонтологом из Мюнстерского университета на чистейшем австрийском диалекте. Кому это было интересно? Как всегда, обоим родителям, которые всегда выказывали интерес к тому, что интересовало меня, а это решающий фактор, поскольку он укрепляет и придает уверенности.

Моя мама была интеллектуалкой с быстрой реакцией, очень проницательной, а от ее наблюдательности не могла укрыться ни одна деталь. Она проявляла колоссальную эмпатию к душевно и телесно больным людям. Разумеется, в нашем доме она устанавливала, почти насильно, единение и связь, от которой мне удалось каким-то образом ускользнуть, – но мама, по каким-то известным ей одной причинам, скорее поощряла такое мое отчуждение; моим братьям и сестрам это, по их признанию, удавалось только с помощью околичностей и иносказаний, прибегая к эвфемизмам. Мама всегда скрупулезно следила за тем, чтобы пасторский дом служил для всех образцом и имел незапятнанную репутацию. Самый показательный, на мой взгляд, пример – это случай банальной перевозки мебели. Я участвовал в федеральном конкурсе «Вестники науки» и выиграл особый денежный приз, на который купил себе в Липштадте дубовый письменный стол с множеством ящиков и изящной фурнитурой. Когда встал вопрос о перевозке этой чудо-мебели в Мюнстер, я попросил одного моего одноклассника одолжить мне его огромный «мерседес-комби». Друг не отказал, я погрузил в машину стол и привез его к себе, припарковав машину прямо у входа в родительский дом. Впрочем, надо признать, что это был не просто обычный «комби», нет: это был автомобиль с гигантским просторным салоном, глядя на который, можно было сразу сказать, что в нем и раньше не раз возили дубовую мебель. Отца эта машина сильно позабавила, но мама была просто в ужасе: «Что подумают люди – немедленно убери отсюда это чудовище!» Да, для мамы всегда было очень важно, что люди общины думают о доме пастора. Отец относился к этим вещам куда спокойнее. Поэтому нет ничего удивительного в том, что он с удовольствием участвовал в ежегодном стрелковом фестивале в Беннингхаузене и палил по деревянным птичкам, а мама при этом скрещивала пальцы, надеясь, что после его выстрела птичка останется сидеть на месте. Она не могла это видеть, хотя птица была всего лишь деревянным макетом.

Впрочем, в нашем доме было все, что нужно для нормальной жизни. Родители были горды тем, что каждый из нас смог отучиться по двадцать семестров, – но, внимание, все это обучение находилось под строжайшим контролем; работы, табели, результаты экзаменов – все это должно было предъявляться родителям без всяких понуканий с их стороны. Нужны деньги на книги? Нет проблем, но будь любезен представить чек. А мы? Мы без проблем использовали эту фору, чтобы на всю катушку использовать двадцать семестров. Мой брат одновременно изучал сначала теологию, а потом и медицину, сестра начала изучать психологию, а затем все же обратилась к теологии, а я, начав с геологии и палеонтологии, закончил изучением медицины.

На самом деле в медицину я попал по чистой случайности – в результате разговора с одной приятельницей в студенческой столовой в Мюнстере. Она обратила мое внимание на то, что в тот день истекал срок подачи заявлений на медицинский факультет на следующий семестр, и в тот год время, проведенное на обучении другим специальностям, засчитывалось как время ожидания. Это заставило меня глубоко задуматься. Я немедленно покинул столовую, спешно собрал все необходимые документы и отправился в Дортмунд, куда успел за пятнадцать минут до полуночи, подал документы в комиссию по распределению учебных мест и получил такое место, причем снова в Мюнстере. Был ли в моих действиях какой-то план? Нет. Терял ли я что-нибудь? Нет. Наверное, мне просто было любопытно посмотреть, чем все это кончится и как будут развиваться события. Правда, много делать здесь я не мог, потому что я тогда неполный день учился в геологическом институте, где изучал – вполне серьезно! – обратную сторону Луны. К этому я еще вернусь.

Получив новое учебное место, я получил и целую проблему. Тогда было слишком много студентов, которые записались только на геологию, чтобы пройти такие основополагающие дисциплины, как биология, химия и физика. После получения сертификатов они имели возможность в дальнейшем претендовать на обучение медицинским специальностям. Понятно, что в геологическом институте на такие вещи смотрели неодобрительно, и мне не хотелось иметь ничего общего с этими студентами. Мое преимущество заключалось в том, что многие мои сертификаты были тотчас признаны для обучения медицине. Так и получилось, что на первых семестрах мне пришлось сосредоточиться на нескольких необходимых предметах, чтобы успешно продвигаться в изучении медицины: по утрам я препарировал трупы в анатомическом институте, а после обеда занимался исследованием обратной стороны Луны. Так выглядел мой обычный учебный день.

Из дополнительных предметов, которыми я занимался в то время, мне больше всего запал в память курс представления науки в кино и других средствах информации. Этим интересом я обязан не только юношескому увлечению передачами Гейнца Хабера; этот интерес усилился после того, как я в семидесятые годы познакомился с документалистом Мартином Шлисслером из Баден-Бадена. Его захватывающие фильмы о рискованных экспедициях – их показывали преимущественно на Пасху и Рождество – пробудили во мне неподдельный интерес. Он проследил в своих фильмах путешествие Александра фон Гумбольдта по бассейну реки Ориноко, по его следам взбирался на Чимборассо. Он зарабатывал на жизнь такими репортажами и рассказами, которые переносили зрителей в самые отдаленные уголки нашей планеты.

Знакомство с Шлисслером помогло мне сделать более профессиональными путевые заметки для газет, журналов и публичных выступлений по возвращении из Марокко, страны, до которой можно было добраться всего за пару дней, но которая – по тогдашним меркам – воспринималась большинством бундесбюргеров как место относительно экзотическое. С первых же семестров на геолого-палеонтологическом факультете я каждый год ездил туда для исследования геологических окаменелостей, чем завершил мое знакомство с геологией Северной Африки и стал выступать как докладчик в рамках организации Document-Vortragsrings (Мюнхен), вооружившись диапроектором, экраном и образцами, в самых захолустных уголках Германии: я делал доклады в пивных, молодежных хостелах, заводских цехах, в «Урании», а позднее и на круизных судах. Таким образом мне удавалось зарабатывать деньги не только на учебу, но и на следующие путешествия.

Когда, по окончании шести семестров, я был уже готов к защите диплома, я решил – и это вполне объяснимо – заняться исследованием марокканской области Антиатлас. Были уже готовы все разрешения от Горного министерства в Рабате, когда весной 1976 года разгорелся давно тлевший в Западной Сахаре конфликт. Марокко вело войну против Френте-Полисарио, фронта освобождения зарауи – народа, населяющего этот район Атлантического побережья Северо-Западной Африки. За год до этого та область освободилась от колониальной власти Испании, и организация провозгласила Демократическую Республику Сахары, бросив тем самым вызов Королевству Марокко. Эти политические события похоронили все мои планы, и я был вынужден искать альтернативу.

Вместе со Штефаном, другом детства, мы предприняли составление геологической карты Монтес-де-Толедо в Центральной Испании. На много недель мы разбили наш лагерь в Порсуне, крошечной деревушке в Ламанче. Этот лагерь представлял собой старый – даже по тем временам – автобус «фольксваген» с раздельными ветровыми стеклами и громыхающими боковыми распашными дверями, которые порой открывались во время движения; и трапециевидную вместительную палатку без подкладки, но зато со столом, стульями, портативной газовой плиткой, газовой лампой и всевозможными припасами – консервами и суповыми концентратами. Вечером, под открытым небом, свет этого газового рожка создавал в лагере подлинный уют. Мы раскладывали на раскладном столе наши находки – образцы пород и окаменелости, пристально их изучали и описывали. После этого данные заносились в полевой журнал вместе со сведениями о месте обнаружения или о пространственном положении слоев горных пород или, как говорят геологи, о «простирании породы». Это простирание устанавливается с помощью геологического компаса, который наряду с молотком, карандашом и полевым журналом считается важнейшим инструментом работы геолога в поле. Самое интересное, что в геологическом компасе запад и восток меняются местами, а деление лимба на 360° направлено влево, то есть против часовой стрелки. Это делается из чисто практических соображений, поскольку при работе с геологическим компасом, при наложении его на слои пород, стрелка должна всегда показывать на север. Для того чтобы надежно контролировать положение компаса, этот стандартный инструмент геолога снабжен миниатюрным водяным уровнем и маятниковым отвесом, с помощью которых определяют угол наклона слоя породы к поверхности земли. Результаты измерений переносятся на топографическую карту. Так, шаг за шагом, создавалась подробная геологическая карта Монтес-де-Толедо. Особенно полезными оказались данные черно-белой аэрофотосъемки, полученные нами перед отъездом из Мюнстера в архиве снимков с воздуха. С помощью отрегулированного полевого стереоскопа, работающего, как Viewmaster, которым пользуются в кинотеатрах и трехмерные изображения которого приводили меня в восторг еще в детском саду, мы смогли на нашем складном столе в Порсуне получить в высоком разрешении трехмерные изображения области, нанесенной нами на карту. Какой же это чудесный инструмент! Благодаря ему мы были избавлены от необходимости лично обходить местность, особенно те ее участки, которые изобиловали клещами и весьма живописными змеями.

Естественно, за этим складным столом не только хорошо работалось, за ним отлично елось и пилось. Деревенская молодежь с воодушевлением принимала участие в наших посиделках, которые иногда заканчивались поздно ночью в единственном местном баре «Лос-Эрманос» на центральной площади. Это было прекрасное отвлечение от тяжелых будней. Правда, местных служащих гуардиа-сивиль в их комичных треуголках с трапециевидным клапаном на затылке больше интересовала законность нашей странной деятельности. Но к этому мы были прекрасно подготовлены, так как запаслись в Мюнстере и Мадриде разрешительными документами на испанском языке со всеми положенными печатями.

Путь к этим исследованиям проторил немецкий геолог Франц Лотце. Он занимался ими в Испании и Марокко несколько десятков лет, имел полезные связи во всех инстанциях, вплоть до министерств, а с 1948 по 1968 год был директором Геолого-палеонтологического института Вестфальского университета Вильгельма в Мюнстере. Один из его многочисленных учеников, Лютц Бишоф, продолжил работу в Испании и специализировался в аэрофотогеологии, в области, которой я сильно заинтересовался, будучи студентом-геологом. Новые возможности аэрофотогеологии стали темой моей дипломной работы в узком смысле и привели меня к умению оценивать данные о геологическом строении Центральной Испании, полученные со спутника LANDSAT-2. К тому же я посещал Немецкое общество исследований с использованием авиации и космических аппаратов (НОИИАКА) в Оберпфаффенхофене, которое тогда именовалось такой ласковой аббревиатурой.

После получения диплома мне предложили работу на полставки в геологическом институте, где мне предстояло участвовать в расшифровке снимков, переданных с борта космических аппаратов «Аполлон-15», «-16» и «-17». Эти работы велись в рамках особой области планетологии, системы «Земля – Луна», в лаборатории, расположенной в Вестфальском университете Вильгельма в Мюнстере. Эта лаборатория исследовала вопрос о том, была ли Луна изначально полностью расплавленной или в начале своего развития представляла собой холодное блуждающее тело, образовавшееся в ранней фазе развития планетарной системы. То, насколько актуален этот вопрос до сих пор, можно судить по тому, что китайский лунный зонд «Чан-5» в ноябре-декабре 2020 года был запущен среди прочего именно для исследования этого вопроса. Наши тогдашние расчеты скорости охлаждения массы Луны позволили прийти к заключению, что, если Луна с самого начала представляла собой полностью расплавленное тело, то сейчас на ее поверхности должны наблюдаться деформации и трещины, в особенности на обратной, высокогорной стороне нашего естественного спутника. Обратная сторона Луны, в отличие от ее видимой стороны, не подвергалась частым ударам метеоритов, не сильно деформирована и по большей части представлена более древними породами, нежели видимая сторона, что подтверждает область морей, так называемое Лунное море. Эта область, Мария, занимает 16,9 % поверхности Луны. Преимущественное расположение этой области на ближней к Земле стороне привело к возникновению так называемого лунного лика. Лунные моря возникли в результате наплыва застывшей затем лавы после грандиозного столкновения Луны с другим небесным телом, каковое произошло в промежуток между 3,1 и 3,8 млрд лет тому назад. Рассматриваемые деформации в высокогорных областях обратной стороны Луны, согласно нашим расчетам, геологически должны быть намного моложе, едва ли они старше 200 миллионов лет. Можно представить себе, что Луна, медленно остывая в течение миллиардов лет, съежилась, как забытое на столе яблоко. Действительно, мы смогли доказать существование этих тонких структур только с помощью снимков, полученных с «Аполлонов».

За эту работу мы подверглись сокрушительной критике, так как весь ученый мир придерживался того взгляда, что Луна – холодное небесное тело и всегда была такой. Тридцать лет спустя – в 2010 году – сижу я в Кафе де Норманди на Кантштрассе и читаю в Tagespiele сообщение, перепечатанное из журнала Science, в котором говорится, что одной группе американских ученых удалось получить убедительные доказательства того, что изначально Луна представляла собой полностью расплавленное небесное тело. Так-так. Все-таки работа нашей группы получила наконец признание. Впрочем, я в то время и сам, можно сказать, попал на невидимую сторону Луны и заблудился там, потеряв почву под ногами. Вероятно, я слишком далеко заплыл и, увлекшись, не заметил встречного течения. Мой американский научный руководитель не пришел в восторг, когда я признался ему в том, что изучаю медицину; стоит ли удивляться, что все кончилось крахом. Со мной не продлили трудовой договор, а просьба о предоставлении поощрительной стипендии была отклонена. Точка.

В течение следующих нескольких месяцев я занимал вакантное место ассистента в палеонтологическом институте и, в рамках проекта Немецкого научного общества Зауэрланда, раскапывал остатки игуанодонов – проще говоря, доставал кости динозавров – в отложениях мелового периода; эти исследования позволили реконструировать необычное скопление костных остатков в районе Брилона. Трезвый анализ моего положения показал: всякие притязания на геологическую и палеонтологическую карьеру в Мюнстере можешь забыть, а это означало: забудь вообще о геологии и палеонтологии и сосредоточься на изучении медицины. Довольно долго я решал, как мне быть с этой проблемой. Мама, как это ни удивительно, находила этот мучительный процесс, продолжавшийся больше полугода, скорее благом, причем я так и не понял: она считала, что это хорошо, потому что я должен был наконец разобраться сам в себе или потому что кто-то наконец обозначил мне границы? Как бы то ни было, она, как всегда, не стала делать из этого трагедию и, как бы вскользь заметив: «Посмотри, может быть, тебе это будет интересно», дала мне статью, опубликованную в Немецкой врачебной газете. Речь в статье шла о немецкой космической программе Spacelab-1 и о медицинских исследованиях, которые проводил в космосе доктор Ульф Мербольд. Действительно, это показалось мне интересным. До того момента я не знал, что эти исследования на борту космического корабля были основаны на работах физиолога Отто Гауэра. Незадолго до своей смерти он представил Европейскому космическому агентству результаты исследований изменения венозного давления в условиях невесомости; эти исследования были продолжены коллегой Гауэра, профессором Карлом Киршем.

Для того чтобы выбраться из затруднительного положения, в каком я оказался в Мюнстере, мне следовало обеспечить себе место обучения, поменять его, разорвать порочный круг, как выражаются нынешние консультанты, причем как можно скорее, и уехать как можно дальше от Мюнстера. Легко сказать, но сделать это было тогда так же трудно, как и теперь, поскольку нужно найти партнера по обмену. И я его нашел в 1984 году в Берлине. Там я раньше был только один раз, незадолго до окончания школы, в 1973 году. Стояла промозглая туманная январская погода, когда мы с классом на пару дней туда приехали. За четыре года до того случая у меня была теоретическая возможность посетить этот разделенный город. В конкурсе сочинений, проведенном организацией католической молодежи Северной Рейн-Вестфалии, моя работа «Мои предсказания на следующие тридцать лет» получила первую премию – поездку в Берлин. Прекрасная награда. К сожалению, я не смог ею воспользоваться, потому что к тому времени мне еще не исполнилось шестнадцати. Зато я получил денежный приз, на который купил новенький мопед, что значительно расширило область моих поездок на поиски окаменелостей в Зауэрланде. Этот серебристый мопед я нарек именем Дино, что мои родители восприняли спокойно, хотя и сдержанно, а одноклассники посчитали чудачеством и тихо посмеивались надо мной. Мои предсказания относительно тридцатилетнего будущего – с 1970 по 2000 год – между прочим по большей части не оправдались; мы не заселили ни Луну, ни Марс и не научились создавать новые нервные клетки введением искусственных медиаторов. Но, может быть, оба предсказания сбудутся через пару-тройку десятилетий.

В круговом обмене, в котором участвовали четыре университета, я смог найти учебное место в Берлине. Студентка-медичка по фамилии Глюк абсолютно не чувствовала себя счастливой в Берлине, и в особенности в Нойкельне, где она проживала, и просто не могла поверить свалившемуся на нее счастью: нашелся человек, который хотел поменяться с ней учебными местами. Она с радостью уступила мне свое место на медицинском факультете Свободного университета и отбыла в Западную Германию. Я же был просто очарован этим обменом и переездом в Берлин, потому что туда же занесло мою первую любовь. Ее отец, известный колбасный фабрикант, продукция которого, украшенная эмблемой в виде мельницы, была очень популярна, смог «организовать» для своей дочки вожделенное место обучения на медицинском факультете Свободного университета. Теперь она жила в уютной старинной квартире на четвертом этаже дома, стоявшего в глубине Гледичштрассе в Шенеберге. Именно туда я приехал с двумя чемоданами в первые мартовские дни 1984 года и скоро съехал оттуда, когда нашел квартиру на Дройзенштрассе, неподалеку от Курфюрстендамм в Шарлоттенбурге. Это мое новое местожительство имело одну астрономическую особенность: один раз в год, в день летнего солнцестояния, около полудня, солнечные лучи падали в окна первого этажа, но только в том случае, если были откинуты створки окон седьмого этажа впереди стоявшего дома. На берлинском наречии эта часть дома называлась садовым павильоном. Маленькая темная двухкомнатная квартирка стала на последующие годы моим убежищем и местом набегов многочисленных друзей из Западной Германии. Оказавшись в Берлине, я наконец пришел к решению, что будет лучше, если я отрешусь от прошлого и начну в темпе заниматься новой карьерой.

В 1984 году я случайно прочел в берлинской Tagespiegel статью о командировке в США двух немецких ученых: профессора Винау из медико-исторического института и профессора Кирша, уже упоминавшегося ученика Отто Гауэра, из Физиологического института Свободного университета в Берлине. В рамках своего задания, порученного им Немецким научным обществом, они побеседовали с тогда еще живыми немецкими авиационными и космическими специалистами тридцатых годов, чтобы больше узнать об операции «Скрепка» как с американской, так и с немецкой стороны и выяснить роль принимавших в ней участие организаций. В ходе работы оба ученых в каком-то гараже в Сан-Антонио (Техас) обнаружили Гейдельбергский доклад за 1945–1947 годы, отпечатанный на пишущей машинке, с черно-белыми фотографиями и черновиками. В этом докладе были описаны работы специалистов по авиации и космическим исследованиям того времени, в том числе работы Отто Гауэра и Гейнца Хабера в бывшем Институте Кайзера Вильгельма в Гейдельберге. Эта брошюра представляла собой неофициальный доклад, составленный под наблюдением полковника Роберта Бенфорда, который руководил операцией на месте. Некоторые из интернированных в Гейдельберге лиц, например авиационные врачи Герман Беккер-Фрейзенг и Зигфрид Руфф, предстали позже перед судом в Нюрнберге, в процессе обвиненных в военных преступлениях врачей, в ходе которого была вскрыта самая темная глава немецкой авиационной и космической медицины. Гейнц Хабер и Отто Гауэр не принадлежали к кругу этих личностей. В Гейдельбергском докладе, составленном сразу после окончания войны, были описаны конкретные цели образцовой организации работы ведущих специалистов по авиационным и космическим исследованиям Третьего рейха в Институте Кайзера Вильгельма. Доклад интересен еще и тем, что без прикрас называет цели американской акции, проведенной в июне 1945 года: использование (exploitation) немецких ракетостроителей и специалистов по авиационной медицине. Эти знания в числе прочего помогли американцам через двадцать пять лет опередить русских и высадиться на Луне. Примечание на полях статьи пробудило во мне особый интерес: берлинские ученые обратили пристальное внимание на одного ученого, который до двадцатых годов в кайзеровском Берлине проводил новаторские исследования по авиационной медицине. Об этом ученом почти ничего не было известно. Его имя – Натан Цунц. Я принялся за работу. Пять лет спустя, в 1989 году, под руководством Карла Кирша я написал докторскую диссертацию на тему «Жизнь и труды берлинского физиолога Натана Цунца и его особая роль в развитии высокогорной и авиационной медицины». Натан Цунц, который почти сорок лет, с 1881 по 1918 год, работал в королевской высшей сельскохозяйственной школе в Берлине и был ключевой фигурой в идейной истории высокогорной и авиационной медицины, внес огромный вклад в физиологию питания и обмена веществ. Его перу принадлежат почти семьсот научных работ, его три раза номинировали на Нобелевскую премию по медицине и физиологии. Труды Цунца не печатались в Третьем рейхе в связи с его еврейским происхождением; последовавшие затем перипетии войны привели к тому, что имя этого ученого было забыто.

Тема диссертации была только началом, она послужила запалом. То, что я переживал по отдельности, вдруг сложилось в цельную мозаику, и передо мной развернулась неожиданная динамика. Самое необычное во всей этой истории – то, что уже в мае 1987 года я получил место ассистента в рабочей группе Карла Кирша. Кирш долго держал это место вакантным, так как, по его мнению, не было достойных кандидатов, и он придерживался – исходя из опыта – железного принципа: лучше вообще не иметь ассистента, чем брать неподходящего человека. Разумеется, бесконечно тянуть с этим вопросом тоже было нельзя, так как в противном случае место могли просто ликвидировать или отдать другой рабочей группе. Его заботами наша совместная работа в рамках подготовки моей диссертации оказалась целенаправленной, и он понимал, что охотно возьмет меня, но не мог этого сделать, так как я еще не был к этому готов; но действовать надо было быстро, чтобы не потерять место. Тема эта каким-то образом сильно его заинтересовала, и однажды, весной 1987 года, он спешно позвонил мне и спросил: «Есть ли у Вас свидетельство о геологическом образовании?» Это было гениальное решение. Я подал заявление вместе с дипломом и в мае 1987 года был принят на должность геолога в Физиологический институт, хотя еще не завершил медицинское образование. Изучив правила замещения вакантных должностей в Свободном университете Берлина, Кирш узнал, что для приема на работу требуется только диплом об образовании, не обязательно профильном. Как я убедился в последующие годы, Кирш обладал великим даром находить неординарные решения, особенно в тех случаях, когда на пути к цели возникали бюрократические препоны. Превосходный пример этой способности был явлен спустя несколько месяцев после моего назначения в рабочую группу. Одна лаборантка изъявила желание поставить зеркало в раздевалку. Соответствующее заявление было направлено руководству и сразу же отклонено. Тогда Кирш заказал для Физиологического института «человеческий рефлектор», и эта просьба была немедленно удовлетворена.

Вскоре состоялось наше совместное научное «боевое крещение». В 1988 году – я к этому времени уже сдал государственные экзамены и получил разрешение на врачебную практику – должна была состояться научная экспедиция в Гану, в Субсахару. Общество технического сотрудничества (ОТС), ныне Общество международного сотрудничества (ОМС), попросило провести исследование условий труда на ганских золотых приисках. В этих условиях играли роль как физические и климатические нагрузки на приисках и вне их, так и состояние здоровья и питание работников. Важная и интересная тема, прекрасный старт для меня в области физиологии человека в экстремальных условиях окружающей среды.

После работы в рудниках, которая напомнила мне мои прежние геологические изыскания, я занялся научным исследованием темы высотной физиологии в работах Натана Цунца, а в девяностые годы сосредоточился на приспособлении человека к умеренным и экстремальным высотам в Альпах и Андах при длительных физических нагрузках и в условиях изоляции. В частности, я исследовал синтез и секрецию кроветворного гормона эритропоэтина, больше известного по аббревиатуре ЭПО. Так как к тому времени были получены данные о том, что в условиях невесомости выработка этого гормона уменьшается, я смог провести соответствующие исследования на космических кораблях «Шаттл» и «Союз». Так после исследований в глубине рудников, после изучения выносливости в условиях высокогорья я, наконец, оказался в космосе. В 1997 году, будучи в доцентуре, я свел воедино данные моих лабораторных и полевых исследований и в том же году получил должность приват-доцента. Теперь передо мной, как и перед всяким уважающим себя приват-доцентом, встал вопрос: когда, как и насколько успешно я стану профессором?

В моем случае самым интересным было «как», поскольку раньше начавшиеся исторические события по необходимости оказали влияние на мое становление как ученого: падение стены в 1989 году, последующий выбор Берлина в качестве места пребывания правительства, а также учреждение Немецкого агентства по исследованию космического пространства (НАИКП). НАИКП, находившееся в Бонне, стало организационно и по существу преемником НОИИАКА и уполномоченным органом Федерального министерства исследований и технологии в сфере космических исследований. Задачей НАИКП стало, по поручению федерального правительства, планирование германской космонавтики, проведение немецких программ космических исследований, а также распределение заданий и ассигнований в рамках имеющихся средств, например финансирование университетов, защита интересов немецкой космонавтики в международной области, особенно в сотрудничестве с Европейским космическим агентством. После того как канцлер Коль и Горбачев договорились об объединении Германии, впереди замаячила перспектива совместной космической миссии («Мир-92»).

Вскоре после этого Карлу Киршу позвонили из Бонна (из НАИКП) и спросили, не сможет ли он в кратчайший срок подготовить дизайн одного медицинского эксперимента для станции «Мир». Сделать это надо было во что бы то ни стало. Лаборатория низких температур Свободного университета, прямо в кампусе нашего тогдашнего Физиологического института в Берлин-Далеме, построила измерительный агрегат. Это был ультразвуковой прибор для измерения толщины кожных покровов на голове и на ногах, для того чтобы оценивать смещение жидкости вдоль оси тела астронавта/космонавта в условиях невесомости. Монтаж и испытания аппарата прошли быстро и гладко с самого начала благодаря тесному сотрудничеству с НАИКП, с российскими коллегами и тому факту, что подобный прибор был уже разработан для запланированного на следующий, 1993 год, полета немецких астронавтов на борту шаттла STS-55 (Система космической транспортировки, Space Transportation System). Мы испытали прибор в климатической камере института, а также подвергли нагрузкам на центрифуге, а затем передали его российским космонавтам.

Весной 1992 года с Байконура стартовал космический корабль с немецким космонавтом Клаусом-Дитрихом Фладе на борту. Полет продолжался одну неделю. Фладе стал первым западногерманским космонавтом, прибывшим на космическую станцию «Мир». В 1997 году, пять лет спустя, на станцию отправился доктор Райнхольд Эвальд и пробыл на ней один месяц. В рамках этой миссии я смог провести эксперимент по изучению кроветворения при длительном пребывании в космосе. Результаты этого эксперимента были опубликованы в авторитетном журнале «Ланцет». Обе миссии на «Мире», в 1992 и 1997 году, сыграли решающую роль в установлении взаимного доверия. Эти миссии заложили фундамент успешного сотрудничества России и Германии в области космонавтики, которое продолжается на борту Международной космической станции (МКС). Космонавтика – это тоже поле для взаимопонимания между народами, что с самого начала хорошо понимали Коль и Горбачев.

В октябре 1997 года НАИКП, в рамках реорганизации немецкой космонавтики, было преобразовано в Немецкий институт авиации и космических полетов (НИАКП). В Агентстве космических исследований в Бонне и в космической промышленности росло понимание того, что имеет смысл создать научный центр «Исследований космоса» в университетах и исследовательских учреждениях столицы. Так, в 2000 году по инициативе НИАКП состоялось учреждение Центра космической медицины в Берлине (ЦКМБ), в котором были объединены шесть исследовательских групп Свободного университета. Одновременно, совместно с космической промышленностью (AIRBUS, Бремен), заводом Кейзер-Треде (ныне OHB, Бремен) и одним частным учредителем, берлинским врачом и одновременно представителем организации «Еврейские врачи Германии» доктором Скобло, были проведены переговоры с целью создания фонда для оплаты труда профессоров космической медицины в Свободном университете Берлина. Учредителям фонда это представлялось необходимым, потому что профессорская должность Карла Кирша в списках руководства университета была обозначена зловещей аббревиатурой «в. л.» – возможна ликвидация. Таким сокращением обозначались должности, которые, по мнению администрации, подлежали сокращению из соображения экономии средств. Переговоры с различными организациями и их представителями, включая и университет, поначалу шли очень непросто, поскольку оплата профессуры из частных фондов была тогда для Свободного университета делом совершенно новым.

Потом начались неприятные события. Один из потенциальных учредителей отказался от участия, и надо было найти нового. Это удалось сделать, но все закончилось 1 февраля 2003 года: после двухнедельного нахождения на орбите 113-я миссия шаттла STS-107 завершилась после трагической катастрофы на корабле «Колумбия», в результате которой погибли все семь членов экипажа. Я понимал, что учреждение фондовой профессуры, на которое я возлагал большие надежды, будет теперь отложено, возможно, на годы, потому что все запланированные полеты пилотируемых кораблей будут приостановлены. К моему удивлению, руководство фонда не разделяло это мнение и продолжало свою работу в прежнем темпе, и конкурс на замещение вакантной должности профессора космической медицины и медицины экстремальных условий был объявлен летом 2003 года. В последнем раунде выборов участвовали три кандидата, и комиссия поставила меня primo loco, то есть, переводя со звучной латыни, на первое место; так я стал, по приглашению фонда Натана Цунца и на его деньги, профессором космической и экстремальной медицины.

За этим последовало весьма причудливое празднество по поводу учреждения фондовой профессуры, которое состоялось в актовом зале новой синагоги с золоченым куполом на Ораниенбургерштрассе в центре Берлина. В зале собрались все учредители и около 200 гостей: политиков, ученых и экономистов. После приветствия главного раввина синагоги слово взял бывший бургомистр Берлина Вальтер Момпер, при котором, как известно, произошло падение стены. Момпер приветствовал меня как врача советских космонавтов, ставшего теперь профессором Берлинского университета. Это показатель, подчеркнул он, что народы объединяются после падения стен, – это была картина, не вполне соответствовавшая реальности. Очевидно, ошибку допустил спичрайтер Момпера. Некоторые мои знакомые в аудитории были слегка раздражены, но я отнесся к словам выступавшего с юмором, а затем выступил с докладом о жизни и деятельности Цунца.

О чем я говорил? Каковы были животрепещущие темы, за которые мне следовало с самого начала взяться в моей новой должности? Я нашел тему кроветворения, тему эритропоэтина, исчерпанной и обратился к терморегуляции человеческого организма, которой я интенсивно занимался начиная с девяностых годов и поэтому сделал ее основным содержанием своей вступительной лекции. В лаборатории я в то время экспериментировал с жидкостными температурными датчиками, с помощью которых можно лучше описать теплообмен человека с окружающей средой. Проект финансировался НИАКП, и в конечном счете нам удалось создать измерительный прибор. С 2003 года он подвергся многочисленным усовершенствованиям и был использован в исследовательской программе Европейского космического агентства под названием «Термолаб» в 2008 году. Программа выполнялась на борту Международной космической станции. Исследования были завершены в 2014 году. Было показано, что теплообмен между астронавтом и окружающей средой значительно уменьшается в условиях невесомости, что на фоне выполнения тяжелой физической нагрузки приводит к быстрому повышению температуры тела. Это был совершенно неожиданный результат, о котором мы сообщили в статье, опубликованной в журнале Nature Scientific Reports в 2018 году. Ход изменения температуры тела в течение суток – важный сигнал в синхронизации множества телесных функций; поэтому исследования в этом направлении были продолжены на МКС до 2019 года. Оценка результатов работы «Термолаба» продолжается и сейчас, но уже планируется разработка новой, улучшенной системы, которая после испытаний на МКС, вероятно, найдет свой путь к Луне – Gateway. Можно сказать, что я, таким образом, «вернусь» на Луну.

Во всех переездах за прошедшие годы меня сопровождал и сопровождает отцовский письменный стол. Синие пятна чернил, пролитых из авторучки, до сих пор видны на ясеневой столешнице. Теперь за этим столом пишутся не проповеди, а научные доклады, статьи и лекции. Это очевидно, что обе профессии – пастора и преподавателя высшего учебного заведения – имеют много общего. Поиск знания и сомнение можно и даже должно рассматривать как цементирующее ядро просветительского мышления, но их же можно считать и ядром протестантского просвещения. Поиск и сомнение призваны улучшить человеческую жизнь, но цель эта в конечном счете недостижима. Дело в том, что мы, люди, никогда не будем «готовы». Мы безостановочно развиваемся, поскольку эволюция – это нескончаемый процесс, правда, заканчивающийся смертью, – процесс, начавшийся задолго до возникновения жизни. В этом смысле эволюция охватывает не только описанное Чарльзом Дарвином «Происхождение видов», нет, она начинается задолго до этого, с так называемого Большого взрыва, как возникновение и развитие нашей Вселенной. Это может звучать туманно, но жизнь возникла совершенно в особых «галактических» условиях, и наследие этого процесса мы носим в себе. До сих пор этому уделяют мало внимания, когда речь идет о нашем здоровье и благополучии. Для того чтобы понять жизнь и человека, желательно сначала бросить взгляд на давно прошедшие, «безжизненные» времена – на наше космическое происхождение.

Большой взрыв, или Вселенная внутри нас

Из космоса в музей естествознания

Какое отношение человеческий организм и его функциональные системы имеют к возникновению Вселенной, которая развивалась и развертывалась за миллиарды лет до того, как человек впервые выступил на сцену естественной истории? Из каких основных веществ состоит жизнь? Какую роль в ней играет Луна? И почему физиолог интересуется началом времени и пространства, а оказывается, в конце концов, в Берлинском музее естествознания, перед скелетом брахиозавра?

Во времена моей юности я не только копался в земле, разбивая бесчисленные кубометры окаменевших отложений, но и смотрел в небо. После окончания курса геологии я смог объединить эти два увлечения, начав – в известном смысле – копаться в недрах обратной стороны Луны. Когда же я приступил к изучению медицины, в центре моего внимания оказалась человеческая природа – результат развития, продолжавшегося миллионы лет и по существу начавшегося задолго до «становления человека». При этом сблизились мои на первый взгляд столь различные сферы интересов. Только так, только в такой связи, и это мое глубокое убеждение, сможем мы разрешить загадку, связанную с пределами физических возможностей человека. Если мы состоим из тех же «веществ», что и наша планета, да и вся Вселенная, то, вредя природе, мы причиняем вред и самим себе. Именно это с нарастающей быстротой происходит в течение последних десятилетий. Надо во что бы то ни стало в самое кратчайшее время остановить этот процесс, угрожающий формировавшимся в течение миллиардов лет основам жизни.

Мы – часть барионной материи. Что это такое? Организм человека состоит из 76 химических элементов. Откуда они взялись? Насколько отличается состав наших тел от состава окружающей нас космической материи? Какие физические и химические предпосылки делают возможной жизнь на нашей планете или, наоборот, угрожают существованию жизни? В том, что касается частотного распределения элементов, наш организм, конечно, отличается от космоса. С атомистической точки зрения большую часть массы нашего тела составляет кислород. С химической точки зрения главное вещество организма – вода. У взрослого мужчины это соединение водорода и кислорода составляет 60 % массы тела, у новорожденного – 75, а у пожилых людей значительно меньше 60 %. Основные строительные блоки, из которых мы состоим, возникли в результате космических катастроф.

Давайте же в связи с этим вкратце рассмотрим развитие космоса, планетной системы, Земли и эволюцию жизни. С тех пор как я в юности рылся на дне долины близ Хаарштранга в верхнемеловых пластах, на эту тему появился целый рад новых данных, и некоторые из открытых феноменов до сих пор влияют на нашу физиологию. Тогда, в каменоломне близ Кливе, в шестидесятых годах, я рассказывал директору, что возраст окаменелостей верхнемелового периода составляет около 80 млн лет, возраст Земли – около 4,5 млрд лет, а возраст Вселенной достигает 9 млрд лет. Во взглядах на первые две оценки за прошедшие годы почти ничего не изменилось, но вот возраст Вселенной сейчас оценивают приблизительно в 13,8 млрд лет – если считать от момента Большого взрыва: именно тогда возникла известная нам материя, то есть упомянутая выше «барионная материя». Понятие «барионная материя» происходит от греческого слова βαρύς (барис), «тяжелый» или «весомый», а в научный обиход этот термин был введен космологами. Он помогает им описывать различные формы энергии во Вселенной. Барионная материя состоит из кварков и лептонов, которые, в свою очередь, состоят из мезонов и барионов, а возможно, и каких-то других частиц. Мы коротко остановимся на этом потому, что, во-первых, именно эту материю мы количественно и качественно изучаем самыми тонкими методами, чтобы понять ее поведение и структуру в различных химических и физических условиях, а во-вторых, мы и сами составляем крошечную, хотя и весьма специфическую часть этой материи во Вселенной. Согласно расчетам космологов, астрофизиков и астрономов, эта барионная материя составляет всего около 4 % всей Вселенной. Остальные 96 % (!) Вселенной – это приблизительно 73 % темной энергии (dark energy) и 23 % темной материи (dark matter). Как физиолог, я представляю себе это так: я знаю 4 % всей системы «тела» и на этом шатком основании должен делать выводы о функциях целостного организма и об их регуляции. Астрофизики и космологи – люди более смелые, но, возможно, так и должно быть. Биологам приходится труднее, потому что жизнь и ее феномены часто не поддаются физико-математическому моделированию, хотя иногда в некоторых областях их возможно описать и количественно.

Остается открытым один вопрос: откуда взялись химические элементы и как это отразилось на их распределении в космосе и в человеческом организме? Уже через три минуты после Большого взрыва во Вселенной образовались первые элементы, из которых состоит и наш организм, например водород. За ним последовали другие элементы периодической таблицы, такие как гелий или литий. Барионная материя на 99,8 % состоит из водорода (92,9 %) и гелия (6,9 %). Остальные 118 элементов периодической таблицы составляют, следовательно, всего 0,2 % всей материи Вселенной. Приблизительно через 10 000 лет после Большого взрыва материя и энергия были распределены во Вселенной почти равномерно. Незначительные различия в распределении материи приблизительно через 300 000 лет после Большого взрыва под влиянием гравитации привели к образованию первых звезд. Сегодня эти первые звезды обнаруживаются на окраинах Вселенной как квазары; их возраст оценивают в 13,6 млрд лет. В период между 3 и 5 млрд лет после Большого взрыва образовались между тем первые из около миллиарда галактик. В образовании этих систем важную роль сыграли небольшие различия в плотности и воздействие силы тяжести. Мы можем сегодня наблюдать эту разницу в распределении плотности внутри нашей Вселенной, поскольку она приводит к различиям в температуре разных ее частей. Эти различия невелики – всего 0,0002°C, но обнаружить их стало возможно благодаря применению высокочувствительных приборов.

Одна из этого миллиарда галактик – наш Млечный Путь, спиральная галактика. В центре ее находится черная дыра. В области этой черной дыры сила тяжести так велика, что обойти центр галактики не может даже свет. Для нашего краткого обзора важно, что решающую роль для возникновения и развития жизни на Земле сыграло то обстоятельство, что наше Солнце и его планетная система расположены в особой части галактики. Мы находимся – к нашему великому счастью – в 26 000 световых лет от центра галактики, при этом надо помнить, что световой год соответствует приблизительно 10 млрд км – расстоянию, которое свет проходит в течение одного года. Таким образом, мы пребываем на достаточно большом удалении от черной дыры в центре Млечного Пути с его невероятно мощным радиоактивным излучением, которое делает невозможной жизнь в том виде, в каком мы ее знаем. Наше Солнце находится ближе к периферии Млечного Пути в области, называемой рукавом Ориона, то есть в «пригодной для обитания» зоне галактики. Один оборот вокруг своей оси Галактика делает медленно, очень медленно – за 225–250 млн лет. Астрономы называют этот период обращения космическим или галактическим годом. Млечный Путь представляет собой спиральную галактику средней величины; диаметр ее составляет около 100 000 световых лет, а сама она насчитывает около 200 млрд неподвижных звезд.

Неподвижная звезда с размерами нашего Солнца производит энергию за счет реакций ядерного синтеза; при этом каждую секунду 600 млн тонн водорода превращаются в 596 млн тонн гелия. Недостающие 4 млн тонн выделяются в форме излучения свободной энергии. Большая потеря солнечной массы в секунду может на первый взгляд показаться тревожной, но при размерах Солнца за 4,6 млрд лет с начала образования нашей планетной системы это привело к потере всего одной тысячной его массы. Если же наш космический обогреватель выключится, то в течение одного дня глобальная температура на Земле снизится до 0 °C, в течение 10 дней до –70 °C, а через год мы начнем мерзнуть при температуре –269 °C, то есть при температуре, близкой к абсолютному нулю (–273,15 °C). Можно себе представить, что было бы, имей Солнце на 50 % большую массу. Тогда наша Земля с самого начала находилась бы в среде с намного более высокой температурой. Кроме того, более высокая скорость синтеза гелия из водорода привела бы к тому, что у Солнца оказалась бы существенно короче продолжительность жизни. Солнце горело бы ярче, как свеча на ветру, но запасы водорода истощились бы уже через 2 млрд лет, и эволюция жизни на Земле – если бы жизнь вообще возникла – остановилась бы на полпути.

Наши древние предки, очевидно, интуитивно сознавали значение Солнца, о чем говорит большое число солнечных божеств в разных культурах и религиях мира. Есть веские основания немного зорче присмотреться с наших современных позиций к этому космическому обогревателю и его физике, поскольку Солнце играет основополагающую роль как в возникновении и эволюции жизни, так и в непосредственном поддержании нашего нынешнего благополучия. Здесь необходимо понимать, что Солнце излучает частицы разных типов. Для начала надо различать солнечное излучение и солнечный ветер, излучение частиц. Солнечное излучение – это часть электромагнитного спектра Солнца, возникающая за счет излучения тепла с раскаленной поверхности нашего светила. Солнечное излучение обладает наибольшей интенсивностью в области видимого света (солнечного света), но содержит также частично рентгеновское и инфракрасное излучение. В зависимости от длин волн солнечное излучение в большей или меньшей степени поглощается земной атмосферой. Интенсивность достигающего поверхности Земли излучения, кроме того, зависит от погоды и положения Солнца. Солнечному излучению требуется около 100 000 лет для того, чтобы из солнечного ядра, где происходят процессы ядерного синтеза, достичь поверхности Солнца. Эта задержка обусловлена тем, что излучение по пути наружу постоянно сталкивается с другими атомными ядрами, что приводит к отклонению и отбрасыванию излучения и к торможению скорости его распространения внутри Солнца. После того как излучение достигает поверхности нашей звезды, ему требуется еще восемь минут для того, чтобы дойти до Земли.

Что именно происходит, когда это излучение сталкивается с относительно холодной (около 3000 °C) поверхностью Солнца, с разогретой до миллионов градусов солнечной короной и с чрезвычайно сильным магнитным полем, – предмет проводимых в настоящее время исследований. В буквальном смысле пролить свет на этот темный вопрос должны космические корабли Solar Orbiter Европейского космического агентства и космический зонд НАСА Parker Solar Probe. Эти зонды должны среди прочего прояснить, какие факторы влияют на «космическую погоду». Всем известно, что такое плохая погода, но что это за зверь – «космическая погода»? О ней не сообщают в конце выпуска новостей. В «космической погоде», как выяснилось, центральную роль играют солнечные ветры. При этом речь идет об электрически заряженных частицах газа, движущихся от Солнца с большой скоростью. Причина возникновения ветра заключается в протуберанцах солнечной короны и вспышках на Солнце, которые в определенной степени напоминают извержения земных вулканов. С точки зрения астрофизики солнечный ветер – составная часть космического излучения, но излучения не электромагнитного; он представляет собой поток частиц. Солнечный ветер состоит преимущественно из электрически заряженных, ионизированных атомов водорода (то есть из протонов и электронов), а также из небольшого количества (8 %) атомных ядер гелия. Помимо этого, в нем содержатся следы ионизированных атомных ядер таких элементов, как углерод, азот, кислород, сера и железо.

Вспышки и протуберанцы могут оказывать прямое и опосредованное влияние на организм человека. Почему? Эти явления воздействуют на магнитное поле Земли, которое действует как защитный экран от солнечного излучения, космического излучения и потока частиц солнечного ветра. Суммарная мощность электромагнитного излучения Солнца, солнечная постоянная, которую можно измерить за пределами земной атмосферы, составляет 1367 Вт/м^2. То, что происходит на Земле под действием излучения такой мощности, зависит от эксцентриситета земной орбиты, а также от поглощения и рассеяния излучения в земной атмосфере. Рассеяние и поглощение в большой степени, в свою очередь, зависят от длин волн излучения; известно же, что солнечный свет содержит волны с разными длинами и лучи разных цветов легко выявляются при расщеплении света призмой или при возникновении радуги. Почти половина излучения, достигающего Земли и видимого человеческим глазом, имеет длину волны от 400 нм до 780 нм. Излучение этого диапазона при ясной погоде и при высоком положении Солнца летом в полдень почти беспрепятственно достигает поверхности нашей планеты. Ультрафиолетовое (УФ) излучение в диапазоне длин волн от 100 до 400 нм невидимо глазу. Оно составляет менее 10 % общего излучения, но представляет собой энергетически наиболее мощную часть оптического излучения. УФ-излучение подразделяется в зависимости от длины волны на УФ-А, УФ-B и УФ-C-излучение. УФ-A в значительной степени проникает сквозь земную атмосферу. Его ослабляют столкновения с молекулами азота и кислорода в атмосфере в результате так называемого рассеяния Рэлея. Это рассеяние обусловливает столь любимый нами голубой цвет неба, потому что атмосфера легче всего пропускает волны синей части спектра. УФ-B-излучение сильно поглощается озоновым слоем атмосферы, УФ-C – озоновым слоем и молекулами кислорода в атмосфере. Если солнечные лучи падают косо, то они распределяются на большей площади поверхности Земли и проходят большее расстояние в атмосфере, что уменьшает силу излучения. Благодаря этому факту высокий уровень излучения держится круглый год в области экватора, так как там солнечные лучи падают на поверхность Земли почти отвесно. Времена года поэтому в тропиках практически отсутствуют, климатические условия меняются только вследствие смены дня и ночи – так называемый суточный климат. В более северных и южных широтах, напротив, благодаря более острому углу падения солнечных лучей и изменению склонения Солнца к полюсу на фоне изменения долготы дня времена года характеризуются весьма значительной разницей. Поэтому в Центральной Европе у нас летом есть 16-часовой световой день, а при хорошей погоде мощность излучения составляет около 700 Вт/м^2; зимой же при восьмичасовом световом дне она снижается до 247 Вт/м^2.

Если, например, будет разрушен озоновый слой атмосферы, пребывание на улице станет рискованным, потому что в летнее время он поглощает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца. Печально известные солнечные ожоги будут развиваться вследствие повышенной проницаемости атмосферы для этой части излучения или от того, что даже небольшое время нахождения на солнце станет слишком долгим. В ALMA я убедился в этом на собственном горьком опыте. ALMA – это парк с 64 радиотелескопами на севере Чили, недалеко от границы с Боливией. Расположен парк на плато, на высоте 5000 м. Круглый год там стоит сухая, безоблачная погода, что, конечно, очень хорошо для радиотелескопов. Для человека, однако, эта высота, экстремальная сухость и избыток ультрафиолетового излучения создает большие трудности. Менее 10 минут пребывания на солнце на такой высоте достаточно для европейца, чтобы получить солнечный ожог на открытых частях кожи, в чем я убедился сам. Повсюду стояли светофоры, но они не регулировали движение – белый, зеленый и красный свет предупреждали об уровне ультрафиолетового излучения. Все время моего многодневного пребывания в ALMA, где я проводил медицинское обследование персонала, на светофорах в течение дня всегда горел красный свет – высшая степень опасности.

Земная атмосфера простирается до высоты около 100 км. При этом надо отчетливо понимать, что защитный слой для всего озона в атмосфере имеет толщину всего 3 мм (!) – это толщина нескольких страниц этой книги. 90 % этого озона находится в стратосфере, на высоте от 15 до 50 км. Здесь УФ-C-излучение, обладающее самой высокой энергией, превращает молекулы кислорода (O_2) в молекулы озона (O_3). Нам следует проявить подлинный интерес к тому, чтобы этот озоновый слой оставался действенным и не разрушался от антропогенных воздействий. Потенциально опасны для озонового слоя галогенизированные углеводороды, в большом количестве производимые человеком. Галогенизированными называются такие углеводороды, в которых по меньшей мере один атом водорода замещен галогеном – фтором, хлором, бромом или йодом. Эти соединения применяются в качестве моторного топлива или средств охлаждения, а также выделяются при производстве изоляционных материалов для холодильников или морозильных шкафов. Когда галогенированные углеводороды ускользают в атмосферу, они могут через несколько лет достичь стратосферы. Сначала они безвредны для озонового слоя, но под действием мощного ультрафиолетового излучения они превращаются в реакционноспособные газы, которые затем разрушают озоновый слой.

Протуберанцы солнечной короны также могут оказывать на людей прямое и опосредованное влияние. При этих мощных выбросах в виде огромных пузырей из Солнца выталкиваются миллиарды тонн солнечного вещества, которые устремляются в межпланетное пространство со скоростью до 2000 км в секунду. Эти потоки состоят преимущественно из высокоэнергетических протонов, электронов и полностью ионизированных атомов. Когда такой поток частиц наталкивается на магнитное поле Земли, он вызывает не только чудесное северное сияние, но может при определенных условиях вызвать поломку искусственных спутников, нарушения в системах телекоммуникаций, нарушить навигацию судов и летательных аппаратов и даже привести к повреждению в линиях электропередачи. Событие Каррингтона, имевшее место в 1859 году, могло бы сегодня оказать поистине катастрофическое действие на наш сетевой мир. В том году астроном К. Каррингтон наблюдал величайший в истории протуберанец с гигантским выбросом солнечной материи. Эта вспышка была так сильна, что полярное сияние было зафиксировано в Риме, Гаване и на Гавайях, хотя обычно оно бывает только в высоких широтах. Произошло также отключение телеграфных сетей. Сегодня такой протуберанец мог бы поставить на грань смертельного риска астронавтов, находящихся вне защитной атмосферы, например на МКС, а в будущем на Луне или на Марсе. Поток ускоренных высокоэнергетических частиц может повредить материал наследственности, ДНК и привести к развитию рака.

С точки зрения космологии Солнце достигло своего зрелого возраста, а то, что будет с нашей звездой дальше, космологи и астрономы знают достаточно хорошо из сравнения с другими неподвижными звездами. При данных размерах Солнца запасов его водорода хватит для процессов ядерного синтеза приблизительно на 5 млрд лет. Дальнейшие события представляются довольно мрачными для жизни и существования людей на Земле. Дело в том, что в результате реакций ядерного синтеза Солнце понемногу теряет массу. В дальней перспективе это приведет к уменьшению силы тяжести, что повлечет за собой расширение Солнца. Солнце развивается; в будущем оно вырастет до размеров красного гиганта, границы которого достигнут орбит обращения Меркурия и Венеры, то есть Солнце «поглотит» эти планеты, а возможно, и Землю. Но задолго до этого наша планета станет необитаемой; моря испарятся, и вся поверхность Земли обратится в пустыню; она станет голой и раскаленной – и абсолютно непригодной для жизни. В конце концов, красный гигант взрывоподобно сбросит окружающую его водородную оболочку. Остаток звезды под действием силы тяжести схлопнется и образуется белый карлик, который после остывания станет черным карликом; гипотетически – это финальная стадия эволюции звезды. Внешняя температура упадет так низко, что Солнце перестанет излучать инфракрасные и видимые лучи.

Как и Луна, Земля была в самом начале полностью расплавленной. В ядре Земли сконцентрировались такие тяжелые элементы, как железо и никель, – они до сих пор пребывают в жидком состоянии, поскольку температура в ядре Земли достигает приблизительно 5000°. Также и земная мантия до сих пор имеет такую высокую температуру, что каменные породы в ней имеют жидкую консистенцию лавы. Скопления воды на доисторической Земле были поэтому тоже очень горячими. В течение сотен миллионов лет наша планета медленно остывала. Образовалась океаническая и континентальная земная кора, состоящая преимущественно из таких элементов, как кремний, магний и алюминий, при этом океаническая кора богаче магнием, а континентальная – алюминием. Океаны образовались, когда температура земной поверхности снизилась настолько, что вода перестала испаряться сразу после соприкосновения с раскаленными породами. При этом вода земных океанов имеет неземное происхождение. Появление воды было обусловлено, так же как и в случае «лунных морей», столкновениями с глыбами пыли и льда во время так называемой большой бомбардировки, которая имела место 3,9 млрд лет назад. Кажется странным, что 60 % воды нашего организма имеет такое космическое происхождение. Помимо этих столкновений особая система «Земля – Луна» оказала также решающее влияние на развитие земной жизни. Земля, в отличие от других планет Солнечной системы, имеет относительно большой спутник – Луну. Значение этой системы «Земля – Луна» не столь очевидно, и поэтому его редко правильно оценивают. Сегодня планетологи исходят из того, что Луна возникла в результате гигантского столкновения протоземли с похожим на Марс космическим объектом на раннем этапе развития Солнечной системы. Эта теория, среди прочего, может объяснить, почему Земля обладает относительно большим железным ядром, а Луна – малым. В ходе столкновения, как полагают планетологи, железный материал лунного ядра отложился в земное ядро, так сказать, инъецировал его; одновременно при столкновении земная кора, отделившись от протоземли, стала обращаться вокруг нее. Этот материал из горных пород обращался вокруг протоземли, затвердевал и в конце концов превратился в нашу Луну.

Образование Луны и ее гравитационного поля привело к стабилизации положения земной оси, к возникновению приливов и отливов в морях и к смене времен года в северных и южных широтах. Эта гипотеза развития системы «Земля – Луна» позволяет изящно объяснить наблюдаемое сходство обнаруживаемых на Земле и Луне изотопов кислорода и другие геохимические особенности, такие как, например, малое количество летучих веществ, которые под влиянием высоких температур в виде газов выделяются из исходного материала. В ходе столкновения Луна, кроме того, получила значительный импульс силы, приведший ее в движение. В наше время Луна обращается вокруг Земли приблизительно за 28 дней. Этому астрономическому факту мы обязаны этимологическим подарком – отрезок времени, соответствующий этой продолжительности, во множестве языков этимологически связан с обозначением Луны (месяц, Monat, month). В ранней фазе развития системы «Земля – Луна» скорость обращения была существенно выше, Луна была намного ближе к Земле, и это обстоятельство обусловливало гораздо более мощные приливы в первобытных океанах. Согласно некоторым подсчетам, 4 млрд лет назад Луна была на 150 000 км ближе к Земле, чем сейчас, и благодаря большой силе притяжения удалялась от Земли очень медленно – приблизительно на 2 см в год. Сейчас скорость удаления Луны от Земли составляет около 3,8 см в год, то есть почти удвоилась. Приливные силы замедляют вращение Земли. Одновременно термодинамические восходящие и нисходящие потоки в массивном жидком железном ядре Земли привели к образованию сильного магнитного поля. Это мощное магнитное поле и обширнейшие водные массы защитили феномены ранней жизни от губительного воздействия ультрафиолетового излучения.

В наши дни вода занимает две трети земной поверхности или 361 млн км^2; общая площадь земной поверхности составляет 510 млн км^2. Оставшаяся треть представлена континентальной сушей. В раннюю фазу развития Земли, 4,5 млрд лет назад, поверхность Земли была слишком горячей для того, чтобы на ней удерживалась жидкая вода. Потребовалось приблизительно 200–600 млн лет, чтобы земная кора остыла достаточно и вода перестала с нее испаряться. Вопреки ранним гипотезам о том, что вода возникла из земной коры, новейшие теории утверждают, что она была принесена на Землю кометами из пояса Койпера или облака Оорта. Пояс Койпера начинается за орбитой Нептуна. Этот пояс простирается на 40–500 астрономических единиц (1 астрономическая единица равна 150 млн км или расстоянию от Земли до Солнца). Кометы пояса Койпера движутся на расстоянии от 6 до 50 млрд км от Солнца, иногда – по очень вытянутым эллиптическим орбитам; периоды обращения этих комет исчисляются годами, а иногда и тысячелетиями. Еще в большей степени изобилует кометами облако Оорта, которое окружает нашу Солнечную систему. Это облако представляет собой скопление астрономических объектов в самой внешней области Солнечной системы, на расстоянии до 12 млн км от Солнца. Время от времени астрономические объекты вырываются из облака Оорта, вероятно, потому что другие объекты своей гравитацией нарушают их движение по орбитам. В этом случае, подчиняясь силе притяжения Солнца, они пересекают пояс Койпера и нашу планетную систему с ее поясом астероидов. На своем долгом пути к центральной звезде кометы отклоняются от него гравитационными силами планет или сталкиваются с ними. Эти столкновения отличаются невероятной силой, поскольку объекты на долгом пути к Солнцу движутся с нарастающим ускорением и достигают скорости до 200 000 км в час. Согласно второму закону Ньютона, сила равна массе, умноженной на ускорение. Притом, что такой объект весит много сотен тысяч тонн, невозможно даже вообразить себе, какая энергия высвобождается при резком торможении объекта, если он сталкивается с планетой.

Некоторые геологи и палеонтологи обнаружили признаки того, что на Земле каждые 26 млн лет происходит гибель фауны и флоры; на основании этого факта они выдвинули теорию Немезиды. Согласно этой теории, у Солнца должен быть некий сестринский объект, коричневый карлик. Коричневый карлик – это небесное тело, занимающее промежуточное место между звездами и планетами. Имея массу меньше 75 масс Юпитера, этот карлик не в состоянии запустить в своих недрах процессы термоядерного синтеза и слияния ядер водорода. Согласно теории Немезиды, такой темный коричневый карлик, двигаясь по своей вытянутой эллиптической орбите, каждые 26 млн лет пересекает облако Оорта и в ходе этого пересечения возмущает орбиты находящихся там комет. Так как, согласно новейшим статистическим расчетам, в облаке Оорта находятся миллиарды комет, некоторые из них могут сойти со своих орбит и направиться во внутреннюю область нашей планетной системы; происходит это через относительно регулярно повторяющиеся отрезки времени, равные 26 млн лет. Каждый раз это приводит к катастрофическим последствиям для нашей фауны и флоры. Таковы основные положения этой гипотезы.

Так как эти кометы почти на 90 % состоят из воды, то некоторые ученые связывают с кометами образование океанов в ранней фазе формирования Земли. Спектрографические исследования, выполненные с помощью телескопа Гершеля, позволяют предположить, что вода комет пояса Койпера имеет такой же изотопный состав, что и вода нашего Мирового океана. Естественно, есть и наблюдения, противоречащие этим взглядам и делающие чисто кометное происхождение воды маловероятным. Измерение изотопного состава водорода в кометах Галлея, Хякутаке и Хэйла-Боппа показало, что отношение дейтерия к протию в них приблизительно вдвое выше, чем в водах земного Мирового океана. Измерения, выполненные в декабре 2014 года космическим зондом «Розетта», который проанализировал состав водяного пара вблизи кометы Чурюмова – Герасименко, показали практически полное несоответствие с составом земной воды.

Согласно альтернативной теории, источник земной воды – пояс астероидов, то есть вращающиеся в его составе протопланеты. Анализ водяных включений в угольных хондритах, характеризующихся высоким содержанием углерода, показал, что изотопный состав этой воды сравним с составом океанической воды. Исследования, проведенные в 2019 году, позволяют сделать вывод о том, что вода попала на Землю при ее столкновении с протопланетой Тейя 4 млрд лет назад; эта вода – транснептунный объект. Таким образом, возникает очень интересная идея о том, что и вода нашего организма имеет транснептунное происхождение. Как мы увидим дальше, эволюция должна была протекать таким образом, чтобы эта транснептунная вода была всегда доступна нашим организмам в достаточном количестве. Во многих отношениях эта доступность воды сыграла центральную роль в развитии жизни на Земле, которое мы сейчас и рассмотрим.

Для ранних этапов развития наиболее важной была доступность жидкой воды и таких химических элементов, как углерод, водород, азот, сера и фосфор, которые, как уже упоминалось, возникли в результате катастрофических событий во Вселенной. Согласно новейшим расчетам, общее число живущих эукариотических видов, то есть видов, клетки которых обладают истинным ядром, окруженным двойной мембраной, достигает приблизительно 9 млн, из которых описаны только 1,25 млн, а это означает, что, предположительно, около 86 % сухопутных видов и 91 % водных организмов до сих пор не описаны, то есть неизвестны. Подавляющее большинство видов представлено насекомыми. Среди позвоночных животных описано около 70 000 видов, причем они отличаются большой вариативностью плана строения. Так, например, самое мелкое позвоночное животное, Paedophryne amanuensis из семейства лягушек, имеет длину 8 мм и весит несколько граммов, а самое крупное позвоночное – это синий кит, длина которого достигает 30 м, а вес 100 млн г (100 т). Среди позвоночных по числу видов на первом месте стоят рыбы.

При этом живущие сегодня виды составляют лишь ничтожную часть видов, живших на Земле в ходе исторического развития, – приблизительно 0,1 %! 99,9 % всех когда-либо появившихся видов вымерли; некоторые вымирали медленно, на протяжении миллионов лет, другие вымирали массово и быстро. Первое великое массовое вымирание видов, предположительно, имело место около 2,5 млрд лет назад, когда первоначально восстановительная атмосфера Земли, в которой не было кислорода, превратилась в результате накопления в ней кислорода в атмосферу окисляющую. К этому моменту истории Земли, как показывают многочисленные геологические данные, наша планета была полностью обледеневшей: «Земля-снежок». Это наблюдение было сделано в середине XX века знаменитым исследователем Арктики и геологом Дугласом Моусоном (1882–1958).

Это тотальное обледенение Земли продолжалось около 30 млн лет. После этого ледники начали отступать из экваториальных областей. В течение последующих 1,8 млрд лет Земля по большей части освободилась из ледяного плена. Приблизительно 800 млн лет назад расположенный на экваторе первоконтинент Родиния раскололся; начался период интенсивной вулканической активности; это явление геологи называют событием Франклина. В результате в атмосферу было выброшено огромное количество сернистых газов. Эти газы вступали в соединение с пылевыми и жидкими частицами, образуя аэрозоли, которые прикрывали атмосферу от солнечного излучения. Климат на изначально цельном континенте Родиния был сухим, потому что большая часть суши находилась на большом удалении от побережья; теперь, однако, с увеличением объема осадков, отдельные области приобрели более морской климат. Это привело к усилению эрозии суши, и обнажившиеся в результате выветривания силикаты могли теперь связывать углекислый газ, который был в изобилии доступен в атмосфере в результате вулканической активности. Оба фактора способствовали глобальному снижению температуры. Так, например, средняя глобальная температура поверхности Земли 750 млн лет назад всего за 500 000 лет снизилась с +15°C до –50°C, и ледник начал стремительно (по геологическим меркам) наступать с полюсов в направлении экватора. Началась мариноанская (протерозойская) фаза тотального оледенения; в области полюсов Земля покрылась ледяным панцирем толщиной в 3, а в области экватора – в 1,3 км. Это оледенение затормозило дальнейшее развитие на Земле на 10 млн лет. Компьютерные вычисления канадских ученых позволили предположить, что, когда ледники преодолели широту в 30°, то в течение 150 лет замерзли оставшиеся, еще свободные ото льда области вдоль экватора. События такого рода называют tipping points, переломными моментами, по достижении которых процесс внезапно начинает усиливаться самопроизвольно. Этот переломный момент возник благодаря тому, что с оледенением всей Земли усилилось отражение света от белой поверхности льда; возник так называемый альбедо-эффект. Это в течение короткого времени привело к экспоненциальному увеличению потерь тепла земной поверхностью.

Естественно, тут же возникает вопрос: как Земля – почти полностью замерзшая – смогла 635 миллионов лет назад освободиться от ледяного панциря? Следует указать на интенсивную вулканическую активность, которая оказала на климат действие двоякого рода. Прежде всего большое значение имели сульфатные частицы, которые в течение нескольких месяцев после извержения образуются в атмосфере из вулканических газов. Эти сульфатные частицы поглощают и рассеивают часто солнечные лучи. Это приводит к разогреванию в стратосфере, но одновременно задерживает часть солнечных лучей. Тем самым земной поверхности достигает меньше лучей, что приводит к еще большему охлаждению. Мощные, взрывоподобные извержения вулканов сами по себе оказывают сильное влияние на климат. При этом в атмосферу на высоту 10–50 км выбрасывается пепел, достигающий стратосферы; иногда пепел достигает даже мезосферы, как это, предположительно, было при извержении вулкана Тамбора в 1815 году, сильнейшем извержении за последние несколько столетий. Когда в 1991 году произошло извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах, а это было намного менее мощное извержение, глобальная температура на несколько лет снизилась на пару десятых градуса.

Но при этом запускается и другой процесс. Если вулканическая активность – по геологическим временным меркам – остается на высоком уровне, то, согласно наблюдениям палеоклиматологов, после «вулканической зимы» наступает в типичных случаях более сильное глобальное потепление климата. Причина кроется в одновременном выбросе таких тепличных газов, как углекислый газ и в особенности метан. Надо при этом заметить следующее: то, что человек сейчас делает, сжигая ископаемое топливо и леса, приводит к высвобождению в атмосферу углекислого газа в количествах, многократно превышающих его количество, выбрасываемое в атмосферу вулканами; вклад вулканов в общий объем углекислого газа в атмосфере составил в 2018 году менее процента. Таким образом, то, что творит сейчас человечество, – образно говоря – гигантская антропогенная вулканическая активность со всеми ее последствиями для глобального климата. Естественная история Земли наглядно показывает нам, какое влияние эти эффекты оказали на развитие форм жизни на нашей планете. На границе докембрия и кембрия более 600 млн лет назад возросшая вулканическая активность привела сначала, как и следовало ожидать, к дальнейшему снижению средней глобальной температуры. Но в конечном счете температура стала повышаться, что привело к отступлению оледенения и к взрывоподобному возникновению самых разнообразных биологических организмов. Последующее снижение температуры вызвало первое глобальное массовое вымирание организмов в более поздней истории Земли, за ним последовали и другие. Известно по меньшей мере пять таких массовых вымираний. Некоторые ученые видят в нынешнем ускоряющемся вымирании первый признак начала нового, шестого массового вымирания, движущая сила которого на этот раз – сам человек. В истории Земли такие события в течение коротких периодов (по геологическим масштабам) уничтожали бесчисленное множество видов. Самое массивное из известных вымираний в истории Земли произошло в пермском периоде, около 250 млн лет назад. В ходе этого массового вымирания погибло 96 % всех обитателей моря и более трех четвертей видов, обитавших на суше. По статистике, подобные события случаются каждые 200–600 млн лет. Если принять эту величину за масштаб, то массовое вымирание в настоящее время выглядит несколько преждевременным.

В среднем в настоящее время каждые 15 минут исчезает один вид. Таким образом, за один год исчезают 60 000 видов. Для выживания эукариотических организмов, то есть организмов, клетки которых имеют истинное ядро, существенное значение имеют умеренные условия окружающей среды. Простые организмы, такие как прокариоты, одноклеточные существа, лишенные ядер и клеточных стенок, такие как бактерии и археи, возникшие в самом начале истории развития Земли, напротив, встречаются сегодня в местах с экстремальными условиями – в термальных источниках, в водоемах с высоким содержанием солей, а также в областях с повышенным ультрафиолетовым облучением, например в условиях высокогорья. Археи – вместе с бактериями и эукариотами – составляют три домена жизни. В настоящее время известно около 700 видов прокариот, из которых некоторые способны переносить в горячих источниках температуру выше 110 °C. Часть этих организмов характеризуется весьма экзотическими путями обмена веществ; эти существа живут в таких местах, куда не проникает солнечный свет, а следовательно, невозможен фотосинтез, как, например, в глубинах океана. Поставщиками энергии там служат восходящие горячие потоки сероводорода, который и служит источником энергии для биохимических процессов. Такие факты говорят о том, что жизнь на Земле зародилась 3,6 млрд лет назад именно в таких местах. Термальные источники обеспечивают условия для преобразований трех первых молекул, необходимых для возникновения органической жизни: углерод, воду и энергию.

Различные факторы обусловливают решающую разницу между миром органической химии и включением ее соединений в первые формы жизни. Для начала каждая живая система должна быть в состоянии самостоятельно продуцировать строительные блоки для построения клетки, используя материал окружающей среды. Далее, живая система должна быть в состоянии извлекать из окружающей среды энергию и использовать ее для жизненно важной деятельности, например для поиска источников питания. Для этого необходимо, чтобы организм мог катализировать разнообразные химические реакции с тем, чтобы в организме эти реакции протекали быстрее, чем в окружающей неживой природе. Еще одно требование: клетка должна обладать способностью с большой точностью управлять процессами обмена веществ с окружающей средой. Для этого клеточные мембраны должны быть в состоянии, с одной стороны, поглощать важные для жизни вещества, а с другой – выводить из клетки возникающие в ходе метаболизма вещества, которые в известных обстоятельствах могут стать токсичными для клетки продуктами распада клеточного материала.

Не в последнюю очередь организм должен быть способен к воспроизведению – для того чтобы передавать потомству свою генетическую информацию.

Существуют данные, указывающие на то, что такие первые формы жизни появились уже через 700 млн лет после возникновения Земли, то есть 3,8 млрд лет тому назад. После существенного изменения состава земной атмосферы организмы, обитавшие в поверхностных слоях водоемов, начали – около 3,3 млрд лет назад – использовать для получения энергии фотосинтез. В течение следующих 2 млрд лет содержание углекислого газа и водорода в атмосфере значительно снизилось, и восстанавливающий характер земной атмосферы сменился окисляющим. В этой смене заметную роль сыграли цианобактерии и другие организмы, позитивно повлиявшие за счет особенностей своего обмена веществ на повышение парциального давления кислорода в атмосфере. Повышение содержания кислорода в атмосфере происходило достаточно медленно в течение миллиарда лет; это замедление среди прочего было обусловлено тем, что высвобождавшийся в процессе фотосинтеза кислород тотчас использовался для окисления железа, содержание которого было высоким в водах океана. В результате выход кислорода в атмосферу оказался замедленным. Этот процесс привел с геологической точки зрения к возникновению богатых месторождений железной руды в Австралии, Канаде, Северной и Южной Америке – к возникновению так называемых железных поясов (iron belts). С точки зрения эволюции приблизительно на 2 млрд лет развитие жизни на Земле приостановилось. Эта удивительная остановка эволюции была, предположительно, обусловлена тем, что первые организмы по причине действия мощных приливных сил столкнулись с действием сложных физических и химических условий окружающего мира. В повестку дня вошли среди прочего значимые изменения содержания солей, температуры и интенсивности солнечного излучения.

Читатель может не без оснований возразить: «Мне-то какое дело до того, что клеткам 2,5 млрд лет назад пришлось несладко?» Я очень скоро объясню, почему это не должно быть нам безразлично. Вследствие того, что в результате вращения Земли и регулярной смены дня и ночи происходили ритмичные изменения светового и ультрафиолетового излучения, а также температуры, после возникновения жизни для первых одноклеточных организмов стало расти значение способности знать текущее время суток. Если организмы могли в соответствии с текущим временем суток либо глубже уходить под воду, либо выныривать, то эта способность, например, могла лучше защитить от вредоносного ультрафиолетового излучения. Растительные клетки в океане могли более эффективно выстраивать происходящие в них биохимические процессы, чтобы быть готовыми к фотосинтезу с восходом Солнца – все приспособления, которыми не обладали другие организмы, не владевшие знанием о текущем времени суток, давали фотосинтезирующим клеткам значительные эволюционные преимущества. То был момент рождения внутренних часов, поскольку, как мы сегодня знаем, в каждой клетке, в каждом органе, будь то печень, почка или сердце, существуют свои молекулярные часовые механизмы. Наличие различных часов в органах и клетках таких многоклеточных организмах, как организм человека, требует их согласования или, как иначе говорят, синхронизации. Только за счет такой синхронизации можно добиться того, чтобы часовые механизмы каждой клетки, каждого органа работали в унисон с целостным организмом и в согласии с суточным циклом смены дня и ночи в окружающем мире. Важнейшей контролирующей станцией, надзирающей за суточным циклом, уже давно считается супрахиазматическое ядро, очень древнее ядро головного мозга, содержащее около 50 000 нейронов, которые связаны с множеством нервных клеток в других областях мозга. Это ядро, например, за счет особых чувствительных клеток глаза получает информацию о падающем на сетчатку свете и, главное, о том, насколько этот свет сдвинут в синюю область спектра. Если это так, то супрахиазматическое ядро «знает», что на дворе день, и передает эту информацию другим клеткам организма. Как только сигнал ослабевает, значит, наступила ночь. Противопоставление сигналов «свет/отсутствие света» работает как таймер.

Другим возможным таймером может быть прием пищи, который «вмешивается» в регуляцию; это регулирующий механизм, открытый недавно, был назван хронометаболизмом. В этом случае изменения общего энергетического статуса организма в результате либо поступления пищи, либо ее ограничения приводят, например при голодании, к порождению сигнала таким важным для обмена веществ органам, как печень и поджелудочная железа, и этот сигнал влияет на генную активность клеточных часов в этих органах. Здесь в игру вступает кислород. В противоположность многим бактериям и некоторым низшим эукариотам правильный обмен веществ у человека и животных зависит от доступности кислорода. В такой ситуации можно только удивляться тому, что в организме очень мало ферментов, отвечающих за усвоение кислорода. В целом 98 % участвующего в метаболизме человеческого организма кислорода подвергается превращениям под действием одного-единственного фермента – митохондриальной цитохромоксидазы, которая присутствует почти во всех аэробных организмах. У бактерий с аэробным обменов веществ, то есть у организмов, использующих кислород для получения энергии, обнаруживают тот же фермент.

Но нет пользы без вреда. Уже самые первые аэробные клетки, 2,5 млрд лет назад, столкнулись с колоссальной проблемой: как избежать образования в клетке кислородных радикалов или по меньшей мере ограничить их действие. С точки зрения химии и физики радикалами следует называть в высшей степени реакционноспособные атомы с не полностью занятыми электронными оболочками. Такое строение предрасполагает эти атомы к формированию связей с другими химическими элементами и приводит к тому, что свободные радикалы существуют в течение ничтожных долей секунды. В эволюции аэробных живых существ это означает, что надо было найти не только стратегию возникновения как можно менее агрессивных свободных радикалов, но и стратегию запасания в клетках антиоксидантных молекул, которые были бы способны связывать и обезвреживать кислородные радикалы. Беда в том, что свободно перемещающиеся в клетке кислородные радикалы могут непосредственно повреждать чувствительные клеточные мембраны и, вероятно, поэтому, играют существенную роль при различных заболеваниях, а также при старении.

Помимо животных растения в ходе эволюции тоже приобрели способность синтезировать многочисленные антиоксиданты, например аскорбиновую кислоту (витамин C) или α-токоферол (витамин E). Однако наиболее эффективно такие реактивные кислородные радикалы обезвреживаются соответствующими ферментами. Такие ферменты тоже появляются в ходе эволюции дышащих существ очень рано, практически они появляются параллельно возникновению и становлению дыхательной цепи и появлению в клетках реактивных кислородных соединений. Супероксиддисмутазы, «хорошие парни» клеток, которые разлагают в клетках человека перекисные соединения, обнаруживаются уже у простейших аэробных бактерий. К этому же классу относятся также пероксиредоксины, антиоксиданты, которые могут выполнять внутри клеток и другие функции. Их возникновение с точки зрения молекулярной биологии можно отнести к моменту «великого кислородного события», произошедшего 2,5 млрд лет назад. Удивительно, что производство этих пероксиредоксинов у представителей всех биологических царств, бактерий, грибов и млекопитающих, включая и человека, проявляет суточные колебания даже тогда, когда отключаются все генетические механизмы контроля для других внутренних часов, – очевидно, что в лице пероксиредоксинов мы имеем дело с праматерью всех биологических часов во всем царстве живой природы. Согласно преобладающей на сегодняшний день теории, пероксиредоксины возникли для защиты от колебаний концентрации кислорода в первобытном океане независимо от других суточных ритмов. В наших клетках пероксиредоксины также действуют как соединения, связывающие радикалы, и как таймеры, когда перестают работать другие механизмы.

Как было подчеркнуто выше, настройка и ритмизация различных биологических систем от клеток до целостного организма имеют основополагающее значение для развития и поддержания всех биологических функций. Хоралы «Страстей по Матфею» Баха звучат так гармонично и захватывают нас, потому что каждый исполнитель оркестра и каждый певец хора знают ход произведения и моменты вступления, а дирижер за своим пультом следит, чтобы эта гармония неукоснительно соблюдалась. Если этого не будет, то исполнение музыкального произведения потеряет гармоничность, а вся активность в биологических системах по аналогии превратится в нежизнеспособную какофонию. Биологическое воздействие происшедшего 2,5 млрд лет назад «великого кислородного события» на наш современный организм очень велико и не может быть нам безразлично.

После того как 3,7 млрд лет назад на Земле возникла жизнь и в течение следующих 1,5 млрд лет господствующими жизненными формами в практически бескислородной среде были археи и бактерии, лишенные клеточных ядер, на сцену – около 2,5 млрд лет назад – выступили фотосинтезирующие эукариотические водоросли. То, что в истории Земли последовало за «великим кислородным событием», геологи и палеонтологи называют «скучным миллиардом». Это название укрепилось в науке о Земле, так как этот временной промежуток, длившийся с момента 1,8 млрд до 0,8 млрд лет назад, отличался необычной тектонической и климатической стабильностью. То же считается справедливым и для биологической эволюции. Правда, многие ученые высказывают сомнение относительно такой трактовки биологической эволюции на основании выполненных ими геохимических исследований окаменелостей протерозойского периода. Результаты исследований указывают на то, что в этот период произошло возникновение многоклеточных организмов, полового размножения, а также первой великой дифференциации эукариотических организмов. Ученые исходят из того, что средний протерозой (1,4–1,8 млрд лет назад) характеризовался недостатком питательных веществ и незаменимых следовых элементов. Это обстоятельство эволюционного давления на живую природу и стало причиной биологических инноваций в царстве эукариотических организмов. К таким новациям относится и так называемый эндосимбиоз, в ходе которого одноклеточные прокариоты были вынуждены вступать в симбиотические отношения, что, вероятно, и привело к образованию эукариотических клеток, и эти организмы стали третьим доменом жизни наряду с бактериями и археями; к этому третьему домену принадлежим и мы с вами.

Эти эукариотические клетки обладают истинным ядром, окруженным мембраной. Внутри эукариотической клетки вокруг ядра обнаруживается сложная компартментализация, то есть разделение на отдельные участки или области (компартменты), при этом разные части выполняют разные функции и решают разные задачи. В эукариотических клетках обнаруживаются так называемые 80S-рибосомы, которые играют важнейшую роль в синтезе белков. Это указывает на то, что все эукариотические клетки – в том числе и наши – происходят от общего анаэробного предка, который когда-то, в период «скучного миллиарда», за счет эндоцитоза, или поглощения, принял в свое лоно аэробные бактерии. В дальнейшем из них развились митохондрии, энергетические станции нашего организма; эти станции, например, обеспечивают энергией мышцы ваших рук, с помощью которых вы сейчас можете перелистнуть страницу, чего пока что делать не следует.

В течение «скучного миллиарда» постепенно происходило увеличение запасов и концентрации питательных веществ и незаменимых следовых элементов в первобытном океане, что обеспечило в конечном счете прорыв многоклеточных организмов. Этот прорыв имел взрывоподобный характер и совершился в начале кембрия, 570 млн лет назад. В морях в течение следующих 40 млн лет возникли новые многоклеточные организмы с различным планом строения: черви, моллюски, членистоногие и пикайя, предок всех позвоночных. Ископаемые окаменелости этого в высшей степени интересного периода эволюции, «кембрийского взрыва», к сожалению, очень редки. Самое, пожалуй, знаменитое место такого рода – это Берджесские сланцы в Канаде. В последние годы было найдено еще несколько таких мест в Китае. Как в Канаде, так и в Китае была обнаружена пикайя, ранний предок позвоночных или хордовых животных. Главным путем развития в этой ранней фазе кембрийского взрыва стал симметричный план строения тела, то есть такого строения, при котором одна половина тела – зеркальное отражение противоположной. Кроме того, параллельно этому плану строения развилась сердечно-сосудистая система кровообращения. У одноклеточных в связи с малым расстоянием обмена с окружающей средой снабжение питательными веществами происходит путем диффузии. У больших организмов обмен веществ таким способом невозможен; он продолжался бы недопустимо долго. Приведем наглядный пример: для того чтобы насытить на 90 % кислородом цилиндр ткани диаметром в тысячную долю миллиметра, требуется одна тысячная доля секунды. Если же диаметр цилиндра равен 10 мм, то для такого же насыщения требуется уже три часа. Человеческому организму для того, чтобы кислород диффундировал от кончиков пальцев ног до головы или обратно, потребовалось бы много лет. Однако в ходе эволюции от одноклеточных к многоклеточным организмам был сделан исключительно важный шаг; за счет сердца и системы кровообращения стал возможным транспорт в организм кислорода и питательных веществ, и удаление из организма ненужных и вредных продуктов жизнедеятельности. Для транспорта кислорода превосходно подходит молекула гемоглобина, содержащая в себе атом железа, способный обратимо связывать молекулы кислорода. Молекула гемоглобина существовала уже до кембрийского взрыва. Согласно данным генетических исследований, функцию переноса кислорода в организмах он приобрел около 530 млн лет назад и до сих пор выполняет ее в наших организмах.

Первые позвоночные животные, такие как пикайя, не обладали прочным, окончательно сформированным скелетом; скорее устойчивость их телам придавал наружный панцирь. В ходе эволюции этот панцирь регрессировал, а внутренний скелет, наоборот, стал более устойчивым. Пикайя вымерла уже в кембрии, но здравствующий до сих пор ланцетник характеризуется некоторым сходством с этим первым представителем позвоночных или хордовых животных. Подобно пикайе, ланцетник обладает гибкой, но прочной структурой в спине, которую считают ранней хордой или зачатком позвоночника. Пикайя имела голову, хвост и сегментированную мускулатуру вдоль симметрично организованного тела. У нее был рот, кишечник и нервная система. Как и у ланцетника, у пикайи уже была замкнутая система кровообращения и органные структуры, выполнявшие функции печени и почек. Это может показаться удивительным, но в этом отношении они очень близки к нам. Так, на четвертой неделе эмбрионального развития человека наблюдают возникновение хрящевой трубки, а именно хорды, которая позднее превращается в спинной мозг и позвоночник. То, что мы сегодня наблюдаем в виде желеобразной массы между телами позвонков и называем межпозвоночными дисками, есть остаток желеобразной хорды, который придает известную гибкость позвоночнику, а при избыточных нагрузках причиняет боль в результате заболевания, известного под названием грыжи межпозвоночных дисков.

Наконец, 420 млн лет назад появились первые представители костных рыб, которых можно поделить на две большие группы – лучеперые рыбы и лопастеперые рыбы. К последним, согласно современной систематике, относятся все наземные позвоночные, в том числе и мы с вами. Поэтому очень важно знать историю развития этой группы костных рыб. Представители этого класса позвоночных животных отважились выйти на сушу около 380 млн лет назад, это была грандиозная веха в эволюции жизни, сравнимая с высадкой на Луне. Растения сделали этот шаг на 20–30 млн лет раньше, в нижнем девоне. Об этом свидетельствуют палеоботанические находки в Шотландии, Норвегии, а также – обратите внимание! – в районе Вупперталя и Эльберфельда. Здесь был обнаружен и впервые описан Asteroxylon elberfeldense – одно из первых вымерших наземных растений, которое считается предком плаунов.

Первыми из воды вышли амфибии, обитавшие в регионах, где в результате приливов и отливов периодически обнажались участки суши; под вопросом также пресные водоемы – озера и реки. Возможно, переходную форму или недостающее звено (missing link) между костистыми рыбами, до сих пор обитающими в морях, и предками амфибий представляет собой тиктаалик – мозаичная биологическая форма, открытая на севере Канады в отложениях, относящихся к времени 380 млн лет назад. Тиктаалик обладает как признаками костистых рыб, так и признаками таких известных уже много десятилетий протоамфибий, как Acanthostega и Ichthyostega. То, что эти ранние представители действительно обитали на суше, а не только в воде, доказывают находки отпечатков в Польше и Шотландии. Костистые рыбы обладали замечательными анатомическими признаками, которые позволили амфибиям выйти на сушу. Они располагали прочным, усиленным кальциевыми включениями скелетом. Помимо того, у некоторых представителей этой группы животных часть передней кишки была преобразована в плавательный пузырь. Он позволял костистым рыбам за счет изменения объема газа менять плавучесть. Это давало костистым рыбам огромное энергетическое преимущество перед хрящевыми рыбами, которым для того, чтобы изменять глубину погружения, приходится расходовать мышечную энергию. В ходе множества этапов эволюции плавательный пузырь у двоякодышащих рыб преобразовался в дыхательный орган. Первые амфибии выживали только во влажных биотопах, а некоторые фазы эмбрионального развития у них возможны только в водной среде (развитие икринок), но тем не менее именно эти животные знаменовали выход позвоночных из воды на сушу.

Это была еще одна веха эволюции – по многим причинам: экологическим (выход на сушу вывел позвоночных животных совершенно в новое жизненное пространство нашей планеты) и физиологическим (значительно большие суточные колебания температуры на суше во многих местах потребовали ускорения эволюции; так, например, пришлось приспособить к новым условиям план строения и иммунную защиту этих организмов). С одной стороны, потому, что легочное дыхание приводит к постоянной потере воды и тепла, а с другой – потому, что с того момента легкие, вследствие особенностей их строения, их поверхность, стали точкой входа для потенциальных возбудителей заболеваний. Эти «слабые места» строения организма остаются и сегодня, как показала нам со всей наглядностью эпидемия Covid-19.

Филогенетически легкое, как и плавательный пузырь, – производное бокового выпячивания передней кишки; у птиц помимо этого образовались еще воздушные мешки. Эти выпячивания связаны с более или менее длинной, укрепленной хрящевыми кольцами, дыхательной трубкой, трахеей. С эволюционной точки зрения большая производительность легких была достигнута, так как значительно увеличилась площадь их поверхности. У взрослого мужчины эта поверхность газообмена имеет площадь приблизительно 100 м^2; газообмен осуществляется в 300 млн крошечных пузырьков, легочных альвеол. Эти альвеолы оплетены густой сетью тончайших кровеносных сосудов, капилляров, и именно здесь происходит обмен газами – насыщение красных кровяных клеток (эритроцитов) кислородом и удаление образованной в ходе обмена веществ двуокиси углерода (CO_2). Анатомически различают правое и левое легочные крылья. Правое крыло состоит из трех долей, левое – из двух. Между обоими легочными крыльями, как известно, расположено сердце. Здесь также в легкие входят бронхи и кровеносные сосуды из системы кровообращения.

Когда 380 млн лет назад эволюция выбрала вместилищем для легких грудную клетку, ей пришлось одновременно найти в шее и в груди место для дыхательной трубки – трахеи. Эволюция приняла решение разместить эту «вентиляционную шахту» перед пищеварительной трубкой, пищеводом. Такая пространственная близость трахеи и пищевода была не беспроблемным решением, и до сих пор оно подчас приводит к трагическим последствиям. Согласно данным, опубликованным в 2015 году объединенной рабочей группой научных медицинских обществ, в Германии при проглатывании и вдыхании инородных предметов в 4 % случаев наступает летальный исход в результате обструкции дыхательных путей. Чаще всего такое случается с маленькими детьми в возрасте от 6 месяцев до 4 лет; у мальчиков это наблюдают почти в два раза чаще, чем у девочек. В основном вдыхают такие пищевые продукты, как орехи, виноградины, морковь, а дети более старших возрастов – мелкие игрушки и их детали.

Другим не столь драматичным следствием выхода позвоночных животных на сушу и приспособления и перестройки дыхательных органов явилась икота, на медицинском жаргоне называемая singultus. Этот распространенный несколько странный рефлекс нашел отражение во всех языках мира: hiccough (по-английски), hoquet (по-французски), hipo (по-испански), singhiozzo (по-итальянски), hikka (по-шведски) или sekseke (фарси) – и это далеко не полный список. Нейронный механизм этого рефлекса и его физиологическое значение пока неясны, но есть довольно отчетливые указания на то, что этот феномен возник в тот период, когда первые амфибии – по меньшей мере время от времени – покидали воду и перемещались по суше. Икота – это мощный, непроизвольный вдох, сопровождающийся характерным звуком и встречающийся во всех возрастных группах, от младенцев до глубоких стариков. Остро активируются двигательные центры продолговатого мозга и центры, управляющие работой мускулатуры грудной клетки и диафрагмы; происходит смыкание голосовых связок, что и производит характерный для икоты звук. Эта почти одновременная активация различных двигательных центров наблюдается сегодня у тех позвоночных животных, которые могут чередовать дыхание в атмосфере и в воде; к таким животным, например, относятся лягушки и двоякодышащие рыбы. В результате была предложена гипотеза о том, что икота – часть и проявление архаического двигательного механизма, который при переходе к жаберному дыханию за счет смыкания голосовых связок препятствовал попаданию воды в дыхательные пути и легкие. У человека этот рефлекс проявляется смыканием голосовых связок на фоне резкого сильного вдоха, что бывает, например, при употреблении холодных напитков. Играет ли он какую-то роль и при грудном вскармливании, когда младенцу приходится одновременно сосать и дышать, – это вопрос, который в настоящее время активно обсуждается.

В течение следующих 100 млн лет – от конца девона в каменноугольном периоде и до середины пермского периода на Земле – среди позвоночных животных доминировали амфибии, хотя они в большой степени продолжали зависеть от водной среды, в особенности во время размножения. Из этих амфибий в ходе пермского периода развились первые по-настоящему наземные животные – амниоты. Оболочки яиц амниот позволяли эмбриону поглощать кислород из атмосферы и выделять в нее возникающий в процессе обмена веществ углекислый газ. Одновременно у них был создан анатомический барьер, который задерживал влагу в яйце для развития и роста эмбриона. В результате этого эволюционного шага амниоты обрели способность откладывать яйца на суше. В отличие от амниот амфибии, как правило, мечут икру в воду. Первые амниоты появляются в верхнем каменноугольном периоде. Несколько миллионов лет спустя амниоты разделились на две эволюционные ветви. Одна группа была представлена синапсидами, предками млекопитающих, а вторая – зауропсидами, от которых произошли ящерицы, змеи, крокодилы, динозавры и птицы. Первые синапсиды возникли 315 млн лет назад, и уже в нижнем пермском периоде представители этой группы, пеликозавровые, стали самой распространенной и анатомически наиболее крупной группой наземных позвоночных животных. Роль этих пеликозавровых очень важна, поскольку из них в среднем пермском периоде развились терапсиды, которые, в свою очередь, дали начало цинодонтовым, предкам млекопитающих животных.

Развитие истинных млекопитающих эволюционно происходило во множество этапов; при этом среди прочего произошли изменения черепа, приведшие к облегчению его конструкции, улучшилось обоняние, некоторые части челюстей преобразовались в слуховые косточки, а коренные зубы претерпели сложные изменения коронки, что позволило улучшить обработку и усвоение пищи. Последнее привело к усилению обмена веществ, к повышению температуры тела и к расширению возможностей жизнедеятельности, включая способность к ночной активности; с эволюционной точки зрения это большое преимущество, которое было подкреплено тем, что уже у ранних млекопитающих развился меховой покров, защищавший организм от потерь тепла.

Эти изменения в плане строения млекопитающих следует понимать как постепенный процесс, который начался около 270 млн лет назад в среднем пермском периоде и длился около 70 млн лет. В среднем триасе, то есть 240 млн лет назад, мы видим уже множество видов, похожих на млекопитающих. Первые истинные млекопитающие обнаруживаются в отложениях нижнего юрского периода. От рептилий отделились в мезозое еще и птицы. Нет ничего удивительного, что все пресмыкающиеся ближе к птицам, чем к млекопитающим. К настоящему времени те рептилии, линия развития которых, как было сказано выше, привела к появлению млекопитающих, вымерли. Однако бесспорно, что в мезозое рептилии и среди них археозавры были позвоночными животными, господствовавшими на суше и в воздухе. К самым выдающимся представителям этой группы животных, без сомнения, относятся динозавры, которые в течение 200 млн лет определяли вид животного царства наземных позвоночных; и только 65 млн лет назад они сравнительно внезапно исчезли с лица Земли.

По своему строению динозавры значительно отличались от рептилий тем, что их конечности располагались непосредственно под телом, что в некоторых случаях позволяло им очень быстро передвигаться по суше, особенно таким двуногим бегунам, как тираннозавр (Tyrannosaurus rex). Но особо выделялись некоторые представители динозавров, зауроподы – огромными размерами. Они представляют самых крупных наземных животных, когда-либо обитавших на Земле. Выставленный в берлинском музее естествознания Brachiosaurus brancai – представитель этих зауропод; на сегодня это самый большой из полностью сохранившихся экземпляров. Этот скелет был обнаружен в 1910 году в Восточной Африке, в ходе легендарных экспедиций в Тендугуру (1909–1913 годы). И сегодня большая часть тех находок хранится в подвалах музея естествознания в Берлине. Для научного исследования доступны кости, и у физиологов существует великое множество вопросов. Как могли зауроподы достичь таких огромных размеров? Как быстро должны были они расти и какой обмен веществ мог поддерживать такой рост? Каким был рацион питания зауропод, сколько еды должны были они поглощать ежедневно и как они ее переваривали? Как функционировали их легкие? И как вообще было возможно поддерживать кровообращение в голове на высоте 12 м над землей? Какое давление для этого должно было развивать сердце? Если есть в мире что-либо «экстремальное», так это организм зауропод.

Мне выпала честь и удача принять участие в разгадке этой тайны. Дело было в один из серых, промозглых ноябрьских дней в Берлине. Падение стены состоялось за год до этого, и от физиологического института Свободного университета в Далеме я поехал в центр воссоединенного города, мимо главного здания Шарите на Луизенштрассе к музею естествознания на Инвалиденштрассе. В правом крыле здания находился вход для сотрудников палеонтологического собрания. В последние дни Второй мировой войны в это крыло попала авиационная бомба; некоторые невосполнимые образцы были повреждены. На руинах этого крыла в 1990 году уже росли высокие деревья. Здесь я познакомился с высоким человеком с редкими светлыми волосами. На вид ему можно было дать лет пятьдесят пять. Это был доктор Гейнрих, хранитель, отвечавший за палеонтологическое собрание; к нему у меня было дело.

За полгода до этой встречи нам с Карлом Киршем, во время дружеского чаепития, пришла в голову довольно причудливая идея. Мы решили, что можно найти способ рассчитать размеры сердца, легких и желудочно-кишечного тракта Brachiosaurus brancai или вычислить, какое давление крови было необходимо для того, чтобы обеспечить кислородом головной мозг этого животного. Фактически, для того чтобы это сделать, существуют так называемые аллометрические функции, которые в последние десятилетия усиленно вычисляются биологами во множестве кропотливых работ с различными организмами, млекопитающими, рептилиями, птицами и другими. При этом оценить биологические или физиологические величины организма можно, если знать – да-да! – если знать массу тела. Но как измерить массу тела вымершего зауропода? На весы его не поставишь. И вот тут-то мне и пришла в голову идея воспользоваться для этого фотограмметрией и дистанционным зондированием, методами, с которыми я близко познакомился, делая дипломную работу в Испании, а потом изучая обратную сторону Луны. Так методы космических исследований стали интересны и для музея естествознания. Именно этот план я и хотел обсудить с хранителем музея.

Однако в тот ноябрьский день 1990 года мы пошли не в зал динозавров; вместо этого доктор Гейнрих повел меня на третий этаж музея, мимо великолепных находок, немного, надо сказать, запыленных. Но каждая окаменелость была вручную аккуратно занесена в каталог и снабжена рукописной табличкой. Мы остановились перед каталожным шкафом, стоявшим в середине помещения между витринами с ископаемыми остатками неподалеку от окна с решетчатым переплетом. Интересно, что он собирается мне показать? Гейнрих открыл шкаф и осторожно выдвинул один из ящиков. Я сразу узнал покрытую корабельным лаком ручной работы раму медового цвета. Все вместе напоминало картину размерами 40×50 см. Передо мной была палеонтологическая Мона Лиза, литографический археоптерикс, берлинский экземпляр, самая известная в мире окаменелость – в обычном ящике каталожного шкафа! Ее обнаружили около 1875 года на Блюменберге неподалеку от Айхштетта. Нашедший этот артефакт Якоб Нимейер обменял его на корову ценой 150–180 марок. Находка была едва не переправлена в Лондон, но ее в 1879 году за 20 000 марок купил Вернер фон Сименс и передал на хранение в Минералогический музей Университета Гумбольдта в Берлине. На рубеже XIX и XX веков этот археоптерикс (древняя первоптица) воплотил собой победную поступь эволюционного учения Дарвина. Доктор Гейнрих внимательно посмотрел на меня и понял, какой подарок он мне сделал, показав этот предмет хранения.

Нам предстояло много работы, чтобы с помощью новых подходов и методов ближе познакомиться с брахиозавром. Конкретная работа с Brachiosaurus blancai напомнила мне и о многом другом. Двадцатью годами раньше, в июле 1969 года, сразу после того как «Аполлон-11» совершил посадку на Луне, один близкий друг нашей семьи подарил мне деревянный ящик, в котором лежали различные минералы, окаменелости и даже угольно-черный метеорит, а также три тома «Космоса», сочинения, изданного в 1909, 1910 и 1912 годах. В первом томе 1909 года содержалась история об археологических находках, относящихся к юрскому периоду; в ней шла речь о профессоре Фраасе, хранителе собрания природных древностей Штутгарта; этот Фраас был первым ученым, который занялся раскопками мест находок зауропод в Восточной Африке, на территории современной Танзании. В 1906 году один горный инженер, работавший в Тендагуру, в Восточной Африке, наткнулся в горах на исполинские кости. Профессор Эберхард Фраас, признанный немецкий специалист по динозаврам мезозоя, сделал по дороге крюк, чтобы осмотреть находку. В то время эти области в Восточной Африке были частью немецких колоний так же, как Камерун и германская Юго-Западная Африка. Особые отряды охраняли границы этих стран и обеспечивали сопровождение экспедиций, в том числе и экспедиции Фрааса. С великим трудом и с таким же великим безрассудством они подавляли восстания местных туземцев, отчасти это носило характер геноцида, как это было и в 1904 году при подавлении восстания герреро в немецкой Юго-Западной Африке. Тогда, в конце шестидесятых, когда я читал эти рассказы в «Космосе», я ничего не знал о немецких зверствах в африканских колониях. В памяти у меня запечатлелась выцветшая черно-белая фотография из «Космоса»: пожилой господин в военной форме и в классическом пробковом шлеме, сидящий на фоне низкорослого кустарника. У ног господина, словно охотничий трофей, лежала огромная, окаменевшая конечность. Эта фотография, очевидно, воспламенила мое воображение. Э. Фраас в своем рассказе сообщал о месте находки, о ее значении и о трудностях – сначала с носильщиками по сухой дороге в Линди, а затем с морским транспортом при перевозке ископаемых остатков от побережья Восточной Африки в Германию. Впоследствии сообщения о находке и описание места, где она была сделана, привели к организации всеобъемлющих раскопок, самых крупномасштабных в истории немецкой палеонтологии – к германской экспедиции в Тендагуру с 1909 по 1913 год. Эта экспедиция проводилась под эгидой и на средства Берлинского музея естествознания; в ней подчас принимали участие и до 1000 местных помощников.

Восемьдесят лет спустя, при содействии и с помощью сотрудников музея естествознания я, применяя брусья и другие механизмы, при поддержке со стороны музея и института фотограмметрии и дистанционного зондирования Берлинского технического университета, вкатил через главный вход музея на Инвалиденштрассе огромную подъемную платформу и с нее провел многочисленные замеры скелета брахиозавра. С помощью системы автоматизированного проектирования, которая в то время только вошла в моду, было создано трехмерное компьютерное изображение скелета Brachiosaurus brancai. Основываясь на этих данных, мы смогли с помощью вычисления аллометрических функций оценить размеры органов и их функции. Мы установили предположительное гидростатическое расстояние между сердцем и головным мозгом, рассчитали потребное давление крови, рассмотрели темпы роста и суточную потребность в энергии этого исполинского травоядного. Теперь возникли новые вопросы, касающиеся терморегуляции, теплообмена и пищеварения, а также преимуществ и недостатков гигантского размера тела.

Измерение скелета брахиозавра в музее естествознания

Это основополагающие биологические вопросы о роли, которую играют масса тела, площадь поверхности тела и фрактальная геометрия тканей в строении организма. Например, на клеточном уровне не обнаруживается никакой разницы между размерами и функциями печеночной клетки землеройки весом 5 г и такой же клетки слона весом 5 млн г. Оба эти животные – млекопитающие, способные существовать в одинаковых природных условиях.

Сначала в Берлине образовалось маленькое научное сообщество, заинтересовавшееся этими вопросами; затем такие же сообщества появились и в других городах республики. В конечном счете больше десяти лет спустя, в 2004 году состоялось учреждение исследовательской группы 553 при Немецком научном обществе «Биология зауропод 553» под руководством боннского палеонтолога Мартина Зандера. Двенадцать научных коллективов посвятили себя интенсивному изучению темы гигантизма зауропод, а четыре года спустя Spiegel на первой полосе сообщил об «измерении динозавров». В 2010 году результаты исследований были, наконец, опубликованы в журнале Biological Reviews. Исследовательская группа пришла к некоторым интересным новым выводам о тех причинах, которые могли привести к возникновению гигантизма у зауроподов. В частности, среди прочего мы установили, что предположительно у зауроподов, в результате специфического сочетания родовых наследственных признаков и ключевых эволюционных приобретений на различных уровнях, был запущен замечательный эволюционный каскад, приведший к гигантизму. К этим ключевым эволюционным инновациям, с большой долей вероятности, можно отнести длинную шею – самый выдающийся анатомический признак строения тела зауропод. Длинная шея сделала возможным эффективный сбор пищи, так как зауроподам был доступен в качестве источника пищи больший объем пространства, нежели другим травоядным. В спокойном положении при такой длине шеи, согласно нашим расчетам, зауроподу для сбора пищи было доступно пространство объемом 150 м^3. Исходя из биомеханических соображений – для того чтобы уменьшить вес самой шеи – было необходимо по ходу эволюции уменьшить размер головы и создать пустотелые кости, так называемый пневматизированный скелет. Уменьшение размера головы оказалось возможным, потому что растительный материал надо было только сорвать с ветви, но не было необходимости его жевать. Брахиозавр, скелет которого находится в музее естествознания, должно быть, поедал в сутки около 350 кг растительного материала (в сыром весе), что соответствует приблизительно 120 кг сухого веса. Из этих 120 кг, по нашим расчетам, в кровь всасывалось около 60 кг питательных веществ.

Для того чтобы выполнить эти расчеты, нам пришлось прибегнуть к помощи Ботанического сада в Далеме (Берлин), а также Биохимического института Свободного университета. Ботанический сад предоставил нам для анализа образцы древовидных папоротников и других растений, которые уже в юрском периоде служили зауроподам источником питания. Так как в то время на Земле еще не было цветковых растений, то представить себе меню зауропод не составило особого труда для специалистов по палеонтологической физиологии питания: папоротники, полевые хвощи, саговники, гинкго и хвойные – только эти растения могли играть в питании основную роль. Энергетическую ценность пищевых продуктов можно определить с помощью калориметра; у папоротника энергетическая ценность равна 3,5 ккал/г, а у гинкго – 6,1 ккал/г. Для усвоения пищи в желудочно-кишечном тракте зауроподы не располагали ни механизмом интенсивного пережевывания, ни механизмом измельчения пищи в желудке за счет проглоченных камней, как это наблюдается у страусовых. Эти механизмы, согласно данным других участников группы 553, только ограничили бы усвоение пищи. Аллометрические расчеты величины желудочно-кишечного тракта и основного обмена зауропод показали, что необходимого измельчения целлюлозы удавалось добиться, предположительно, за счет удлинения времени пребывания пищи в желудке и кишечнике.

Выраженное формирование воздухоносных полостей в скелетной системе (ее пневматизация) было у зауропод в ходе их эволюционной истории тесно связано с развитием органа дыхания, состоявшего из множества воздушных мешков – таких же, как у современных птиц. Такое основанное на воздушных мешках дыхание обеспечивает, в отличие от легких, которыми дышим мы, лучший с точки зрения физиологии дыхания газообмен, позволяет уменьшить массу тела и лучше отдавать тепло, что особенно важно для организмов с большой массой тела. Улучшенное дыхание сделало возможным увеличение скорости метаболизма у зауропод, а следовательно, повысило и уровень основного обмена. Этот уровень – свойство, очевидно возникшее уже на ранней стадии эволюции динозавров. Анализ костного материала показал, что предельный возраст зауропод не превышал 80–100 лет. Рост зауропод был наиболее быстрым в возрасте от 15 до 30 лет. Увеличение массы в этот период составляло около 10 кг в сутки. Это увеличение скорости роста вело к увеличению скорости размножения у зауропод в сравнении с крупными млекопитающими. Кроме того, как яйцекладущие рептилии, зауроподы оставляли и более многочисленное потомство. В то время как у зауропод увеличение массы тела вело к увеличению числа яиц в кладке, у сухопутных млекопитающих наблюдают противоположную тенденцию. Рептилии обладают в основном эктодермальным обменом веществ, то есть в большой степени зависят от температуры окружающей среды и при низкой интенсивности обмена сильно ограничены в своей активности.

Новые данные об обмене веществ в костях, о биомеханике, о питании и размножении были дополнены новыми сведениями о сердечно-сосудистой системе. Так, сердце, для того чтобы обеспечить кровью головной мозг, должно было протолкнуть кровь на высоту около 8 м, что требует давления в несколько сотен миллиметров ртутного столба. Миллиметр ртутного столба (мм Hg) – это единица измерения давления. По историческим причинам именно эта единица до сих пор используется в медицинской практике вместо международной единицы – паскаля, так как до недавнего времени артериальное давление крови измеряли с помощью ртутных тонометров, в которых давление определяли по высоте ртутного столба. У человека разность давлений крови в сердце и головном мозге составляет около 30 мм Hg, а у жирафа, например, почти 200 мм Hg.

Вот видите, что может получиться, когда вместе с шефом, в моем случае с профессором Киршем, пьешь чай в пятницу вечером и вслух размышляешь о найденных в Восточной Африке костях. Но Восточная Африка – не только родина динозавров, именно там началось стремительное развитие человека.

Олдувай, или Колыбель человечества

Где и как мы стали теми, кто мы есть

Добрых 2 млн лет назад, как позволяют предположить находки в Олдувайском ущелье в Танзании, из австралопитека, южной обезьяны, возник современный человек, который с тех пор, как повелел ему Бог Ветхого Завета, подчинил себе всю Землю. На примере поразительных адаптационных изменений, которые при этом имели место, мы можем многому научиться. Надо сказать, что в эволюции человека и в его расселении по всему миру решающую роль всегда играл климат. Климатические изменения в значительной степени – как положительно, так и отрицательно – повлияли на развитие человечества. Поэтому у нас нет больших оснований для оптимизма, поскольку едва ли мы сумеем физиологически справиться с обозначившимся в наше время изменением климата и превзойти положенные нам границы способности к адаптации.

Сентябрь 1981 года, приближается полночь. Кромешная тьма. Только автомобильные фары выхватывают из темноты конусы света вдоль извилистой дороги. Я еду после вечернего доклада и хочу за ночь добраться до места следующего выступления. Чтобы не заснуть, я включаю радио. Мягкий, мелодичный женский голос медленно, слегка растягивая слова, читает: «Остался ли в воздухе равнины оттенок, которому я отдавала предпочтение в одежде, изобрели ли ребятишки игру, в которой звучит мое имя, падает ли свет луны на гальку дорожки перед домом, напоминая обо мне, ищут ли меня орлы нагорья Нгонг?»[1]

В тот момент, среди ночи, в Шварцвальде, «галька дорожки перед домом» явственно возникла у меня в голове. Мне было совершенно непонятно, почему я никогда не слышал ни об авторе этих строк Тане Бликсен, ни о ее жизненном пути, как не слышал ничего и о Денисе Флинче Хаттоне. Сегодня я смотрю на эту дорожку, сижу на крытой веранде, которая стала известна всему миру благодаря граммофону и концерту для кларнета. Многое изменилось с тех пор. Ее африканская ферма находится теперь на окраине Найроби, а М’Богани, жилище датчанки Карен Кристенце Динесен, ставшей впоследствии баронессой Бликсен-Финеке, превратилось в музей у подножия горы Нгонг. Вся эта часть города носит теперь имя знаменитой писательницы: Карен. Все еще многочисленные, хорошо сохранившиеся и обитаемые виллы с обширными парками и садами в этой части города передают романтический облик колониального периода, продолжавшегося несколько десятилетий. «Здесь непосредственно встречаются друг с другом, – как утверждала в журнале Spiegel писательница С. Леттенбауэр, – тоска по колониальному порядку и современная переделка британского наследия».

Довольно долгое время эта ферма принадлежала богатейшему клану Африки, клану Кениат. Его представитель Джомо Кениата в 1963 году, после провозглашения независимости Кении, стал первым премьер-министром страны, а в 1964 году, после объявления Кении республикой – первым ее президентом. Он обеспечил процветание узкому верхнему слою местной элиты, в то время как больше половины населения этой богатой полезными ископаемыми страны до сих пор живет на грани нищеты, и ситуация не улучшается, а становится только хуже. Год за годом в Кении растет число беженцев из западных регионов, расположенных южнее Сахары – прежде всего из Буркина-Фасо, Чада и Нигера. Уже сегодня по числу беженцев – 2 млн в год – Кения занимает второе место после Колумбии среди стран, где возрастает их количество. Главная причина такого массового переселения – глобальное изменение климата, негативные последствия которого коснулись людей, проживающих в области экватора, значительно раньше и сильнее, чем населения, живущего в более северных районах земного шара. Ситуация просто карикатурная: страны, сильнее других пострадавшие сегодня от изменения климата, которое лишь усугубится в будущем, меньше остальных повинны в этом.

Работы по строительству метеорологической станции группой Research Unit 2933 в Восточной Африке

Я нахожусь в Найроби и держу путь в западную часть страны, в Кисуму, что на озере Виктория. В Кению я прибыл для того, чтобы исследовать влияние климатических изменений на работоспособность местного населения. Эта работа – часть исследования, проводимого «Исследовательской командой 2933» (Research Unit 2933), работающей в рамках Немецкого научного объединения над темой «Изменение климата и здоровье». Эта работа, не в пример колониальным временам столетней давности, зиждется на сотрудничестве с африканскими партнерами из органов местного здравоохранения; мало того, это сотрудничество просто жизненно необходимо и не ограничено никакими рамками. Но давайте мы еще ненадолго задержимся на крытой веранде дома М’Богани и мысленно перенесемся в далекое прошлое, на несколько миллионов лет назад, чтобы увидеть, как здесь, в районе великого Восточноафриканского разлома, изменение климата сыграло решающую роль в развитии человека как биологического вида.

Изучение этой истории было начато в 1932 году, в Канаме, в непосредственной близости от Кисуму. Сначала палеоантрополог Луис Лики нашел там нижнюю челюсть, вызвавшую недоумение ученых своим возрастом и видом. Позднее Луис и его жена Мэри нашли множество примитивных орудий и остатков скелетов австралопитеков в Олдувайском ущелье в Танзании. Сегодня это ущелье длиной 50 км и глубиной 100 м, которое располагается в 20 км от кратера Нгоронгоро, а также открытые в семидесятые годы древние поселения в афарском треугольнике в Эфиопии, места раскопок в Малави, найденные в девяностые годы, и ранние раскопки в южноафриканской провинции Гаутенг, относят к «колыбели человечества». Кто же такие эти австралопитеки? Почему многие их виды вымерли? Когда и где возникли и развились Homo sapiens?

Палеоантропологи считают семейство австралопитеков так называемым парафилетическим таксоном, из которого возник парантроп, «дикое человекообразное существо», и представители рода Homo (человек). Но что такое парафилетический таксон? Такой таксон, то есть биологическая единица, содержащая определенную группу живых существ, не содержит всех потомков исходного вида, хотя принадлежащие к нему виды могут иметь общее происхождение. Australopithecus anamensis, Australopithecus afarensis, Australopithecus africanus, Australopithecus garhi и Australopithecus sediba считаются сегодня палеоантропологами общепризнанными видами рода австралопитеков. Однако их родство друг с другом, а в особенности с родами Paranthropus и Homo erectus, выяснено не вполне. Новейшие исследования, выполненные в 2020 году, позволяют, по крайней мере, предполагать, что в течение короткого периода в истории развития человека Paranthropus, Homo erectus и австралопитеки жили одновременно рядом друг с другом.

Самые известные находки ископаемых свидетельств истории развития человечества были сделаны в Южной Африке. Новые находки относятся к периоду от 1,95 до 2,04 миллиона лет назад, то есть происходят из той исторической эпохи, когда австралопитеки южные обезьяны отделились от Paranthropus robustus и Homo erectus. Отсюда, как предполагают ученые, современный человек в течение следующих 200 000 лет продвигался на север вдоль Восточноафриканского разлома.

Считается, что виды Australopithecus anamensis и Australopithecus afarensis образовались не в результате отщепления, а за счет медленного развития одного вида, который взял свое начало около 4 млн лет назад в Африке. В результате изменений климата в области Восточноафриканского разлома – так, во всяком случае, следует из гипотезы – около 2,5 млн лет назад возникли две различные адаптационные стратегии среди австралопитеков; одна стратегия «усилительная», вторая стратегия «утонченная»; этот процесс привел к разделению семейства австралопитеков на две соответствующие группы. Палеоклиматические исследования показывают, что в то время Южная Африка страдала от засухи и холода. Это привело к тому, что леса отступили и были заменены обширными пространствами саванн. В ходе этого процесса произошло уменьшение количества доступной пищи и ее разнообразия в сравнении с тропическими лесами. Вместо мягких и сочных плодов и листьев в распоряжении травоядных животных оказались жесткие травы, семена и коренья. «Сильные» австралопитеки (Paranthropus) специализировались именно на такой растительной пище с жесткими волокнами. У этих обезьян сильно развилась жевательная мускулатура и увеличилась жевательная поверхность коренных зубов. На основании этих признаков Paranthropus bosei получил неформальное название «человек-щелкунчик».

Когда миллион лет назад температура атмосферы снова повысилась, сильные австралопитеки вымерли, но линия «утонченных» австралопитеков выжила, и из них развился род Homo с его ранними ископаемыми представителями: Homo rudolfensis и Homo habilis. Многое при этом указывает на то, что именно утонченные австралопитеки стали первыми существами, начавшими использовать примитивные орудия, чтобы вскрывать жесткие оболочки новых источников питания, недоступных для них из-за отсутствия анатомической приспособленности (мощной жевательной мускулатуры, площади жевательной поверхности). Соответствующие первые первобытные каменные орудия были обнаружены Л. Лики и его женой Мэри в Олдувайском ущелье и известны сегодня под названием Олдувайской культуры.

Новейшие исследования множества младенческих и детских черепов, проведенные в Лейпцигском институте эволюционной антропологии имени Макса Планка, позволили обоснованно предположить, что существенно важные этапы развития мозга австралопитеков, как и у современного человека, происходили после рождения, что говорит о длительности фазы ухода со стороны родителей – эта фаза была более длинной, чем у современных шимпанзе и горилл. Эту длительную фазу можно было использовать для обучения изготовлению и методам работы с простыми орудиями из оббитой гальки – галечными орудиями, или чопперами. Эти простейшие каменные орудия изготавливали, очевидно, одним-двумя сильными, но целенаправленными скалывающими ударами; эти орудия никоим образом не могли образоваться естественным путем. Разумеется, иногда даже специалистам бывает трудно отличить такие орудия от природной гальки. Как бы то ни было, изготовление орудий предполагало наличие целого ряда когнитивных и ремесленных способностей. Так, изготовитель должен был знать свойства каменного материала, то есть различать, например, кремень, известняк или песчаник. Кроме того, нужно было оценить, по каким линиям следует раскалывать кусок камня, и рассудить, как держать каменную заготовку и с какой силой нанести удар. Вероятно, что первобытные ремесленники при обработке камней конкретно думали над тем, для какой цели будет использовано то или иное орудие – для отделения мяса от костей или раздробления костей, чтобы добыть вкусный и питательный костный мозг.

Понятно, что главная предпосылка для изготовления орудий – наличие свободных рук благодаря развитию прямохождения. При этом задние конечности должны были стать по отношению к передним более массивными, мускулистыми и длинными, так как, в отличие от наших ближайших сородичей, например шимпанзе, которые в основном передвигаются на четырех конечностях, в распоряжении наших предков для передвижения оставались только задние конечности. Фундамент такого развития был заложен уже у ранних австралопитеков, от 5 до 7 млн лет тому назад. Вертикальное хождение сделало для них возможной, за счет экономии энергии, более эффективную охоту в расширившихся вследствие изменения климата в плиоцене пространствах саванны Восточной Африки. С физиологической точки зрения прямохождение улучшило терморегуляцию, так как при вертикальном положении тела возникающее вследствие обменных процессов тепло быстрее и легче рассеивается в окружающей среде.

Но эволюционное развитие не происходит даром: преимущество, получаемое с одной стороны, с другой оборачивается недостатком. Так, прямохождение потребовало массивного преобразования строения тела, в особенности в области таза – как для обеспечения передвижения на двух ногах, так и в плане деторождения, в котором строение таза играет ключевую роль. Таз анатомически ограничивает ширину родовых путей, по которым должен пройти плод во время родов. Так как вход в малый таз у женщины имеет наибольший диаметр в поперечном направлении, а на выходе наибольший диаметр – продольный, то плоду и так достаточно в узком канале приходится при своем продвижении выполнить поворот. У большинства других приматов эти сложные повороты плода в родовых путях не необходимы, так как плод может покинуть родовой канал прямым путем. Но это только один аспект проблемы, и, вероятно, не самый важный. В ходе эволюции человеческий таз претерпел укорочение и превратился в массивное воронкообразное костное кольцо. Крестец стал более массивным, более широким, а у женщин – более коротким, чем у мужчин. Суставные впадины стали больше, чтобы создать лучшую опору и фиксацию головок бедренных костей. В результате всех этих изменений таз, совместно с мускулатурой тазового дна, возымел, наконец, способность выдерживать вес туловища.

Спустя значительное время после того, как была полностью усвоена вертикальная походка и была практически полностью завершена перестройка в области таза, наступил черед энцефализации, то есть непропорционально сильного развития головного мозга. Совершенно очевидно, что здесь эволюция столкнулась с весьма трудной проблемой, которой антропологи и акушеры дали меткое название «проблемы рождения». Головки младенцев становились все больше, а родовые пути матерей – в ходе той же эволюции – становились все уже. Эта проблема в развивающихся странах, где недоступно современное медицинское родовспоможение и где невозможно прибегнуть к кесареву сечению, приводит к высокой смертности рожениц и плодов. Надо также ожидать, что женщины с широким тазом обладают преимуществом в сравнении с женщинами, обладающими узким тазом, – первые в состоянии рожать младенцев с большим объемом головки, чем вторые. Именно это было недавно проверено и доказано в ходе масштабного исследования с применением методов трехмерной визуализации человеческого таза. Согласно результатам исследования, существует сложная связь между формой таза, размерами тела и обхватом головки. Размеры головки и масса тела, согласно полученным результатам, не независимы от строения таза женщин, а связаны с ним.

Человеческий плод к моменту рождения на 15 % тяжелее, чем плоды других приматов, а в сравнении со взрослым человеком, в соотношении с массой тела, мозг новорожденного приблизительно на 40 % тяжелее. Это означает, что новорожденный человек необычайно велик и обладает непропорционально большой головой, но – в сравнении с новорожденными других млекопитающих – недоразвит в отношении многих физиологических функций. Новорожденные не могут бегать, зрение функционирует у них только условно, у новорожденного младенца несостоятельная система терморегуляции – в результате новорожденному постоянно грозят переохлаждение и внезапная детская смерть.

В итоге можно утверждать, что человек рождается на свет абсолютно беспомощным существом. Согласно выполненным оценкам, человеческий плод должен оставаться в материнской утробе еще семь месяцев, чтобы при рождении быть в таком же состоянии развития, как детеныши высших обезьян. Есть и другие ученые, которые исходят из того, что истинная причина преждевременного появления ребенка на свет – не «проблема рождения», а скорее то обстоятельство, что обмену веществ беременной женщины не остается ничего другого, как прибегнуть к «преждевременным» родам на стадии недостаточной зрелости плода. Дело, по мнению этих ученых, в том, что способность беременной обеспечить питание плода и собственного организма физиологически ограничена. По мере развития беременности женскому организму становится все труднее обеспечить достаточной энергией себя и плод. Потребление калорий матерью неуклонно растет в первые два триместра беременности, но затем выходит на плато. С этого момента уровень интенсивности обмена веществ становится достаточным для того, чтобы обеспечить энергией как материнский организм, так и плод. Однако плод продолжает расти и в течение следующих месяцев, и поэтому организм беременной, из соображений собственной безопасности, по истечении девяти с половиной месяцев включает механизм родов. Согласно подсчетам ученых, продление беременности свыше срока в девять с половиной месяцев привело бы к угрожающему жизни поражению обмена, потому что плацента была бы уже не в состоянии снабдить плод необходимым количеством энергии. Именно это обстоятельство требует после родов интенсивного ухода за младенцем со стороны родителей. Значение возникающей в результате тесной социальной связи между потомками и родителями для дальнейшего хода развития у гоминид (человекообразных обезьян) трудно переоценить; эта связь – отличительная черта гоминид, к которым, согласно новейшей номенклатуре, относят восемь видов: человека, различные виды горилл, орангутанов и шимпанзе, а также вымершие виды Gigantopithecus и Neandertalensis. История гоминид и их предков приматов тесно связана с развитием млекопитающих. Дело в том, что, несмотря на устоявшийся взгляд, согласно которому млекопитающие имели эволюционное селекционное преимущество перед рептилиями, поскольку у млекопитающих плод развивается в матке и защищен от вредных воздействий среды, эволюция с самого начала столкнулась с фундаментальной проблемой, начало которой было заложено в мезозое, то есть в эпоху динозавров, в период от 250 до 66 млн лет назад.

В те времена, в мезозое, на Земле среди позвоночных доминировали, как уже было сказано, рептилии, к которым относятся и динозавры. В кайнозое, приблизительно 66 млн лет назад, рептилий потеснили млекопитающие. Эволюция млекопитающих началась в юрском периоде, на много миллионов лет раньше кайнозоя, в тени динозавров. Вначале млекопитающие были представлены мелкими, размером с мышь или крысу, ночными животными. Развитие плаценты и матки позволило млекопитающим размножаться более независимо от условий внешней среды, чем это могли рептилии, хотя, конечно, процесс размножения стал более сложным. После вымирания динозавров во время перехода от мелового периода к третичному млекопитающие быстро заняли пустующую в животном царстве нишу.

С появлением плацентарных животных эволюции пришлось решить еще одну проблему: как защитить растущий эмбрион (плод) от иммунологической реакции матери, так как развивающиеся в матке ткани по меньшей мере наполовину чужеродны для матери. Прежние допущения исходили из того, что в этой защите решающую роль играют плацента и пуповина, которые должны обеспечивать иммунологический тканевой нейтралитет по отношению к тканям плода во время беременности. Как с анатомической, так и с иммунологической точек зрения эти допущения не столь уж далеки от истины. С анатомической точки зрения это справедливо, потому что так называемые синцитиотрофобласты создают для эмбриона своего рода защитную стену, а с точки зрения иммунологической потому, что пуповина – это не просто трубки, связывающие мать и плод, но и место, где хранятся и высвобождаются клетки, ослабляющие защитные процессы, осуществляемые иммунной системой матери. Сегодня на основании генетических исследований стало известно, что эти важные этапы в развитии плацентарных животных имели место приблизительно 170 млн лет назад, что хорошо согласуется с временем обнаружения первых ископаемых остатков млекопитающих. Представим себе этот защитный слой трофобластов как ткань, отдельные клетки которой соединены друг с другом своего рода клейким веществом.

Вот здесь-то и начинается самое интересное. Новейшие генетические исследования показали, что это «клейкое вещество» было внедрено в ДНК млекопитающих вирусами, происходящими из группы ретровирусов, которые известны своей способностью быстро менять поверхностные признаки клеток так, что они могут ускользать от воздействия иммунной системы. Некоторые из этих вирусов восходят к очень примитивным жизненным формам, существование которых можно проследить до момента возникновения жизни на Земле. Как стало известно совсем недавно, эти провирусные копии не так уж редко встречаются в человеческом геноме. Было доказано наличие в нем более 30 000 различных провирусных копий – то есть генетического материала вирусов. По оценкам некоторых ученых, в геноме – более 100 000 таких копий, то есть около 8 % всей человеческой ДНК. К настоящему времени известны около 80 различных семейств провирусных копий. Большинство из них, согласно современным воззрениям, немы, то есть эти инфицированные ретровирусами отрезки ДНК в результате мутаций, вставок и удалений не кодируют белки. При вставке вследствие мутации происходит встраивание в ДНК отдельных нуклеотидов или последовательностей нуклеотидов; при удалении происходит потеря генетического материала из последовательности ДНК. Нуклеотиды – строительные блоки рибонуклеиновых (РНК) и дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК).

Некоторые ретровирусные гены, однако, сохраняют способность к кодированию белков. Некоторые из таких ретровирусов взяли на себя определенную физиологическую роль в организмах наших ранних предков – приматов. К белкам такого рода относятся уже упомянутые так называемые синцитины, которые у людей за счет активации синцитиотрофобластов приводят к слиянию и склеиванию клеток на границе, разделяющей мать и плод. Синцитины, таким образом, играют решающую роль в создании отграниченного пространства в полости матки для плода, где он, защищенный в том числе и от материнской иммунной системы, может развиваться в течение недель и месяцев. Новейшие исследования позволили установить, что природа не ограничилась одним этим механизмом защиты плода. У плода были обнаружены особые антигены; они находятся в околоплодных водах, на клетках плодного пузыря и на клетках, рассеянных в других тканях – HLA-G. Эти антигены принадлежат к так называемому главному комплексу гистосовместимости (major histocompatibility complex, MHC). Эти молекулы играют решающую роль в распознавании клеток собственного организма и чужеродных клеток. У людей главный комплекс гистосовместимости обозначают как систему HLA (человеческого лейкоцитарного антигена, human leukocytic antigen), так как молекулы эти обнаруживаются на поверхности лейкоцитов с помощью специфических антител. Главная задача HLA – связывание чужеродных клеток, например микроорганизмов, и их представление для распознавания другим клеткам иммунной системы. Специфические HLA-G-молекулы плода способны отключать иммунологические клетки-киллеры матери, прикрепляя на их поверхность определенные белки; таким образом, клетки-киллеры теряют способность выделять ферменты, повреждающие ткани, распознанные как чужеродные.

Отсутствие HLA-G приводит к выкидышам, или преждевременным родам, или к неспособности к имплантации оплодотворенной яйцеклетки в матку. То, что ученые интенсивно занимаются описанием и расшифровкой состава HLA-G, связано не только с его значением для успешной имплантации оплодотворенного яйца, но и непосредственно с клиническими исследованиями в области онкологии и вирусологии. Дело в том, что некоторые опухоли ускользают от защитных механизмов иммунной системы; и это было показано с помощью экспериментов с молекулами HLA-G; опухоли, так сказать, прикидываются эмбрионами и, таким способом, избегают разрушения со стороны иммунной системы организма-хозяина. Такой же стратегии, очевидно, придерживаются и вирусы, которые после инфицирования клеток хозяина вызывают экспрессию на их поверхности HLA-G, чтобы остаться неопознанными; они, если можно так выразиться, «пускают пыль в глаза» иммунной системе.

Одно замечание: мы не должны закрывать глаза на то, как в ходе эволюции возбудители заболеваний использовали защитные механизмы, направленные против них, для своего дальнейшего существования и распространения; это происходит и в наше время. Возьмем, например, насморк и чихание при простуде. При инфекции организм повышает продукцию слизи в носу и в глотке, что приводит к частому чиханию, которое, в свою очередь, способствует удалению микробов из организма. С точки зрения возбудителя это лучшее, что может с ним произойти. Так заразятся новые индивиды, что обеспечит возбудителю более широкое распространение в популяции жертв. При определенных обстоятельствах одна локальная мутация, происшедшая у возбудителя в организме какого-то человека, на фоне скученности населения и его мобильности может привести к пандемии. Covid-19 – трагический пример из нашей современности.

Для нас, физиологов, группа приматов представляет особый интерес, так как они в известной мере проторили путь человеку. Первые приматы, согласно новейшим исследованиям, появились, вероятно, около 86 млн лет назад, то есть в эпоху динозавров. Тогда общий ствол предков расщепился на шерстокрылов и приматов, что означает, что все приматы происходят от одного общего предка. Это удивительно, если вспомнить, что в настоящее время насчитываются более 500 видов и 16 семейств в составе отряда приматов.

Приматы произошли не от тупай, как полагали раньше, так как проявляют больше сходства и находятся в родстве с шерстокрылами. Эти животные размером с кошку имели один примечательный анатомический признак – летательную перепонку: предки приматов летали по принципу Отто Лилиенталя. Эти животные могли натягивать кожу между конечностями и телом и планировать с дерева на дерево. Такой способ передвижения требовал участия множества физиологических и анатомических систем. Предпосылками среди прочего были хорошее стереоскопическое зрение, чувствительный орган равновесия, а также двигательные и когнитивные способности, достаточные для осуществления управляемого полета. Сегодня известны только два вида шерстокрылов, обитающих в лесах Юго-Восточной Азии.

68 млн лет назад приматы разделились на мокроносых (низших) приматов и сухоносых приматов. К мокроносым в настоящее время относят лемуров и лориевых, которые в совокупности представлены 141 видом. 64 млн лет назад произошло наконец разделение сухоносых приматов на долгопятовых и обезьян (антропоидов). В палеоцене и эоцене эти последние уже широко распространились в Северной Америке, Европе и Азии. Правда, большое число жизненных форм, включая и приматов, в ходе происшедшего в палеоцене и эоцене (55,8 млн лет назад) повышения температуры атмосферы оказались под сильным эволюционным давлением. Этот температурный максимум был уникальным за всю новейшую историю Земли. Средняя глобальная температура поднялась за пару тысяч лет на 6° – с 18 до 24. Для сравнения можно вспомнить, что в период с 1951 по 1980 год она равнялась 14°, и мы выражаем большую озабоченность в связи с тем, что в течение ближайших десятилетий она может повыситься всего на 2°.

Стремительное повышение температуры, происшедшее в то время, из-за нагревания воды привело к вымиранию беспозвоночных, населявших океаны, а на земле выраженная засушливость климата в течение 170 000–200 000 лет привела к массовой гибели господствовавших до тех пор фауны и флоры. Среди наземных животных того времени палеонтологи наблюдают типичное уменьшение размеров тела, что, вероятно, можно объяснить уменьшением количества доступной пищи на фоне глобального наступления жары.

В олигоцене, то есть 20–33 млн лет назад, климат Северного полушария снова начал охлаждаться. Это привело к понижению уровня Мирового океана, и образовался новый перешеек суши, связавший Африку (Эфиопию) с Аравийским полуостровом. Это открыло путь к дальнейшему расселению хвостатых обезьян Старого Света (Cercopithecoidea) и человекообразных видов (Homoinoidea). Последние около 20 миллионов лет назад расщепились на гиббонов (Hylobatidae), которые в настоящее время представлены 20 видами, и на человекообразных обезьян, их насчитывают восемь видов, включая и человека (Homo sapiens). Одно только разнообразие – более 500 видов – приматов говорит о том, что в ходе эволюции они смогли освоить самые разные жизненные пространства. Однако человек сегодня – это единственная человекообразная обезьяна, которой не грозит вымирание. Скорее перед нами стоит проблема чрезвычайно мощного, экспоненциального роста численности нашего вида на планете. Такое не имеет примеров в истории эукариотических организмов.

В миоцене, 24–25 млн лет назад, климат в области Восточно-Африканского разлома, как уже было сказано, стал более засушливым, и тропические и субтропические леса уступили место открытым пространствам саванн. Это привело к тому, что обитавшие на этих пространствах приматы в течение миллионов лет подвергались сильному давлению отбора. Это давление вначале проявилось, в частности, оптимизацией водно-солевого обмена, что в дальнейшем повлияло на питание, а позднее и на физическую выносливость.

Считают, что вследствие почти исключительно вегетарианского питания (плоды, листья) потребление поваренной соли было весьма ограниченным. Это потребление не превышало 0,6 г в сутки, а в среднем и позднем плейстоцене достигло 1,9 г в сутки. В этой связи была выдвинута интересная гипотеза о том, что мутации уриказ, происшедшие в ходе развития гоминидов в течение последних 20 млн лет, объясняются постоянным дефицитом поваренной соли. Фермент уриказы в организмах млекопитающих, за исключением человека, приматов и некоторых особых видов (определенно у собак, кошек и коз), катализирует превращение труднорастворимого соединения – мочевой кислоты – в легкорастворимый аллантоин. Причина дефицита уриказы у названных видов неясна. Предполагают, что у коз он вызван низким содержанием в рационе следового элемента меди, которая необходима для функционирования уриказы. Содержание меди очень низко в злаках и травах. Это объяснение представляется, однако, маловероятным в связи с разнообразным питанием других вышеназванных видов животных. Наша потребность в меди очень низка – нам требуется в сутки не более 2–4 мг этого металла. В связи с отсутствием уриказы гоминиды (обезьяны и люди), а также некоторые низшие обезьяны Нового Света отличаются отчетливо повышенным уровнем мочевой кислоты в сравнении с млекопитающими других видов. Эволюционное преимущество здесь заключается в том, что мочевая кислота представляет собой очень мощный антиоксидант и нейтрализует, например, реактивные кислородные радикалы, которые при длительных физических нагрузках могут повреждать клеточные мембраны. Далее, высокое содержание мочевой кислоты в крови может способствовать поддержанию нормального уровня артериального давления крови, так как мелкая незаряженная молекула мочевой кислоты может свободно проникать сквозь клеточные мембраны и таким образом поддерживать нормальное осмотическое давление в тканях.

20 млн лет назад к человекообразным обезьянам относились приблизительно 80 % антропоидов; 10 млн лет спустя это число уменьшилось до 20 %, вероятно, благодаря усилению давления естественного отбора в связи с климатическими изменениями. К этим видам относятся как ныне живущие обезьяны, так и человек. Сегодня существуют четыре рода и восемь признанных сохранившихся видов: западная горилла и восточная горилла, орангутан Суматры, орангутан Тапанули, орангутан Борнео, обыкновенный шимпанзе, карликовый шимпанзе (бонобо) и человек. Человек распространился по всему земному шару, а названные человекообразные обезьяны обитают в ареале, ограниченном определенными регионами Африки и Юго-Восточной Азии, и представляют собой сейчас виды, которым грозит исчезновение. Ради полноты картины стоит упомянуть, что в биологической таксономии эти восемь живущих человекообразных обезьян включают также прямых и непрямых ископаемых предков, таких как, например, гигантопитек и неандерталец.

В Восточной Африке условия окружающей среды стали не только холоднее и суше, но гипоксическими, то есть в атмосфере стало меньше кислорода, так как в результате тектонических сдвигов произошло поднятие Восточно-Африканского разлома. Многочисленные ареалы в области Восточно-Африканской рифтовой системы лежат на высотах от 1500 до 2500 м над уровнем моря. В этих областях барометрическое давление ниже, чем на уровне моря, на 25 %, и соответственно ниже парциальное давление кислорода, а значит, меньше его содержание во вдыхаемом воздухе. Предки человека развивались именно в таких трудных для жизни условиях. Ardipithecus ramidus, остатки которого были обнаружены в Арамисе (Эфиопия), – древнейший из известных гоминид (возраст его исчисляется 4,4 млн лет). Предки этого существа пока не обнаружены.

Есть убедительные доказательства того, что уже Ardipithecus ramidus был, во всяком случае, отчасти прямоходящим, то есть мог передвигаться на двух ногах, что наряду с возросшей массой головного мозга и перестроенными зубами представляет собой существенную веху в эволюции человека. Передние конечности утратили функцию передвижения и могли выполнять теперь другие задачи – вплоть до изготовления первых орудий труда. До недавнего времени считали, что находки из олдувайской культуры, датированные периодом 2,3–2,6 млн лет назад, – древнейшие каменные орудия. Их изготовление приписывали Homo habilis. Однако совсем недавно, в 2015 году, в районе озера Туркана в Кении были обнаружены примитивные каменные орудия, более древние, чем все ныне известные. Вероятно, они были изготовлены около 3,3 млн лет назад, то есть за много сотен тысяч лет до того, как появились первые представители рода Homo. Согласно общему взгляду, вертикальное положение тела, передвижение на двух ногах, расширение поля зрения и его улучшение, а также свободные руки могли послужить стимулом для повышения умственных способностей ранних австралопитеков.

Помимо Australopithecus garhi (возраст находок 2,6 млн лет, Эфиопия) и Homo rudolfensis (1,8 млн лет, Восточная Африка), в области Восточно-Африканского разлома 1,5–2,1 млн лет назад жил Homo habilis (человек умелый), представлявший собой промежуточное звено между австралопитеком и человеком разумным. Эта трактовка, основанная на критерии объема головного мозга, не оспаривалась в течение нескольких последних десятилетий. Часть палеонтологов проводит границу на значении 700 см^3, другие же на 800 или даже 900 см^3. В первом описании находки Homo habilis в Олдувайском ущелье, сделанной Л. Лики, П. Тобиасом и Дж. Нэпиром, эта нижняя граница объема мозга для видов рода Homo была опущена до 600 см^3. Человек умелый имел рост около 1,5 м, вес около 50 кг и объем мозга, вероятно, около 800 см^3.

Почему так интересны данные о росте, весе и объеме головного мозга? Палеонтропологам эти параметры среди прочего нужны для реконструкции энергопотребления. В состоянии покоя потребление энергии организмом определяется главным образом мышечной массой и работой таких внутренних органов, как легкие, сердце, почки и печень. Это называют основным обменом. Когда вы читаете эти строки, один только ваш мозг потребляет около 20 % всей энергии обмена веществ. Этот уровень основного обмена едва ли изменился у нас по сравнению с нашими далекими предками, но изменилось потребление энергии и связанный с ним рабочий суточный обмен, необходимый для добывания пищи. Эта дополнительная потребность в энергии возникла вследствие больших нагрузок на мускулатуру нижних конечностей: австралопитек или человек прямоходящий тратили в сутки в 4–5 раз больше энергии, чем современный офисный работник. Конечно, большая вариабельность морфологии черепов, найденных в Восточной Африке, осложняет реконструкцию ранней эволюции человека, но зато служит доказательством того, что природа дала волю самым разнообразным стратегиям адаптации. Paranthropus boisei, современник Homo rudolfensis, а возможно, и восточноафриканского человека умелого, как уже упоминалось, имел необычную скуловую кость, что указывает на развитие у него мощной жевательной мускулатуры и на строение зубов, приспособленное для измельчения твердой растительной пищи. У Homo habilis и Homo rudolfensis эти признаки отсутствуют, так же, как и у Homo ergaster (человека работающего), представителя рода человек ростом до 1,8 м и весом около 70 кг, предположительно произошедшего от Homo rudolfensis, объем мозга которого составлял от 800 до 900 см^3, то есть отчетливо больше, чем у человека умелого. Этот Homo ergaster изготовлял орудия из дерева, сконструировал топор, вел жизнь кочевого охотника и собирателя, пользовался огнем и питался пищей как животного, так и растительного происхождения.

Здесь мы сталкиваемся с одной из величайших загадок всего отряда приматов – с мутацией в ходе их развития, мутацией столь радикальной, что она и сегодня может вызвать угрожающие жизни заболевания, а кроме того, привела к тому, что эритроциты взяли на себя роль своеобразной страховки организма, а именно снабжение его витамином C, точнее, L-аскорбиновой кислотой. Эта кислота – водорастворимый витамин и, в отличие от жирорастворимых витаминов, таких как, например, витамины A, D, E и K, не способна запасаться в организме. Витамин C должен поступать в организм регулярно, лучше всего ежедневно. В организме он играет роль высокоэффективного восстановителя; он представляет собой кофактор множества ферментов и чрезвычайно важен для построения тканей всех типов. В то время как большинство млекопитающих в состоянии сами продуцировать витамин C, высшие приматы, включая и человека, утратили в ходе эволюции эту способность уже около 40–50 млн лет назад, когда мокроносые приматы (лемуры и лориевые) отделились от сухоносых, от которых позднее произошли человекообразные обезьяны.

Содержание витамина C в различных овощах и фруктах сильно колеблется. Так, например, в 100 г черной смородины содержится 177 мг, петрушки 160 мг, брюссельской капусты 150 мг, брокколи 115 мг, шпината от 50 до 90 мг, а в 100 г апельсина 50 мг. Когда дело доходит до недостаточного поступления в организм этого витамина, что раньше часто случалось с моряками, в рационе которых в длительных морских путешествиях отсутствовали свежие овощи и фрукты, то человек заболевает цингой (на латинском языке эта болезнь называется «скорбут»). От названия болезни, собственно, и произошло химическое название витамина – «аскорбиновая кислота». К классическим симптомам авитаминоза C относятся воспаление и кровоточивость десен с последующим расшатыванием и даже выпадением зубов, замедленное заживление ран и накопление воды в тканях. Кажется абсолютно бессмысленным то, что некоторые приматы в ходе эволюции утратили способность к самостоятельной продукции этого незаменимого витамина. При ближайшем рассмотрении можно найти по меньшей мере два объяснения этого факта. Способ питания наших предков – австралопитеков, Homo rudolfensis, Homo ergaster или одного из его потомков, Homo erectus, – мог сыграть здесь значительную роль. Рацион этих существ был смешанным и состоял из животной и растительной пищи, как о том свидетельствует анатомия их челюстей и зубов. Сезонная доступность фруктов, корнеплодов и овощей в области Восточно-Африканского разлома в течение длительного времени была более чем достаточной, а диета – достаточно разнообразной. Проявлениям недостатка витамина C противодействовало то, что сухоносые обезьяны в течение миллионов лет выработали эффективный способ направлять циркулирующие в крови окисленные молекулы аскорбиновой кислоты в красные кровяные клетки – эритроциты. Особую роль в этом играет белок Glut-1; он содержится в клеточной мембране эритроцитов и в норме отвечает за поглощение глюкозы. В мембране каждого отдельного эритроцита содержится более 200 000 молекул Glut-1 транспортного белка. Этот белок одновременно – в кооперации еще с одним мембранным белком, стоматином, – отвечает за эффективное поглощение эритроцитом окисленной формы аскорбиновой кислоты. В эритроците происходит затем восстановление неактивной формы аскорбиновой кислоты в активную, в витамин C. Затем восстановленный таким образом витамин C снова поступает с кровообращением в организм в качестве действенного антиоксиданта. Поскольку эритроциты, которых обращается в крови около 25 млрд, самые многочисленные клетки организма, постольку это восстановление – весьма эффективный способ самостоятельного сохранения незаменимого, жизненно важного вещества – именно витамина (от латинских слов vita – «жизнь», и амин – производное аммиака). По этой причине приматы в сравнении с другими млекопитающими могут обходиться очень малым количеством поступающего витамина C – около 1 мг на кг веса тела в сутки. Для сравнения можно вспомнить, что козе для удовлетворения суточной потребности приходится синтезировать около 200 мг на 1 кг веса тела.

Homo ergaster был первым видом, который по сухопутному перешейку перешел из Северной Африки в Аравию, а оттуда направился в Юго-Восточную Азию. В Европе Homo ergaster появился около 1,2 млн лет назад, а затем развился до Homo heidelbergensis, первые находки которого датируются временем около 600 000 лет назад. В конце концов, около 200 000 лет назад, от гейдельбергского человека в Европе отделился человек неандертальский, вымерший всего 25 000 лет назад. В период межледникового потепления, то есть в среднем повышенной температуры между двумя периодами пониженной температуры, Homo erectus, вероятно, смог проникнуть в Европу. Последующее похолодание могло изолировать отдельные популяции Homo erectus, которые затем эволюционировали до таких видов, как Homo antecessor (около 800 000 лет назад; в Северной Испании) или Homo heidelbergensis и Homo neanderthalensis. Это может служить простейшим объяснением такого разнообразия представителей разных видов в Европе.

Новейшие генетические исследования, выполненные в Институте эволюционной антропологии имени Макса Планка в Лейпциге, позволяют, однако, предложить куда более сложную картину переселений наших предков в Европе в течение последних 500 000 лет. Согласно этому взгляду, предки современных людей, должно быть, через Северную Африку и Аравийский полуостров вошли в Европу 600 000 лет назад. На запад они распространились до Марокко, а на востоке предки современного человека разделились на неандертальцев и денисовцев, и на основании нового анализа общей геномной последовательности панафриканской смешанной пробы еще предстоит объяснить, были ли дальнейшие переселения. Они могли привести к перетоку генов от вымершей основной популяции современных людей в популяции, обитавшие к югу от Сахары. Это бы означало, что наши предки довольно активно мигрировали туда и обратно. Во время этих переселений они оставляли следы в геноме местных популяций; научным языком этот процесс называют интрогрессией, то есть передачей генов одной популяции в геном другой в результате повторных и возвратных скрещиваний. На эту архаическую интрогрессию со стороны некой «призрачной популяции» указывают доли генов этой популяции в геномах представителей населения регионов южнее Сахары; эти процентные доли весьма незначительно отличаются друг от друга: хоса (4 %), пигмеи мбути (4,3 %) и манденка (5,8 %). Если эти данные подтвердятся, то можно будет сделать вывод, что эта неизвестная популяция могла оказать большее влияние на оцениваемую долю наследственности неандертальцев в геномах населения Евразии, чем считалось до сих пор.

Более отчетливо реконструировано дальнейшее развитие неандертальцев и денисовцев. Последние прошли Ирак с юга на север и через Кавказ прошли к Каспийскому морю, а далее двинулись на Алтай (где их остатки были обнаружены в Денисовой пещере). Неандертальцы 500 000 лет назад проникли через Турцию и Грецию в Западную Европу, 400 000 лет назад достигли Северной Испании (Сима-де-лос-Уэсос), а далее дошли до Северной Германии. Одна отколовшаяся от них группа прошла через Месопотамию и горы Загроса в Иран и на Дальний Восток. Популяции неандертальцев и денисовцев остались в Европе, но сначала были разъединены. Затем, 100 000 лет назад, неандертальцы двинулись на восток и там смешались с денисовцами.

270 000 лет назад произошло первое переселение ранних современных людей из Африки через Левант в Европу, но оно не привело к образованию устойчивых поселений. Только вторая волна миграции, которая началась 70 000 лет назад в области Восточно-Африканского разлома, прошла через Аравийский полуостров и закончилась около 40 000 лет назад, смогла завершить этот важный шаг. Именно теперь происходит смешение современного человека и неандертальца. Появляется все больше свидетельств того, что в сравнении с современным человеком неандертальцы были вовсе не так тупы, как это считалось долгое время. Новейшие результаты исследований, проведенных в пещере Фигейра-Брава на берегу Аррабиды (30 км южнее Лиссабона), указывают, например, на то, что 100 000 лет назад у неандертальцев уже был достаточно разнообразный рацион питания, включавший рыбу, ракообразных, птиц и косуль. До сих пор антропологи исходили из того, что питание морскими продуктами, богатыми жирными кислотами омега-3, которое сыграло важную роль в развитии головного мозга, было характерно только для современного человека. Очевидно, что такой взгляд не соответствует действительности.

Смешение современного человека с неандертальцем можно сегодня считать твердо установленным фактом и можно утверждать, что наследственность неандертальцев составляет около 4 % генома современного европейца. Потомки неандертальцев и денисовцев были охотниками и собирателями, которые, выйдя из Восточной Азии, не позднее 11 500 лет назад (по некоторым данным 35 000 лет назад) по Берингии, перешейку, связывавшему тогда Азию и Америку, проникли на Североамериканский континент. Долгое время эта дорога была заперта ледниками. Только после их отступления освободился путь для переселенцев из Сибири. Они достигли Огненной Земли около 20 000 лет назад.

Некоторые из этих сибирских переселенцев по непонятным причинам отклонились от побережья и двинулись в высокогорья Южной Америки. В Тибетском высокогорье были обнаружены следы охотников и собирателей, живших там за 20 000 лет до переселения в Америку. Некоторые адаптивные признаки современных обитателей высокогорья в Южной Америке, индейцев кечуа и аймара, живущих на территории Боливии, Перу и Чили, похоже, вырабатывались на протяжении многих тысяч лет. Возможным основанием для столь широкого расселения наших предков до самых отдаленных уголков Земли – за исключением Антарктиды – было то, что с самого начала охотники и собиратели следовали за промысловыми зверями из Сибири через Берингов пролив в Северную и Южную Америку. Подобное поведение характерно и для современных кочевых народов Арктики.

Для фауны Северной Америки и для оставшихся там ранних людей решающее значение имело то, что – в отличие от Европы и Малой Азии – там во время последнего оледенения вымерла мегафауна, то есть те виды животных, которые были самыми крупными в данном жизненном пространстве. В Америке это привело к тому, что в распоряжении выживших там человеческих популяций не оказалось крупных животных для одомашнивания. В Европе и Малой Азии, напротив, жившее там население могло использовать одомашненных быков, овец, коз, лошадей, оленей, а также буйволов, яков, дромадеров и верблюдов. Преимущества одомашнивания животных очевидны. В распоряжении скотоводов оказывается, самое главное, больше мяса, то есть белка, чем могли себе позволить люди охотничьих культур. Кроме того, в европейской популяции произошла важная мутация во 2-й хромосоме, которая решающим образом повлияла на спектр питания ранних людей. Во 2-й хромосоме находятся гены, регулирующие ферментативную активность белка лактазы. Благодаря этой мутации люди приобрели способность без осложнений пить молоко домашних животных, так как для расщепления молока и извлечения содержащейся в нем энергии человеку необходим особый фермент; помимо этого, потребление молока обеспечило поступление в организм стерильной жидкости; этим преимуществом могли пользоваться племена, державшие молочный скот. Когда потребность в жидкости удовлетворяется только за счет воды природных рек и прудов, всегда существует угроза тяжелых инфекций, которые приводили к более высокой детской смертности в сравнении с сельскохозяйственными сообществами, занимавшимися скотоводством. Новейшие антропологические исследования показывают, что аутосомно-доминантная мутация аллеля LCT (гена лактазы) 2-й хромосомы отвечает за высокую активность лактазы, и – что очень интересно – эта мутация имела место только после одомашнивания крупного рогатого скота. Непереносимость лактозы – или дефицит лактазы, или гипогалактаземия, – встречается в Северной Европе теперь очень редко (5 %), но среди населения Китая и Юго-Восточной Азии непереносимость лактозы встречается у 80–100 % населения. Недостаток лактазы приводит к тому, что после употребления молока у человека среди прочего возникает боль в животе, понос, вздутие, чувство переполнения в животе или тошнота. Причина заключается в том, что бактерии разлагают молочные продукты только в толстом кишечнике; при этом образуются газы и кислоты. Это заболевание не опасно для жизни, но, разумеется, снижает ее качество. Лечение заключается в избегании молочных продуктов или переход на другие продукты питания, например на соевое молоко. Поэтому главные производители сои, Соединенные Штаты и Бразилия, ежегодно экспортируют миллионы тонн своей продукции в Юго-Восточную Азию. Мутация аллеля LCT – это впечатляющий пример того, как событие микроскопического уровня, происшедшее несколько тысяч лет назад, может повлиять на современный товарооборот.

Помимо этого, домашнее животное за период своей жизни дает крестьянским хозяйствам намного больше энергетических и питательных материалов, чем можно получить охотой на диких зверей; не следует забывать, что в те времена были весьма ограничены возможности для консервирования. Достижение такого радикального улучшения питания привело, в сравнении с кочевыми охотниками и собирателями, к существенному снижению детской смертности и увеличению средней продолжительности жизни, а это, в свою очередь, привело к увеличению численности и плотности населения, к строительству деревень и городов, в которых продолжилась социальная дифференциация общественной жизни.

Сначала эта тенденция развития привела, особенно в Малой Азии, к процветанию сельского хозяйства и культуры в районе между Евфратом и Тигром. При этом произошло не только одомашнивание животных, но и окультуривание растений. Так, около 8500 года до н. э. в «плодородном полумесяце» произошло окультуривание полбы. Тот же факт доказан для Греции около 6500 лет до н. э., а затем полторы тысячи лет спустя и для Германии. Впечатляющие археологические доказательства этого чрезвычайно быстрого, успешного развития крупных поселений и сообществ в Месопотамии и приграничных землях – неолитические города Иерихон на Мертвом море и Чатал-Хююк в Южной Анатолии. Возраст этих городов оценивают в 9000–10 000 лет.

Насколько глубокое воздействие и в дальнейшем оказывал климат на геополитическое развитие, наглядно показывает Кайл Харпер в недавно вышедшей книге «Судьба Рима» (Fate of Rome). На основании множества примеров он убедительно доказывает, что климатические условия способствовали как возвышению, так и падению Римской империи. Так, время процветания Римского государства он объясняет климатическим оптимумом с теплыми летними и влажными зимними периодами; этот период продолжался с 200 года до н. э. по 150 год н. э. Затем, когда снизилась температура в Средиземноморском регионе и в Северной Европе и зимы стали еще более влажными, начался упадок Римской империи. Эта фаза, длившаяся с 250 по 450 год, в течение которой к тому же имело место множество эпидемий, называется поэтому временем пессимума переселений народов. Окончательно она завершилась только к 750 году. Так же как это похолодание, последовавшее за ним «средневековое потепление» (950–1250 гг.) было локальным, а не глобальным явлением. Критики изменения климата всегда ссылаются на это потепление как на аргумент, утверждая, «что один раз уже было так же тепло». В то время, вероятно, к нему привели изменения морских течений, которые теперь принесли в Северную Атлантику теплую воду; недаром в то время Гренландия была зеленым островом, который увидели открывшие ее викинги. В других же регионах Земли было холоднее, чем в наше время, особенно в тропических областях. То же самое, согласно последним исследованиям, касается и так называемого малого ледникового периода, который также был не глобальным, а локальным феноменом для Северного полушария.

Нас должен заставить задуматься и предпринять какие-то меры противодействия тот факт, что средняя летняя температура за последние три десятка лет (с 1985 по 2015 год) в Европе выше, чем в течение последних 2000 лет, то есть за все время, прошедшее с температурного максимума в Римской империи. Оглядываясь назад – и глядя вперед, – можно бесконечно удивляться тому, как значимые климатические изменения влияют на развитие человечества в различные исторические периоды, а в определенных обстоятельствах приводят к выработке особых стратегий приспособления. Разумеется, адаптация происходила на разных уровнях, и поэтому, выдвигая самые благонамеренные инициативы, надо с самого начала руководствоваться разумной осторожностью.

Хочу в этой связи привести, как мне кажется, весьма поучительный пример. Масаи – это группа восточноафриканских народов, их родина занимает обширные равнины в Южной Кении и в Северной Танзании. В фильме «По ту сторону Африки» Дениса Финча Хаттона его сопровождает масаи Кануссия во время многочисленных сафари в Восточной Африке – наполовину масаи, как позже уточняет великий охотник. Баронесса Бликсен спрашивает Дениса Финча Хаттона: «Как вы думаете, не угостить ли мне его ужином?» – «Не делайте этого, баронесса», – лаконично отвечает Хаттон, когда они вместе идут по кофейной плантации. И это очень мудрый совет! Когда за много лет до этого, в ходе выполнения одной из программ помощи, врачи обнаружили, что у масаи снижено содержание железа в крови (вероятно, вследствие обильного употребления в пищу молока), им с самыми благими намерениями назначили препараты железа. В результате 88 % получавших железо заболели амебной дизентерией. То же самое наблюдали и у сомалийских кочевников, которым точно так же прописали препараты железа на основании предположительно низкого содержания его в крови. Бесспорно, анемия, снижение уровня гемоглобина в крови – это болезнь, и причиной ее может быть недостаток железа. Железо – очень важный для человеческого организма микроэлемент. Он играет важную роль в транспорте кислорода, в его поглощении, а также в таких клеточных функциях, как транспорт электронов в митохондриях. Так, например, функция белка цитохрома P-450 зависит от доступности железа. У человека известно около 60 подтипов этого белка, молекула которого состоит приблизительно из 500 аминокислот, а активный центр содержит ион железа Fe(III). Цитохром P-450 обнаруживается во всех органах, но самое главное в печеночных клетках. Цитохром катализирует окисление многих эндогенных и чужеродных веществ, например лекарств. Цитохром P-450 может либо ускорять, либо замедлять ферментативную активность. Решающей для функционирования этого белка становится доступность железа. За счет этой важной функции весь энергетический обмен в организме зависит от достаточного поступления железа. При этом треть железа в организме связана с гемоглобином, который придает крови ее красную окраску. Депо железа расположены главным образом в печеночных клетках и в особых клетках иммунной системы, которые отвечают за защиту от заболеваний и за удаление из организма отмерших клеток. Эти особые клетки называют макрофагами.

По этой причине железо давно предмет пристального внимания производителей продуктов питания и фармацевтических средств. Один всемирно известный концерн, производящий продукты питания, по его данным, ежедневно продает в Западной Африке около 100 млн знаменитых кубиков Магги, обогащенных йодом, железом и витамином A, чтобы (опять-таки – по утверждениям концерна) предотвратить недостаток этих веществ у населения. Такая тотальная, неизбирательная заместительная терапия железом представляется, однако, палкой о двух концах. Эти препараты можно назначать при выраженном недостатке железа, и тогда они помогают облегчить такие симптомы, как утомляемость, разбитость, подавленность, когнитивные нарушения, физическую слабость, бледность, выпадение волос, ломкость ногтей, трещины в углах рта и предрасположенность к инфекционным заболеваниям, но… как раз в отношении инфекций препараты железа оказывают противоположное, вредное воздействие.

Почему? Для этого надо познакомиться с образом жизни бактерий и микроорганизмов, к которым относятся и вышеупомянутые амебы. Это одноклеточные организмы, которые обнаруживаются главным образом в стоячих водоемах тропических областей. У человека они вызывают тяжелые заболевания: гнойное воспаление мозговых оболочек, тяжелые поражения желудка, кишечника и печени, воспаление глаз. В прежние времена эти болезни встречались среди масаи и сомалийцев довольно редко. И этот факт приближает нас к объяснению их природы. Дело в том, что железо необходимо для жизнедеятельности большого числа бактерий, но получить его им непросто, потому что многие потенциальные хозяева выработали у себя защитные механизмы, затрудняющие доступ бактерий к железу. Так, например, материнское молоко содержит много лактоферрина, белка, связывающего железо. Среди прочего, вероятно, поэтому младенцы, получающие грудное вскармливание, меньше восприимчивы к инфекциям, чем те, кого вскармливают коровьим молоком из бутылочек. Кроме того, этот белок в большом количестве содержится в слезной жидкости, слюне и в ранах, где низкий pH способствует усилению связывания железа лактоферрином. В крови, так же как и в материнском молоке, содержится связывающий железо белок – трансферрин. Этот гормон высвобождает железо только в те клетки, которые располагают особым рецептором трансферрина. Таким образом организм заботится о том, чтобы только эти его клетки смогли воспользоваться железом, поскольку у бактерий такого рецептора нет. В костном мозге предшественники красных клеток крови, эритроцитов, используют этот рецептор, расположенный на клеточной поверхности, который после проникновения железа внутрь клетки сбрасывается с нее. Концентрация этих высвободившихся рецепторов в крови дает, таким образом, возможность косвенно судить об активности кроветворения в красном костном мозге человека.

Действительно, сегодня в клинической медицине измерение концентрации трансферрина – метод оценки кроветворной активности костного мозга. Впрочем, это означает, что у истощенных пациентов надо определить уровень трансферрина в крови, прежде чем назначать им железо. Дело в том, что при голодании сильно подавляется синтез белков. Если в таком состоянии начнется поступление железа в организм, то он окажется не в состоянии в достаточной мере связать поступившее железо. Избыток железа может быть использован бактериями для их роста, что, как следствие, может привести к обострению вяло протекавших до этого инфекционных заболеваний. Нечто подобное наблюдают при туберкулезе. Недавние опыты на мышах подтвердили эту связь. Если инфицированные мыши получали избыточные количества железа, то начиналось усиленное размножение возбудителя; напротив, выведение железа из организма таких же мышей подавляло рост микроорганизмов. С такой точки зрения кровопускания, которые практиковались в прошлом при воспалительных заболеваниях, представляются оправданными и обоснованными, так как на их фоне возникал кратковременный, но выраженный дефицит железа.

Даже сейчас, в XXI веке, как уверял меня один врач госпиталя в Кисуми, при тяжелом течении церебральной малярии применяют ограничение доступности железа в организме в лечебных целях – разумеется, не таким кровавым способом, а с помощью фармацевтических препаратов. И еще одно подтверждение, в котором каждый может убедиться на собственном опыте: когда человек, страдающий высокой лихорадкой, лежит в постели, есть ли у него аппетит на продукты, содержащие железо? Нет, совершенно определенно нет! Больной даже думать не может о них без отвращения. Интуитивно больной избегает всего, что может увеличить поступление железа в организм.

Сегодня, однако, я здоров, у меня нет лихорадки, чувствую я себя отдохнувшим и выспавшимся и сижу за длинным обеденным столом на крытой веранде сельского клуба Кисуми. Солнце уже довольно высоко, для меня сервируют английский завтрак. Жареные колбаски, фасоль (к ней я не притронулся), тосты, несколько ломтиков дыни (их я тоже не трогаю), стакан апельсинового сока, вареное яйцо и ароматный кофе в термосе. Когда я, задумавшись, разбил яйцо, мне в голову вдруг пришла мысль о недостатке железа и росте бактерий. Да, повод был: яичная скорлупа достаточно пориста для того, чтобы пропускать кислород, поступающий внутрь, и углекислый газ, образующийся в яйце в процессе жизнедеятельности эмбриона. Однако скорлупа достаточно плотна, чтобы плохо пропускать жидкость из яйца, так как большие ее потери могли бы привести к высыханию. Остается один недостаток: поры могут представлять собой очень удобные входные ворота для болезнетворных бактерий. Но вспомним, что в яйце есть белок. Широкий пояс этого вещества почти не содержит железа (всего 0,1 мг). Содержащиеся в яйце 3 мг железа сосредоточены исключительно в желтке. Благодаря такому анатомическому строению яйцо препятствует нежелательному размножению бактерий и одновременно обеспечивает железом растущий организм цыпленка. Вот так, просто и изобретательно, работает природа. Мы могли бы многому у нее поучиться. Для примера можно присмотреться к тому, как древние люди выбирали камни для изготовления галечных орудий.

Сегодня специалисты по бионике – в силу своей профессии – стали особенно внимательны. Они берут за образец природу и на основании наблюдений разрабатывают, например, новые поверхности или покрытия для одежды. Особенно интересны покрытия для защиты от воздействий во время работы; спортсмены, занимающиеся экстремальными видами спорта, тоже могут извлечь из такого подхода немалую пользу. Репейная застежка (липучка) являет собой самый знаменитый пример: принцип «Велькро» сегодня регулярно применяют в одежде; эти застежки стали сертифицированным материалом для использования на МКС. В 1951 году швейцарский инженер Жорж де Местраль сделал определенные выводы, наблюдая, как репей сцепляется с шерстью его собаки, а затем оформил эти выводы в виде патента. В девяностые годы внимательный анализ поверхности и структуры акульей кожи позволил разработать ткань для купальных костюмов, которая снижала сопротивление передвижению в воде по сравнению с традиционными материалами. Крошечные возвышения и небольшая зазубренность нового материала привели к тому, что пловец соприкасается с меньшим объемом воды, и это уменьшает сопротивление потоку. Эта гениальная идея пришла в голову Фионе Фэйрхерст из Великобритании, результатом стало появление «быстрой кожи» для купальника, которая дебютировала в 2000 году на Олимпийских играх в Сиднее. В конце концов, 82 % медалистов этой Олимпиады были одеты в новые высокотехнологичные купальники Speedo. Акулья кожа нашла применение и в самолетостроении; снижение сопротивления воздуха значительно уменьшило потребление керосина, что привело к снижению себестоимости полетов.

Наконец, чтобы создать новые материалы для верхней одежды, бионики внимательно присмотрелись к меху белых медведей. Специалисты обнаружили, что мех белого медведя обладает высокой теплоизолирующей способностью благодаря тому, что каждый волос в нем полый, а воздух – превосходный теплоизолятор. Кроме того, белый мех, лишенный пигмента, позволяет согревающим солнечным лучам доходить до кожи медведя, которая имеет иссиня-черную окраску. Темная окраска позволяет поглощать лучи лучше, чем светлая, а теплоизолирующий мех позволяет телу сохранять тепло. Эти наблюдения привели к тому, что концерн «Дюпон» начал производство полых полиэстеровых волокон под названием Hollofil. Этот материал обладает высокими теплоизолирующими свойствами и сегодня применяется в изготовлении спальных мешков и уличной одежды для защиты от холода; этот материал мы подробно рассмотрим в следующей главе.

Уайт-Хорс, или Испытание границ возможного

Необычайное очарование экстремальных видов спорта

Сейчас последует смелый скачок! Смена темы – от наших прародителей к экстремальному спорту современности? Но нет, тема по большому счету останется той же. Достижения этих спортсменов и спортсменок, которые ходят по грани возможного, так же поразительны, как способность к выживанию наших предков, и именно поэтому для физиологов спортсмены представляет особый интерес. Как человек ухитряется физически и психологически выдерживать экстремальный холод (Юконский арктический ультрамарафон), экстремальную жару (Марафон де Сабль), экстремальную высоту (переход через Анды) или экстремальную длительность (Sels-Transcendence Race)? Нагрузки настолько невообразимо велики, что даже медицина долгое время считала это едва ли возможным. Могут ли эти «эксцессы» быть здоровыми?

Как мы узнали из предыдущей главы, нашим предкам приходилось обитать в весьма тяжелых условиях окружающей среды, которая становилась все суше и холоднее, а в области Восточно-Африканского разлома, кроме того, произошло поднятие уровня земли. Связанные с этим трудности с добыванием пищи и воды значительно повлияли на условия жизни в те времена. Постоянные проблемы с доступом к жизненно необходимым ресурсам по большому счету привели к тому, что выжили только те австралопитеки, которые обладали выдающейся выносливостью. Как показывают генетические данные, популяция современных людей, которая около 100 000 лет назад покинула область Восточно-Африканского разлома, по численности едва ли превышала пару сотен индивидов. Их анатомические, биохимические и физиологические способности к адаптации до сих пор сохранились у нас «в крови».

Давайте же в этом разделе рассмотрим те сердечно-сосудистые, респираторные, терморегуляторные, мышечные и метаболические признаки, которые обеспечивают высокую приспособляемость. Поговорим мы и о том, можно ли путем тренировок повысить работоспособность этих систем и где границы такого повышения. Мой опыт в этом смысле ограничивается одним (неофициальным) мировым рекордом и участием в полумарафоне. В первом случае главную роль снова сыграло яйцо. На этот раз речь пойдет о чрезвычайно высокой механической прочности – правда, надавливать на яйцо нужно с правильной стороны. Незадолго до окончания средней школы я прочитал (вероятно, снова в Patriot), что где-то был установлен мировой рекорд в метании яиц – 40 м. В соревновании выступили два участника, каждый из которых попробовал закинуть яйцо как можно дальше. Бросок, однако, засчитывался только в том случае, если партнер ловил его в конце полета и оно при этом оставалось целым. В том, что касалось дистанции, проблем не было, поскольку мой одноклассник Клаус Шольвен всегда показывал отменные результаты в метании гранаты и копья. Трудность касалась ловли летящего яйца – ловцом выступал я: надо было мягко затормозить полет этого метательного снаряда. Мы запаслись коробкой с тридцатью яйцами, и весь выпускной класс в полном составе зашагал от школы «Замок Оверхаген» через железнодорожные пути к близлежащему футбольному полю. Из соображений безопасности я надел куртку из восточнофризской норки, цвет которой великолепно гармонировал с цветом яичного желтка. Было очень непросто следить за быстрым полетом маленького белого предмета, но серое вестфальское утро с низко висящими свинцовыми облаками несколько облегчило мне задачу. Клаус швырнул двадцать яиц, прежде чем первое из них, неповрежденным, пролетев около 50 м, приземлилось на моей правой ладони, и я сумел удержать его на уровне плеча левой рукой. Оказалось, что это в самом деле возможно! В настоящее время проводятся мировые первенства с участием команд со всего мира; в Швейцарии ежегодно, в первый понедельник после Пасхи, в окрестностях вершины Мон-Вюлли, проходит соответствующее соревнование, а мировой рекорд уже достиг 100 м.

Если для этого «спорта» требуется техника броска, ловкость и быстрота реакции ловящего, то для преодоления марафонской дистанции нужна выносливость. Мне до сего дня хватает половины этой дистанции. Несмотря на длительную интенсивную подготовку, этот вид спорта никогда не вызывал у меня настоящего воодушевления. Участвуя в подобных соревнованиях, я преследовал скорее академический интерес; мне хотелось знать, какие фазы проходит мой организм при таких требованиях к работоспособности. С этой точки зрения я, как и раньше, нахожу, что для физиологов соревнования на выносливость могут быть интересны и весьма поучительны. Как влияет на работоспособность питьевое поведение, какова роль питания? Как влияет спорт на состояние иммунологической защиты? Какие особенности тренировок могут повысить физическую работоспособность? Как лучше стартовать – в команде или индивидуально? И не самое последнее: может ли медицина использовать данные, почерпнутые при исследовании экстремальных нагрузок, в своих повседневных целях? От каких заблуждений и последствий может предостеречь наука?

Прежде чем мы обратимся к этим вопросам, бросим ретроспективный взгляд на историю экстремальных физических нагрузок, будь то экспедиции или спортивные дисциплины. Именно в них мы наблюдаем огромный прирост знаний за последние десятилетия. Да и зрители буквально зачарованы этими современными «гладиаторами», что доказывает ежегодное зрелище – гавайский триатлон Iron man. Помимо марафонского забега любимым соревнованием среди спортсменов-любителей становится ультрамарафон. Исторически марафон как вид спорта восходит к одной профессии. Гемеродромы были важной профессиональной группой в греческом обществе с 499 по 448 год до н. э. Слово «гемеродром» в переводе с греческого буквально означает «тот, кто ежедневно бегает». Гемеродромы в то время осуществляли связь между населенными пунктами и городами, отчасти через бездорожные горные перевалы, передавая новости и известия. Ежедневно они преодолевали расстояние нынешней марафонской дистанции или даже большее. Легендарным стал марафонский забег одного вестника, который в 490 году до н. э. после битвы при марафоне поспешил в Афины, чтобы известить жителей города о победе греков над персами. Посланец достиг цели, сообщил радостную весть и умер – так, во всяком случае, гласит предание. Исторических подтверждений у этой истории нет, но такие проявления выносливости были известны и послужили основой для создания легенд – будь то личных или национальных.

В Викторианскую эпоху этот культ снова ожил и достиг своего пика в Новое время, когда состоялась гонка между норвежцем Руалом Амундсеном и британцем Робертом Фальконом Скоттом. Целью гонки был Южный полюс. Амундсен достиг цели первым, преодолев 2600 км за 99 дней. Соревнование принесло ему победу и всемирную славу, но окончилось, как известно, трагически для всех членов команды Скотта. Он тоже достиг Южного полюса, правда, месяцем позже Амундсена; на обратном пути и он, и его спутники погибли от истощения и переохлаждения. Полярные области и сегодня предъявляют непомерно высокие требования к выносливости человека. В 2016 году при попытке в одиночку и без современного оснащения пересечь Антарктиду погиб британский офицер Генри Уорсли. Это безрассудное предприятие впервые удалось в 2018 году американцу Колину О’Брэйди. Ему понадобилось 54 дня на преодоление 1500 км. Припасы он тянул за собой в санях.

В XX веке вошли в моду гонки на сверхвыносливость; сначала, правда, это было развлечение для элиты, но сегодня – это массовое явление. Соревнования на выносливость, которые, как считали раньше, ставят человека на грань его возможностей, например классический марафон, сейчас считаются забегами на средние дистанции. По-настоящему выносливыми теперь считают тех, кто готов по своему состоянию пробежать несколько марафонских дистанций или сочетать бег с другими видами спорта (триатлон). Кажется, что сегодня границы возможного раздвинулись до немыслимых пределов.

Self-Transcendence Race проводится ежегодно в Нью-Йорке в память об индийском духовном учителе Шри Чинмое (1931–2007). Этот человек с самого раннего детства, которое он провел в Восточной Бенгалии, занимался спортом и утверждал, что благодаря этому получил бесценный духовный опыт. Ученики и последователи Чинмоя преисполнились решимости следовать его примеру, чтобы стать здоровыми и уравновешенными. Это может стать лучшей предпосылкой для медитации и динамичного поведения в современном мире. В конце семидесятых годов он основал «Марафонскую команду Шри Чинмоя», которая с успехом организовала более пятисот общественных спортивных мероприятий по всему миру и снискала поддержку известных деятелей искусства и политиков. По признанию Шри Чинмоя, он не не хотел выступать в роли миссионера, он просто хотел дать людям возможность проявить свои хорошие качества. Для него речь шла о преодолении себя, о выходе за пределы собственного «я», то есть о трансценденции, откуда и название соревнований. Подвергнуть себя экстремальной нагрузке и выдержать ее – это источник исконной радости. Психологи могли бы сказать, что бегун во время бега страдает и освобождается от добровольно взятых на себя страданий. Таким образом, он совмещает роль жертвы и спасителя. На первом плане – не соревнование как таковое, не стремление к победе над другими, но соперничество с самим собой.

Едва ли можно превзойти тот вызов, тот поистине религиозный путь страдания, какой мы видим на Self-Transcendence Race: это соревнование представляет собой уличный забег вокруг квартала в нью-йоркском районе Квинс. Это самая длинная официально зарегистрированная в мире дистанция протяженностью 4989 км. Забег начинается в 6 часов утра; участники бегут вокруг квартала, причем один круг составляет 883 м. Чтобы преодолеть всю дистанцию менее чем за 51 день, необходимо пробежать за день не менее двух марафонских дистанций, потребить в день несколько тысяч килокалорий – и все это при температуре воздуха выше 40°. После первого стартового выстрела этому добровольному мучению подвергли себя уже больше 20 000 человек. Возникает вопрос: зачем? Кто же это делает? Некоторые участники говорят, что следуют примеру Шри Чинмоя, чтобы через бег достичь покоя и медитативного состояния. Кажется, сам Шри Чинмой написал, что внутренний и внешний бег дополняют друг друга, поскольку путем дисциплинирующего «внешнего бега» мы, так сказать, обеспечиваем «внутренний бег». За счет дисциплины внешнего бега можем достичь мы высшего знания. В этом с ним соглашается Элиуд Кипчоге, лучший марафонский бегун современности: только дисциплина делает человека свободным, только так перестает он быть рабом своего настроения. Победа над собой стоит «тысячи выигранных сражений».

В этом нью-йоркском забеге участвуют и немецкие бегуны, и среди них Вольфганг Шверк. На этой дистанции он уже дважды устанавливал мировые рекорды. Последний был установлен в 2006 году – 41 день 8 часов 16 минут. Вольфгангу это удалось благодаря индийским мантрам, фруктам, соевому молоку, обильному питью, рису, картофелю и огромному количеству бананов. По его признанию, после соревнования он чувствует себя полностью опустошенным физически и духовно, и ему требуется не меньше года на восстановление. Известно, что при беге на марафонскую дистанцию наступает подлый момент, когда бегун достигает самой низшей точки физических и психологических возможностей; чаще всего он приходит примерно на тридцатом километре дистанции; в Берлинском марафоне, например, это часто происходит возле «Дикого кабана», на отметке 28,5 км. По признанию Вольфганга Шверка, ему становится хуже всего на дистанции 3200 км (!), когда впереди остается еще 1700 км. Его рекорд 2006 года продержался 10 лет. Только 24 июля 2015 года 44-летний финский бегун Асхприханал Аалто установил новый мировой рекорд – 40 дней 9 часов 6 минут 21 секунда, то есть опередил своего предшественника приблизительно на 23 часа.

Другое, не менее сумасбродное состязание проводится в пустыне. После того как француз Патрик Бауэр в одиночку пересек пешком Сахару в 1984 году, возник Марафон де Сабль, гонка по марокканской Сахаре. Участникам дается 6 дней на то, чтобы преодолеть расстояние 250 км – на жаре выше 40° и без тени. Гонку совершают в 6 этапов. Участники несут на себе запас еды, а также спальный мешок. По окончании каждого этапа они получают воду в неограниченных количествах, поскольку в противном случае им пришлось бы – всю дистанцию – тащить на себе около 36 литров воды, так как среднее потребление у них составляет около 6 литров в сутки. Из соображений безопасности организаторы запрещают участникам нести на себе дополнительную нагрузку. Спальный мешок – обязательный предмет экипировки, потому что в этой части Марокко температура ночью снижается до 5°.

Еще жарче обстоят дела в сравнимом ультрамарафоне, Badwater Ultramarathon, который проводится в калифорнийской Долине Смерти (Калифорния, США). Дистанция гонок пролегает по трассе длиной 217,26 км; температура воздуха во время марафона может превышать 50°. Участники не только бегут по пустыне; они должны, кроме того, преодолеть перепад высот 4000 м.

Те, кому эти условия кажутся слишком жаркими, могут испытать себя в соревнованиях на холоде. В Антарктиде морозы могут достигать –90°, но и на Северном полюсе немногим лучше – там зимняя температура может доходить до –50°. Каждые два года в Канаде проводят Юконский арктический ультрамарафон. Поговорим об этом марафоне более подробно. Тогда как сани и поклажа уже упомянутого Колина О’Брэйди весили приблизительно 180 кг, вес саней и поклажи участников Юконского марафона – «всего» от 20 до 40 кг. Это, конечно, существенное облегчение. Разница заключается еще и в том, что участники этой гонки регулярно заходят в сервисные пункты, где получают воду и проходят медицинский осмотр, чтобы удостовериться, что они здоровы и способны продолжать путь. О’Брэйди, правда, был предоставлен сам себе, когда пересекал Антарктиду. Одна только мысль о том, что О’Брэйди приходилось растапливать снег, чтобы получить питьевую воду, показывает всю трудность этого мероприятия при температуре намного ниже точки замерзания воды. Кроме того, он два месяца был совершенно один, наедине со своими мыслями и страхами.

Несмотря на то что участники Юконского марафона регулярно по ходу гонки встречаются с людьми и получают все необходимое, почти половина участников сходит с дистанции досрочно. Если температура воздуха ниже –50°, то прерывают гонку уже 75 % участников, из-за невыносимо тяжелых условий. Люди страдают не только от холода и монотонности движений, они в равной степени устают от однообразного белого пейзажа. Некоторые участники рассказывают, что в снегу им начинают мерещиться лица, на фоне постоянной мертвой тишины звучат призрачные голоса, хотя вокруг на много миль нет ни единой души. В этих условиях и отправление естественных потребностей превращается в вызов. Так же трудно быстро переодеться, чтобы снять промокшую, пропитанную снегом одежду, а установка палатки ночью может отнять последние силы у и без того смертельно уставшего человека. Поэтому нет ничего удивительного в том, что большая часть участников, несмотря на интенсивную подготовку, защитную одежду и современное туристическое оснащение, бывает вынуждена прекратить гонку. Среди тех, кому удается закончить эту гонку, есть не только мужчины, но становится все больше женщин.

На антарктической станции «Георг-фон-Ноймайер»

Участие их в мероприятии стало в последние годы все более активным. К настоящему времени доля женщин среди тех, кто принимает участие в таких ультрамарафонах, достигла 20 %. В соревнованиях по плаванию на сверхдлинные дистанции, как показывает новейшее исследование Манхэттенского водного марафона за период с 1983 по 2013 год, женщины по результатам сравнялись с мужчинами, а иногда и превосходят их. В среднем в наземных ультрамарафонах участвуют женщины в возрасте от 30 до 49 лет, а наилучшие результаты показывают женщины в возрасте от 39 до 41 года. В группе сорокалетних женщины выступают лучше мужчин, наилучшие достижения которых приходятся на возрастную группу от 35 до 39 лет. Возраст, однако, не лимитирующий фактор в желании участвовать в таких соревнованиях. Некоторые, в особенности мужчины, подвергают себя всем тяготам ультрамарафонов в возрасте за 60 лет; некоторым участникам бывает 80 лет и больше.

Что касается интенсивности тренировок, было показано, что в течение недели мужчины тренируются больше, чем женщины. Большинство участников проходят обучение. Впервые люди в среднем принимают участие в подобных соревнованиях в возрасте 37 лет, имея, как правило, до этого опыт соревнований в беге на более короткие дистанции. Обычно это высокомотивированные личности. В борьбе с болью и недостатком сна они способны вырабатывать лучшую стратегию в сравнении со среднестатистическими представителями населения. Быстрые бегуны ультрамарафонов ощущают боль не так остро, как те, кто бегает медленнее; можно поэтому исходить из того, что организмы первых способны на индуцированную тренировками анальгезию, развитие нечувствительности к боли, что обусловлено, по-видимому, выбросом эндорфинов на фоне мышечной нагрузки. Некоторые участники ультрамарафонов сутками не спят во время забега, сообщая, что высыпаются заранее. До сих пор не проведены исследования, которые позволили бы обосновать правильность этой стратегии.

Но как это вообще возможно – выносить такие немыслимые физические и психологические нагрузки? Наука, занимающаяся этими вопросами, называется физиологией физических нагрузок. Эта отрасль физиологии занимается как функцией сердечно-сосудистой системы на фоне нагрузок, так и дыханием, обменом веществ, работой мышц – и кроме того, психологическими факторами. Большое место занимают исследования мышц, в том числе и потому, что мышечную нагрузку просто оценивать количественно и увязывать механическую нагрузку (выраженную в ваттах) с ее биологическими и физиологическими эквивалентами, то есть потреблением кислорода, частотой сердечных сокращений, артериальным давлением и концентрацией молочной кислоты (лактата) в крови. Эти физиологические показатели изменяются в зависимости от возраста, пола, тренированности, времени суток, длительности и интенсивности нагрузок и, кроме того, подвержены влиянию психологических факторов. Поэтому физиология физических нагрузок тесно связана с другими научными дисциплинами – такими как спортивная, профессиональная, экологическая, а также горная и космическая медицина.

В том, сможет ли человек справиться с такими экстремальными нагрузками, принципиальную и важнейшую роль играет подготовка и тренировка. Поэтому сначала обратимся к тренировкам и рассмотрим различные их формы. Тогда нам станет понятно, как знания, почерпнутые в изучении такого спорта, могут быть использованы для лечения в геронтологии и каких ошибок не смогла избежать спортивная медицина, обратившись к допингу.

При тренировках нужно учитывать множество важных факторов. Для начала индивидуальные генетические различия, например разницу в распределении мускулатуры, в способности клеток к восстановлению, в работоспособности сердечно-сосудистой системы, в особенностях обмена веществ и гормонального фона. Помимо этого, тренировочная нагрузка должна быть специфичной для данного вида спорта, как для участвующей в нагрузках мускулатуры и типа мышечных волокон, так и для носителей энергии. Кроме того, нужно обращать внимание на то, чтобы тренировочная нагрузка была эффективной. Это означает, что мускулатура, сердечно-сосудистая система и биохимические процессы в организме, как, например, распад молочной кислоты, обеспечивающий так называемый клиренс лактата, только тогда увеличивают свою производительность, когда уровень тренировочных нагрузок превышает обычный уровень нагрузки. Здесь вступает в действие принцип прогрессирующей перегрузки. Это означает, что, как только будет достигнута адаптация к тренировочной нагрузке, ее следует увеличить. Помимо этого, существует такой феномен, как суперкомпенсация. Это такая форма тренировки, при которой организм реагирует на нагрузку избыточной приспособительной реакцией. Запускаемые в результате восстановительные процессы в организме увеличивают способность к нагрузкам выше исходного уровня. Фаза суперкомпенсации наступает после нагрузки при условии отдыха. Как правило, она развивается через два дня после нагрузки и держится в течение двух-трех дней, поэтому она называется временно обратимой.

Классический пример суперкомпенсации – повышение содержания гликогена в мышцах за счет массивного поступления углеводов после тяжелой тренировки в ходе подготовки к марафонскому забегу и в последующие дни на фоне обильного употребления в пищу пасты. Наконец, существует перетренированность, при которой имеет место недостаточный отдых и восстановление организма; перетренированность возникает тогда, когда сокращается время между тренировками. В этом случае слишком короткое время восстановления приводит к недостаточному восполнению запасов энергии (гликогена), недостаточному восполнению убыли разрушенных белков в мышцах, что, в свою очередь, ведет к угнетению функций, а недостаточная замена жизненно важных аминокислот приводит к подавлению иммунитета и гормональным нарушениям. Это постепенно приводит к снижению работоспособности и вредит здоровью спортсмена.

Целенаправленные силовые тренировки – самый распространенный повседневный пример – поначалу улучшают нервно-мышечное взаимодействие и повышают число вовлеченных в сокращения мышечных волокон. При регулярных тренировках развивается гипертрофия мускулатуры. Увеличивается сечение мышц, обусловленное утолщением мышечных волокон (эта цель вдохновляет не только культуристов). Энергия роста запасается в мышце и высвобождается, когда требования, предъявляемые мышце, превосходят нормальный уровень. Это приводит к усилению биосинтеза белка. На сегодняшний день известно несколько биохимических сигнальных молекул, таких как инсулиноподобный фактор роста-1 или механический фактор роста, которые высвобождаются мышечными клетками при выполнении физической нагрузки. Эти сигнальные вещества непосредственно воздействуют на работающие волокна и увеличивают там биосинтез белка. В будущем возможно назначение препаратов мышечного гормона роста пожилым людям в дополнение к физическим тренировкам с лечебной целью, чтобы стимулировать восстановление и рост мускулатуры. Исследования, проведенные в различных возрастных группах, показали, что в период от 30 до 60 лет мышечная сила снижается на 10–15 %. На восьмидесятом году жизни мышечная масса уменьшается вдвое, что делает практически невозможным наращивание мышечной силы. Регулярные силовые упражнения позволяют – и это документально подтверждено – замедлить распад мышечной ткани, то есть при раннем начале регулярных занятий физическими нагрузками можно сохранить свободу движений и в преклонном возрасте. Кроме того, неоднократно было доказано, что смертность повышается в популяциях людей, избегающих мышечного напряжения. В одном крупномасштабном исследовании с участием более 70 000 находящихся в постменопаузе женщин в возрасте от 50 до 79 лет было показано, что как ходьба, так и силовые упражнения ведут к значительному снижению частоты сердечно-сосудистых заболеваний.

И что же говорит наука о сверхдлинных ультрамарафонах? Помогают ли они сохранить здоровье? Учитывая повышенный стресс, вызываемый телесной активностью, можно предположить, что ультрамарафон весьма вреден для здоровья. Без сомнения, он не дает в этом отношении никаких непосредственных преимуществ. Но, согласно некоторым исследованиям, у тех, кто бегает ультрамарафоны, более длинные теломеры, чем у остальных. Теломеры – это защитные колпачки на концах хромосом. С каждым клеточным делением теломеры укорачиваются. Следовательно, с возрастом длина теломер уменьшается, и это укорочение – важная составная часть процесса старения. На длину, а также на рост теломер можно влиять как отрицательно, так и положительно. В особенности тренировки на выносливость при подготовке к ультрамарафону оказывают известное позитивное действие и замедляют процесс старения. Австралийские ученые обнаружили, что теломеры ультрамарафонцев в среднем на 11 % длиннее, чем у других представителей тех же возрастных групп. Таким образом, получается, что биологический возраст у бегунов приблизительно на 16 лет отстает от хронологического.

Влияние ультрамарафонов на иммунную систему человека требует отдельного рассмотрения. При физической нагрузке человек подвергает себя ограниченному во времени стрессу, который представляет собой своего рода тренировку и для иммунной системы. Однако в спорте больших достижений этот стресс может стать настолько сильным, что иммунная система перегружается сверх меры. На фоне перегрузок может возрасти вероятность острых инфекций. Для поддержания здоровья иммунной системы важнейшими факторами становятся полноценный сон и сбалансированное питание. Но соблюдать оба этих условия на фоне постоянных нагрузок на выносливость – само по себе большая проблема. В ходе тренировок и самого забега может произойти неблагоприятное соединение стрессовых факторов, которые отрицательно влияют на иммунную систему и могут спровоцировать значимую воспалительную реакцию. Обусловленное стрессом воспаление приводит к повышению содержания в крови белых кровяных клеток (лейкоцитов) и других показателей воспаления. Вероятно, поэтому ультрамарафонцы чаще, чем обычные марафонцы, страдают инфекциями верхних дыхательных путей. Тех, кто бегает быстрее, эти инфекции поражают чаще, чем тех, кто бегает медленнее. Среди участников «Марафона двух океанов» в Кейптауне (Южная Африка) до 30 % участников страдали от инфекционных заболеваний верхних дыхательных путей, причем чаще заболевали те, кто бежал быстро. Объяснение может заключаться в том, что во время ультрамарафона происходит снижение продукции слюны, а значит, и снижение уровня содержащегося в слюне иммуноглобулина A, важной составной части защитной системы организма. В сообществе специалистов это объясняют с помощью так называемой «J-образной модели». Никакие занятия спортом не приводят к повышению инфекционной заболеваемости дыхательных путей в сравнении с умеренной физической активностью. Однако с повышением спортивных нагрузок заболеваемость начинает расти экспоненциально, так что в этой группе спортсменов она выше, чем в группах населения, которые вообще не занимаются спортом. Профилактической мерой может стать прием 1500 мг витамина C в течение недели перед соревнованием. Это было показано исследованием, проведенным среди участников Comrades Marathon.

Подытоживая, можно сказать: при острой, истощающей нагрузке, как, например, при забеге на ультрамарафонскую дистанцию, происходит преходящее нарушение защитных функций организма. Если же принять во внимание более длительные периоды, то выясняется, что регулярные тренировки на выносливость приводят к укреплению иммунной системы. Если проанализировать заболеваемость острыми инфекциями среди участников ультрамарафонов в течение одного года, то обнаружится, что они болеют меньше, чем остальные представители населения. Все дело, видимо, в концентрации иммуноглобулинов в крови. Ультрамарафонский забег сам по себе вызывает острое снижение концентрации в крови защитных веществ, но умеренные регулярные тренировки эту концентрацию, наоборот, повышают; тем самым снижается риск инфекционных поражений. Кроме того, в других исследованиях было показано, что у тренированных людей заболеваемость опухолями толстого кишечника снижена приблизительно на 50 % в сравнении с нетренированными. В связи с этим можно резонно предположить, что регулярные тренировки на выносливость приводят к повышению концентрации в крови клеток естественных киллеров.

Именно в аспекте поддержания иммунной системы обратим особое внимание на питание и пищеварение. Требующие выносливости виды спорта и соревнования по ним, такие как «Тур де Франс», представляют собой настоящий вызов в связи с составлением и сбалансированием адекватного питания как для отдельных участников, так и для всей команды. При потреблении около 8000 килокалорий в сутки одними только блюдами можно уставить большой стол. Поэтому сегодня профессиональные велосипедные команды располагают собственными учеными-диетологами и поварами. Эти специалисты должны следить за тем, чтобы рацион был не слишком тяжел, содержал адекватное количество энергии и микроэлементов, а самое главное, достаточное количество жидкости, углеводов, жиров, белков и витаминов. Профессиональные велогонщики сжигают во время соревнований в среднем 1000 ккал в час. Но гонщики принимают пищу не только в промежутках между заездами, но во время их, при этом с физиологической точки зрения питание должно быть сбалансировано так, чтобы, с одной стороны, не полностью опустошались хранилища гликогена в мышцах, а с другой – чтобы не перегружать желудочно-кишечный тракт излишним объемом пищи. На завтрак спортсмен, например, получает овсяную кашу, бананы, сухофрукты, яйца или омлет, цельный хлеб, смузи, а напоследок еще и большую порцию пасты или риса. Во время гонки спортсмен получает продукты в жидкой форме или в виде плиток. По окончании гонки спортсмен получает восстанавливающий напиток, чтобы быстро возместить энергетические потери. Восстанавливающий напиток обычно содержит 75 % различных углеводов и 15 % белка.

Так как внутривенное введение витаминов и аминокислот было запрещено десять лет назад, прием внутрь соответствующего количества этих составных частей питания после гонки представляется особенно важным для того, чтобы защитить иммунную систему, испытавшую сильную перегрузку во время гонки. Интересно наблюдать, как в этом пункте очень близко сходятся спортивная медицина и медицина неотложных состояний. В интенсивной терапии обширных ожогов повседневной клинической практикой становится массивное введение пациенту жидкостей и источников энергии – в данном случае, правда, внутривенно. Не менее сложны и потребности иммунной системы, поскольку и пациенты отделений интенсивной терапии часто страдают иммунодефицитом. В какой степени в иммунитете участвуют кишечник и кишечные бактерии, остается пока в большой степени неясным.

Все это открывает перед нами очень волнующую, относительно новую главу исследований: рассмотрение человека как холобионта, то есть существа, состоящего из эукариотических хозяйских клеток с клеточными ядрами и сопутствующих прокариотических живых существ без клеточных ядер. Это отношение к человеку вышло на первый план в дисциплинах, родственных физиологии – спортивной физиологии и спортивной медицине, – в сравнении с другими медицинскими специальностями. Раньше ученые исходили из того, что число бактерий в организме на много порядков превышает число собственных клеток организма. Новейшие исследования позволяют, однако, прийти к выводу, что на самом деле соотношение ближе к 1:1. Соответственно, приблизительно 30 млрд человеческих клеток противостоят приблизительно 39 млрд микробов, которые обитают преимущественно на коже и в кишечнике; совокупность этих микроорганизмов называют микробиотами или микробиомом. На первый взгляд это число кажется непомерно огромным, но на самом деле их доля в весе тела весьма невелика, так как микробные клетки намного меньше человеческих. В абсолютных числах: вес микробов в теле взрослого человека составляет всего 0,2 кг. Более важным, чем абсолютное число бактерий в пищеварительном тракте, на слизистых оболочках и на коже, представляется влияние, какое они оказывают на наше здоровье и благополучие. В настоящее время известно около 1000 видов кишечных бактерий. Из них в кишечнике каждого отдельно взятого человека обитают бактерии около 150 видов. Сюда относят, например, бактерии семейств бактероидов, превотелл и руминококков. Эти бактерии выполняют необходимое для нормального пищеварения расщепление питательных веществ, принося нам значительную пользу. Правда, некоторые кишечные бактерии потенциально болезнетворны. Такие бактерии называют «факультативными патогенами». К этой группе относятся, например, клостридии. Эти бактерии образуют весьма устойчивые споры, которые сохраняют жизнеспособность в кипящей воде в течение одного часа. Эти патогенные микробы начинают усиленно размножаться, когда бактериальная флора беднеет. В таких случаях в кишечнике перестает соблюдаться эубиоз. Эубиозом называют равновесие в составе кишечных бактерий, многообразие которых обеспечивает функциональную полноценность кишечной флоры. Термином дисбиоз описывают противоположную ситуацию, то есть нарушение равновесия. В кишечной флоре его в настоящее время связывают с многочисленными заболеваниями, при этом пока совершенно неясно, заключается ли в дисбиозе причина возникновения и развития того или иного заболевания.

На кишечную флору влияют не только питание и образ жизни, но и, в возрастающей степени, лекарства, которые мы принимаем. Можно с полным основанием предполагать, что антибиотики могут влиять на микробиом. Но в данном случае я веду речь о повседневных лекарствах, которые нацелены на человеческие, а не микробные клетки, например метформин, один из важнейших лекарственных препаратов для лечения сахарного диабета 2-го типа. То же касается и таких нестероидных противовоспалительных средств, как аспирин, таких сердечно-сосудистых лекарств, как антагонисты кальция, а также лекарств, назначаемых для лечения шизофрении и других психозов. Кишечные бактерии могут химически модифицировать принятые внутрь лекарства и изменять их свойства, как, например, это было установлено для сердечного лекарства дигоксина. Будущие исследования, возможно, покажут, какие метаболиты при этом продуцируются и всасываются в кровь хозяина.

Отсюда возникают следующие интересные вопросы. Оказывают ли метаболиты ощутимое воздействие на организм хозяина? Какие внутриклеточные сигнальные пути отвечают за такое воздействие? Иммуномодулирующее влияние метаболитов можно с пользой применять для лечения сердечно-сосудистых заболеваний. Вполне реалистично звучит, что можно будет принимать внутрь модифицированные генетически бактерии, чтобы, например, снизить риск тромбозов. Может ли быть полезным для здоровья прием бактерий в форме пробиотиков? Какое значение для всего этого имеют исследования в области экстремальных нагрузок? Действительно ли мы становимся более работоспособными за счет здоровой кишечной флоры? Надо признать, что ответы на эти вопросы звучат несколько неаппетитно.

Фекалии на 60 % состоят из бактерий микробиома. Этот микробиом с его многообразными микробами сегодня можно с помощью современных генетических методов секвенирования ДНК проанализировать с большой точностью и, главное, очень быстро. Раньше для этого приходилось кропотливо выращивать культуры бактерий. Но в интерпретации этих исследований надо соблюдать известную осторожность. Большую часть экспериментов в этой области выполняли на таких животных, как мыши, и результаты не стоит, безусловно, переносить на человека. Дело в том, что микробиом лабораторных мышей намного беднее, чем микробиом диких мышей, кроме того, обмен веществ у мышей более интенсивен, чем у людей, что влияет на образование и превращение метаболитов. Однако эти опыты на мышах привели к тому, что ученые начали более пристально присматриваться к кишечной флоре разных людей – спортивных и неспортивных, здоровых и больных. Упомянутые современные методы секвенирования генетического материала позволили, например, оценить состав кишечной флоры спортсменов перед и после соревнований. Такие исследования стула позволили выявить в кишечной флоре участников Бостонского марафона преобладание бактерий рода вейлонелла. Эти бактерии расщепляют преимущественно молочную кислоту. Она в большом количестве синтезируется у спортсменов как продукт обмена веществ в утомленных мышцах, когда доставка кислорода к работающим мышцам оказывается недостаточной и перестает соответствовать нагрузке. Увеличение количества этих бактерий в кишечнике спортсменов может способствовать дополнительному расщеплению накапливающейся молочной кислоты, что помогает дольше избегать утомления, вызванного повышением концентрации лактата в крови и тканях, а также способствует укорочению периода восстановления после соревнования. Согласно этим результатам, регулярные движения полезны не только для сердечно-сосудистой системы, но также для кишечника и обмена веществ. Помимо этого, проведенные исследования показали, что для спортсменов в сравнении с неспортивными людьми характерно большее разнообразие кишечной микрофлоры, а известно, что большее разнообразие микрофлоры идет рука об руку с лучшим состоянием здоровья кишечника, так как многообразие позволяет держать в узде неблагоприятные и даже болезнетворные бактерии.

Так как прием пробиотиков предположительно улучшает также и барьерную функцию слизистой оболочки кишечника, то, значит, такой прием может привести к тому, что в кровь из кишечника будет всасываться меньше вредных веществ. Это может положительно повлиять на транспорт воды и необходимых неорганических солей через слизистую оболочку кишечника. Поскольку абсолютно ясно, что обеспечение жидкостью и питательными веществами жизненно необходимо организму, а особенно спортсмену в условиях соревнований, идея оптимизировать кишечную флору спортсмена за счет приема внутрь определенных пробиотиков, например полученных из кала здоровых людей, представляется очевидным выбором. Есть сообщения о попытках пересадки фекалий, что в англосаксонской литературе получило непринужденное название Poop-Doping. Кроме того, пробиотики образуют противовоспалительные жирные кислоты (например, масляную кислоту), и они устраняют болезненное вздутие живота и останавливают понос, симптомы, которые носят обобщающее название «кишки бегуна». Вероятно, в развитии этого распространенного заболевания у бегунов играют роль соревновательный стресс, избыточное образование свободных радикалов кислорода и ухудшение кровоснабжения желудочно-кишечного тракта на фоне физической нагрузки. Кровообращение уменьшается, потому что при нагрузке увеличивается объем работающей мускулатуры и компенсаторно уменьшается приток крови к желудку и кишечнику. Результатом становится нарушение пищеварительной функции. Есть один факт, неосознаваемый большинством людей: более 70 % иммунной системы человека локализовано в кишечнике! С этой точки зрения Poop-Doping медицински оправдан.

Однако, само собой разумеется, применение допинга в массовом спорте и спорте высоких достижений сопряжено с множеством нарушений и заблуждений. Особенно широко в качестве допинга во всем мире применяют анаболические андрогенные стероиды, и в их числе такие препараты тестостерона, как тестостерона энантат, тестостерона пропионат и тестостерона изокапроат; их дают спортсменам по большей части тогда, когда речь идет об «оптимизации» спортивных достижений, наращивании мышечной массы и формировании рельефа тела. Поэтому в научных кругах все эти вещества получили собирательное наименование, как «средства эффектности и видимости» (performance and appearance drugs, PAED). Результаты одного проведенного опроса показывают, что 60 % бодибилдеров и спортсменов принимали тестостерона энантат. Прием этого вещества, однако, ведет не только к желаемому наращиванию мышечной массы на пару килограммов в неделю, но и вполне к ожидаемым побочным эффектам, самые легкие из которых – упорно рецидивирующие угри и разрывы подкожных тканей. Могут возникнуть поражения печени и нарушения кроветворения. Среди прочего прием этого препарата вызывает увеличение числа эритроцитов в крови, а это приводит к повышению вязкости крови и нарушает работу системы ее свертывания. Это, в свою очередь, способствует нарушению проходимости кровеносных сосудов и образованию тромбозов. Исследования, проведенные на культурах клеток, также показали, что тестостерон ускоряет апоптоз (гибель) клеток сердечной мышцы. Эти данные позволяют объяснить, почему в сердечной мышце спортсменов, принимавших анаболические андрогенные стероиды, обнаруживаются рубцы, несмотря на безупречное состояние коронарных артерий, снабжающих сердце. Поэтому нет ничего удивительного в том, что в спорте высоких достижений иногда происходят несчастные случаи с летальным исходом, которые, вероятно, обусловлены бесконтрольным приемом анаболических андрогенных стероидов.

Но и это еще не все. На фоне применения анаболических андрогенных стероидов могут наблюдаться такие психические изменения, как возрастание агрессивности, избыточная самоуверенность, повышенная жажда деятельности и многое другое, включая психотические расстройства и развитие лекарственной зависимости. Симптомы отмены включают депрессию, суицидальные мысли, нарушения сна и снижение либидо. Оно сочетается с эректильной дисфункией (прекрасно, правда?), так как прием ААС приводит к отрицательной обратной связи, то есть к подавлению секреции природных половых гормонов. Это, в свою очередь, подавляет рост яичек и ведет к гипогонадизму, то есть к снижению продукции спермы, и, как следствие, к бесплодию. Внешняя гипертрофия вторичных мужских половых признаков – чрезмерное развитие мускулатуры – демонстрирует мнимую сексуальность и плодовитость.

Согласно новейшим исследованиям, женщины принимают ААС более осторожно, чем мужчины. Это среди прочего объясняется тем, что помимо акне ААС вызывает у женщин избыточное оволосение тела и облысение. Кроме того, становится ниже голос, и это изменение часто оказывается необратимым. Все эти изменения, как можно догадаться, не делают женщину более привлекательной в рамках традиционных представлений о женской красоте. Вероятно, этим и объясняется более настороженное отношение женщин к ААС. Но возможно, женщины лучше мужчин понимают, что в видах спорта, требующих выносливости, гораздо важнее психологический настрой. Эта точка зрения приводит нас – в заключении этой главы – к глубокому и принципиальному вопросу: существуют ли такие особенности характера или физиологические параметры, которые позволяют одним людям переносить экстремальные нагрузки, а другим – нет?

Для того чтобы прояснить этот интересный вопрос и не ограничиваться описаниями частностей, вернемся к Юконскому арктическому ультрамарафону. При финансовой поддержке Федерального министерства образования и науки, а также Федерального министерства экономики мы в 2013, 2015 и 2017 годах предприняли исследование путей адаптации участников Юконского арктического ультрамарафона, который я дальше буду сокращенно обозначать ЮАУ. Трасса ЮАУ имеет максимальную дистанцию 690 км – от Уайт-Хорс до Доусона и представляет собой самую холодную и самую трудную трассу для беговых соревнований в мире.

В течение нескольких десятилетий в изучении предельных нагрузок на выносливость преобладали исследования сердечно-сосудистой системы и физиологические исследования мышц – особенно транспорта кислорода и доставки энергии. Но по мере развития новых методов визуализации и новых высокочувствительных биохимических методов стало выясняться, что важную роль здесь играют нейрофизиологические изменения в различных областях головного мозга, отвечающих за необходимую мотивацию, упорство и подавление болевых ощущений. Сегодня считается, что в этих процессах особую роль играют передняя поясная кора, гипоталамус и регуляторный медиатор нейропептид Y. Передняя поясная кора – область коры большого мозга, которая грубо подразделяется на лобную, теменную, затылочную, височную, островковую и лимбическую доли. Передняя поясная кора представляет собой часть так называемого контура Пейпза – нейронной цепи, которая участвует в сохранении актуального содержания памяти и в передаче запоминаемого содержания в долговременную память. Этот контур тесно связан с лимбической системой, миндалиной, прилежащим ядром, гипоталамусом, гиппокампом и передним отделом островка – теми анатомическими структурами мозга, которые функционально связаны с такими эмоциональными переживаниями, как страх, фобии, влечения, и с множеством когнитивных функций. Эти мозговые структуры влияют на познание и оценку социального поведения, а также на обработку болевых ощущений и, что важно, участвуют в эмоциональной оценке боли.

Исследования с участием медитирующих людей и спортсменов, занимающихся экстремальными видами спорта, показали, что у этих людей особенно сильно развита передняя поясная кора – привет Шри Чимрою и его «философии бега». В качестве нейромедиатора, передающего информацию между мозговыми структурами, нейропептид Y выполняет разнообразные задачи, что и побудило нас уделить пристальное внимание именно этому нейротрансмиттеру при исследовании участников ЮАУ. Среди прочего мы попытались ответить на вопрос, повышена ли концентрация этого нейротрансмиттера у тех участников, которые завершили всю дистанцию (finishers), в сравнении с теми, кто преодолевал укороченную дистанцию или досрочно выбыл (non-finishers). Могли ли люди с повышенным содержанием нейропептида Y быстрее и лучше успокаиваться и засыпать, отличались ли их показатели функции сердечно-сосудистой системы? Существует ли положительная корреляция между уровнем содержания нейропептида Y и ответами на анкету оценки настроения и душевного состояния во время и после гонки? Можно ли, определив содержание нейропептида Y в крови, спрогнозировать, у кого из участников ЮАУ выше шансы успешно завершить марафон?

Специфические нейронные связи мозга, в первую очередь в гипоталамусе, отвечают за сохранение постоянства состава внутренней среды организма, за гомеостаз. Эти нейронные контуры тем самым регулируют такие основные жизненные потребности и свойства, как потребление пищи и жидкостей, температура тела, сон, или стараются во взаимодействии с корой держать в узде эмоции. Нейропептиды – центральная составная часть этих сохраняющих и поддерживающих жизнь программ, они выполняют многообразные задачи. Например, уменьшение количества пищи, поступающей в организм, приводит к снижению концентрации глюкозы в крови, к высвобождению соответствующих гормонов и к активации гипоталамических нейронов и нейронов ствола головного мозга. Эти нейроны, в свою очередь, высвобождают множество нейропептидов, которые стимулируют пищевое поисковое поведение и поступление пищи в организм. Подобным же образом внутренние и внешние угрозы активируют нейронные пути, отвечающие за защитное поведение. Интересно отметить, что определенные ядра гипоталамуса и миндалины активируются как голодом, так и страхом.

Известно, что нейропептиду Y принадлежит центральная роль в регуляции обмена веществ и эмоционального состояния. Нейропептид Y – химический нейротрансмиттер, сигнал, передающийся от одной нервной клетки к другой. С эволюционной точки зрения нейропептид Y – очень древний медиатор, существование которого доказано уже у первых позвоночных; биохимическое строение этого нейропептида едва ли изменилось за последние 450 млн лет. Так, структура современного нейропептида Y на 92 % совпадает со строением нейропептида, который присутствовал в организмах наших предков. Это говорит о том, что нейропептид Y играет ключевую роль в поддержании постоянства внутренней среды организма.

Гормоны – аутогенные переносчики информации, образующиеся в железистых клетках определенных органов. По необходимости гормоны высвобождаются в кровь и с кровью достигают клеток-мишеней, где связываются специфическими рецепторами и побуждают эти клетки к определенной активности. В то время как информация между нервными клетками передается за доли секунды, для гормонального переноса информации в зависимости от обстоятельств требуется более длительное время – минуты или даже часы. По химическому строению различают пептидные гормоны, состоящие из белков и пептидов, и стероидные гормоны, построенные преимущественно из жироподобных веществ. Всем известный пептидный гормон – инсулин, контролирующий уровень содержания сахара в крови, а также уже рассмотренный нейропептид Y. К стероидным гормонам относят среди прочих такие половые гормоны, как тестостерон и эстроген, а также гормоны надпочечников, например известный гормон стресса кортизол.

Система нейропептида Y находится в центре внимания науки, главным образом благодаря его роли в регуляции питания. Активация Y_1-рецепторов не только порождает чувство голода, но также повышает уровень бодрствования, способность к концентрации внимания и побуждает к агрессивному поведению. С эволюционной точки зрения этот механизм имеет большой смысл, так как помогает выжить в дикой природе. Что касается обработки эмоций страха и фобии в передней поясной коре, то нейропептид Y принимает участие и здесь. Снижение концентрации нейропептида Y может затруднить обработку восприятия состояний страха. Его наблюдают у больных с депрессией или посттравматическим стрессовым расстройством. Активация Y_1-рецепторов делает нас более бесстрашными, более выносливыми и оказывает положительное влияние на ощущение собственного благополучия. Больных депрессией с давних пор лечат движением. Главной задачей становится в этом случае повышение мотивации, побуждение заниматься спортом, что ведет к смягчению симптомов депрессии. Это положение подтверждается результатами исследования на профессиональных спортсменах.

В наших исследованиях, проведенных с участниками Юконского арктического ультрамарафона, удалось показать, что бегуны, досрочно сошедшие с дистанции, изначально имели сниженный уровень содержания нейропептида в крови. Во время гонки у этих людей, в отличие от тех, кто сумел преодолеть все 690 км трассы, концентрация нейропептида продолжала снижаться. Это согласуется с результатами генетических исследований, показавших, что в холодных регионах нашей планеты в человеческой популяции накапливаются те генетические варианты, которые определяют высокую концентрацию нейропептида Y в головном мозге. К таким странам относятся Швеция, Финляндия, Германия и некоторые области Китая. В одном китайском исследовании было доказано, что люди с высокой концентрацией нейропептида Y в эмоционально трудных ситуациях сохраняют устойчивость к стрессу лучше, чем люди со средней и низкой концентрацией нейропептида Y. Эти результаты были подтверждены в нашем исследовании в рамках тренировок выживаемости солдат элитных подразделений. Все больше данных указывает на то, что для таких экстремальных нагрузок, как ЮАУ или тренировки выживаемости, решающими факторами становятся не только функции сердечно-сосудистой системы, строение мышечных волокон или способность запасать жиры и углеводы. Шанс выдержать экстремальные нагрузки имеют только те, кто помимо этого располагает дополнительными неврологическими, нейрохимическими, а значит, и психологическими возможностями. Понятно, что исходная, природная выносливость важна, но, как показали наши исследования на ЮАУ, ментальные способности играют не менее важную роль в преодолении экстремальных нагрузок на выносливость. Только самые ментально сильные люди выдерживали дистанцию до конца и терпели боль, которая заставляла других сдаваться. Нейрохимические методы и методы рентгенологической визуализации, например метод воксельной морфометрии, позволили прийти к заключению об изначальном влиянии экстремальных изматывающих нагрузок на мозг как единое целое.

В будущем результаты этих исследований можно будет использовать для того, чтобы лучше понять влияние экстремальных катаболических состояний на головной мозг; то есть при таких состояниях обмена веществ, когда происходит быстрый распад собственных веществ организма. Эти данные важны для понимания подобных процессов распада тканей не только у спортсменов, но и у онкологических пациентов, у больных, проходящих курсы противораковой терапии, а также при длительных стрессовых ситуациях, например при посттравматическом стрессовом расстройстве (ПТСР). Неудивительно, что роль нейропептида Y изучают в настоящий момент и в связи с этим состоянием.

Изучение функций нейропептида Y только начинается, но я уверен, что будущие исследования, проведенные в условиях других экстремальных нагрузок, дадут нам новые интересные сведения о механизмах влияния этого нейромедиатора на мозг, а кроме того, помогут лучше интерпретировать результаты психологических тестов. Возможно, новые интересные данные удастся получить и в космосе, поскольку недавно повышенные концентрации нейропептида Y были обнаружены не только у бегунов на сверхдлинные дистанции и солдат элитных частей, но и у астронавтов. Этими специфическими стрессорами, которые влияют на астронавтов во время космических полетов и отличаются от спортивных нагрузок, требующих выносливости, мы займемся в последней главе книги для того, чтобы в том числе выяснить: может ли любой, выбранный наугад гражданин полететь на космическом корабле в космос – и чем это для него кончится? Пока же мы обратимся к другим, «земным» экстремальным условиям.

Хамар-Лагдад, или Опасность жары

Почему изменение климата непосредственно угрожает нашему здоровью

Люди чрезвычайно чувствительны к температуре. Есть веские причины, по которым способность к регуляции температуры оказывает решающее влияние на наше самочувствие. Независимо от того, насколько холодно или жарко на улице, занимаемся мы спортом или отдыхаем, температура нашего тела должна оставаться постоянной, если мы хотим остаться здоровыми – да что там, просто выжить. Механизмы адекватной ауторегуляции температуры тела удивительны. Однако биофизические возможности регулировать температуру тела достаточно ограничены, и расширить их можно во вполне обозримых рамках – с помощью одежды и способов охлаждения. Поэтому глобальное потепление уже сегодня наносит ущерб не только окружающей среде – с разрушительными социальными и экономическими последствиями, как, например, в Субсахаре; повышение среднемировой температуры всего на 2° непосредственно грозит нашему здоровью.

Май 1978 года; я еду в Южное Марокко в составе группы исследователей по поручению Немецкого научного общества. Наш путь лежал через Францию и Испанию к Гибралтару. К сожалению, нам пришлось непредвиденно задержаться в Малаге на два дня, потому что я по ошибке принял «Бобадилью-103» за легкое шерри. Кроме того, несколько дней спустя нам пришлось провести в немецком посольстве в Рабате несколько томительных часов, потому что марокканские власти не разрешили нам продолжить путь на юг страны, пока не будет хватать каких-то документов от ННО в Бонне и разрешения от местного министерства шахт. Но вот все позади, и мы прибываем на юг Марокко, в Эрфуд, в провинции Тафилалт.

За два года до этого я, помнится, сидел здесь ночью, на ярко освещенной, совершенно безлюдной рыночной площади, под пальмами, на обочине пыльной дороги. Мы пили местный Flag Spéciale. Один из моих спутников Рольф немного сетовал на свою судьбу. Он чувствовал, что не вполне правильно распорядился своими профессиональными способностями и потерял свободу выбора. Что он был должен, что мог он сделать лучше, чем его отец и дед, и главное – как? Думаю, он завидовал моему положению, а я – его. Из этой обоюдной зависти родилась многолетняя дружба. Собственно, это я собрал ту группу. Тогда нас было пятеро в Атласских горах. Штефан и Бернгард особенно интересовались минеральными месторождениями в Марокко. Иоахим был нашим шофером, а заодно и автомехаником. Он отвечал за «форд-транзит», машину со сдвоенными шинами, последнее обстоятельство оказалось не слишком удачным выбором, потому что между ними постоянно набивались мелкие камешки. Но в остальном это был отличный вместительный автомобиль. Рольф тогда интересовался гониатитами Талифалта, вымершими головоногими моллюсками из подкласса аммонитов, ранними предками осьминогов с раковиной, как у улиток.

Итак, был май 1978 года, нас было четверо. Группу возглавил Александр фон Шуппе, старейший немецкий исследователь кораллов; на его лекцию меня однажды водил отец. Но, ради всего святого – что мог искать в пустыне специалист по кораллам? Он искал риф, окаменелость. Она залегает в среднем девоне, на границе с верхним девоном, а точнее говоря, в живетском ярусе. Этот ярус образовался в период между 388 и 383 млн лет назад. Природа создала его за миллионы лет из поднятия геологической формации Хамар-Лагдад. Тридцатиметровые конусы стоят друг за другом и свидетельствуют о некогда богатом геологическом и биологическом разнообразии морского дна. Наша задача состояла в том, чтобы описать строение этих роскошных конусов и выявить как можно больше различных видов ископаемых кораллов. С научной точки зрения это было весьма интересно, потому что похожие девонские рифы до тех пор обнаруживались только далеко на севере, например в Рейнских сланцевых горах, а вокруг них простирался громадный океан – Палеотетис. Сегодня здесь стоит немыслимая жара – 40° в тени. Только фата-моргане под силу явить на этом месте морской риф. В этом море не копошатся трилобиты, зато на земле полно скорпионов.

Прошло много лет после моей первой встречи с Шуппе, но его грацский диалект сохранился. Позднее, будучи студентом, я посещал его палеонтологические курсы в Мюнстере; эти занятия больше смахивали на индивидуальное обучение, потому что интересовались этими семинарами максимум два студента. Изучение кораллов – настоящая находка. Публика слышит и читает о кораллах исключительно редко; такое, например, было в 1966 году. В статье, опубликованной НАСА, Джон Уэллс указал на то, что в девоне Земля вращалась быстрее, чем сегодня, а в сутках предположительно было всего 22 часа. Уэллс смог доказать это по крошечным, различимым только под микроскопом, расстояниям между суточными кольцами девонских кораллов. Подобно тому как в древесных стволах откладываются годичные кольца, так и у кораллов происходит отложение солей кальция, но ежесуточно. При подсчете суточных колец за один год получается число, превосходящее 365. Как показало это исследование, оно составляет в течение года от 385 до 410, то есть в среднем 400. Эти данные можно объяснить только укороченной продолжительностью суток, которое имело место в связи с ускоренным вращением Земли вокруг своей оси. Это открытие, возможно, показывает, как значительно повлияли приливные силы на замедление вращения Земли в течение миллионов лет.

Студентов геолого-палеонтологического факультета учили именно этому: точно наблюдать и описывать. На это мы не жалели времени. Да, нас к этому приучили. Каждое наблюдение, каким бы незначительным оно ни казалось на первый взгляд, надо было записать, а необычные структуры зарисовать. Так мы и работали. Помимо меня, на этот геолого-палеонтологический курс часто ходил один мой сокурсник Штефан. Он был сыном психиатра из соседнего городка Эйкельборна. С детства он интересовался минералами, а я окаменелостями, и мы хорошо друг друга дополняли. Уже в школе у нас были частые экскурсии в Мюнстерланд. С началом учебы мы предприняли несколько поездок в Марокко на поиски минералов и окаменелостей. Помимо интереса к неорганическим горным породам, Штефан питал склонность к растениям и травам. В его «жуке» можно было то и дело увидеть горшки с петрушкой, базиликом и тимьяном, и я молчу о его травяной плантации в студенческом общежитии. Я не мог разделять его воодушевления в уходе и выращивании растений, скорее мне это казалось чудачеством, но для него это имело особое значение. С ним можно было плодотворно спорить о чем угодно, и благодаря ему я многому научился в наших многочисленных поездках в Северную Африку на каникулах.

Благодаря этим поездкам я неплохо знал Южное Марокко и не в последнюю очередь благодаря этому знанию получил от ННО приглашение принять участие в экспедиции Александра фон Шуппе в Тафилалт. Вероятно, какую-то роль в формировании группы сыграл Хельмут Хельдер. Профессор Хельдер был в то время заведующим кафедрой палеонтологии в Мюнстере; у Хельдера я был на подхвате, как ассистент. Тогда, в семидесятые, заведующий кафедрой имел личного водителя, как и директор Института Макса Планка. В половине десятого утра он выезжал из института на Гивенбеккер-Вег в лекционный зал Музея на Пфердегассе. Там он в последний раз подбирал нужные диапозитивы для показа, а заодно давал мне полезные житейские советы. «Герр Гу-у-унга-аа», – громоподобно произносил он мощным баритоном на своем швабском наречии, отчетливо разделяя неспешный речевой поток запятыми, двоеточиями и восклицательными знаками. «Герр Гу-у-унга-аа, – говорил он, – вы должны знать, что хорошая лекция не обязательно должна быть понятной. Люди должны заинтересоваться тем, о чем никогда в жизни не слышали. Непонимание свое слушатели должны воспринимать как шанс узнать что-то действительно новое». Точка. Передача знания и образование проявлялись у него в редком единстве. Когда мы со Штефаном, уже будучи студентами, предложили институту купить у нас коллекции привезенных из Марокко окаменелостей, именно Хельдер выступил посредником. Вырученные средства мы смогли потратить на новые путешествия в другие районы Марокко.

Кроме того, Хельмут Хельдер был специалистом по аммонитам юрского периода. Но абсолютным апофеозом его курса было другое; он считал, что семинаров по научной истории вида недостаточно, и устраивал после них обсуждения в узком кругу, угощая гостей спекуляциусами в форме аммониева рога, которые пекла его жена Эрна; мы с удовольствием поглощали печенье и слушали стихи сочинения Хельдера. Китч? Академический романтизм? Ни в коем случае! Увлекательно, забавно, поучительно и глубокомысленно.

И вот теперь я стал участником проекта ННО, отчасти благодаря хорошему знанию района Хамар-Лагдад. В один прекрасный день мы оказались невдалеке от тех мест. Фокус на исследовании местности и бдительность по отношению к скорпионам – этих паукообразных часто раздражало наше присутствие – помешали мне вовремя заметить, как усилился ветер, а солнце затянуло пеленой. Только тогда мы увидели, что над горизонтом поднимаются темно-желтые облака и на глазах стремительно сгущаются в плотные завихрения. Клубок вскрылся. Мы быстро упаковали собранные находки, попрыгали в черно-красный полноприводный джип и ринулись в сторону Эрфуда. Этот оазис расположен всего в 20 км от Хамар-Лагдада. Сначала видимость была сносной, и я мог еще ориентироваться на местности. Но чем сильнее становилась пыльная буря, тем менее уверенно я себя чувствовал. Дорог там великое множество, и ведут они в самые разнообразные направления. Куда нам ехать сейчас – направо или налево? Мы свернули вправо, но щебеночная дорога через пару сотен метров привела нас в никуда. Вернулись к развилке. Но теперь случилась новая беда – наш джип застрял в вади, с жалобным скрежетом усевшись днищем на каменный выступ. Колеса бешено вращались, но машина не двигалась с места. Мы серьезно влипли. Испортилась не только машина, но и наше настроение. «Всем выйти из джипа! – крикнул я. – Будем толкать». Собранные нами находки сыграли роль балласта и помогли колесам встать на твердую почву. После недолгой остановки нам удалось освободить автомобиль и выбраться из занесенного песком вади, но теперь везде были пыль и мелкий песок – они скрипели на зубах, жгли глаза; пыль набивалась в нос. Мотор тоже работал с перебоями. Неудивительно: воздушный фильтр был забит. Где мы, черт возьми? За тучами песка и пыли не было видно солнца. Мы тащились с черепашьей скоростью, чтобы не потерять из виду дорогу. Вдруг впереди показался смутный силуэт, который при ближайшем рассмотрении оказался молоденьким пастухом с двумя козами и возник перед нашим джипом. Я остановил машину и на ломаном арабском спросил парня: «Это дорога на Эрфуд?» Он кивнул и показал рукой в направлении перпендикулярном тому, в котором мы ехали. Вероятно, мы незаметно для меня пересекли дорогу на Эрфуд и двинулись на запад. Если бы ехали так и дальше, то нам не встретилось бы ни одного оазиса.

Час спустя мы сидели в баре эрфудского отеля. Все, в том числе и я, чувствовали невероятное облегчение. Там мы узнали из рассказов о том, как трагически закончилась вылазка семерых немцев в ливийскую пустыню. 3 июня 1965 года они на трех машинах выехали из Каира в направлении оазиса Сива. Одна группа по дороге повернула назад, потому что участнику поездки стало дурно. Встреченный ими армейский патруль предостерег остальных от продолжения путешествия, так как им предстояло проехать знойную впадину Катара, к тому же летом. Однако оставшиеся пятеро путешественников не вняли мудрому совету. 15 июня 1965 года спустя 12 дней все они были найдены мертвыми. Машины почти полностью занесло песком. Люди покинули автомобили и, разделившись, пошли пешком искать помощи; в течение нескольких дней они погибли от жажды. Еще и сегодня люди часто недооценивают смертельную опасность пребывания в пустыне. Совсем недавно, в 2015 году, одна супружеская пара из Франции погибла во время однодневной прогулки по солончаковой пустыне в национальном парке Уайт-Сэндс в штате Нью-Мексико. Они отправились в путь в полдень, при температуре 38°, взяв с собой всего 1 литр питьевой воды. Два часа спустя они уже были мертвы; в живых остался только их девятилетний сын, которому родители отдали всю воду. Его нашли спасатели.

Как видно, наша история тоже могла закончиться плачевно. Но как люди и животные умудряются не просто выживать, но и жить в таких условиях? Какие у них стратегии адаптации? С точки зрения физиологии это долго оставалось загадкой. Некоторые из этих загадок мы постараемся прояснить.

Мы узнаем, насколько тонка грань между температурой, при которой нам комфортно, и температурой, угрожающей нам смертью. Основной акцент мы сделаем на воздействии жары и на том, от чего нам целесообразно отказаться. В связи с изменением климата и волнами жара, которые все чаще захлестывают наши широты, эта тема, представлявшая до сих пор чисто академический интерес, приобрела важное значение и для нашего европейского общества.

В алжирской пустыне

Мы начнем с таких важнейших органов человеческого организма, как головной мозг, легкие, сердце, печень и почки. Эти органы оптимально функционируют в очень узком диапазоне температур от 36 до 37,5 °C. Если температура падает или поднимается хотя бы на один градус, то организму, чтобы не допустить повреждения жизненно важных функций, приходится прибегать к контрмерам. Но как работают механизмы поддержания теплового баланса и терморегуляции и насколько тесно связаны эти функции с содержанием воды в человеческом теле?

Человек, как и все млекопитающие и птицы, принадлежит к так называемым теплокровным организмам, температура тела которых отчетливо выше, чем температура окружающей среды обитания. Этот температурный градиент может поддерживаться только при условии равновесия между выделением и отдачей тепла. С одной стороны, это возможно только при интенсивном энергетическом обмене, так называемом тахиметаболизме. С другой стороны, чрезвычайно важную роль играют изоляционные слои покровов, предупреждающие избыточную потерю тепла, например жировая ткань; кроме того, кровообращение в коже и способность потеть обеспечивают отдачу тепла в случаях, когда температура тела повышается сверх нормы. Это позволяет теплокровным организмам поддерживать постоянство температуры тела в разных состояниях активности и условиях окружающей среды. Для раздетого взрослого человека в состоянии покоя термическая нейтральная зона, так называемая нейтральная температура окружающей среды, при которой человек не мерзнет и не потеет, находится в пределах 27–31° – при полном физическом бездействии, относительной влажности воздуха 50 % и отсутствии ветра. В таких условиях энергообмен минимален.

Мы уже видим, что условия окружающей среды и физическая активность, очевидно, играют большую роль. В термонейтральной зоне отдачу и образование тепла можно поддерживать в равновесии только за счет кровообращения в коже с помощью вазомоторных реакций. Изменения кровообращения в коже за счет активности гладкой мускулатуры сосудистых стенок практически не требует энергетических затрат. При воздействии холода происходит сужение кровеносных сосудов кожи, а при повышении температуры – их расширение. Регуляция активности сосудистой мускулатуры осуществляется преимущественно симпатическими нервами, воздействующими на так называемые альфа-адренергические рецепторы. За пределами термонейтральной зоны энергетический обмен быстро возрастает как при повышении, так и при понижении температуры окружающей среды. Этот тип терморегуляции при воздействии тепла, расширение кровеносных сосудов кожи, называют сухой отдачей тепла, в отличие от потоотделения, влажной отдачи тепла. Как и во всех химических реакциях, температура оказывает решающее воздействие на процессы обмена веществ в организме. Интуитивно можно предположить, что при дополнительной тепловой нагрузке выше термонейтральной зоны энергетический обмен снизится, но это не так. При повышении температуры тела организм должен запустить механизмы, препятствующие дальнейшему повышению температуры, а это имеет свою энергетическую цену. Эту задачу берут на себя, главным образом, система кровообращения и потовые железы.

Нагрузка на сердечно-сосудистую систему повышается, потому что производимое мышцами тепло – например, при тяжелой физической работе – для того, чтобы быть отданным, должно переместиться к поверхности тела. Это перемещение тепла от внутренних органов (головного мозга, легких, сердца, печени) к покровам тела (коже и мышцам) с помощью разветвленной сосудистой системы называют внутренним транспортом тепла. Если внутри тела в результате физической работы производится больше тепла или оно нагревается из-за повышения температуры окружающей среды, то изменяется соотношение между внутренностью тела и его покровами. При прохладной температуре окружающего воздуха (10 °C) доля объема тела, в которой температура тканей поддерживается на уровне 37 °C, составляет около 30 %, а доля периферических тканей, где температура ниже, составляет 70 %. При теплых условиях окружающей среды (30 °C) эта область внутри тела увеличивается, и одновременно расширяются кровеносные сосуды кожи.

Независимо от этой системной регуляции кровоснабжения включаются также местные механизмы регуляции просвета кровеносных сосудов. При тяжелой физической работе дополнительно расширяются кожные кровеносные сосуды грудной клетки. Эта реакция опосредуется действием гормона брадикинина – веществом-мессенджером, которое выделяется вместе с потом и действует подобно гистамину, известному из болезненного опыта при укусе осы. В последнем случае дело доходит до экстремального расширения сосудов, а вследствие повышения их проницаемости развивается болезненный отек на месте укуса. Помимо этого, усиливается теплоотдача в области головы и конечностей; на конечностях это кисти и стопы, а на голове уши. Все эти области обладают большой поверхностью относительно их объема, а это облегчает теплоотдачу в окружающую среду.

Напротив, при воздействии холода теплоотдача в этих участках тела снижается в результате сужения кровеносных сосудов. Почти каждый испытал это на себе: уши, кисти и стопы особенно быстро бледнеют и охлаждаются – именно потому, что там на холоде стремительно снижается кровообращение. С головой дело обстоит по-другому. Там сужения сосудов в ответ на воздействие холода не происходит, и зимой мы особенно сильно теряем много тепла именно через голову; поэтому зимой надо носить шапку и следить за тем, чтобы волосы были сухими. Влажные волосы и влажная одежда усиливают отведение тепла в двадцать два раза! Большая часть чувствительных к холоду рецепторов расположена на шее, и поэтому зимой мы любим носить свитера с воротом и шарфы. В конечностях располагаются особые сосудистые структуры, через которые глубокие кровеносные сосуды сообщаются с поверхностными – они называются анастомозами. Эти структуры весьма эффективно поддерживают терморегуляцию. Каждый специалист по хирургии кисти испытывает величайшее почтение к этим анатомическим образованиям, реконструкция которых после травм представляет собой весьма сложную задачу. Работу анастомозов можно представить следующим образом: под воздействием жары закручивается кран, соединяющий сосуды, идущие от внутренности тела к глубоким сосудам, и кровоток переключается на поверхностные сосуды. Здесь, вблизи от поверхности кожи, охлажденной в результате потоотделения, теплоотдача происходит легче и быстрее. Кровь, охлажденная таким способом на периферии, через открытые анастомозы перетекает в параллельно идущие вены и из предплечья и кисти возвращается к внутренним органам и структурам организма. При воздействии холода сосудистые анастомозы закрываются. Это делает возможной чрезвычайно высокую вариабельность кровотока в конечностях, ушах и кончике носа, что позволяет обеспечить регуляцию внутренних потоков тепла.

Помимо внутреннего транспорта тепла от органов тела к поверхности, существует и внешний транспорт, отдача тепла от покровов тела в окружающую среду. У раздетого человека он определяется, главным образом, метеорологическими условиями, такими как температура воздуха и солнечного излучения, относительная влажность воздуха и скорость ветра, а также физиологическими параметрами, такими как, например, температура кожи. Если человек одет, то в обмене тепла играет роль поверхность тела, оставшаяся доступной; одежда уменьшает эффективную поверхность теплообмена, и при воздействии холода это желательно. А при воздействии тепла люди снимают лишнюю одежду.

С физической точки зрения теплообмен осуществляется четырьмя способами: это конвекция, теплопередача, испарение (испарение пота) и излучение. Конвекционный теплообмен происходит главным образом в слое воздуха толщиной несколько миллиметров (пограничном слое), окружающем кожу. Существуют две формы конвекции – естественная и принудительная. Если человек находится в прохладной среде – возьмем для наглядности воздух или воду, то вдоль поверхности тела происходит перемещение масс снизу вверх, так как холодный воздух тяжелее теплого. Восходящий поток воздуха забирает при этом тепло путем конвекции. Этот конвекционный транспорт на поверхности тела раздетого человека составляет приблизительно 600 литров в минуту. Тепло, отведенное таким способом, относительно легко рассчитать. Надо только знать поверхность, доступную для теплообмена, в квадратных метрах и сколько ватт переносится с 1 м^2 в окружающую среду при разнице температур поверхности кожи и окружающего воздуха в 1 °C. Площадь поверхности тела у молодого здорового человека составляет около 2 м^2. Когда человек голый, ее можно принять за 2 м^2. Сейчас мы знаем, основываясь на измерениях потока тепла, что 1 м^2 отдает в окружающую среду при разнице температур в 1 °C три джоуля в секунду или, что то же самое, три ватта. Так как в норме разница температур составляет от 13 °C – средняя температура поверхности тела составляет 33 °C, а температуру окружающей среды мы примем за 20 °C, – можно легко посчитать, что организм отдает с 1 м^2 поверхности тела 39 ватт. При температуре окружающей среды 20 °C, средней температуре кожи 33 °C и эффективной площади поверхности тела 2 м^2 производительность конвекционной теплоотдачи составляет около 80 ватт или 80 джоулей в секунду. Это приблизительно равно мощности потолочной электрической лампочки. Примерно ту же энергию мы ежесекундно теряем в покое, и она же образуется в организме за счет питания; это количество должно быть равно, чтобы обеспечивать энергетический баланс. Каждая дополнительная физическая работа, снижение температуры окружающей среды или усиление воздушного потока повышают потребность в энергии и требуют дополнительной ее продукции.

О принудительной конвекции говорят, например, когда человек подвергается воздействию сильного ветра. В этом случае конвекционная теплоотдача усиливается, потому что, во-первых, разрушается окружающий кожу пограничный слой воздуха. Во-вторых, отвод тепла от поверхности тела ускоряется благодаря ветру. Оба фактора способствуют быстрому охлаждению тела. При этом важную роль в теплоотдаче играют форма и размер корпуса. У маленьких организмов, таких как мыши, большая поверхность тела в отношении объема, а у слонов, наоборот, при большом объеме тела поверхность его невелика. Такие организмы защищены от переохлаждения, но легче перегреваются. У мелких организмов принудительная конвекция может быстро привести к нарушению теплового баланса.

Под теплопередачей понимают прямой транспорт тепла между двумя твердыми веществами, которые находятся в непосредственном физическом контакте. Поток тепла направлен от вещества с более высокой температурой к веществу с более низкой. Теплопередача между двумя предметами зависит от разницы их температур, эффективной площади соприкосновения, свойств материала и удельной теплопроводности. Тепло, передаваемое с кровью к поверхности тела, на границе с кожей выходит наружу путем теплопередачи, а затем за счет конвекции уносится потоком воздуха. Теплопередача играет важную роль во внешнем транспорте тепла только при непосредственном соприкосновении тела с материалами, обладающими высокой теплопроводностью, например с металлами. Незащищенный контакт может в этом случае мгновенно привести либо к обморожению, либо к ожогу – это испытывал практически каждый. Если зимой взяться голой рукой за металлический фонарный столб, можно за считаные секунды отморозить руку, а в иных случаях ладонь может примерзнуть к металлу. То же самое касается ожогов. Мы можем долго держать ладонь в нескольких сантиметрах над горячей плитой, потому что между ладонью и плитой находится теплоизолирующий слой воздуха; но непосредственный контакт с огнем в доли секунды приведет к сильному ожогу.

Таким образом, чем толще пограничный слой воздуха, окружающий тело, тем слабее теплообмен между телом и окружающей средой. Выбирая подходящую одежду, можно зимой увеличивать толщину этого слоя, а летом ее уменьшать. Здесь решающую роль играет количество воздуха, которое может удерживать одежда; поэтому пуховые куртки и одежда из полых полиэстеровых нитей «Дюпон» – такие теплые.

Еще один способ транспорта тепла – излучение. Если конвекция, теплопередача и отделение пота (испарение) представляются весьма наглядными физическими явлениями, то излучение этой наглядности лишено. Отложим книгу и поднесем ладони к щекам на расстояние приблизительно в сантиметр. За несколько минут мы ощутим, что щекам становится теплее. Это происходит оттого, что в воздухе между ладонями и щеками их инфракрасное излучение нагревает находящийся между ними воздух. Инфракрасное излучение – это электромагнитное излучение из спектра невидимых глазом лучей. Змеи и цихлилы относятся к немногим позвоночным животным, которые способны улавливать инфракрасное излучение и успешно пользуются этим на охоте. С точки зрения физики любое вещество, имеющее температуру выше абсолютного нуля (–273,15 °C), представляет собой источник электромагнитного излучения с определенной длиной волны. Длина волны зависит от температуры поверхности и обратно пропорциональна ей; то есть раскаленные, горячие предметы излучают более короткие волны, а холодные – более длинные. Люди и животные – относительно холодные объекты и испускают излучение длинноволнового спектра. Температура поверхности определяет не только длину испускаемых волн, но и скорость, с которой тело отдает энергию излучения. В состоянии покоя, при температуре воздуха 20–25 °C, низкой относительной влажности воздуха и малой скорости ветра от 50 до 60 % продуцируемого в организме тепла отдается в окружающую среду в форме инфракрасного излучения. Остальное тепло отдается телом приблизительно в равных долях за счет теплопередачи, конвекции и испарения пота. Потеря тепла за счет излучения зависит от величины температуры поверхности расположенных рядом предметов и стен относительно температуры поверхности тела. При прохладной температуре воздуха и при низкой температуре окон ширмы или занавески, поверхностная температура которых соответствует средней температуре в помещении, значительно снижают потери тепла организмом за счет излучения. Незащищенное воздействие на тело существенно более холодных предметов ведет к тому, что падает местная температура кожи, активируются ее холодовые рецепторы и происходит сужение кровеносных сосудов. Пораженные холодом участки кожи и подлежащие мышцы продолжают остывать. За этим следуют судорожное напряжение мышц, нарастающее ощущение холода и озноб. Впрочем, предметы с более высокой температурой за счет излучения вызывают ощущение тепла. Этот эффект используют для прогревания уха инфракрасной лампой при среднем отите или для согревания воздуха в доме с помощью инфракрасного излучателя на балконе.

Под испарением в узком смысле понимают физическое испарение телесной жидкости, иначе говоря, пота. При этом организм избавляется от определенного количества тепла, так как для перехода веществ из жидкого в газообразное состояние, то есть в данном случае в водяной пар, требуется энергия; в физике подобные процессы называются эндотермическими. Наряду с активной потерей воды через потовые железы (экзокринные железы) существует и пассивная, «незаметная или неощущаемая» потеря воды через кожу за счет диффузии. Эта потеря тепла происходит, потому что организм постоянно и непрерывно, путем диффузии, теряет воду через кожу и слизистые оболочки дыхательных путей – это не зависит от величины потерь воды через потовые железы. При тяжелой физической работе или при внешнем тепловом воздействии (например, в сауне) испарение становится основным механизмом отвода тепла. Решающим фактором адекватного функционирования этого механизма, помимо достаточного потребления жидкости, становится то, что давление водяного пара, создаваемое потовыми железами, выше, чем в окружающей среде. Чем выше давление пара снаружи (душное помещение, тропики), тем труднее отдавать воду за счет испарения. Если же относительная влажность воздуха низкая (в сухом пустынном климате), то человек может в течение непродолжительного времени переносить чрезвычайно высокую температуру воздуха и поступление тепла извне, так как очень велик градиент давления водяного пара между кожей и окружающей средой.

Для обеспечения испарения воды человек располагает в среднем 2 млн потовых желез, хотя и здесь есть существенные различия: у айнов, автохтонного населения Японии, только 1,5 млн потовых желез, а у женственных белых дам Северной Америки – около 3 млн. Плотность расположения потовых желез на поверхности кожи также значительно варьируется: от 55 на см^2 кожи спины до 751 на см^2 подмышечной впадины. При нейтральной температуре окружающей среды около 27 °C температура кожи у легко одетого человека составляет 32–33 °C. Если температура повышается до 34° (всего на один градус!), то активируются потовые железы. При длительном пребывании в тропиках, где суточная потеря воды с потом у взрослого человека достигает 7–10 л, необходим дополнительный прием электролитов и таких микроэлементов, как цинк, железо и фосфор, которые теряются с потом. Это еще в большей степени касается бегунов, ультрамарафонцев, о которых мы говорили в предыдущих главах. Если на экстремальные нагрузки накладываются еще и экстремальные условия окружающей среды, как, например, на соревнованиях «Айронмен» на Гавайях или на франкфуртском марафоне 2015 года, то к организму участников предъявляются особенно высокие требования; в частности к таким системам, как автономная нервная система, состоящая из симпатического и парасимпатического отделов, а также контролирующего их гипоталамуса. Именно автономная нервная система отвечает за поддержание водно-солевого баланса, энергетического обмена и терморегуляцию.

Но как все это работает? Где сенсоры этой системы? Что они регулируют и каким образом? Где находятся регуляторные центры организма? Эти важные вопросы мы сейчас проясним, чтобы понять, что происходит в экстремальных условиях. Центр управления температурой тела располагается в гипоталамусе. Эволюционно это очень древний отдел головного мозга, и, кроме того, он входит в состав лимбической системы. В отличие от большого мозга с его когнитивными функциями, гипоталамус – центр автономной нервной системы; он управляет основным эмоциональным состоянием и контролирует такие естественные потребности, как голод, жажду, половое поведение и температуру тела. Задача всей этой системы заключается в том, чтобы поддерживать температуру тела в очень узком диапазоне. Если этот контролирующий центр выйдет из строя, то весь организм окажется в непосредственной смертельной опасности. Он должен надежно обеспечивать поддержание равновесия между реальным поступлением тепла в организм извне и изнутри в результате протекания процессов обмена веществ, с одной стороны, и отдачей тепла вовне – с другой. Только при условии этого равновесия может быть гарантировано постоянство температуры тела и обеспечена полноценная работа других важных систем, например сердечно-сосудистой. Мы редко осознанно ощущаем, как функционируют эти механизмы, так как всю незаметную, но важнейшую работу по контролю деятельности органов берет на себя гипоталамус. Примечательно, что человек, в отличие от других животных, может игнорировать возможности этих контролирующих и страховочных систем терморегуляции, руководствуясь определенными мотивациями, религиозными (паломничество в Саудовскую Аравию) побуждениями или стремлением участвовать в соревнованиях, что порой заканчивается смертью. В животном царстве мы, наоборот, наблюдаем, что организмы доходят до температурных ограничений, а если переступают их на короткое время, то не допускают дальнейших термических нагрузок, чтобы избежать перегревания тела.

Для того чтобы понять, какие меры безопасности необходимы в случаях, когда люди осознанно сверх меры нагружают автономную нервную систему, надо понять, как в принципе работает система терморегуляции. Поэтому вернемся в область нормальной физиологии. Очень упрощенно можно представить эту систему как технический контур регулирования, состоящий из различных элементов, которые известны нам по домашним системам отопления. Температура тела, интегральная величина, которая складывается из температур разных участков тела, – регулируемый параметр. Если провести аналогию с системой отопления дома, то можно сказать, что это напоминает температурные датчики в разных комнатах. Нервная система человека располагает такими сенсорами для регистрации истинной температуры тела. Сведения о температурах внутренних областей и покровов тела собираются, суммируются и сравниваются с должной температурой, равной 37 °C, в гипоталамусе. В системе отопления должная величина задается в виде референтного сигнала, включенного в регулирующий контур. По аналогии считается, что в гипоталамусе есть специальные нейроны, которые порождают этот сигнал независимо от реальной температуры. В случае расхождения реальной и необходимой величины, по автономной нервной системе, по эфферентным волокнам направляются соответствующие управляющие импульсы к определенным функциональным единицам, прежде всего – к мышцам и кожным кровеносным сосудам. Если реальная температура выше, чем нужно, то подавляется деятельность всех механизмов, способных повышать температуру тела, например образование тепла за счет мышечной активности. Наступает время для отдыха – сиеста. Одновременно активизируется работа систем отдачи тепла. Сосуды покровов тела расширяются, усиливается потоотделение.

В большом мозге, в сенсорной коре, порождаются осознаваемые ощущения – холодно или жарко. Эта осознаваемая информация содержит сведения о тепловом состоянии тела – как внутри, так и на поверхности. Одновременно в игру вступает таламус – структурная область головного мозга, которая связывает между собой его древние и более молодые части с точки зрения эволюции. Это очень важно, так как гипоталамическая регуляция за счет изменения кожного кровообращения и отделения пота весьма ограничена в экстремальных условиях внешней среды и обеспечивает лишь кратковременную адаптацию. Для человека существенно важнее сознательно поддерживать температуру тела – использовать подходящую одежду, обустраивать дом, пользоваться огнем, а когнитивные способности такого уровня требуют участия развитых в процессе эволюции новых регионов головного мозга.

Понимание таких физиологических адаптивных механизмов дает среди прочего интересные сведения об истории развития человека. Вначале к механизмам длительной акклиматизации к жаре относилось снижение порога потоотделения, то есть увеличение количества пота, снижение концентрации в нем электролитов и одновременное увеличение объема циркулирующей крови. Снижение порога потоотделения означает, что организм начинает при повышении окружающей температуры потеть раньше, чтобы избежать перегревания; это позволяет дольше работать на жаре до тех пор, пока под действием окружающей среды не придется прервать работу. Увеличение объема выделяемого пота дополнительно поддерживает этот приспособительный механизм.

Здесь, на взгляд эволюциониста, выясняется интересный факт: максимальная продукция пота на единицу массы или поверхности тела у человека отчетливо выше, чем у любого другого организма. Если человек начинает потеть раньше и при этом более обильно, то температура кожи остается низкой. Это очень важно для транспорта тепла от ядерных структур тела к покровам. Чем больше разница температур внутри тела и на коже, тем лучше обеспечивается теплообмен, что, в свою очередь, приводит к тому, что повышение температуры внутри тела замедляется. Уменьшение содержания электролитов в поте имеет большое значение для приспособления к жаре: это позволяет организму сохранять для своих метаболических нужд такие важные электролиты, как натрий, хлор, магний, кальций. В условиях длительной тепловой нагрузки организм усиленно продуцирует гормоны, отвечающие за сохранение водно-солевого или электролитного баланса. Среди прочих к таким гормонам относится альдостерон. Он отвечает за поглощение и направление натрия обратно в организм как в почках, так и в выводных протоках потовых желез, чтобы натрий не выводился из организма с мочой и потом. Таким образом он противодействует дефициту натрия в организме. К тому же (и это учитывают не всегда) пот легче испаряется, если содержит мало электролитов, а это еще в большей степени обеспечивает охлаждение поверхности тела. Одновременно увеличивается объем крови, потому что в печени есть рецепторы, измеряющие осмотическое давление, и при его увеличении начинают усиленно синтезироваться и выделяться в кровь плазматические белки. Повышенное содержание белка в плазме крови ведет к тому, что больше воды связывается в сосудистом русле, что в результате увеличивает объем циркулирующей крови. Кроме того, увеличение объема крови приводит к снижению гематокрита – величины, отражающей процентное содержание в крови эритроцитов, переносящих в крови кислород; это снижает вязкость и увеличивает текучесть крови. Помимо этого, уменьшается и нагрузка на сердечно-сосудистую систему.

Все названные факторы способствуют тому, что в условиях физической нагрузки замедляется повышение температуры тела. Такое приспособление к жаре очень похоже на адаптацию, которую наблюдают при тренировках на выносливость. В противном случае никто не смог бы справиться с марафонами в пустыне и соревнованиями «Превзойти себя». Нормальный гражданин, который не стремится к достижениям в выносливости и хочет выполнять свою работу без ущерба для здоровья, должен дополнить автономную терморегуляцию организма соответствующими изменениями в поведении. Находясь в пустыне, физическую работу надо выполнять либо ранним утром, либо поздним вечером или даже ночью. Следует избегать дневных нагрузок, когда наиболее интенсивно длинноволновое излучение Солнца, достигающее максимума в полуденные часы. Необходимо осознанно пить много воды и добавлять к рациону соль, чтобы компенсировать их потери с потом, потому что чувство жажды и ощущение потребности в соли при больших потерях жидкости становятся неадекватными. Ночные судороги в икроножных мышцах указывают на нарушение электролитного баланса. Кроме того, одежда должна покрывать большую часть поверхности тела, пропускать водяные пары и быть просторной, чтобы обеспечивать циркуляцию воздуха над поверхностью тела. Таким образом можно оптимально использовать транспорт тепла путем естественной конвекции и обеспечивать комфортный микроклимат над кожей. Цвет одежды вопреки расхожему мнению играет здесь меньшую роль, чем свойства ткани.

Если бы у человека не было таких механизмов теплоотдачи, как усиленное потоотделение, то продукция тепла в организме ограничила бы время выполнения нагрузки на выносливость двадцатью минутами, так как в этих условиях температура тела каждые пять-восемь минут повышается на 1 °C и в результате смертельное перегревание организма наступает очень быстро. При этом сухой и знойный климат пустыни человек переносит легче, чем влажный и жаркий тропический климат, потому что, как уже упоминалось выше, высокая влажность воздуха и безветренная погода в тропиках затрудняют теплоотдачу. С точки зрения эволюции это доказывает, что в течение миллионов лет мы развивались в сухом и жарком климате; по геологическим и палеоклиматологическим данным, такой климат преобладал в области Восточно-Африканского разлома последние 35 млн лет.

Атмосферные влияния, такие как температура воздуха, относительная влажность воздуха и солнечное излучение, мы уже обсудили. Прежде чем мы перейдем к глобальному развитию ситуации, надо прояснить некоторые понятия: что такое, собственно говоря, климат? Какие типы климата мы различаем? Как отражаются волны тепла на нашем здоровье? Что такое атмосфера? Атмосферой мы называем состоящую из различных газов (азота, кислорода, углекислого газа, благородных газов) воздушную оболочку, которую Земля удерживает силой тяжести. До высоты приблизительно 20 км сохраняется постоянное соотношение этих газов: 78 % азота, 21 % кислорода, и оставшаяся часть состоит из различных газов, таких как двуокись углерода, метан, водород, закись азота, окись углерода, а также водяной пар. Под «климатом» метеорологи понимают специфические свойства атмосферы над определенными участками Земли. В решающей степени эти свойства определяются положением над земной поверхностью. Для характеристики климата (высокогорный, тропический, пустынный или полярный) нужно наблюдать за погодой более 20 лет. К метеорологическим факторам, определяющим климат, относят температуру и относительную влажность воздуха, скорость ветра, а также спектр излучения и его температуру. Термином «климатические условия» обозначают состояние атмосферы за период от трех до четырех времен года: весна, лето, осень, зима. Если состояние атмосферы предсказывают на период 48 часов, то говорят о «погоде».

Когда мы говорим об изменении климата на нашей планете, мы имеем в виду изменения, о которых можно судить на основе длительных наблюдений. Если в распоряжении австралопитеков были миллионы лет для физиологической адаптации, то в последние 10 000 лет, а в особенности за истекшие сто лет, климатические изменения протекают так быстро и драматично, что нам не остается времени приспособиться, и мы можем противопоставить этому только изменения поведения и технологические достижения. Сейчас у всех на устах цель – 2 °C. Но уже сегодня такое повышение глобальной средней температуры совершенно неприемлемо. При этом, говоря о 2 °C, имеют в виду максимальное повышение средней глобальной температуры в сравнении со значением в доиндустриальную эпоху, то есть с 1880 по 1909 год. С тех пор глобальная средняя температура повысилась на 1 °C. Таким образом, уже в этом столетии мы стремительно приблизимся к поворотному пункту в глобальном потеплении. Половина этого предполагаемого температурного буфера в 2° нами уже пройдена. Некоторые климатические модели исходят из того, что существовавшие до сих пор выбросы в атмосферу в ближайшие два-три десятилетия могут вызвать дальнейшее потепление на 0,5 °C. Океаны предположительно немного задержат повышение средней глобальной температуры. Однако при сохранении нынешней тенденции в развитии ситуации (0,2 °C за десять лет) значения 1,5 °C мы достигнем уже к 2030–2050 годам.

Уже сегодня нужно осознавать две вещи: даже при полном прекращении современных антропогенных выбросов нынешнее потепление сохранится в ближайшие столетия, если не тысячелетия, то есть для выполнения целей Парижской декларации в любом случае необходимо уменьшить долю выбросов. Для того чтобы не перейти границу в 2 °C, эмиссия углекислого газа должна к 2030 году уменьшиться на 25 % по сравнению с 2010 годом, а к 2070 году снизиться до нуля. Если мы хотим ограничить глобальное потепление к 2100 году уровнем 1,5 °C, то, по данным Мирового климатического совета, к 2030 году требуется снизить выбросы углекислого газа на 45 %, а к 2050 году свести их к нулю. В обоих случаях необходимо дополнительное снижение выбросов в атмосферу и других газов – таких как метан, закись азота, фторхлоруглеводородов. Если мы окажемся не в состоянии обратить вспять нынешнее развитие событий, то нам грозит запустение все новых и новых участков нашей планеты.

Возьмем яркий пример – Сахару. Имея площадь в 9,2 млн км^2, пустыня Сахара – вторая по обширности после Антарктиды и самая жаркая в мире. Всего 10 000 лет назад на большей части Сахары преобладали зеленые саванны, там был разнообразный животный мир, о чем свидетельствуют, например, сюжеты наскальной живописи в горах Тассили. За последние 100 лет площадь Сахары колоссально выросла – на целые 10 %, о чем недавно сообщили американские ученые. Согласно их данным, на две трети этот прирост площади объясняется естественными колебаниями климата, а на одну треть – антропогенными влияниями, такими как безудержный выброс в атмосферу углекислого газа. Предположительно, климатические изменения в Сахаре влияют и на состояние других субтропических пустынь, что может привести к дополнительному их расширению. Эти тропические и субтропические засушливые области располагаются недалеко от тропиков. Помимо Сахары, зона пустынь охватывает внутренние районы Австралии, а также участки в Африке, Азии, в Центральной и Южной Америке с общей площадью 31 млн км^2, что составляет около 21 % от всей площади земной поверхности. Пустыни – крупнейшая экологическая зона нашей планеты. Поэтому неудивительно, что Сахару климатологи считают одним из 16 главных межрегиональных очагов климатической неустойчивости. Что такое межрегиональный очаг климатической неустойчивости? Даже незначительное превышение пороговых значений в этих областях может иметь далеко идущие последствия. За счет самопроизвольно усиливающихся механизмов этот процесс может продолжаться и без внешнего воздействия. Выход за пределы пороговых значений, следовательно, привел к качественно новому состоянию экосистемы.

Если взять для примера человеческий организм, то такой момент неустойчивости достигается в нем при температуре тела 42,5 °C. При такой температуре происходит денатурация белков, тормозящих продукцию пота, наступает коллапс кровообращения, непосредственным следствием чего становится инфаркт миокарда. Также и при громадных климатических изменениях в Сахаре превышение пороговой величины может вызвать цепную реакцию и поставить под угрозу основы жизни сотен миллионов человек в областях к югу от Сахары, поскольку население там живет только за счет урожаев собственных фермерских хозяйств. Недавно проведенный анализ климатических данных по зоне Сахеля дал противоречивые результаты. До восьмидесятых годов прошлого века имела место тенденция к уменьшению числа дождей. Однако с тех пор, под влиянием западноафриканского муссона, количество осадков снова увеличилось. Судить о направлении развития климата сложно еще и потому, что климат, Северной Африки в особенности, находится под влиянием множества естественных климатических колебаний. Они наступают каждые 50–70 лет, их обозначают как «Атлантические многодекадные осцилляции» (АМО). Осцилляции в холодную фазу приносят с собой меньше, а в теплую фазу больше дождей в Северную Африку. Последнюю теплую фазу наблюдают начиная с 1990-х годов. Колебания каждые 40–50 лет, так называемые Тихоокеанские декадные осцилляции (ТДО), влияют не только на метеорологические условия Западного побережья Северной Америки за счет смещения воздушных потоков в тихоокеанской атмосфере, но, хотя и в меньшей мере, на климат Сахары.

Помимо того что определенные локальные процессы, как, например, в Северной Африке, могут приводить к более влажным климатическим фазам, среди ученых в этом вопросе царит полный консенсус: нет никаких сомнений в том, что глобальная температура в XXI веке только растет. Если с точки зрения климатологии постиндустриальное повышение температуры на 2 °C – выход за пределы пороговой величины, оно будет иметь большое физиологическое значение для человеческого организма, в особенности если одновременно с температурой будет повышаться и влажность воздуха. Для того чтобы это понять, нам придется обратиться к так называемым кумулятивным климатическим величинам. Классическим примером такой величины можно назвать Wet-Bulb Globe Temperature (WBGT, земная температура по влажному термометру). Для ее определения параллельно статистически взвешивают и рассчитывают данные о температуре и влажности воздуха, скорости ветра и температуре солнечного излучения. Для отчетливого понимания климатических кумулятивных кривых очень важно помнить, что влияние отдельных климатических величин на организм может компенсироваться, смягчаться или усиливаться за счет воздействия других климатических и неклиматических факторов. Например, повышается температура, но усиления восприятия тепла не происходит, если одновременно усиливается ветер. Конвективные потери тепла в этом случае компенсирует повышение температуры воздуха. Понятие «ощущаемой температуры» основывается на понимании того, как влияют на организм кумулятивные климатические величины. Под ощущаемой температурой понимают температуру окружающей среды, воспринимаемую человеком. Истинная, измеренная термометром, и ощущаемая температуры могут отличаться друг от друга под воздействием различных факторов. Ощущаемая температура – это мера теплового комфорта. Количественно ее определяют как температуру, которая должна иметь место в определенных стандартных условиях, чтобы восприниматься так же, как реальная температура окружающей среды. Например, ветер, в особенности при значительно более низких температурах воздуха, чем температура тела, снижает ощущаемую температуру, а высокая влажность воздуха на фоне жары (например, при душной погоде) ее повышает.

При этом не всякая температура одинаково воспринимается всеми индивидами. Разные люди в одинаковой одежде, занимаясь одним и тем же делом при одной и той же температуре в помещении, будут неодинаково судить о ней – те, кто работает в открытом офисе, могут об этом много рассказать. Однако в легкой летней одежде при относительной влажности воздуха 50 % и при едва заметном движении воздуха большинство людей будет воспринимать температуру воздуха между 25 и 27 °C как комфортную. Некоторым будет прохладно или даже холодно, а некоторые сочтут, что слишком тепло и даже жарко.

Причины таких субъективно различных тепловых впечатлений заключаются в индивидуальных различиях равновесия между теплообразованием и теплоотдачей, которое определяется многочисленными факторами, такими как возраст, рост и масса тела, телосложение и уровень гормонов. Если этот диапазон термонейтральной температуры с индивидуальными колебаниями относительно широк, то высокая температура окружающей среды, особенно в сочетании с тяжелой физической работой, может быстро сделать ситуацию опасной для жизни. В этом случае речь идет не о приятных ощущениях, а о выживании. Причина – в ограниченности средств, за счет которых автономная нервная система может возвращать к норме температуру тела. Это станет более наглядным, если мы внимательно присмотримся к водно-солевому балансу и возможным заболеваниям, возникающим при перегревании из-за потери воды в результате потоотделения. Несвоевременное возмещение потери адекватным приемом жидкости может привести к смерти в течение какой-нибудь пары часов. Самим физиологам до сих пор трудно понять, почему ощущение жажды слабо развито у человека, хотя, казалось бы, оно играет центральную роль в поддержании жизненно важных процессов. На самом деле жажда проявляется только после потери около полутора литров жидкости.

Для того чтобы должным образом классифицировать эту величину, нам придется подробнее рассмотреть, как сохраняется в организме вода. Доля воды в массе тела колеблется в зависимости от возраста, пола и уровня физической подготовки. У тренированного, спортивного двадцатилетнего мужчины весом 70 кг в организме содержится в среднем 42 л воды, у женщины такого же возраста весом 65 кг в организме содержится 36 л воды, а в организме ребенка весом 30 кг – 21 л. Из этих 42 л воды в организме мужчины около трех литров находится в плазме крови, это самая водянистая часть крови. Всего у человека приблизительно пять литров крови; остальные два литра состоят из клеток (преимущественно из красных кровяных клеток – эритроцитов). При потоотделении жидкость пота в первую очередь берется из плазмы крови. Как следствие, содержание воды в крови уменьшается, так как вода идет на обеспечение жидкостью потовых желез. В результате в кровеносных сосудах повышается концентрация клеток. Кровь становится более вязкой, что увеличивает нагрузку на сердце. Поэтому потерянную жидкость надо немедленно восполнять. В самом благоприятном случае это происходит за счет питья. За 15 минут через кишечник может всосаться в кровь около 250 мл воды. Приблизительно столько нетренированный человек теряет с потом в течение 15 минут. Основываясь на этом расчете, устроители марафонов устанавливают пункты для питья на расстоянии, которое в среднем бегуны преодолевают за 15 минут. Если адекватное поступление воды в организм невозможно или объем восполнения недостаточен, то потовые железы начинают извлекать воду из пространств между органами, тканями и клетками – так называемого интерстициального пространства. В нем содержится около 9 литров воды. При исчерпании и этого резерва вода частично поступает уже из тканей. Недостающую воду теперь можно брать только из этого объема, который составляет около 30 л, однако этот резервуар хорошо защищен, и поэтому мобилизация воды из него затруднена.

Потеря процента веса тела с потом (700 мл) уже приводит к заметному снижению когнитивных способностей. Рассеивается внимание, нарастают усталость и апатия. Происходит высвобождение в кровь вазопрессина, иначе называемого антидиуретическим гормоном. Под действием этого гормона почки начинают выделять меньше мочи. Она становится в двадцать раз более концентрированной и приобретает более темный цвет. Одновременно этот гормон приводит к повышению артериального давления крови и усиливает агрессивность, особенно у мужчин. Поэтому неудивительно, что именно в жаркую погоду чаще всего случаются волнения и беспорядки. При потере от трех до четырех литров наблюдают нарушения походки. Потеря больше 10 л воды, как правило, приводит к смертельному исходу. Взаимодействие температуры тела, деятельности сердечно-сосудистой системы, потерь жидкости с потом, количества выпитой воды, объема всасываемой в кишечнике воды и перемещения жидкости между тканями тела отличается невероятной сложностью.

Если мы будем помнить о следующих физиологических величинах, то очень скоро поймем, почему воздействие жары может очень быстро стать смертельно опасным. В покое сердце прокачивает в сосудистую систему за 1 минуту около пяти литров крови, 300 л за 1 час, а за сутки – более 7000 л. При прохладной температуре окружающей среды (10 °C) из пяти литров крови, выбрасываемой сердцем за минуту, около одного литра проходит по сосудам кожи. В жару (40 °C) минутный объем кровотока возрастает до 13 л, 800 л в час и более 20 000 л в сутки. Из этих 13 л минутного объема через кожу протекают теперь восемь литров, что позволяет уберечь от перегрева жизненно важные органы: головной мозг, сердце, легкие, печень и почки. Чем выше температура воздуха и его влажность, тем больше нагрузка на систему кровообращения. При высокой температуре воздуха на фоне выполнения физической работы человек может за час потерять с потом много литров воды. Рассмотрим простейший пример: в жаркий день, при температуре воздуха 38 °C, человек идет по дороге со скоростью 5 км/ч, как упомянутая французская семья в национальном парке Уайт-Сэнд в Нью-Мексико. В этом случае каждому взрослому человеку для прохождения 40 км потребуется по меньшей мере шесть литров жидкости. Если человеку предстоит пройти 160 км, то он должен будет тащить с собой около 40 литров. Столько весят два ящика пива по 20 бутылок емкостью 0,5 л, так как полная поллитровая бутылка весит около 900 г, а сам ящик – примерно 2 кг.

Однако нам совсем не обязательно ехать в Уайт-Сэнд или в Долину Смерти, чтобы попасть в такую жаркую обстановку. Во время волн жары, которые накрывали Германию и Европу в 2003, 2010, 2013, 2015, 2017 и 2019 годах, температура воздуха была сильно выше 40 °C. Рекорды била не только температура; рекордным во многих местах стало и число жарких дней, в течение которых она поднималась выше 35 °C. Так, в 2015 году в Вене температура держалась выше этой отметки 18 дней. Если эти длительные волны жары сочетаются с высокими ночными температурами, то есть температура воздуха ночью не опускается ниже 20 °C, то создается весьма опасная ситуация для людей, страдающих различными заболеваниями, в чем мы убедились по результатам исследований, проведенных в то время. Пожилые люди с атеросклерозом, артериальной гипертонией, сахарным диабетом или хронической обструктивной болезнью легких оказались в наиболее уязвимом положении. Но… внимание! Жара не щадит и здоровых. Нарушается качество сна, и именно в фазе изменения погоды и установления жары здоровый человек, как правило, отрицает, что ситуация тяжелая, а «прекрасная погодка» может иметь неприятные последствия для здоровья. Поэтому многие люди пили недостаточно много воды и не приспосабливали физическую активность к изменившимся погодным условиям. Доходило до таких поражений, как тепловой обморок, солнечный удар или даже угрожающий жизни тепловой удар.

Чем отличаются друг от друга заболевания, вызванные жарой, и как можно им противостоять простым способом? Хорошо известны так называемые солнечные ожоги. Ультрафиолетовые лучи A и B локально поражают кожу, а в некоторых случаях активируют герпетическую инфекцию в области губ, так как ультрафиолетовое излучение ослабляет иммунную систему в тканях. Локальные солнечные ожоги не приводят к повышению температуры тела, но при обширных ожогах, захватывающих большие площади кожи, может возникнуть лихорадка. При солнечном ударе происходит перегревание головы от прямого воздействия солнечных лучей. В результате возникает раздражение мозговых оболочек. Классические симптомы солнечного удара – головная боль, скованность и напряжение в затылке, тошнота, рвота, ощущение жара в голове и головокружение. Еще одно заболевание, вызванное жарой, – тепловые судороги. Они могут возникать на фоне тяжелой физической работы при температуре воздуха выше 27 °C и высокой относительной влажности воздуха. В такой ситуации потеря жидкости может достигать от пяти до десяти литров в день. Одновременно с выделением пота происходит потеря электролитов (в особенности натрия, хлора, магния и кальция) и, соответственно, развиваются симптомы их недостатка. Если теряемые вещества не замещаются адекватно, то могут развиться, как было сказано выше, судороги в икроножных мышцах. Они могут возникнуть также в мышцах живота и таким образом симулировать симптомы острого живота. Потери иона хлора с потом приводят к снижению кислотности желудочного сока, а это может, в свою очередь, привести к размножению патогенных микроорганизмов в желудочно-кишечном тракте.

При тепловом обмороке перегревание из-за высокой температуры воздуха, неправильно подобранной одежды или тяжелой физической работы приводит к генерализованному повышению температуры тела. Организм отвечает усилением кожного кровообращения, чтобы сбросить в окружающую среду лишнее тепло. В кровеносных сосудах внутренних отделов тела объем крови уменьшается, и организм теряет способность гарантировать достаточное кровоснабжение головного мозга. В результате больной теряет сознание. Типичными предвестниками теплового обморока становятся падение артериального давления, уменьшение частоты сердечных сокращений, слабость, головокружение, тошнота и рвота. Таким образом, при тепловом обмороке симптомы объясняются нарушением распределения крови в организме. Слишком большой объем крови оказывается в периферических органах и коже, а слишком маленький в центральных органах – почках, печени, сердце, легких и головном мозге. Особенно уязвимыми в этой ситуации оказываются пожилые люди, уже страдающие заболеваниями сердечно-сосудистой системы и обмена веществ. Люди с повышенным содержанием сахара в крови (болеющие сахарным диабетом) тоже находятся в группе риска. Из-за высокой концентрации сахара в крови нервная система пациента, которая играет решающую роль в эффективной регуляции температуры тела, теряет способность регулировать ширину кровеносных сосудов.

Как можно предотвратить заболевания, обусловленные перегреванием? Для начала надо позаботиться о том, чтобы в организм поступало достаточное количество жидкости. Надо по возможности избегать употребления алкогольных напитков, так как алкоголь стимулирует потерю воды через почки. Для контроля состояния можно, как уже было упомянуто, следить за цветом мочи. Если она перестает быть светло-желтой и становится темно-желтой, это указывает на дефицит жидкости в организме. Самый лучший способ контроля – взвешиваться утром и вечером. Если вечером вес оказывается на пару килограммов меньше, чем утром, то это повод не для радости, а для тревоги. Поступление и выделение жидкости не соответствуют друг другу, организм начинает обезвоживаться. Об исправлении ситуации можно судить по возвращении веса к нормальной величине. Далее, нужно позаботиться о легкой, пропускающей воздух одежде. Следует по возможности избегать физической работы или переносить ее на вечер или на раннее утро. То же касается и занятий спортом. Организаторы спортивных соревнований обязаны ограничивать нагрузки или вообще отложить соревнование, если температура воздуха держится выше 26 °C на фоне высокой влажности и штиля. Несоблюдение этого требования грозит тепловыми нарушениями вплоть до летального исхода даже среди тренированных, молодых и выносливых спортсменов. Так, например, организаторы марафона «Айронмэн», назначенного на июль 2015 года во Франкфурте-на-Майне, отменили его начало 5 июля, так как синоптики спрогнозировали температуру воздуха выше 35 °C, – в тот день во многих местах во Франкфурте температура воздуха и правда поднималась выше 39 °C. Накануне марафона было решено проконсультироваться с врачом и членами команды медиков. В результате соревнование провели, в старте приняли участие 2643 участника – мужчин и женщин. 572 человека сошли с дистанции, из них 24 были доставлены в больницы, а семеро оказались в отделениях интенсивной терапии. Один британский участник три дня спустя умер от отека мозга, который развился, видимо, от недостаточного содержания натрия в жидкости, которую он пил во время забега. Список трагических исходов спортивных мероприятий, проводимых при высокой температуре или влажности воздуха, можно продолжать сколь угодно долго; он дополняется жертвами армейских марш-бросков. Все это требует от ответственных лиц и руководителей повышенного внимания, поскольку многих несчастий можно избежать, если серьезно отнестись к ранним признакам нарушений и добросовестно в полном объеме провести курс просвещения участников и обеспечить их всем необходимым.

Теперь посмотрим, чем отличается тепловой обморок от теплового удара. Как оказать пораженному первую помощь? При тепловом обмороке лечебные мероприятия очевидны. Нужно перенести пациента в прохладное тенистое место. Если нет нарушений сердечного ритма, можно поднять ему ноги, чтобы дополнительный объем крови переместился от периферии к сердцу. Проверить правильность пульса нужно перед этим, так как, если развился инфаркт или возникли тяжелые нарушения ритма, то увеличение притока крови к сердцу может привести к острому развитию критической ситуации, а не к улучшению состояния. Если же пульс у пациента не нарушен, то поднятие ног довольно быстро восстанавливает сознание.

Другое дело – тепловой удар. Это тяжелое, смертельно опасное заболевание, вызванное перегреванием. Тепловой удар часто происходит при длительном перегревании организма до температуры выше 40 °C. Проявляется тепловой удар дезориентацией, судорогами, бредом, а на поздних стадиях скоплением жидкости в головном мозге. Это опасное для жизни нарушение терморегуляции особенно часто возникает у пожилых людей, страдающих хроническими болезнями (атеросклерозом, сердечной недостаточностью, сахарным диабетом); чаще всего – в первые дни наступления жары. Разумеется, тепловой удар может поражать и молодых людей – после экстремальных физических нагрузок на жарком солнце с непокрытой головой. В этом случае нарушается работа центров гипоталамуса, регулирующих температуру тела. В норме при повышении температуры гипоталамус по нервным путям передает периферическим сосудам команду расшириться. Точно так же гипоталамус побуждает потовые железы к повышению выделения пота, чтобы охладить тело. Так как при тепловом ударе поражаются непосредственно центры, регулирующие температуру тела, эти защитные механизмы отключаются, и кожа пораженного становится, как правило, сухой и горячей. К предвестникам теплового удара относят быстро возникающую головную боль, головокружение, ощущение слабости, боль в животе, затрудненное и редкое дыхание. Артериальное давление низкое, мышцы теряют тонус и становятся вялыми, частота пульса возрастает, а дыхание становится частым и поверхностным. Затем, в зависимости от тяжести поражения, могут развиться сонливость, ступор или даже кома. На стадии ступора полностью теряется всякая самостоятельная активность при сохранении сознания. Эти больные выглядят окаменевшими, мышцы напряжены, глаза движутся, но на непосредственное обращение к пациенту он не реагирует. Кома проявляется состоянием глубочайшей потери сознания. Пораженного невозможно пробудить, у него исчезают рефлексы, он не реагирует на болевые стимулы, а зрачки перестают реагировать на свет. Причиной смерти при тепловом ударе часто становится молниеносно развивающийся шок и сердечно-сосудистая недостаточность. Важным критерием теплового удара можно назвать повышение внутренней температуры тела. Как правило, она превышает 40,5 °C. Если температура достигает 42,5° или выше, то, несмотря на интенсивную терапию, умирает 50° пациентов с тепловым ударом. Цель лечения заключается в скорейшем снижении температуры, для чего применяют любые средства вплоть до погружения в ванну с ледяной водой.

В этом месте неизбежно возникает вопрос: как некоторым организмам удается выживать в пустыне, находясь там постоянно без вспомогательных средств защиты от жары, и чему мы можем у них научиться? У млекопитающих с большой массой тела, например у жирафа, верблюда или медведя, наблюдают весьма специфическую форму приспособления к жаре или холоду; это приспособление называют адаптивной гетеротермией. Эти существа в жарком климате повышают порог потоотделения, а в холодном климате снижают порог наступления озноба; таким образом, расширяется диапазон допустимых изменений температуры тела. В жарком тропическом климате это снижает потоотделение, а в холодном – предотвращает преждевременное накопление тепла за счет дрожания, что также способствует экономии энергии.

Среди млекопитающих с большой массой тела непревзойденными мастерами приспособления к пустынному климату можно назвать верблюдов, которые вместе с ламами, альпака и викуньями принадлежат к семейству верблюдовых. Родина верблюдовых – Северная Америка. В плейстоцене они пришли по перешейку Берингия в Сибирь, откуда распространились по Азии, Аравии и вплоть до Северной Африки. Только верблюдовые Старого Света, аравийский дромадер (Camelus dromedarius) и двугорбый азиатский верблюд (Camelus bactrianus), обладают выдающимися возможностями приспособления к пустынному климату. К ним относится способность переносить экстремально высокую температуру тела даже при ограниченном доступе к питьевой воде. В течение дня верблюд накапливает избыточное тепло в организме, а ночью отдает его в окружающую среду за счет конвекции и излучения. Однако для этого механизм должен выдерживать высокую температуру тела. Густая шерсть верблюда, содержащая большой объем воздуха, создает надежный изолирующий слой, защищающий от солнечного излучения.

Человек может сделать из этого однозначный вывод: нельзя снимать одежду, находясь на солнце, а одежда должна быть просторной и рыхлой. Несмотря на эти целесообразные анатомические приспособления, интенсивное солнечное излучение и высокая температура воздуха приводят к тому, что температура тела у верблюдов может подниматься выше 42 °C; при такой температуре 50 % людей, как уже было упомянуто, умерли бы в отделениях интенсивной терапии от теплового удара. В прохладные вечера и холодные ночи, характерные для пустынного климата, температура тела у верблюдов опускается до 35 °C и ниже. Днем, когда температура воздуха в пустыне повышается, верблюд начинает потеть только после того, как температура его тела поднимается выше 42 °C. У человека это происходит, когда температура кожи достигает 34 °C. С помощью такого приспособительного механизма организм верблюда уменьшает потери жидкости с потом при тепловой нагрузке. Также они теряют минимальное количество жидкости с мочой за счет выраженного концентрирования мочи в почках; у верблюда концентрационная способность почек в два раза превышает человеческую. Поток воздуха в полости глотки и носа обеспечивает поглощение жидкости из выдыхаемого воздуха и одновременное охлаждение головного мозга. Кроме того, верблюд обладает особым строением желудка – его полость разделена на множество камер, в которых может запасаться до 200 литров воды. Жидкость из верблюжьего желудка поступает в кишечник, где она всасывается в кровь, небольшими порциями – по мере необходимости. Поступление в организм сразу большого количества воды может создать угрозу для жизни. Осмотическое давление плазмы крови может от этого сильно упасть, создавая опасность разрыва эритроцитов; правда, у верблюдов, в сравнении с другими млекопитающими, содержимое эритроцитов отличается повышенной прочностью.

В отличие от верблюдов мы, люди, все же не способны переносить уменьшение общего содержания воды в организме больше, чем на 30 %. У человека это максимум 15 %. Что касается энергии, то в горбах верблюда содержатся значительные ее запасы в виде жира, и, как правило, этого хватает на несколько недель. В знойных пустынях, где ограничен доступ к воде и источникам пищи, все это – чрезвычайно полезные и эволюционно оптимизированные приспособления к жизни и выживанию в этой экстремальной среде. Из этого мы делаем вывод: создание запаса питьевой воды – залог выживания в пустыне!

Млекопитающие с маленькой массой тела выработали другую стратегию адаптации. Кенгуровые прыгуны, обитающие на Западе и Юго-Западе Соединенных Штатов, совершенно не пьют жидкость как таковую, а обходятся водой, содержащейся в семенах и зернах, а также метаболической водой, образующейся в организме в ходе окислительных процессов. Прыгун не потеет и не расчесывает мех, как это делают другие млекопитающие, регулируя температуру тела; и то и другое может у прыгуна привести к нарушению водного баланса. Адаптивная стратегия этих животных заключается в ночной активности, а днем они прячутся от высокой температуры в разветвленных прохладных норах. Кочевники пустынь придерживаются такой же стратегии, чтобы избежать избыточной тепловой нагрузки в условиях пустыни. Днем они отдыхают в тени или в своих палатках, а по ночам снаряжают караваны и передвигаются с места на место.

И наконец бросим взгляд на приспособительные механизмы, позволяющие существовать в условиях пустыни беспозвоночным животным, таким как саранча, жуки, улитки и скорпионы, о которых говорилось в начале этой главы. Мы тоже можем кое-чему научиться у них и использовать это как технические средства. У этих видов развились различные стратегии выживания в пустыне. Например, у многих жуков, как, скажем, у чернотелок, появились надкрылья (элитры). Летать от такого приспособления стало тяжелее, но зато под надкрыльями образуется воздушная подушка, служащая теплоизолятором. Еще одним анатомическим приспособлением стали длинные тонкие ноги, которые удерживают тело на большой высоте от перегретой почвы пустыни. Щетинки на конечностях не дают насекомому глубоко проваливаться в песок. И, наконец, надкрылья покрыты канавками и бороздками – в них скапливается утренняя роса, которая по этим желобам направляется к ротовому отверстию насекомого. Бионики в настоящее время раздумывают над тем, как использовать эту остроумную морфологию поверхности тела для конструирования конденсаторов влаги на тепловых электростанциях.

У пустынной саранчи в процессе эволюции появились другие адаптивные стратегии. После выпадения осадков более 500 мм в пустынях начинается бурный рост растений. В результате ускоряется размножение саранчи. Если осадки менее обильны и источники растительной пищи скудеют, саранча линяет и оставляет обжитое жизненное пространство, чтобы освоить новые, более пригодные для жизни. Тогда саранча огромными стаями летит над землей, способная в кратчайшее время опустошить множество областей. Во многих регионах Африки саранча с незапамятных времен соперничала с человеком за пищу, уничтожая культурные растения и вызывая смертоносный голод. Недаром в XIII веке до н. э. в Египте саранчу упоминали как бедствие, сравнимое с чумой, и считали ее карой богов. Взрослая особь саранчи поедает в сутки около 2 г пищи, что приблизительно соответствует ее весу. Типичная стая саранчи состоит в среднем из 2 млрд насекомых, которые в сутки уничтожают около 3000 тонн пищи, что равняется суточной потребности городка с населением 10 000 человек. К тому же стаи численностью 2 млрд особей считаются скорее небольшими. Летящая стая саранчи покрывает площадь от менее км^2 до нескольких сотен квадратных километров, причем на каждый квадратный километр приходится от 40 до 80 млн особей. Так как кочующая саранча живет от двух до пяти месяцев, ущерб сельскому хозяйству, причиняемый большими стаями, может быть весьма значительным. Конечно, саранча благодаря высокому содержанию белка в ее мясе сама может быть источником питания для человека, но до сих пор ее употребляют в пищу только в Азии, где она даже считается деликатесом.

У скорпионов для защиты от испарения развилась толстая кутикула. У членистоногих, к которым относятся скорпионы, пауки, клещи, а также многие насекомые и ракообразные, эта кутикула состоит из хитина, а иногда и из структур, содержащих соли кальция, образуя прочную наружную структуру, называемую экзоскелетом. Экзоскелет не только представляет собой опору для тела, он также защищает наземных членистоногих от высыхания. Еще одним анатомическим приспособлением членистоногих, обитающих в жарких пустынях, стала относительно большая величина тела; таким образом становится оптимальным соотношение объема тела и его поверхности. Кроме того, сберегать воду членистоногим помогает и адаптивное поведение. Они способны глубоко зарываться в песок, что защищает их от воздействия испепеляющего солнечного излучения. Кроме того, это, по преимуществу, ночные животные, что превращает в нешуточное испытание для человека каждую ночевку в открытой пустыне.

Другие организмы, такие как моллюски, к которым относится и пустынная улитка, располагают собственными, поразительными адаптивными стратегиями. Они, например, могут достаточно продолжительное время переносить температуру тела выше 50 °C. Помимо этого, у них есть толстая белая шарообразная раковина, которая отражает до 95 % падающего на нее излучения. Шарообразная форма раковины уменьшает площадь ее поверхности, что приводит к снижению поглощения тепла из окружающей среды. У улитки есть и еще одно загадочное свойство, о чем свидетельствует интересный случай, произошедший в марте 1850 года в запасниках Британского музея в Лондоне. В 1846 году хранитель собрания улиток взял в руки один экземпляр и по долгу службы аккуратно записал на карточке каталога все таксономические данные о животном: место находки, царство (животные), тип (моллюски), класс (брюхоногие), семейство (хелициды), вид (улитка пустынная). Хранитель дал просохнуть черным чернилам, взял кисточку, окунул ее в клей, нанес его на картонную карточку и прижал раковину улитки к капельке клея. Дождавшись, когда раковина прочно приклеится к картону, он, опять-таки по инструкции, положил карточку с раковиной в коробку и поставил в шкаф, где стояли другие экземпляры коллекции. Прошло целых четыре года.

Однажды весной, в марте 1850 года, один из сотрудников музея заинтересовался именно этим экземпляром Eremina desertorum. Он спускается в подвал, аккуратно извлекает экземпляр из коробки, осторожно отделяет раковину от картонной карточки и промывает раковину теплой водой. Внезапно внутри раковины раздается какой-то шум, а пораженный и не верящий своим глазам сотрудник видит, как из раковины медленно появляется голова моллюска со всеми четырьмя глазами на стебельках разной длины. Пустынная улитка жива! От соприкосновения с жидкостью она очнулась от глубокого летаргического сна. Такое поведение, конечно, не исключение и характерно для многих улиток, обитающих в пустынных областях. Но какой долгий срок! При современном уровне развития техники эту улитку можно было отправить на Марс и вернуть обратно, снабдив ее минимальным запасом кислорода и оставив ей запасы воды и энергетических субстратов. Что нужно человеку для путешествия на Марс? Какие психологические, физиологические, медицинские проблемы ожидали бы его в пути? Сможем ли мы погрузиться в глубокий анабиоз, как пустынная улитка? И если да, то какое воздействие окажет эта летаргия на наш организм? Об этом мы поговорим в последней главе.

Надо сказать, что, несмотря на длительную летаргию, у той улитки отнюдь не пропал аппетит. Согласно рассказам свидетелей, она за несколько дней восстановила свои запасы жидкости, проявила недюжинный интерес к листьям салата и стала одним из самых популярных лондонских аттракционов. Через два года эта Eremina desertorum умерла, чем опечалила множество людей.

Не улитка, а целый гониатит, окаменевший слепок ископаемой улитки, лежит на моем письменном столе в Шарите – превосходный, самый крупный экземпляр из обнаруженных в 1976 году в Хамар-Лагдаде. На прощание нашей команде его подарили организаторы экспедиции. Что сталось с моими товарищами по этой экспедиции, с моими мюнстерскими учителями? Иоахим, наш неутомимый автомеханик в путешествии в Марокко, пережил мотоциклетную аварию и переехал с семьей в Великобританию; Бернгард стал минералогом и пропал из поля моего зрения; Штефан, мой школьный друг и однокурсник, любитель растений, стал палеоботаником. Он увлеченно занялся изучением плаунов нижнего девона и каменноугольного периода. Число ученых, занимающихся этой темой, сравнимо с числом ученых, исследующих обратную сторону Луны. Из Мюнстера он переехал в Берлин и устроился хранителем Берлинского музея естествознания. Профессор фон Шуппе умер в 2004 году, а профессор Хельдер – в 2014, в возрасте 99 лет. Рольф, с которым мы в Эрфуде спорили о жизни, только за две недели до смерти Хельдера смог исполнить его последнее желание. Рольф забрал его из Августинума в Штутгарте, и они вместе поехали в Хольцмаден. В музее Хольцмадена, сидя в кресле-каталке, он въехал в центральный зал морских лилий, где находится самая большая в мире окаменевшая колония морских лилий, воссозданная многолетним кропотливым трудом. Хельдер хотел еще раз повидать эту плавающую колонию, укрепленную на стволе ископаемого дерева. Тридцать лет назад Рольф решил заново обустроить и восстановить семейное наследие, музей древнего мира «Гауф», расширить его. С этой целью он ходил по рынку в Эрфуде, ругаясь с продавцами. Обязанность продолжить семейную традицию может временами быть тягостной – это понятно. Но неприятности окупились сторицей, у Рольфа получилось нечто поразительное: самый крупный частный естественно-научный музей Германии, 40 000 посетителей в год; к музею ведет особое ответвление автострады.

И еще одно замечание в конце главы: я знаю, дорогие читатели и многоуважаемые читательницы, что приготовил для вас поистине «трудный материал» на последних нескольких страницах. Но я считаю чрезвычайно важным, прежде чем приступать к изложению сущности климатических и вирусологических проблем человека, разобраться сначала со сложностями физиологии человеческого организма. Этой сложности мы обязаны нашей невероятной приспособляемостью. Высокочувствительное взаимодействие и согласованность наших телесных функций объясняется угрозами, которым мы подвергаемся со стороны мощных внешних воздействий. Все изменения – будь то воздействие температуры окружающей среды, контакт с неизвестным ядовитым веществом, встречи с новыми штаммами бактерий и вирусов – опасны для жизни, а не просто причиняют неприятности, как я убедился на собственном опыте, когда я, будучи абсолютно неподготовленным и без всякой полезной нужды, подверг себя (свой организм) воздействию совершенно мне (ему) незнакомой внешней среды. Об этом речь пойдет в следующей главе.

Синий лед Блауайса, или Когда горы зовут

Благо и вред горного воздуха

Помимо воды, важнейший эликсир жизни – кислород, и, пожалуй, он даже важнее. Но что, если воздух становится слишком разреженным? Для этого случая есть свои совершенно поразительные приспособительные механизмы – что доказывают люди, обладающие высокой приспособленностью к высокогорью: тибетцы, кечуа, аймара. Известно, что эти способности организма используются и в спорте высоких достижений. Но правда ли, что «высотные тренировки» подходят всем спортсменам – и пребывание в условиях высокогорья полезно для всех? К сожалению, ответ на эти вопросы, как это часто случается, не так прост и однозначен. Положительное влияние горного воздуха нивелируется рисками, которые нельзя недооценивать. Мы сейчас исследуем этот вопрос, а заодно я поделюсь своим личным опытом восхождения.

В сентябре 1973 года, через пару месяцев после окончания школы, я записался на курсы скалолазания при Немецком союзе альпинистов. За два года до этого я побывал в летнем лагере Немецкого молодежного союза натуралистов в Кольм-Зайгурне, что на горном массиве Зоннблик. Пребывание там пробудило во мне честолюбие. При взгляде снизу, с равнины, горы могут казаться не слишком высокими, ледники не слишком обширными, а экспедиция не слишком трудной – это ведь не Гималаи и не Анды. Но увлечение необычным – это лишь одна сторона медали, а непосредственное столкновение с непривычными требованиями часто показывает и другую ее сторону. Именно такой опыт я получил на курсах скалолазания Союза альпинистов. Хижина в Блауайсе («Синий лед»), где проводятся курсы, расположена на высоте 1651 м у нижней кромки ледника Блауайс в Хохкальтерском массиве и принадлежит Берхтесгаденской секции Союза альпинистов.

Обычно отправной точкой восхождения к хижине Блауайса длительностью три с половиной часа выступает стоянка Зееклаузе на Хинтерзее. Я тоже припарковал там мой «ситроен-2CV6». Стояло погожее, но бодрящее холодком утро, когда я взвалил на плечи 30-килограммовый рюкзак со спальным мешком, веревками и ледорубом. Да, я чувствовал себя хорошо подготовленным и был обуян жаждой деятельности, когда сделал первые шаги по широкой, отлично оборудованной лесной дороге на Шертенальм, а лямки рюкзака немилосердно врезались мне в плечи. В Шертенальме предполагался первый привал на пути вверх – так сказать, промежуточная остановка. Как утверждали в Союзе альпинистов, мы должны были достичь ее через полтора часа. Я бодро пускаюсь в путь, но уже через пару сотен метров начинаю жалеть, что не оставил все вещи в машине. Пульс лупит как бешеный, повышенное давление заставляет пульсировать сосуды на висках и на шее, а ведь у меня всегда были высшие оценки по физкультуре! И вот теперь я задыхаюсь на дороге, которая лишь слегка поднимается вверх. Меня бодро обгоняет супружеская пара – им никак не меньше сорока. Надо идти медленнее! Полтора часа. Исключено, я с этим ни за что не справлюсь. Главное – не останавливаться. Медленно продвигаться вперед! Пока еще прохладно, но я сильно потею, и рубашка прилипает к моей спине.

Наконец через два часа показывается Шертенальм. Там я имею возможность передохнуть, стягиваю горные сапоги и обнаруживаю на пятках водяные мозоли. Да, я по-другому представлял себе это приключение. Но делать нечего, половину пути ты уже преодолел, так что марш дальше. Вскоре после Альма дорога превращается в узкую крутую тропинку. Теперь пульс у меня становится по-настоящему частым, и у меня возникает чувство, будто мой рюкзак с каждым шагом все сильнее тянет меня назад. Утомительный переход до Шертенальма превратился теперь в настоящее восхождение. Появилась головная боль и головокружение, подступает неудержимая тошнота. Сначала мне удается подавить это ощущение, я пытаюсь отвлечься, думать о другом и смотреть вперед. После преодоления особенно крутого участка меня, наконец, вырвало, отчего головная боль ненадолго усилилась. Высотомер показывает высоту 1500 м. Это придает мне мужества. Проходит еще полчаса, и я в Блауайсе.

Я все сделал неправильно: взял слишком тяжелую поклажу, шел слишком быстро, совершил слишком высокое восхождение. Хорошие спортивные достижения на равнине едва ли имеют значение в горах. Я получил суровый урок, схлопотал острую горную болезнь – и это на горном маршруте, который считается одним из самых простых в области Хохкальтера. Десять лет спустя мне пришлось интенсивно заняться высотной физиологией и исследованиями острой горной болезни. Основное значение для меня имел анализ работ берлинского физиолога Натана Цунца. Его сочинение «Высотный климат и горные восхождения и их воздействие на людей» 1906 года считается как в Германии, так и в мире одним из самых выдающихся исследований по высотной физиологии, опубликованных за последние 150 лет, наряду с «Барометрическим давлением» П. Бера или «Человеком в высокогорных Альпах» А. Моссо.

Эта область изучения – как и исследования полярных и пустынных районов – объединила естествоиспытателей и искателей приключений и позволила выяснить поразительные вещи. В развитии высотной физиологии и высотной медицины можно выделить четыре решающих фазы. Первая фаза началась уже в XVII веке. В те времена горы оказывали на людей скорее устрашающее воздействие. Такие естествоиспытатели, как Иоганн Якоб Шойхцер и Орас-Бенедикт де Соссюр, вначале заинтересовались событиями, которые могли бы способствовать образованию Альп и огромных масс гальки у их подножия. Они считали, что причиной этому были такие катастрофы, как Всемирный потоп, и совершали высокогорные восхождения в поисках следов его воздействия. Попутно они сообщали о физиологических изменениях, которые наблюдали у себя и у проводников, – в первую очередь нехватку воздуха, учащение пульса и головную боль.

Первым детальным описанием воздействия большой высоты на организм мы обязаны Александру фон Гумбольдту. Это описание было сделано в ходе восхождения на Чимбарозо в Эквадоре – самую высокую гору в мире, если считать от центра Земли, а не от уровня моря. Во время восхождения, совершенного в 1802 году, Гумбольдт через равные промежутки времени измерял температуру воздуха, высоту подъема и атмосферное давление. На высоте 5400 м он записал: «Мы все начали мало-помалу испытывать сильную тошноту. Позывы к рвоте сочетались с головокружением и были более тягостными, чем затрудненное дыхание. У нас кровоточили десны и губы». Эти симптомы сегодня относят к проявлениям острой высотной болезни.

Вторая фаза началась во Франции в семидесятые годы XIX века с многочисленных лабораторных физиологических исследований, которые проводил французский естествоиспытатель Поль Бер (1833–1886) в пневматической камере. К числу самых известных физиологов, занимавшихся воздействием высоты на организм, принадлежат, помимо итальянца А. Моссо (1846–1910), английский ученый Баркрофт, немецкий физиолог Н. Цунц (1847–1920), австриец А. Дуриг (1872–1961) и Г. фон Шреттер (1870–1929). Цунц, Дуриг и фон Шреттер проводили исследования обмена веществ с помощью изощренного инструментария на большой высоте, а также в стальных камерах, из которых откачивали воздух, и на воздушных шарах. Это были первые ученые, установившие, что решающим фактором снижения работоспособности человека в условиях высокогорья становится снижение парциального давления кислорода по мере увеличения высоты, а не углекислый газ, как считали долгое время до этого. Это было принципиально новым открытием. В эти исследования внес свой вклад также англичанин Баркрофт. Его интересовали причины, по которым организм испытывает недостаток кислорода, и то, каким образом дело доходит до гипоксии – дефицита кислорода в тканях.

Сегодня нам ясно, что при слишком низком атмосферном давлении в легкие поступает недостаточно молекул кислорода – точнее, в альвеолы, в которых молекулы кислорода сквозь тонкую мембрану поступают в кровь. Этот процесс называют газообменом, так эритроциты, красные кровяные клетки, в свою очередь, отдают в альвеолы углекислый газ, который мы затем выдыхаем через легкие. Поскольку газообмен нарушается из-за снижения атмосферного давления, это состояние называют гипобарической гипоксией: гипобарической, потому что она возникает при пониженном давлении воздуха, а гипоксией, потому что имеет место недостаток кислорода во вдыхаемом воздухе. Гипобарическую гипоксию следует отличать от анемической. Эта тканевая гипоксия обусловлена не снижением атмосферного давления, а тем, что в распоряжении организма слишком мало красных кровяных клеток или каждая из них содержит слишком мало железа. Кислород, как уже было сказано, обратимо связывается с этим железом в эритроцитах и с кровотоком доставляется в соответствующие ткани. Анемическую гипоксию, в свою очередь, надо отличать от ишемической гипоксии. Гипоксия этого типа возникает при нарушении кровоснабжения тканей. Много позже был выделен и четвертый тип гипоксии, цитотоксическая гипоксия. Эта гипоксия обусловлена нарушением превращения кислорода в клетках.

Подводя итог, можно сказать, что две первые фазы высотных исследований привели к осознанию самого факта влияния воздействия больших высот на человеческий организм. Третья фаза началась после того, как были предприняты первые попытки восхождения на Эверест без использования дополнительного кислорода в баллонах. В 1924 году Эдвард Феликс Нортон (1884–1954), без дополнительного кислорода, поднялся по северному склону Эвереста на высоту 8500 м. Некоторые физиологи были убеждены в том, что без кислородной поддержки ни один человек не сможет покорить вершину Эвереста (8848 м) из-за низкого атмосферного давления. В 1978 году Месснер и Хабелер первыми опровергли это убеждение. Их успешное восхождение положило начало четвертой фазе исследований, продолжающейся по сей день. Эта фаза характеризуется проведением мобильных, высокотехнологичных научных экспедиций, таких как Американская медицинская исследовательская экспедиция на Эверест 1981 года или Экстремальный Эверест Кадвелла в 2007 году. Целью этих экспедиций был сбор физиологических данных не в базовом лагере, расположенном на небольшой высоте, а на больших высотах вблизи от вершины Эвереста. Эти исследования были дополнены другими, проведенными на станции «Пирамида» в Непале на высоте более 5000 м и на станции «Конкордия» на ледовом куполе Чарли в Антарктиде. Ледовый купол Чарли с 2005 года – франко-итальянская научно-исследовательская станция. Он находится на высоте 3200 м на бесструктурном полярном плато в Восточной Антарктиде и удален от ближайшего побережья на 1000 км. Купол Чарли можно причислить к самым глухим и отдаленным местам на Земле. Во время полярной ночи человек здесь остается наедине с большой высотой, экстремальным холодом и сухостью. Изоляция и стесненность в этой глуши делают станцию любимым учреждением не только для гляциологов, которых интересует история и будущее антарктического льда, и метеорологов, но также и для физиологов, которые могут там месяцами изучать влияние полной и длительной изоляции на организм человека; такие исследования интересны с точки зрения планируемых полетов на Луну и Марс.

В физиологической литературе данные о том, как обозначать высотность, немногочисленны и разнятся. В целом считается, что высоты до 2500 м следует считать средними, от 2500 до 5300 м – большими, а выше 5300 м – экстремальными. Согласно International Standard Atmosphere (Международная стандартная атмосфера, МСА), давление воздуха на уровне моря составляет 1013 миллибар, что соответствует одной атмосфере. Что касается химического состава земной атмосферы, то, как мы видели в первой главе, наша Земля произвела в ней некоторые существенные изменения. Сегодня атмосфера состоит преимущественно из азота (около 78 %) и кислорода (около 21 %); небольшой остаток делят между собой аргон (0,9 %) и двуокись углерода (0,3 %). Такой состав остается относительно постоянным до высоты 100 км. Эту область называют термосферой, поскольку здесь в пограничной зоне, переходной к космическому пространству, температура воздуха резко повышается. Его плотность, давление и влажность при приближении к космосу, напротив, экспоненциально уменьшаются. Воздушное пространство до высоты 12 км называют тропосферой, затем следует стратосфера, где располагается столь важный для нас озоновый слой, который защищает нас от интенсивного ультрафиолетового излучения. Далее стратосфера примыкает к мезосфере, которая простирается до высоты 80 км. Так как по мере увеличения высоты в атмосфере остается меньше газов, способных поглощать ультрафиолетовое излучение, значения его возрастают в тропосфере приблизительно на 7 % с каждой 1000 м высоты.

Натан Цунц первым понял, что для различных высотных регионов всего мира и для каждой части специфических локальных высот надо учитывать климатические поправочные факторы, чтобы определять фактические барометрические условия из-за общих физических изменений, таких как температура. Цунц включил такие параметры, как среднее значение высоты местоположения, средняя температура и высота столба воздуха, а также разность давления в долине и на высоте, в свою знаменитую барометрическую формулу. Когда речь идет о том, может ли человек забраться на вершину Эвереста (8848 м) без дополнительного источника кислорода, незначительные поправки величины международной стандартной атмосферы, вычисляемые по формуле, предложенной Цунцем, приобретают решающее значение. Согласно МСА, на вершине Эвереста следует ожидать давление воздуха 236 мм рт. ст., а по формуле Цунца – 269 мм рт. ст. Эта разница может показаться незначительной, но на самом деле она позволяет уменьшить эффективное значение высоты Эвереста на 400 м; только благодаря этому феномену Мессмеру и Хабелеру удалось добраться до вершины без использования дополнительных источников кислорода. Если бы гора Эверест находилась на Северном или Южном полюсе, ее невозможно было бы покорить без дополнительного кислорода, так как в этих областях парциальное давление кислорода заметно ниже. В зависимости от географического положения меняется относительное атмосферное давление, а с ним и парциальное давление газов, входящих в состав атмосферы.

Согласно определению, доля газа в общем атмосферном давлении есть его парциальное давление, и именно это становится решающим с точки зрения физиологии и медицины. Почему? Потому что в этом случае речь идет о реальном числе молекул кислорода во вдыхаемом воздухе. Вот пример: я беру куб, содержащий 1000 л воздуха на высоте уровня моря при давлении в одну атмосферу. В этом кубе будет содержаться 780 л азота (78 %), 210 л кислорода (21 %) и 10 л остальных газов (1 %). Теперь уменьшим вдвое атмосферное давление, что приблизительно соответствует высоте 5500 м; смесь будет содержать те же 78 % азота, 21 % кислорода и 1 % остальных газов, но число молекул соответствующих газов окажется в два раза меньше и, таким образом, в нашем кубе воздуха будет содержаться фактически 390 литров азота, 105 л кислорода и 5 л других газов. В процентном соотношении состав атмосферы остается прежним и на большой высоте, но число доступных газовых молекул изменяется. На высоте 5500 м я вдыхаю только половину молекул кислорода. Этот недостаток кислорода в крови, снижая насыщение гемоглобина кислородом, подает организму сигнал: пора принимать контрмеры.

На уровне моря насыщение гемоглобина кислородом колеблется в норме от 95 до 100 %. На высоте 5000 м – падает до 75 %. Теперь даже при незначительной физической нагрузке человек начинает испытывать нехватку воздуха. Дыхание становится чаще и глубже. Учащается пульс, чтобы компенсировать недостаточную доставку кислорода к тканям. Если человек находится на высоте 5000 м в течение нескольких дней, показатели насыщения гемоглобина кислородом немного улучшаются и могут достигнуть 85 %. Учащенное и более глубокое дыхание приводит к уменьшению содержания углекислого газа в легочных альвеолах и в крови. Это приводит к сдвигу кислотно-щелочного баланса, к изменению pH крови. Это среди прочего оказывает влияние на связывание кислорода гемоглобином эритроцитов. Отчего это происходит? И что мне следует понимать под кислотно-щелочным балансом?

О «закислении» организма, о благодетельном «ощелачивающем» лечении и «раздельном питании», которые влияют на кислотно-щелочной баланс, люди слышат из каждого утюга, но преимущественно читают в бульварной прессе. Первое – и в этом нет никаких сомнений: уравновешенный кислотно-щелочной баланс имеет важнейшее значение для нормального функционирования организма. Этот баланс влияет на функции белков, на функции клеток и проницаемость клеточных мембран. Таким образом, кислотно-щелочной баланс непосредственно вмешивается в течение физиологических процессов обмена веществ. Здесь в первую очередь речь идет о регуляции концентрации ионов водорода (H+) в организме, которые возникают, например, при расщеплении белковых молекул. Мера концентрации ионов водорода – показатель, называемый pH. Он может варьироваться в пределах от 1 до 14. При значении pH, равном 7, кислоты и щелочи находятся в водном растворе в равных количествах. При значениях pH, меньших 7, в растворе преобладают кислоты, а при значениях pH, больших 7, преобладают щелочи. Для наглядности и облегчения понимания можно привести пару примеров известных кислот и оснований. Например, соляная кислота в желудке имеет значение pH ниже единицы, лимонная кислота – 2,8, кислая капуста или вино имеют pH 4, кофе – 5, дистиллированная вода в системе охлаждения автомобильного двигателя имеет pH ровно 7; pH крови составляет 7,35–7,45, а pH кишечного сока достигает 8. В межклеточном пространстве или в крови, в так называемом внеклеточном пространстве, среднее значение pH равно 7,4. Таким образом, в организме преобладает щелочная среда.

С химической точки зрения кислоты – это вещества, которые в водном растворе выделяют ионы водорода (H+). Одна из важнейших кислот нашего организма – угольная кислота (H_2CO_3), которая образуется из двуокиси углерода (CO_2) и воды (H_2O). Основания (щелочи) – это химические соединения, которые присоединяют ионы водорода, и одним из важнейших оснований в человеческом организме можно назвать бикарбонат (HCO3–). Так как ионы водорода отличаются высокой реакционной способностью, даже небольшие изменения их концентрации приводят к значительным изменениям физиологических функций организма; в связи с этим значения pH постоянно отслеживаются регуляторными системами и поддерживаются в очень узких пределах. Концентрация свободных ионов водорода во внеклеточной жидкости составляет 35–44 нмоль/л; это безумно малая величина – миллиардная доля литра. Коротко говоря: свободных ионов водорода в организме практически нет. Тем не менее колебания кислотно-щелочного баланса регистрируются высокочувствительными рецепторами, расположенными в стволе головного мозга в месте его перехода в спинной мозг, в магистральных сосудах, непосредственно связанных с сердцем, и в сонных артериях на шее. Если число ионов водорода повышается, то одновременно снижается значение pH и активируются буферные системы, которые связывают ионы водорода. Это связывание может происходить в легких, почках и крови. Почки готовы выводить из организма ионы водорода, образующиеся в ходе рутинного обмена веществ. В связи с этим понятно, что кислотная нагрузка на почки зависит от пищевых предпочтений и типа питания. Но разнообразного рациона с умеренным содержанием белка при достаточном употреблении овощей, фруктов и салатов, богатых основаниями, достаточно для того, чтобы предупредить повышение концентрации ионов водорода в организме. Специальные диеты, разгрузочные дни, интервальное питание, лечебное голодание в принципе не нужны, если нет заболеваний почек.

В условиях высокогорья в результате недостатка кислорода происходит стимуляция дыхания – за счет ствола головного мозга. Расположенные там регулирующие центры повышают частоту дыхательных движений и увеличивают глубину дыхания. Это приводит к тому, что из легких выводится больше углекислого газа и повышается pH крови. В почках это усиливает выведение бикарбоната, что позволяет восстановить нормальный pH. Совершенно ясно, что при пребывании на большой высоте в действие приводятся механизмы, обеспечивающие сложную перестройку организма. Таким образом, организму надо дать время на приспособление к высоте, а не быстро подниматься вверх.

Вероятно, самый известный способ адаптации к большой высоте представляет собой образование красных кровяных клеток, эритроцитов, под влиянием эритропоэтина, больше известного под аббревиатурой ЭПО. При недостатке кислорода увеличение выработки этого гормона происходит в специализированных клетках почек и в меньшей степени печени. В организме он выполняет и другие функции, которые пока не вполне понятны. Так, некоторые исследования показывают, что головной мозг повышает выработку эритропоэтина при значительных умственных усилиях и возбуждает нервные клетки, способствуя образованию между ними прочных связей. Однако широкую известность ЭПО приобрел как вещество, которое нелегально применяют в спорте для улучшения результатов. Такого рода допинг усиливает кроветворение в костном мозге. Это приводит к повышению содержания эритроцитов в крови и гемоглобина в эритроцитах и, в свою очередь, к усилению способности крови к транспорту кислорода и к улучшению результатов в видах спорта, требующих выносливости. Впрочем, тренировки в условиях высокогорья, которые сами по себе естественным путем вызывают повышение продукции ЭПО, разрешены.

О том, что такой гормон должен существовать, ученые начали догадываться уже сто лет назад. Но только в последние десятилетия удалось наконец расшифровать последовательность гена ЭПО. Трудность заключалась в том, что, в отличие от других гормонов, эритропоэтин не запасается, а синтезируется только по потребности, то есть при гипоксии. Только после того, как была расшифрована аминокислотная последовательность ЭПО, а его ген был выделен и клонирован, в восьмидесятых годах начали стремительно развиваться исследования гормона и клиническое его использование. Только двумя годами позднее, с помощью рекомбинантных технологий, удалось создать синтетический гормон и приступить к его промышленному производству под названием «Эпоэтин». Сегодня этот гормон находит полезное применение во многих областях клинической медицины. Так, его получают пациенты, у которых на фоне химиотерапии подавляется кроветворение; такое лечение приводит к повышению их шансов на выживание и улучшает состояние и самочувствие.

Что касается насыщения гемоглобина кислородом, то для его определения существуют специализированные рецепторы в сонных артериях, так называемые каротидные тельца. Если уровень насыщения падает, то за счет стимуляции этих сенсоров происходит увеличение глубины и частоты дыхания, частоты сердечных сокращений и минутный объем крови. Усиление дыхания называют гипоксическим вентиляционным ответом (ГВО). Это важный параметр, позволяющий судить о степени адаптации к высоте – мы вернемся к нему, когда будем обсуждать особые механизмы адаптации к большой высоте у жителей Тибета и Анд. На уровне моря парциального давления кислорода, о котором уже говорилось в начале главы, достаточно для стопроцентного насыщения гемоглобина кислородом. У здоровых людей такое насыщение может поддерживаться до высоты 4000 м. При более длительном периоде приспособления и на фоне форсированного дыхания такой уровень насыщения достижим до высоты 7000 м, но процесс адаптации продолжается много недель и не приводит к полному приспособлению. Полная адаптация происходит только до высоты 5300 м. Если неподготовленного человека быстро поднять на высоту 7000 м, то через четверть часа он потеряет сознание. На высотах от 7000 до 12 000 м люди могут выживать только за счет форсированного дыхания чистым кислородом. При этом вентиляция чистым кислородом допустима только ограниченное время – порядка двух часов, после этого она становится токсичной, так как в организме образуется большое количество кислородных радикалов, которые среди прочего вызывают повреждение клеточных мембран. Даже такие экстремальные альпинисты, как Райнхольд Месснер и Петер Хабелер, лишь короткое время могли обходиться без дополнительного кислорода на последних метрах до вершины Эвереста, на высоте 8848 м. Свыше 14 000 м людям требуются герметичные кабины самолетов, где поддерживается нормальное давление воздуха, чтобы пребывание на такой высоте вообще было возможным. Что касается индивидуальной работоспособности на больших высотах, то она варьируется в очень широом диапазоне. Так, в одном полевом исследовании, проведенном в США на пике Пайкс (высота 4325 м), было показано, что максимальное поглощение кислорода у некоторых испытуемых снижалось всего на 8 %, а у других – на все 50 %.

Здесь мы подходим еще раз к важнейшему пункту адаптации к высоте. Приспосабливаться надо медленно, в несколько этапов, а не так, как при моем восхождении на Блауайс. Вот практические показатели, которые каждый может наблюдать без всяких вспомогательных средств и которые говорят об успешной адаптации к большой высоте: частота пульса, измеренная в покое утром перед восхождением, возвращается на высоте к своему исходному значению; нагрузка вызывает углубление дыхания; сон периодически прерывается, так как возрастает частота мочеиспусканий, особенно ночью, – это явление называют высотным диурезом.

Если же, например, частота утреннего пульса в покое больше, чем на 20 % выше, чем его частота в низине, то это говорит о том, что человек все еще находится в критической фазе приспособления и должен пока оставаться на достигнутой высоте. Если частота пульса позже возвращается к исходной «равнинной» величине, то это означает, что процесс акклиматизации успешно завершен. Если нет никаких других нарушений, то человек может продолжить восхождение. При этом, как известно из практического опыта, в последующие дни высота, комфортная для сна, оказывается меньше, чем высота дневной адаптации. Таким образом, днем надо восходить на очередную высоту, а на ночевку надо спускаться ниже. На следующий день надо взойти до более высокой отметки, а вечером спуститься несколько ниже.

Подводя итог, можно сказать, что адаптация к высоте зависит от скорости восхождения, высоты комфортного сна, абсолютной достигнутой высоты и общего состояния здоровья, но не зависит – и это страшно удивило меня при восхождении к Шертенальму – от выносливости. Сегодня я знаю, что и марафонские бегуны экстракласса при несоблюдении этого правила остановок заболевают высотной болезнью. При этом, по моему мнению, понятие «высотная болезнь» в отношении высот до 5300 м вводит в заблуждение. В этом случае речь идет не о болезни, а о неправильном поведении: слишком быстро, слишком высоко, слишком тяжелый рюкзак, отсутствие внимания к голосу собственного организма и непонимание того, что ему надо дать время на адаптацию. На высоте более 5300 м, как уже упоминалось, акклиматизация невозможна, независимо от того, как долго и гладко протекал до этого процесс адаптации.

Такие высоты – удел пассионарных альпинистов, фанатичных горных туристов или жителей высокогорья, таких как тибетцы в Гималаях или кечуа и аймара в Южноамериканских Андах. На последних мы остановимся более подробно, поскольку эти группы населения, как показали проведенные исследования, в разное время поселились в высокогорных регионах нашей планеты. Это позволяет с эволюционной точки зрения рассмотреть различные стратегии адаптации и временных параметрах, которые для нее необходимы. Так, в 2019 году китайские ученые в сотрудничестве с исследователями из Института эволюционной антропологии имени Макса Планка в Лейпциге проанализировали строение нижней челюсти древнего гоминида из Сяхе в Тибете. Благодаря генетическому анализу ученые смогли установить, что эта челюсть принадлежала члену популяции, близкородственной сибирским денисовцам, которые были до тех пор известны только по раскопкам в Денисовой пещере в Сибири. Эта находка отчетливо указывает на то, что заселение высокогорных областей Тибета происходило по меньшей мере уже 160 000 лет назад. До тех пор палеоантропологи считали, что это произошло на 130 000 лет позже. Если сегодня сравнить тибетцев с людьми, живущими на уровне моря, то первое, что бросается в глаза, – это более высокая концентрация гемоглобина в крови. Этого и следовало ожидать, потому что гемоглобин в эритроцитах служит для транспорта кислорода в крови. Если имеет место недостаток кислорода, то гемоглобин образуется в большем количестве. Однако, если сравнить тибетцев и жителей высокогорных районов Анд, то выясняется, что значения содержания гемоглобина в крови кечуа и аймара значительно выше, чем у тибетцев. Как это сочетается с тем, что кечуа и аймара заселили высокогорье приблизительно 15 000 лет назад, то есть намного позже, чем тибетцы? Может быть, жители гор Южной Америки за короткое время лучше приспособились к высоте? Или высокая концентрация гемоглобина не становится решающим фактором связывания и транспорта кислорода?

Какими могут быть отрицательные стороны у повышенного содержания гемоглобина в крови? Можно, например, вспомнить о том, что высокая концентрация гемоглобина негативно сказывается на текучести крови. Она становится слишком вязкой. Это приводит к повышению нагрузки на сердечно-сосудистую систему, которой приходится прокачивать по организму вязкую, как сироп, жидкость, а кроме того, вязкая кровь предрасполагает к образованию сгустков в кровеносных сосудах. Таким образом, существует физиологический предел более высокой способности связывания и транспорта кислорода за счет увеличения числа эритроцитов. Действительно, среди жителей высокогорья Южной Америки часто встречается болезнь Монжа, хроническая горная болезнь, которая обусловлена чрезмерным повышением числа эритроцитов и концентрации гемоглобина и проявляется нарушением свертывания крови. С эволюционной точки зрения более удачная адаптация заключается в повышении концентрации гемоглобина, но не чрезмерном. Кечуа и аймара, таким образом, представляют промежуточной стадией адаптации.

Другие приспособительные признаки можно увидеть на интересном примере тибетцев. Некоторые изменения касаются дыхания и обмена фолиевой кислоты. В отличие от кечуа и аймара, тибетцы реагируют на недостаток кислорода более форсированным и глубоким дыханием. У них сильно выражен феномен, называемый гипоксическим вентиляционным ответом. Кроме того, тибетцы располагают генетическими механизмами, которые позволяют задерживать в организме фолиевую кислоту и тем самым повышать доступность этого витамина. Фолиевая кислота – это незаменимый витамин, участвующий в росте и делении клеток. В таких органах, как костный мозг, происходит быстрое деление клеток, и они особенно сильно нуждаются в доступной фолиевой кислоте. Так как вследствие недостатка кислорода на большой высоте происходит стимуляция кроветворения, а фолиевая кислота быстрее распадается под влиянием ультрафиолетового излучения и оба эти фактора присутствуют на Тибетском плато, то можно считать, что приспособления, повышающие доступность этого витамина в организме, имеют очень важное значение и смысл.

Однако адаптацию можно продемонстрировать не только на экстремальных высотах. Такие изменения происходят уже на умеренных высотах, что было доказано в нескольких исследованиях. Умеренными считаются высоты до 2500 м. Ежегодно их по разным причинам посещают миллионы человек всех возрастов, причем часть из них страдает явными заболеваниями сердечно-сосудистой системы, органов дыхания и обмена веществ. Здесь возникает вопрос на основании того, что мы теперь знаем: насколько это полезно для здоровья? Как это ни удивительно, в специальной литературе почти нет данных на эту тему. Вместе с Эгоном Хумпелером из Брегенца, старейшим специалистом в области исследования влияния умеренных высот на организм человека, и Вольфгангом Шоберсбергером из Университета Инсбрука, с которым меня уже связывали совместные исследования в Андах и Альпах, мы в девяностые годы пришли к выводу о необходимости проведения широкомасштабных исследований на эту тему, так как помимо научного аспекта есть и аспект экономический: альпийский регион ежегодно посещают миллионы туристов. В конце концов, дело ограничилось двумя исследованиями, так как невозможно сразу дать исчерпывающий ответ на все открытые вопросы. Оба этих исследования остаются самыми масштабными из всех, посвященных воздействию умеренных высот на организм человека.

Austrian Moderate Altitude Study (Австрийское исследование умеренных высот, AMAS) получило финансовую поддержку в несколько миллионов шиллингов от Министерства экономики Австрии и ряда туристических компаний и ставит целью изучить, как влияет на здоровье отпуск, проведенный на умеренных высотах, в сравнении с отдыхом в долинах. Ключевые вопросы, которыми мы задавались: какому гостю можно рекомендовать активный отдых в горах? Сколько должен длиться такой отпуск? Какой должна быть деятельность с точки зрения пользы для здоровья? Кому следует воздержаться от проведения отпуска в горах?

Летом 1998 года после нескольких лет подготовки наконец настало время первого исследования. Нас было уже не трое, а почти два десятка ученых, преимущественно врачей и спортивных физиологов из Австрии и Германии, которые вместе со своими коллективами приняли участие в работе. Два года спустя последовало еще одно исследование. Финальная встреча с участием всех коллективов началась утром 11 ноября 2000 года в университетской клинике Инсбрука. Около девяти часов у многих коллег зажужжали пейджеры экстренного вызова. Что произошло? За несколько минут до этого в Капруне произошла самая страшная авария в истории горных железных дорог – пожар, унесший жизни 155 человек. Мы прервали заседание, определили новые сроки обсуждения и в следующие месяцы активно обменивались полученными данными, а весной 2003 года смогли опубликовать первые результаты.

Испытуемые, отобранные для исследования, страдали избыточным весом, нарушениями в обмене глюкозы и липидов, а также артериальной гипертонией. Эти заболевания широко распространены среди лиц среднего возраста в промышленно развитых странах, и это становится все более важной медико-политической проблемой. Медики объединяют все перечисленные заболевания термином метаболический синдром. Именно такой состав был также определен исследовательским коллективом, так как эта группа людей составляет большинство платежеспособных туристов как летом, так и зимой. Первое исследование было проведено в Лехе при участии 22 человек в возрасте от 35 до 65 лет со средним индексом массы тела 31,7 (ИМТ = вес тела, деленный на квадрат роста в метрах). Сначала предварительные исследования проводились в Инсбруке, а потом в течение трехнедельного отпуска, в Оберлехе на Альберге (1700 м над уровнем моря), участники исследования совершали по 4–5 пеших прогулок в неделю под надзором и в сопровождении врачей. Каждая такая прогулка продолжалась от трех до пяти часов.

Для суждения о долгосрочном влиянии такого отдыха на здоровье исследования затем продолжались в течение недели в Инсбруке, а также в течение шести-восьми недель после завершения пребывания в Лехе. Они показали, что у испытуемых среди прочего наблюдается значительное уменьшение частоты сердечных сокращений, а также снижение диастолического и систолического артериального давления. В течение пребывания в горах произошло уменьшение веса тела в среднем на 2 %, причем без дополнительных диетических мер. Вес снижался главным образом за счет уменьшения массы жира; содержание воды и тощих тканей осталось практически неизменным. Для оценки инсулинорезистентности использовали показатель HOMA. Аббревиатура HOMA расшифровывается как Homeostasis Model Assessment (модель оценки гомеостаза). Для определения индекса HOMA необходимо брать кровь натощак. В этой пробе крови определяли содержание глюкозы и инсулина, что позволяет оценить риск инсулинорезистентности. Это главный признак сахарного диабета 2-го типа. Наши исследования показали, что метаболизм глюкозы, включающий постоянное образование, обмен и расщепление сахаров, чрезвычайно важный для головного мозга и мышц, значительно улучшается после пребывания в горах. Значимо уменьшились также нарушения жирового обмена, которые оценивали по концентрации в крови липопротеинов высокой плотности.

Помимо этих позитивных результатов, из которых можно заключить, что пребывание в горах оказывает оздоравливающее действие на лиц с метаболическим синдромом, пилотное исследование в Лехе, проведенное в 1998 году, сыграло еще одну положительную роль: оно показало выполнимость и безопасность подобных исследований. То, что они не проводились раньше, становится понятным, если учесть большие издержки на формирование групп испытуемых и их рекрутирование в эти группы. По большей части участники исследования были работающими людьми, и они с большим трудом могли найти на него столько времени. Для следующего исследования в рамках AMAS в 2000 году были созданы одновременно две группы испытуемых – в Обертауэрне (земля Зальцбург, высота 1700 м), а другая в Бад-Татцмансдорфе (Бургенланд, высота 200 м). Протокол исследования был таким же, что и в пилотном исследовании 1998 года в Лехе. Были отобраны 85 человек с метаболическим синдромом, соответствующих критериям включения в группы. Наблюдение и исследование обеспечивал коллектив из 36 человек. Результаты исследования AMAS-2000 подтвердили выводы, сделанные в Лехе: у испытуемых достоверно снизилось как диастолическое, так и систолическое артериальное давление, улучшился жировой обмен, вес тела снизился без диетических мер, психологические тесты показали стойкое улучшение самочувствия и удовлетворенности; при этом уменьшилось число субъективных физических жалоб.

Поскольку некоторые из этих позитивных изменений имели место и у испытуемых в Татцмансдорфе, следовало прояснить еще один вопрос: насколько эти эффекты обусловлены самим отпуском и насколько фактом пребывания на высоте? Выяснилось, что испытуемые с метаболическим синдромом прежде всего хорошо переносили пребывание на умеренной высоте в Обертауэрне (1700 м) и даже на такой небольшой высоте они показали значительное новообразование эритроцитов. Следует исходить из того, что оно улучшило транспорт кислорода в ткани.

Дополнительно ученые провели еще один эксперимент, чтобы выяснить, происходят ли положительные изменения в плане стрессоустойчивости на фоне кратковременного пребывания в Оберлехе (1700 м), в четырехзвездочной гостинице. При этом испытуемые регулярно занимались физической активностью по специально разработанной программе. Для эксперимента отобрали 13 здоровых людей (7 женщин и 6 мужчин), средний возраст которых составил 36,5 года. Все участники, в отличие от испытуемых в предыдущих исследованиях AMAS, были здоровы. На повестке теперь были следующие вопросы: повышается ли содержание в крови так называемых циркулирующих стволовых клеток на фоне умеренного дефицита кислорода на умеренной высоте при активном проведении отпуска? Какое влияние оказывает активный отпуск в горах на симпатическую и парасимпатическую нервную систему в смысле уменьшения воздействия стресса? Как кратковременный отдых в горах влияет на способность к психологическому восстановлению?

В человеческом организме циркулируют так называемые клетки-предшественники или стволовые клетки. Они высвобождаются из костного мозга при тяжелых нарушениях кровоснабжения тканей и с кровью разносятся к органам-мишеням (например, к сердцу). Там стволовые клетки внедряются в ткани благодаря процессу, называемому хоумингом, и участвуют в новообразовании кровеносных сосудов, что улучшает кровоснабжение заинтересованного органа. Число циркулирующих стволовых клеток обратно пропорционально риску сердечно-сосудистых заболеваний. И именно это число (измеренное методом проточной цитометрии) в периферической крови значительно повышалось после пребывания на высоте 1700 м. Это было первое научное описание увеличения циркуляции стволовых клеток у людей без заболеваний сердечно-сосудистой системы.

В будущем медицина умеренных высот может стать научно обоснованным инструментом регенеративной медицины и, возможно, открыть путь к новым методам лечения. Из изменений вариабельности сердечного ритма можно извлечь важную информацию о нагрузке на сердечно-сосудистую систему и на автономную – симпатическую и парасимпатическую – нервную систему. Под вариабельностью сердечного ритма понимают колебания временных промежутков между сердечными сокращениями. Эти промежутки неодинаковы, они в определенной степени варьируются. Высокая степень вариабельности считается благоприятной с физиологической точки зрения, а низкая, напротив, сочетается с различными заболеваниями. Например, хронический стресс может приводить к уменьшению вариабельности сердечного ритма. Наши исследования показали, что даже на фоне кратковременного активного отдыха у испытуемых наблюдали повышение вариабельности сердечного ритма. Психологические исследования, в свою очередь, показали, что во время короткого отпуска в Лехе исчезли жалобы на повышенную утомляемость, нехватку времени и снижение способности к концентрации внимания. Совокупность исследований в рамках AMAS показывает, следовательно, что пребывание на умеренных высотах на фоне легких физических нагрузок приводит к положительному воздействию на здоровье как у здоровых людей, так и у пациентов с метаболическим синдромом.

Спортсмены и их врачи уже много лет знают о благотворном влиянии высотных тренировок, особенно перемежающихся. Однако не все ясно относительно эффективности повышения работоспособности. Тем не менее тренировки в гипоксических условиях с применением различных режимов и на различных высотах уже много десятилетий используются как стимул к повышению выносливости. Такой подход получил особенный толчок к развитию в ходе Олимпийских игр 1968 года в Мехико; Игры проходили на средней высоте 2300 м. Перемежающиеся высотные тренировки, сокращенно называемые IH-тренировками (intermittent hypoxic training), проводились либо в природных условиях (в горах), или в искусственных – в камерах, имитирующих атмосферу на высоте. Сюда же относятся тренировки на уровне моря, в ходе которых спортсмены дышат гипоксической газовой смесью.

Перемежающаяся гипоксическая тренировка состоит из повторяющихся эпизодов гипоксии, причем используются циклы различной продолжительности – от нескольких минут до нескольких часов, а длительность тренировок может достигать дней и недель. Цель этих перемежающихся высотных тренировок заключается в том, чтобы создать дополнительное число эритроцитов и стимулировать образование новых мельчайших кровеносных сосудов – капилляров, чтобы оптимизировать тем самым процессы обмена веществ в тканях. Ученые Бонетти и Хопкинс провели первый крупный метаанализ работ, посвященных влиянию перемежающихся гипоксических тренировок на достижения спортсменов. Оказалось, что спортсмены экстракласса получают наибольшую пользу от таких тренировок. Стало понятно и другое: перемежающиеся гипоксические тренировки не подходят одинаково хорошо для всех видов спорта. Поэтому едва ли возможен универсальный подход к высотным тренировкам. То, что на высоте более 1500 м аэробная работоспособность в среднем уменьшается на процент на каждые 100 м подъема, означает, что интенсивность тренировок для больших групп мышц на большой высоте должна быть ниже. Снижение работоспособности обусловлено уменьшением парциального давления кислорода, и оно особенно заметно в таких требующих выносливости видах спорта, как марафонский бег, лыжные гонки на длинные дистанции и велосипедный спорт, требующие длительной нагрузки на большие группы мышц. Высотные тренировки не позволяют добиться выдающихся результатов в беге на средние и длинные дистанции. Иначе обстоит дело с бегом на короткие дистанции до 400 м и в прыжках в длину, где результат зависит от мобилизации анаэробных источников энергии и улучшается, благодаря уменьшению сопротивления воздуха, у которого снижается плотность.

Учитывая все сказанное, можно сказать, что грамотные высотные тренировки могут повысить результативность в самых разных видах спорта, но следует остерегаться обобщений. Также требуют проверки утверждения об эффективности кратковременной гипоксии по нескольку минут в день.

Помимо спортивной медицины, в изучении влияния перемежающихся высотных тренировок на работоспособность все больше заинтересована медицина труда, особенно стран Южной Америки, расположенных в Андах. В этих странах десятки тысяч людей работают на самых высотных в мире золотых и медных приисках, расположенных на высотах от 3000 до 5000 м. Кроме того, в этих регионах находятся самые современные астрономические обсерватории: например, там работает радиотелескоп ALMA, расположенный на высоте более 5000 м. Технический персонал, обслуживающий эти обсерватории, не только работает в режиме 24-часовых смен, но и ежедневно, еженедельно или ежемесячно покидает высокогорную область и спускается на несколько тысяч метров ниже, туда, где расположены места их проживания или ночного отдыха. Риски для здоровья, связанные с такими условиями труда, – предмет многочисленных национальных и международных научных исследований. Горная промышленность – основа экономики андских государств. Чили, наряду с Перу и Бразилией, остается важнейшим поставщиком сырья в Южной Америке; именно там сосредоточено 30 % мировых запасов меди. В 2009 году стоимость всей горнодобывающей промышленности Чили оценивали в 31,5 млрд долларов, в то время как на долю добычи нефти, газа и угля из этой суммы приходится всего 140 млн долларов. В Боливии, между соляными слоями в районе Салар-де-Уйюни, на высоте 3600 м, залегают крупнейшие в мире запасы лития – незаменимого сырья для изготовления аккумуляторов. Германия с радостью получила бы доступ к этому важному ресурсу, но сделка между немецкой фирмой ACI Systems Alemania из Баден-Вюртемберга и боливийским государственным предприятием YLB неожиданно сорвалась в конце 2019 года.

На крупных международных и национальных горнодобывающих предприятиях применяется высокотехнологическое оборудование, работающее круглосуточно по большей части на открытых карьерах. Возраст сотрудников (как правило, выходцев из разных южноамериканских стран) находится в диапазоне от 20 до 55 лет. Только в Чили в этой отрасли промышленности заняты 60 000 человек. Лишь изредка приезжают команды специалистов из таких стран, как Канада, Австралия и Китай. Подавляющее число работающих – это жители прибрежных областей Южной Америки, не приспособленные к жизни на больших высотах; кечуа и аймара, которые хорошо адаптированы к высокогорью, редко работают на горных разработках. Раньше владельцы шахт не были обязаны придерживаться каких-то правил или законов, обеспечивающих безопасные условия труда на больших высотах. Однако с 2012 года руководство предприятий обязали непрерывно следить за состоянием здоровья персонала.

За восемнадцать лет до этого мы совместно с чилийскими (профессор Клаус Бен и профессор Анибал Льянос) и перуанскими (Карлос Монж и его группа) физиологами провели первый международный симпозиум, посвященный работе на больших высотах, Adaptación trabajo en altura (Адаптация к высотной работе), в Копиапо в Северном Чили. Через несколько лет там проводилась самая широкомасштабная спасательная операция в истории горнорудной промышленности с участием всех стран мира. В подземной медной и золотой шахте в Сан-Хосе, в 45 км к северу от Копиапо, 5 августа 2010 года произошел обвал горных пород. 33 шахтера оказались запертыми на глубине 700 м под землей. Они ждали спасения больше двух месяцев, прежде чем 13 и 14 октября все рабочие не были доставлены на поверхность. Наше исследование рабочих нагрузок в чилийской горной промышленности проводилось на шахте Ла-Коипа в том же районе Копиапо. Подобное подземное исследование за несколько лет до этого мы уже провели в Гане.

Измерение кровотока в головном мозге и в периферических сосудах на высоте 4500 м в Южноамериканских Андах

Мы начали с изучения особенностей кроветворения на больших высотах. Испытуемые работали по семидневному сменному циклу, то есть семь дней находились на уровне моря, а затем семь дней работали на высоте выше 3600 м. Полученные результаты мы сравнили с собственными данными, так сказать, контрольной группы людей, не адаптированных к высоте и не работавших посменно на большой высоте. К нашему большому удивлению, оказалось, что у чилийских рабочих, несмотря на многолетнее воздействие больших высот, острый скачок в выработке эритропоэтина и его выведение почками были такими же, как у нас. Далее, у горнорабочих снижение концентрации ЭПО в крови происходило еще до того, как они спускались в низину на отдых, то есть в то время, когда они еще находились на большой высоте. Это означало, что регуляция выработки эритропоэтина может зависеть не только от парциального давления кислорода: после некоторой начальной фазы регулировать его секрецию начинают какие-то другие механизмы. В то время эти регуляторные механизмы нам были еще неизвестны, но сегодня мы знаем, что контроль за кроветворением переходит к «индуцируемым гипоксией факторам-1» за счет их образования и разрушения. Эти транскрипционные факторы представляют собой регуляторные белки. Связываясь со специфическими участками ДНК, они либо стимулируют, либо тормозят транскрипцию ДНК в клеточном ядре и таким образом регулируют выработку ЭПО. За расшифровку и описание этих клеточных механизмов, которые на фоне гипоксии тканей стимулируют продукцию ЭПО, трое ученых в 2019 году получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Этот факт показывает, что результаты прикладных исследований в области производственной и экологической физиологии могут внести существенный вклад в фундаментальную науку. Отсюда следует, что изучение ритма сна и бодрствования, водного баланса, воздействия ультрафиолетового излучения очень важны для понимания влияния различных моделей сменной работы на здоровье и работоспособность трудящихся. В Чили распространены 7–10-дневные циклы с 12-часовыми рабочими сменами. Рабочие спят в специальных помещениях на высоте между 2800 и 3200 м, где, кроме того, располагаются столовые и места отдыха. То есть люди спят на высоте существенно ниже той, на которой они работают, – почти 4000 м. Это, кроме того, означает, что горняки неделю подвергаются перемежающемуся воздействию гипоксии и низкого давления на разных высотах днем и ночью. Это создает дополнительную нагрузку на человеческий организм. В результате можно предсказать высокую частоту несчастных случаев, а итог долгосрочного воздействия таких условий на человеческий организм нам пока почти неизвестен. Проведенные исследования указывают на то, что сменная вахтовая работа на большой высоте вредно отражается на циркадном ритме, энергетическом обмене, сердечно-сосудистой системе, гормональном балансе и базовых клеточных функциях, например на делении клеток. Совокупный спектр влияний перемежающегося характера работы на высоте пока нельзя считать полностью выясненным и поэтому здесь настоятельно необходимы дальнейшие исследования. В конечном счете придется оснащать такие рабочие места, как ALMA (5050 м), расположенные на большой высоте, отсеками, где атмосфера будет обогащаться кислородом.

Напротив, хорошо известно, какие проблемы возникают, когда неподготовленные люди подвергаются воздействию большой высоты, как это случилось со мной. Адаптация к высоте, как уже было сказано, зависит от скорости подъема, от абсолютного значения достигнутой высоты, от высоты, на которой человек спит, и от общего состояния здоровья, но не от тренированности и выносливости. Кроме того, восхождение на большую высоту должно происходить поэтапно. Для покорения высоты более 5000 м, если вы хотите сделать это по правилам, потребуется от двух до трех недель. Если восхождение осуществляется слишком быстро, слишком интенсивно и на слишком большую высоту – как в случае моего восхождения на Блауайс, – то следствием может стать высотная головная боль или острая горная болезнь. На высотах от 3000 м (в редких случаях и ниже) может также развиться отек легких или отек головного мозга. Триггером этих заболеваний становится снижение атмосферного давления и связанного с этим снижения парциального давления кислорода, что ведет к снижению содержания кислорода в артериальной крови и уменьшению снабжения им тканей. На тяжесть этих высотных заболеваний могут негативно влиять и другие факторы. Среди прочего к таким факторам относят ослабления дыхательного ответа на уменьшение доступности кислорода на высоте (ключевое слово: гипоксический дыхательный ответ), снижение транспорта кислорода в органах, особенно во сне, неравномерное сужение кровеносных сосудов в легких вследствие специфической реакции органов на недостаток кислорода, чрезмерное скопление жидкости в тканях, повышение давления в головном мозге или воспалительные процессы в результате усиленного образования кислородных радикалов.

Эти изменения могут повлечь за собой разнообразные заболевания. Самое частое из них – высотная головная боль (high altitude headache, HAH), от которой страдают до 80 % лиц, живущих на большой высоте. Международное общество головной боли определяет это состояние как головную боль, которая наблюдается в течение 24 часов после подъема на высоту 2500 м или выше. Головная боль может возникать изолированно или быть частью острой горной болезни. Если эти симптомы игнорировать, то могут развиться такие тяжелые состояния, как отек легких или отек головного мозга. Предполагают, что недостаток кислорода приводит к расширению кровеносных сосудов и высвобождению в кровь медиаторов воспаления, что и приводит к отеку головного мозга. При появлении первых симптомов высотной головной боли рекомендуется прекратить восхождение, дождаться акклиматизации на данной высоте, а при выраженной головной боли необходимо спуститься как можно ниже.

Головная боль может быть первым симптомом начинающейся острой горной болезни, самого частого наряду с высотной головной болью заболевания, связанного с пребыванием на высотах, больших 2500 м. Острая горная болезнь обычно протекает доброкачественно, но может и быстро перейти в тяжелое высотное заболевание – в высотный отек легких или высотный отек головного мозга. Главными симптомами острой горной болезни, которая может протекать весьма разнообразно, становятся, помимо головной боли, повышенная утомляемость или слабость, тошнота или рвота, ощущение нехватки воздуха и резкое и значительное учащение дыхания, нарушения сна и ослабление жажды. Симптомы становятся наиболее выраженными на второй-третий день после подъема на данную высоту и, как правило, исчезают на пятый-восьмой день после начала, если не подниматься еще выше. Во многих исследованиях было показано, что острая горная болезнь возникает у 10 % восходителей, которые от уровня моря сразу поднимаются на высоту 2500 м или даже ниже, как это было у меня при восхождении на Блауайс. Доля таких больных увеличивается до 30–40 % при быстром восхождении на высоту 3500 м.

Есть множество симптомов острой горной болезни, которые типичны и для других высотных заболеваний, таких как высотная головная боль, высотный отек легких и высотный отек головного мозга; этот факт был подтвержден на международном симпозиуме по вопросам высотной медицины и физиологии, в результате чего была создана диагностическая шкала, которая по месту проведения симпозиума в 1991 году получила название шкалы Лейк-Луиса. Эта схема прошла проверку временем и показала себя как простой и практичный метод выявления самых тяжелых высотных болезней – высотного отека легких и высотного отека головного мозга. На шкале выведены такие специфические симптомы острой горной болезни, как головная боль, жалобы со стороны желудочно-кишечного тракта, утомляемость или нарушения сна. Каждый такой симптом оценивается по субъективной шкале величинами от 0 (отсутствие симптома) до 3 (сильно выраженный симптом). Для облегчения симптомов острой горной болезни от средней до выраженной тяжести рекомендуется дыхание небольшим потоком кислорода (0,5–1 л/мин) через маску или носовой зонд. По возможности и в этом случае рекомендуется немедленный спуск на меньшую высоту. Так же, как при высотной головной боли, расширение кровеносных сосудов, поступление жидкости в ткани и избыточная секреция медиаторов воспаления, обусловленные недостатком кислорода, могут быть причиной наступления горной болезни, но в сравнении с высотной головной болью в более выраженной форме.

Отек легких на большой высоте – опасное для жизни заболевание, которое долго и ошибочно считалось воспалением легких. При высотном отеке легких происходит накопление в них жидкости – как правило, на высоте более 2500 м. Помимо уже имеющихся заболеваний, триггерами высотного отека легких становятся слишком быстрое восхождение, слишком большая высота и интенсивность подъема. Почти у 5 % альпинистов, которые без предварительной адаптации сразу и быстро поднимаются на высоту 4500 м, развивается отек легких. У женщин он развивается реже, чем у мужчин. Согласно Lake Louise Consensus (консенсусу в Лейк-Луисе), при высотном отеке легких развивается два или более из следующих симптомов: одышка в покое, кашель, слабость, сниженная работоспособность, чувство стеснения в груди, а также такие признаки, как хрипы, по крайней мере над одним легочным полем, центральная багрово-синюшная окраска кожных покровов и слизистых оболочек вследствие уменьшения содержания кислорода в крови (центральный цианоз), учащенное дыхание или пульс. Особенно в опасном положении оказываются люди, у которых и на уровне моря в ответ на вдыхание гипоксических газовых смесей или при физической нагрузке повышается давление в легочной артерии и легочное сосудистое сопротивление. Слишком высокое давление приводит к выходу жидкости из кровеносных сосудов в окружающую легочную ткань и проникновению в альвеолы (дыхательные пузырьки). Скопление жидкости препятствует газообмену между альвеолами и эритроцитами, движущимися по капиллярам. Мало того, области легких, которые начинают все хуже и хуже вентилироваться, окончательно выключаются из кровообращения в результате собственно легочного рефлекса. Это означает, что в остальных участках легких кровообращение усиливается, а это приводит к дальнейшему повышению давления крови в малом (легочном) круге. Вследствие недостатка кислорода повышение давления в легочной артерии, выход жидкости из сосудов и чрезмерная перфузия нетронутых участков легких ухудшают ситуацию, так сказать, уже автоматически; возникает порочный круг. Только так можно объяснить тот факт, что совершенно здоровый, тренированный человек может в течение нескольких дней погибнуть от высотного отека легких. Лечение заключается в максимальном снижении физической нагрузки, укутывании пораженного и вентиляции кислородом (2–4 л в минуту). Лучше всего спуститься на меньшую высоту. Если это невозможно, то под наблюдением врача следует вводить пораженному лекарства, снижающие давление в легочных сосудах.

На высотах больше 4500 м, помимо отека легких, самое опасное заболевание – высотный отек головного мозга. Заболеваемость здесь колеблется от 0,5 до 1 %. Высотный отек мозга имеет целый ряд сходных симптомов с острой высотной болезнью. У пораженного возникает сильная головная боль, повышенная утомляемость, безмерная усталость и рвота. Есть, однако, и отличия: по ходу заболевания нарастают нарушения походки и поддержания позы (атаксия), спутанность сознания, галлюцинации, изменения поведения, приступы судорог, параличи. Поэтому высотный отек головного мозга с медицинской точки зрения считают энцефалопатией, то есть заболеванием, влияющим на функции и структуру головного мозга. При острой высотной болезни энцефалопатия отсутствует. Как и при отеке легких, при отеке головного мозга речь идет о скоплении избытка жидкости в тканях. Так как костный череп не позволяет мозгу расшириться, то отек быстро приводит к повышению внутричерепного давления и уже упомянутым симптомам вплоть до паралича дыхательного центра со смертельным исходом. Лечение предусматривает немедленную эвакуацию с высоты, вентиляцию кислородом или дыхание под повышенным давлением.

При рассмотрении проблем пребывания на высоте, как и в других экстремальных условиях окружающей среды (например, в засухе или на жаре), весьма информативным может стать краткий экскурс в сравнительную физиологию. Первое, что приходит в голову, – обратиться за разъяснениями к птицам. В этом отношении два вида птиц особенно интересно физиологически адаптируются к большой высоте: африканский сип и горный гусь. Африканский сип – это хищная птица из подсемейства стервятников Старого Света. Размах ее крыльев достигает 240 см при весе тела от 6 до 9 кг. Обитает африканский сип в области открытых африканских саванн. При доказанной максимальной высоте полета 11 274 м эта птица абсолютный мировой рекордсмен. 11 274 м? Откуда известна достигнутая этим сипом высота с такой точностью? 29 ноября 1973 года именно на такой высоте птица столкнулась с гражданским лайнером, совершавшим полет в небе над Западной Африкой. В результате столкновения двигатель был поврежден так сильно, что пилотам пришлось его выключить. Им, правда, удалось благополучно посадить машину в Абиджане, столице Кот д’Ивуара. При осмотре на земле в двигателе были обнаружены многочисленные перья, по которым был с полной достоверностью опознан африканский сип. Этот рекорд высоты держится до сих пор.

Горный гусь, или, как его еще называют, индийский гусь, никому с такой экстремальной высоты не угрожает, он – перелетная птица, которая дважды в год летит от мест гнездования к местам зимовки и обратно. Места гнездования находятся на высоких плато Центральной Азии, в Юго-Восточной России, в Тибете, в Северной Индии и в Китайской Народной Республике. На зимовку птицы летят через Гималаи на юг Индии. При этом стаи горных гусей наблюдали на высотах около 9000 м, что соответствует высоте пика горы Эверест. Атмосферное давление на такой высоте составляет приблизительно одну треть от давления на уровне моря; соответственно, снижается там и парциальное давление кислорода. Когда в альвеолах легких человека парциальное давление кислорода падает ниже 35 мм рт. ст., кислород не может переходить из альвеол в циркулирующие с кровью эритроциты.

Как умудряются горные гуси и африканские сипы выживать на таких больших высотах? Очевидно, что здесь решающую роль играют два особых адаптивных признака. Так, у горных гусей выявлена мутация гемоглобина. Аминокислота пролин у гусей замещается в гемоглобине аланином. Это позволяет гемоглобину горного гуся быстро и эффективно связывать кислород даже при низких значениях парциального давления кислорода. Другой адаптивный признак – очень сильный гипоксический дыхательный ответ, то есть такое приспособление к высоте, какое мы находим и у тибетцев, – расширение объема легких, что обусловливает большую поверхность газообмена, а также увеличение числа митохондрий в мышечных клетках, что уменьшает диффузионное расстояние, которое должны преодолеть кислород и углекислый газ. При этом легкие у птиц работают гораздо эффективнее, чем у млекопитающих, так как у птиц газообмен в легких основан на принципе противотока. Этот принцип позволяет полнее извлекать кислород из воздуха, так как вдыхаемый воздух, поступая в различные дыхательные мешки, многократно проходит мимо соответствующих мембран. Мы уже давно это знаем и можем принять, что именно так работали легкие брахиозавра, выставленного в Берлинском музее естествознания. Кстати, именно благодаря такому строению легких птиц считают прямыми потомками динозавров. Но все эти чудесные приспособления оказываются абсолютно бесполезными, если мы проникнем на еще большую по сравнению с сипами и гусями высоту и выйдем в космос.

Шлюз, или Образцовое путешествие

Потеря силы тяжести – тяжелая потеря?

Вот теперь мы действительно воспаряем. Наши предки заселили мир, а теперь мы переживаем начало прорыва в космическое пространство – в последнюю эпоху антропоцена, в космоцен, если угодно. Ни одна среда не является более экстремальной, более экзотической. Насколько удачным будет этот прорыв? Какие условия нам придется для этого выполнить? Можем ли мы на самом деле выжить на Луне или на Марсе, и если да, то как будет выглядеть наше существование там? Будет ли от этого польза тем, кто останется жить на Земле?

Вернемся на минутку в исходную точку этой книги – в Вестфалию. В начале 1957 года мои родители купили под застройку небольшой участок земли на окраине Беннингхаузена. Туда в то время вела только одна дорога. В последующие годы там образовался целый поселок, где нашли себе пристанище беженцы из восточных областей, Силезии и Померании. Так уж вышло, что пастор со своим семейством вполне продуманно переехал на Хексвег. Строительные работы, несмотря на страшную жару в 35°, начались в июле и шли довольно ходко, так что уже в начале октября можно было праздновать завершение строительства. Каменщики уже положили камин и штукатурили его, когда мир потрясли легендарные 98 минут – и один из каменщиков сделал то, что должен был сделать в тот исторический момент. Пальцем он вывел на непросохшей штукатурке слово Sputnick. Так что и сегодня можно прочесть эту надпись с очаровательной грамматической ошибкой.

Старт «Спутника-1» 4 октября 1957 года стал первой вехой в космической гонке, которую Запад сначала воспринял как угрозу, а потом как вызов. Угрозой посчитали при этом не бибикающий спутник, а транспортирующую его межконтинентальную ракету, способную поднять в космос объект весом 80 кг. Этот запуск продемонстрировал технологическую мощь Советского Союза. Когда же с первым пилотируемым полетом Юрия Гагарина 12 апреля 1961 года она была подтверждена, США уже не могли медлить. В мае 1961 года последовало заявление Джона Кеннеди о том, что до конца десятилетия человек будет доставлен на Луну, а в 1962 году, в Хьюстоне, в Университете Райса, он же произнес свою легендарную фразу: «Мы выбрали целью Луну не потому, что ее легко достичь, а потому, что это трудно».

Результат гонки с Советским Союзом к Луне известен. В семидесятые годы интерес к пилотируемым полетам ослаб, но потом снова возродился, когда начались полеты космических челноков. При этом выяснилось, что использование многоразовых носителей для вывода в космос различных объектов требует применения очень сложных технологий, и поэтому надежды на экономию средств оказались напрасными. Такие трагические происшествия, как катастрофа «Челленджера» на старте в 1986 году или падение шаттла «Колумбия» при входе в плотные слои атмосферы на обратном пути после двухнедельного пребывания в космосе (каждая из этих катастроф стоила жизни семерым астронавтам), положили конец эре шаттлов. При старте «Челленджера» взорвался большой внешний бак. Причиной трагедии на «Колумбии» в 2003 году стало повреждение теплоизолирующего покрытия «Спейс-шаттла», ставшее причиной гибели астронавтов на входе в атмосферу.

Нет сомнения, что наибольшие риски космических полетов связаны со взлетами и посадками, но и пребывание в космосе в состоянии невесомости таит в себе множество опасности и ведет к адаптивным изменениям в организме, которыми занимается космическая медицина. Она внесла решающий вклад в разработку различных контрмер, чтобы, несмотря на невесомость, сохранить физическую и психическую работоспособность астронавтов во время полета и, главное, после возвращения в поле силы тяжести Земли. В этой заключительной главе речь пойдет о приспособительных изменениях, их выраженности и временном ходе.

Космическое пространство представляет собой наиболее экстремальную среду для человека, где он может выжить только с помощью вспомогательных технических средств. Для того чтобы адекватно ответить на вызовы и сложности приспособительных процессов, надо с технически производственной и медико-физиологической точек зрения принять во внимание различные категории этих сложностей. К таким категориям, например, относят временную продолжительность и меру автономии миссии. Это очень важные параметры, так как, например, при полете на Марс будет невозможно рассчитывать на какую-то существенную помощь извне. Экипаж в такой ситуации почти полностью предоставлен самому себе, и его выживание зависит от безупречной работы как бортовых технических систем, так и систем на лунной или марсианской базе. Из других категорий следует учесть различные гравитационные нагрузки, такие как действие повышенной силы тяжести (гипергравитации) во время старта и посадки, невесомость во время межпланетного перелета и постоянно уменьшенная сила тяжести (гипогравитация) во время пребывания на Луне или на Марсе, где гравитация слабее, чем на Земле; кроме того, к этому следует добавить воздействие искусственной силы тяжести в центрифугах или вращающихся космических кораблях будущего, среды со слабым магнитным полем, космические излучения различного происхождения, а также психосоциальные проблемы, обусловленные длительной изоляцией и скученностью.

Все эти необычные условия окружающей среды во время космического полета или пребывания на лунных или марсианских базах могут по-разному влиять на организм. В некоторых обстоятельствах это приводит к нарушению работоспособности, здоровья и общего самочувствия астронавтов. Так, например, в космосе изменяется время реакции, осязание, грубая и мелкая моторика и мышечная сила, а это оказывает существенное влияние на поддержание здоровья и на тренировочные программы астронавтов и при известных обстоятельствах может причинить вред безопасности всего экипажа. Здесь надо сказать, что даже мелкие и незначительные медико-физиологические и психосоциальные изменения, не играющие большой роли в рамках кратковременных полетов, в длительных миссиях могут перерасти в ощутимую патологическую проблему и поставить под угрозу успех всей миссии. Долговременные исследования, проводимые в земных лабораториях и на симуляционных установках, таких как Envihab в Кельне при Немецком центре воздушных и космических полетов, изоляционный центр «Сириус» в Москве или симулятор корабля, летящего на Марс, в Хьюстоне, в космическом центре Джонсона, а также физиологические и медицинские исследования на Международной космической станции (МКС) позволяют получить множество ценных сведений о влиянии длительного космического полета на человеческий организм. Такие наземные физиологические исследования человека, будь то изучение влияния многонедельной изоляции, длительной обездвиженности или длительного пребывания в положении вниз головой, едва ли хорошо известны широкой публике. Однако для космической медицины эти работы – важная и плодотворная часть деятельности. Только в рамках этих исследований можно испытывать новые методы и изучать адаптивные возможности организма, например при длительной бездеятельности; их могут проводить коллективы ученых разных специальностей с участием больших групп испытуемых одновременно и в стандартизированных условиях. У меня нет никаких сомнений в том, что значение таких исследований для планирования и выполнения длительных космических полетов будет в дальнейшем только возрастать.

Европейское космическое агентство на ранней стадии деятельности занялось многообразными медико-физиологическими, психосоциальными и техническими проблемами, которые могут играть роль при длительном пребывании человека в космосе. Было выяснено, что человеческий фактор при выполнении долгосрочных миссий будет играть роль, значение которой трудно переоценить. Для полной разработки этой темы она должна стать полем максимально более широкого междисциплинарного научного подхода. Для такой работы востребованы ученые самых разных специальностей – медицины, физиологии, психологии, социологии, биомеханики и техники. Эти специалисты должны быть собраны в единый коллектив, что само по себе представляет сложную проблему. Междисциплинарное сотрудничество и передача сведений от специалистов одного профиля другому до сих пор представляет собой трудную задачу для ученых, работающих в разных научных учреждениях, но в космических исследованиях оно необходимо и неизбежно. Так, на встречах комиссии ЕКА по планированию исследований я сидел за одним столом со специалистами по питанию, психологии, спортивной медицине, эргономике, экологии, технике, машиностроению, разработке процессов и техническому мониторингу – все эти ученые собирались вместе, чтобы разработать такие системы, организационные формы, перспективные задачи, тренажеры и программы физической подготовки, которые могли бы обеспечить проведение исследований в условиях покоя, рабочей нагрузки и отдыха в максимально комфортабельных и эффективных условиях и достижение результатов, значимых для науки.

В восьмидесятые годы ЕКА специально создала междисциплинарную рабочую группу, названную акронимом SIMIS (Simulation Mission Study Group, группа по изучению имитаций космических полетов). Задача SIMIS заключалась в поиске таких объектов для моделирования, как водолазные камеры, подводные научные станции, подземные бункеры и другие отдаленные и глухие места по всему миру, где можно создать условия, близкие к длительным космическим полетам для небольших групп людей. На основании результатов работы в этих учреждениях, направленных в ЕКА, составлялись подробные рекомендации по планированию и осуществлению длительных космических миссий.

Но насколько необходимы пилотируемые полеты в космос, даже если отвлечься от технических трудностей? Имеют ли они смысл, если тщательно оценить затраты и выгоды? Насколько оправданы пилотируемые полеты для общества, для налогоплательщиков? Я думаю, что игра стоит свеч. Для примера возьмем знаменитый телескоп «Хаббл». С его помощью удалось окончательно прояснить некоторые астрономические и космологические проблемы, и эти открытия произвели переворот в известной картине мира. Этот телескоп был в 1990 году установлен в космосе, но из-за технической ошибки лишь частично функционировал на околоземной орбите. Только астронавты в ходе работ в открытом космосе смогли исправить телескоп, что и помогло восстановить его работоспособность.

Люди на Земле получают ощутимую пользу от достижений, связанных с космическими полетами, прежде всего в области медицины, поскольку исследования в космической медицине отличаются инновационными научными подходами и технологическими решениями. Эта, казалось бы, экзотическая и обособленная отрасль тесно связана с клинической медициной, что часто недооценивают. Не могу не привести пару подтверждений. Первое касается исследований остеопороза. Процессы перестройки мышц и костей в космосе протекают в ускоренном темпе. Изменения, которые на Земле становятся заметными лишь по истечении лет и даже десятилетий, в условиях невесомости протекают в считаные дни или недели. Знания и методы, полученные и разработанные в ходе космических полетов, немедленно находят применение в рутинной клинической практике, если речь идет, например, о процессах заживления после травм мышц и костей или о реабилитационных мерах. Яркий пример – широкое внедрение вибрационных пластин либо для профилактики остеопороза у пожилых, либо для восстановления мышц и костей после периодов длительной обездвиженности. Эффективность этих пластин была испытана еще в начале девяностых в исследованиях последствий длительного постельного режима, проведенных ЕКА для того, чтобы выяснить, годится ли этот метод для профилактики или по меньшей мере для замедления потери костной и мышечной ткани у астронавтов в условиях невесомости. В иммунологию космические исследования тоже внесли свой вклад – была изучена роль стресса и воспалительных процессов в генезе опухолей. В науке о питании космические полеты сыграли решающую роль в разработке особых рационов питания; эти исследования обогатили медицину новыми подходами к оценке роли водно-солевого баланса в возникновении артериальной гипертонии, такими как открытие уже упомянутого осмотически неактивного накопления натрия в коже. В неврологии исследования в условиях невесомости позволили лучше понять механизмы функционирования вестибулярного аппарата и возникновения головокружения. Разработанные специально для астронавтов аппараты, например видеоокулограф, быстро нашли свое место в научно-исследовательской и клинической практике. Необходимые для этого сверхскоростные камеры и соответствующее программное обеспечение применяются сегодня офтальмологами, которые ежедневно осуществляют тысячи операций по коррекции формы роговицы глаза. За счет этого оборудования сильно упрощается управление лазерным пучком, а точное наведение гарантируется компьютерной программой. Что касается работы специалистов по радиационной биологии и физике на космической станции, то их исследования способствовали лучшему пониманию механизмов действия лучевой терапии. Ежегодно в мире более 18 млн человек заболевают раком. В настоящее время половина из них может излечиться благодаря современным методам терапии. В значительной мере – в зависимости от типа рака – большой вклад в эти успехи вносит и лучевая терапия. Многообещающим в этом отношении выглядит лечение частицами высоких энергий, в частности протонами и ионами углерода. Эти частицы, будучи частью космического излучения от Солнца, Млечного Пути и дальних галактик, были зарегистрированы на МКС и были там испытаны на предмет их воздействия на биологические системы. Эти знания были материализованы в так называемом Растер-Скане. С помощью этого прибора удалось за счет изменения энергии ионизирующего излучения и управления пучком с помощью магнитного поля очень точно уничтожать опухоли, окруженные здоровыми тканями. Новые методы делают возможным меньшее облучение окружающих тканей, чем традиционные методы.

Без пилотируемых космических полетов многие из этих открытий, из которых мы упомянули лишь некоторые, не были бы сделаны или произошли бы значительно позже. При этом надо учесть, что история пилотируемых полетов насчитывает лишь немногим больше полувека. До сих пор в космосе побывали около семисот человек, которые провели на космических кораблях разное время. В основном это были мужчины. Лишь 10 % астронавтов – женщины. Знания об адаптации и нагрузках в условиях космического полета были получены преимущественно на мужчинах; очень желательно, чтобы и в эту область наконец проникло гендерное равенство. К этому следует добавить, что в большинстве случаев длительность пребывания на космическом корабле не превышает двух недель. Число длительных полетов увеличилось только в последние годы благодаря вводу в эксплуатацию Международной космической станции (МКС). Рекорд длительности пребывания в космосе принадлежит русскому врачу, доктору Валерию Полякову, который провел на станции «Мир» 437 дней в 1994–1995 годах. Рекорды общей продолжительности пребывания в невесомости также были установлены во время многочисленных полетов в космос; здесь международная пальма первенства принадлежит российским космонавтам: 769 дней Александра Калери за период с 1992 по 2011 год, 747 дней Сергея Авдеева в полетах с 1992 по 1999 год и 736 дней Олега Кононенко – суммарное время пребывания на МКС в период с 2008 по 2019 год. В частности, длительные полеты в космос с их динамическими исследованиями в течение многих недель и месяцев решительно улучшили наши знания об адаптации человеческого организма к невесомости. Благодаря ряду наземных исследований и исследований в космосе мы кое-что знаем о физиологической адаптации органов и систем, а также о выраженности изменений и времени, в течение которого эти изменения происходят.

Состояние сердечно-сосудистой системы и водно-солевого обмена стабилизируется примерно за шесть недель. Множество данных было получено также в отношении опорно-двигательного аппарата. Так, в течение первых двух месяцев происходит быстрое уменьшение массы опорной и позной мускулатуры в области таза и нижних конечностей. В ходе этих изменений развивается также поражение соответствующих участков скелета; в среднем за один месяц происходит уменьшение костной массы на 1–2 %; однако эти потери происходят неравномерно и в первую очередь касаются тех участков, где сила тяжести в наибольшей степени влияет на план строения тела: нижний, поясничный отдел позвоночника, тазовые кости, кости бедер и голеней. Наибольшие потери костной массы исследователи выявили в пяточной кости в области свода стопы. Убыль костной массы на 1–2 % не выглядит тревожной, но если учесть, что полет на Марс в оба конца занимает около трех лет, то можно ожидать, что плотность костей уменьшится на одну треть. Плотность костей молодого тридцатилетнего астронавта будет по возвращении соответствовать плотности костей глубокого старика в возрасте далеко за восемьдесят. Это не слишком радужная перспектива для возвращения в поле земного тяготения. То же самое касается долгосрочных эффектов воздействия интенсивного космического излучения – этого вопроса мы коснемся отдельно.

Ко всему этому следует добавить психологические проблемы длительного полета, возникающие за счет ограничения сферы личной жизни, оторванности от семьи, а также межличностных конфликтов из-за территориальных и доминантных притязаний отдельных членов группы, структуры группы, группового мышления и групповой динамики – и все это многократно усиливается в результате воздействия таких стрессовых факторов, как изоляция, скученность, отсутствие или, наоборот, избыток внешних стимулов, ограниченность подвижности, чувство полной зависимости от технического обеспечения, недостаток комфорта и не в последнюю очередь шум на борту. Работа двигателей, проведение экспериментов, системы климат-контроля в некоторых модулях МКС производят шум громкостью от 60 до 100 дБ, что соответствует шуму от проезжающего мимо автомобиля. Помимо этого, искусственная среда и навязанный ритм труда и отдыха на МКС приводят к нивелированию эндогенных биоритмов, вследствие чего нарушается ритм сна и бодрствования, а это оказывает, в свою очередь, негативное воздействие на общую работоспособность астронавтов. Для того чтобы этому противостоять, искусственное освещение МКС максимально приближено к естественному, но полностью заменить солнечный свет оно, конечно, не может. Сюда же относится отсутствие социальных контактов, семьи, друзей по работе и для досуга.

Российские ученые, на основании исследований, выделяют начальную фазу продолжительностью около двух недель, в течение которой происходит перестройка организма. Затем следует – до третьего месяца – фаза полной адаптации, после чего наблюдают частые нарушения сна, снижение активности членов экипажа и сужение сферы интересов. Становятся заметными повышенная раздражительность и утомляемость. Согласно результатам моих долгосрочных исследований во время длительного полета на борту МКС, у астронавтов наблюдаются удивительно сильные ритмические колебания температуры тела в течение суток. Надо исходить из того, что за счет смены дня и ночи на космической станции – а за сутки там солнце всходит и заходит 16 раз – сбивается циркадный ритм температуры тела. Однако по данным проводимого в настоящее время исследования, эти колебания не касаются организма в целом. Затрагивает ли данное положение биоритмические процессы на клеточном и молекулярном уровне, еще предстоит выяснить.

Все эти взятые вместе факторы ведут к тому, что длительный полет в космос даже после многолетней тренировки астронавтов остается чрезвычайно необычной, действительно экстремальной нагрузкой, далеко превосходящей все, что мы переживаем в земных условиях. Как, однако, различаются между собой четыре разных сценария космической миссии: в околоземном пространстве (МКС, полет на низкой орбите, сценарий 1), межпланетный космический полет (транзит, сценарий 2) или пребывание на Луне (сценарий 3) и, наконец, пребывание на Марсе (сценарий 4)? Для начала здесь надо учесть три важных параметра: удаленность от Земли, изменение силы тяжести (g) (микрогравитация, мкg или 10–6g на околоземной орбите, 0 g при межпланетном транзите, 0,16 g на Луне и 0,38 g на Марсе), а также продолжительность путешествия. Различные сценарии миссий неизбежно приводят с точки зрения здоровья, безопасности и благополучия экипажа к различным профилям нагрузок. Помимо этого, они решающим образом влияют на операционное планирование и на технологические решения вплоть до конструкции и оборудования соответствующих космических кораблей или космических станций, причем можно обоснованно исходить из того, что опасности и проблемы сохранения здоровья экипажа будут расти от сценария 1 к сценарию 4, причем очень существенно. Не последнюю роль играет также истинное время телекоммуникации при значительном удалении от Земли; общение в такой ситуации становится во все большей мере неэффективным. Для миссии на Марс это означает временную задержку по меньшей мере 40 минут. Сообщение с Земли до Марса дойдет за 20 минут, а для получения ответа, если он последует немедленно, потребуется еще 20 минут. Очевидно, что при такой задержке становится невозможным никакой осмысленный диалог между Марсом и наземным центром.

Кроме того, сценарии миссий значительно отличаются друг от друга в отношении возможности оказания помощи в случае, например, какого-то неотложного медицинского состояния. С МКС, находящейся на околоземной орбите, астронавта можно эвакуировать на Землю в течение 24 часов. Для того чтобы доставить больного с Луны, потребуется двое суток, и это в принципе возможно. При экстренной ситуации такого рода, возникшей во время транзита к Марсу или на самом Марсе, такая эвакуация исключена. Она при современном состоянии космических кораблей может в лучшем случае потребовать несколько месяцев. Соответственно, сценарии 3 и 4, по необходимости, требуют наивысшей автономности миссии. Это означает, что планирование должно предусматривать присутствие на борту врача, который, возможно, одновременно должен исполнять обязанности командира и доверенного лица для членов экипажа.

Риск от воздействия излучения значительно повышается при переходе от сценария 1 (пребывание на околоземной орбите) к сценариям 2, 3 и 4, если не принять соответствующих защитных мер, например строительства укрытий на Луне и Марсе в виде систем подземных туннелей. Но прежде чем думать о строительстве туннелей для нашей защиты от воздействия космического излучения, надо подумать и о другой, не менее важной задаче, о том, какие еще сохраняющие жизнь системы необходимы для гарантированного выживания в условиях космического пространства, – и это весьма длинный список!

Системы жизнеобеспечения космических кораблей получили от создавших их инженеров самые разнообразные наименования: Закрытая эквилибрированная биологическая акватическая система (Closed Equilibrated Biological Aquatic System), Биорегенеративная система жизнеобеспечения (Bioregenerative Life Support System, Atmosphere Revitalization Subsystem), Система экологического контроля и жизнеобеспечения (Environmental Control and Life Support System) или Закрытая экологическая установка для контролируемых экологических систем жизнеобеспечения (Controlled Ecological Life Support Systems Closed Ecology Facility). Общим для всех этих систем становится то, что они, с одной стороны, включают в себя защитные компоненты, например удаляя из атмосферы корабля углекислый газ, который образуется в человеческом организме в ходе обмена веществ, а с другой – за счет физико-химических процессов обогащают эту атмосферу жизненно необходимым нам кислородом. Одновременно в этих системах есть и элементы жизнеобеспечения: они должны создавать энергетические субстраты, пригодные для употребления в пищу. Эти Биорегенеративные системы жизнеобеспечения (Biological Life Support Systems) должны использовать в работе фотосинтез, в ходе которого из углекислого газа и воды под действием световой энергии образуются углеводы и кислород, то есть создается химическая энергия. Для того чтобы быть полностью функциональной и работоспособной, эта система нуждается в достаточной концентрации углекислого газа в атмосфере, как и в поддержании других параметров среды, например соответствующей влажности почвы, температуры, барометрического давления и освещения светом необходимых длин волн. Сельскохозяйственные культуры этих искусственных систем по большей части высаживаются на кораблях в виде монокультур, чтобы растения не были связаны с природными биотопами, что, как известно по земному опыту, чревато определенным риском. Самый большой недостаток и самая большая трудность, связанные с такими системами, – это отсутствие силы тяжести, поскольку в большинстве разработанных до сегодняшнего дня систем используются земные растения. В росте они проявляют гравитропность, то есть качество роста зависит от силы тяжести; в условиях невесомости они в предпринятых до сих пор попытках растут плохо, не растут совсем или не приносят съедобных плодов. Вероятно, причиной выступает отсутствие в невесомости тепловой конвекции вокруг корней растений. По этой причине и были среди прочих разработаны системы типа CEBAS, где используется водная среда, в которой выращивают негравитропные растения, продуцирующие, помимо растительного материала, и животный белок.

В обозримом будущем, вероятно, не удастся создать замкнутую систему, с которой можно будет снимать урожаи. Почему? В одном месте этой системы в нее надо что-то добавлять, а в другом – что-то удалять. Системы такого типа называют полуоткрытыми. Корректировка работы таких систем требует энергии, чего хочется избежать, и поэтому инженеры продолжают работать над созданием закрытых систем. С точки зрения физиологии питания разнообразный рацион защищает от дефицитов. Поэтому врачи и психологи ратуют за как можно большее разнообразие свежей, производимой самими астронавтами пищи. Это важно и с психологической точки зрения, так как посев и сбор урожая служат отвлечением от монотонности существования в условиях космического полета и помогают не только реагировать, но и действовать.

Это может показаться удивительным, но самой частой жалобой, которую предъявляют астронавты во время длительного пребывания в космосе, становится потеря аппетита. Именно поэтому так много делается для улучшения питания астронавтов. Сегодня звездные повара в сотрудничестве с учеными-диетологами создают разнообразные дневные меню, а астронавту, уже за месяцы до начала миссии, подбирают любимые блюда, так называемые бонусные блюда (bonus food) или специальные блюда (special meals) для особых торжественных случаев. Будущий немецкий астронавт Маттиас Маурер, который должен отбыть на МКС в конце 2021 года, возьмет с собой особое блюдо своей малой родины, Саарланда: рагу из оленины и хориш, предложенные шеф-поваром таверны в Перль-Борге Кристианом Хайнсдорфом. Ему придется сделать это блюдо на сертифицированном предприятии по строго определенным правилам и законсервировать способом, пригодным для использования в космосе. За самим процессом будут наблюдать специалисты Европейского космического агентства. Полное меню, которым может воспользоваться астронавт Маурер, состоит почти из 100 блюд и 20 напитков. Это очень важно. Благодаря множеству и разнообразию соответствующих блюд, приемы пищи могут быть отделены друг от друга достаточно длинными промежутками времени, а кроме того, разнообразие радует вкус и греет душу. Это отнюдь не открытие космической эры; еще древние римляне знали: variatio delectate[2] – разнообразие радует. К тому же еда, особенно еда за совместной трапезой, прерывающая обыденное течение вещей, возможность поговорить с другими, помогает сбросить накопившееся за день напряжение. Подтверждением тому служат многочисленные рассказы команд подводных лодок и коллективов зимовщиков на антарктических станциях. Там самым важным человеком, помимо капитана или начальника экспедиции, остается повар.

На МКС или в ближайшем будущем на Луне или на Марсе должность повара не предусмотрена. Таким образом, что должны повара учесть перед отлетом астронавтов, помимо того, что у каждого члена экипажа есть свои гастрономические предпочтения? Существуют ли особые ограничивающие факторы в этой экстремальной среде, которые надо учитывать? Раньше все блюда размалывали в пюре до полной неузнаваемости, спрессовывали в кубики и заваривали в пластик или фасовали в тюбики. Конечно, назвать эти блюда деликатесами трудно. Некоторые продукты и сегодня замораживают и высушивают для экономии веса и места, но каждый грузовой корабль, который отправляют на МКС, непременно везет с собой свежие овощи и фрукты. В том, что касается упаковки, надо учитывать особые требования. Ее должно быть легко вскрывать, но она должна быть настолько герметичной, чтобы не допустить проникновения болезнетворных бактерий за время многомесячного хранения. Пищевое отравление на космической станции стало бы одним из наихудших сценариев. Кроме того, при открывании не должны образовываться осколки – металлические или пластиковые, которые в условиях невесомости на МКС будут свободно плавать в воздухе и могут попасть в дыхательные пути или в глаза.

Полет по параболе

При подготовке меню звездный, в полном смысле этого слова, шеф должен отказаться от соли, так как натрий ускоряет вымывание кальция из костей. Этот процесс и так ускорен в невесомости, что создает специалистам по космической медицине большую головную боль. В блюда надо добавлять острые приправы, потому что восприятие вкуса и запаха ослаблено, и это очень болезненная потеря. У астронавтов это объясняется, вероятно, тем, что жидкость в организме скапливается не в ногах, а в голове – происходит так называемое смещение жидкости, а это приводит к отеку кожи и слизистых оболочек в ней. Поэтому затрудняется передача сигналов от вкусовых сосочков языка, которые различают сладкий, кислый, горький, соленый вкус и вкус мяса. Помимо этого, еда не должна приводить к вздутию живота, а напитки не должны содержать угольную кислоту. Угольная кислота может привести к тому, что с газом из желудка могут выноситься крошки пищи, которые могут попасть в дыхательные пути, а это в некоторых случаях может создать угрозу жизни. Употребление спиртных напитков на МКС официально запрещено, но ходят неподтвержденные слухи, что небольшое его количество какими-то неисповедимыми путями на борт все же попадает.

Но находят ли какое-то повседневное применение эти экзотические, невероятно дорогие космические блюда, одна доставка которых на космическую станцию – не считая даже дороговизны их приготовления – стоит 20 000 евро за килограмм? Да, находят, ежедневно и по всему миру. Недаром в интенсивной терапии искусственное питание пациентов через зонд носит название «питания астронавтов». Для осуществления такого питания больных готовят жидкие смеси со всеми необходимыми компонентами суточного рациона – калориями, питательными веществами и микроэлементами. Это питание не попало в космос как продукт для астронавтов, но его разработка в шестидесятые годы привела к тому, что к концу того десятилетия оно впервые было с успехом использовано в лечении пациентов с хроническими заболеваниями кишечника, а сегодня считается неотъемлемой частью интенсивной терапии.

Проблема сохранения аппетита в условиях невесомости до сих пор полностью не решена, но в последние десятилетия была признана и по меньшей мере перестала быть такой острой, как раньше. Конечно, потеря аппетита – всего лишь одна из множества мелких и больших проблем, с которыми сталкивается астронавт, и ими уже начали заниматься, но теперь с ними предстоит разобраться более обстоятельно. В частности, в первые дни космического полета астронавтов беспокоит тошнота, космическое укачивание, которое возникает в результате противоречивой информации о положении тела в пространстве, которую получает мозг; рассогласование возникает оттого, что орган равновесия во внутреннем ухе под влиянием невесомости получает одну информацию, а глаза – другую. Конфликт впечатлений возникает в головном мозге, потому что зрительный аппарат воспринимает и фиксирует положение тела в пространстве, а орган равновесия такой возможности лишен из-за невесомости. Недомогание и повышенный стресс, который создается постоянными рабочими требованиями, в последующие дни суммируются и приводят к истощению и бессоннице. Отсутствие нагрузки на позвоночник, особенно в поясничном отделе, приводит к появлению значительной боли в спине, что затрудняет полноценный отдых. Боль в спине возникает из-за того, что позвоночник, имеющий в земных условиях S-образную форму, в невесомости выпрямляется, что приводит к натяжению нервов, выходящих из спинного мозга. Помимо этого, астронавты жалуются на головную боль, вызываемую смещением жидкости тела в область головы. В некоторых случаях астронавты сообщают о поносах, запорах, нарушениях чувствительности, сухости, плохо заживающем растрескивании кожи, аллергических реакциях и грибковых инфекциях.

С увеличением продолжительности космических полетов усиливаются также такие психологические проблемы, как депрессия, фобии, раздражительность, которые снижают умственную работоспособность, концентрацию внимания, вызывают сужение круга интересов и выносливость астронавтов. Российские космические врачи, имеющие огромный опыт в вопросах воздействия длительных космических полетов на организм, называют это состояние, которое проявляется у астронавтов общей слабостью и потерей сил, астенией. Среди прочего за возникновение слабости ответственны устойчивые физиологические механизмы адаптации к невесомости, которые отвечают, помимо уже упомянутой потери мышечной массы, за уменьшение объема циркулирующей крови и числа эритроцитов, осуществляющих транспорт кислорода. Вопрос о том, почему невесомость приводит к разрушению эритроцитов, до сих пор служит предметом жарких научных дискуссий. До сих пор исходили из того, что вследствие смещения жидкости грудная клетка переполняется кровью. Вследствие этого подавляется секреция кроветворного гормона эритропоэтина (ЭПО) почками, что мы установили в наших исследованиях во время миссий на шаттлах и на станции «Мир». Снижение поступления эритропоэтина в кровь приводит (по нашим данным) к тому, что юные, не полностью созревшие эритроциты, так называемые ретикулоциты, накапливаются в селезенке, где разрушаются. Для этого процесса даже придумали специальное название – неоцитолиз, разрушение юных клеток. Правда, на основании земного изучения ситуаций, когда происходят быстрые изменения объема крови в грудной клетке, многие высказывают сомнения в том, что такая взаимосвязь существует. Почему это важно? Дело в том, что существует множество заболеваний, при которых увеличение объема крови сочетается с увеличением числа эритроцитов, а патофизиологические механизмы этого пока не вполне понятны. Понимание этих состояний необходимо для того, чтобы найти отправную точку для поиска средств лечения.

Для астронавтов уменьшение числа красных кровяных клеток означает в первую очередь снижение физической работоспособности. Для того чтобы воспрепятствовать такому развитию событий, астронавты ежедневно дважды по полчаса тренируют силу и выносливость; перед возвращением на Землю эти тренировки становятся еще интенсивнее. Необходимые в повседневной жизни движения и перемещения тела, когда нет каких-то повышенных требований, например работы в открытом космосе вне пределов космической станции, практически не требуют затрат сил и энергии, вследствие чего уменьшается нагрузка на сердечно-сосудистую систему, уменьшается кровоток в мышцах да и объем вентиляции легких, то есть работа дыхания, сводятся к минимуму. Не возникают в невесомости и ортостатические нагрузки, которые на Земле в вертикальном положении действуют вдоль продольной оси тела. Сохраняется, однако, необходимость очень точно выполнять все двигательные действия, например при осуществлении стыковки. Это вызывает наибольшие трудности у астронавтов, потому что двигательные программы для работы в условиях силы тяжести заложены в мозжечке. Эти программы должны, так сказать, быть переписаны для работы в невесомости с учетом информации о положении тела и условиях генерации силы.

Здесь в наибольшей степени сказывается ограниченность наземных исследований, например исследований людей в условиях обездвиженности. В этих исследованиях на симуляторах испытуемый за счет тактильных стимулов получает дополнительную информацию о положении тела в пространстве; эта информация отсутствует в невесомости. Тем не менее наземные исследования сохраняют свою важность, поскольку адаптационные процессы в космосе в принципе сравнимы с таковыми при соблюдении строгого постельного режима. Уже в шестидесятые годы было известно, что недостаточная нагрузка на различные органы и системы органов, как то: сердце, сосуды, мышцы и скелет, наблюдается как в космосе, так и – пусть и в смягченной форме – при соблюдении строгого постельного режима в земных условиях. Для того чтобы избежать такой детренированности, то есть потери функций, астронавты вынуждены ежедневно тренироваться по специальной программе, для чего отчасти были сконструированы новые тренажерные аппараты. При этом учитывались многие аспекты тренировок – их интенсивность, объем и безопасность. Так как применение отягощений в космических тренировках бессмысленно, конструкция тренажеров предусматривает использование эластических сопротивлений, например резиновых эспандеров, электромагнитных или пневматических сопротивлений, которые астронавт должен преодолевать за счет мышечных усилий. Для упражнений на выносливость, которые особенно полезны для предупреждения детренированности сердечно-сосудистой системы, на космических станциях применяют беговые дорожки, велоэргометры и аппарат для имитации гребли. Для тренировки больших групп мышц, требующей большой силы, был недавно разработан универсальный тренажер, так называемое усовершенствованное устройство для упражнений с сопротивлением (Advanced Resistive Exercise Device, сокращенно ARED). Этот тренажер стал, можно сказать, любимым развлечением астронавтов на МКС. Работающий на ARED астронавт сидит в утробе состоящего из множества стержней аппарата, отдельные элементы которого можно перемещать ногами, спиной или руками, преодолевая внутреннее, созданное пневматическими устройствами сопротивление. В этом аппарате можно очень дозированно выполнять сгибания в коленных суставах, а также такие упражнения, как жим лежа и становая тяга, причем с соблюдением необходимых мер безопасности. С помощью этого тренажера астронавты могут упражнять практически всю мускулатуру.

Поскольку мускулатура, как и скелет, нуждается в таком стимуле в форме механической нагрузки, то говорят, что для поддержания работоспособности и структуры этих систем необходимо напряжение. В условиях невесомости эти нагрузки на мышцы и кости, как уже было сказано, снижаются до минимума, и уже через два дня пребывания в космосе начинают проявляться признаки мышечной атрофии, сопровождающиеся структурными и функциональными изменениями мышечной ткани. Эта атрофия особенно сильно выражена в позных мышцах, которые поддерживают тело в вертикальном положении под действием силы тяжести. Без применения контрмер во время коротких полетов астронавты теряют около 20 % мышечной массы, а за время длительных миссий до 50 %. Эта потеря сильнее выражена в разгибателях, чем в сгибателях. Больше других страдают мышцы ног. Возникает очень серьезная проблема, когда астронавт после долгого пребывания в условиях невесомости попадает в поле тяготения, будь то по прибытии на Луну или Марс или по возвращении на Землю. Поэтому ни в коем случае нельзя пренебрегать силовыми тренировками во время космического полета.

С изменениями в мышцах тесно связаны изменения костей скелета. Без адекватной нагрузки, без напряжения нарушится равновесие между новообразованием и разрушением костной ткани. Темп потери костной массы составляет в среднем от 1 до 3 % за месяц. В участках с минимальной нагрузкой такая потеря может составить до 10 %. Это еще раз подчеркивает большое значение последовательных тренировочных программ и соответствующих тренажеров для поддержания здоровья опорно-двигательного аппарата. В разработке подобных тренажеров большую роль играют не только спортивно-медицинские и спортивно-физиологические соображения, но и возможность воздействия тренировок на саму космическую станцию. Интенсивные тренировки приводят к сотрясениям и вибрации, что может повредить выполнению проводимых на ней экспериментов. Самой большой опасности подвергаются физические эксперименты. Поэтому следовало бы провести пилотные исследования по измерению, например, уровня вибрации. Это необходимо прежде всего в свете использования вибрационных пластин для тренировки астронавтов, в частности системы Powerplate. Эта новая технология в земных условиях показала удивительную эффективность в сохранении и усилении мышечных и костных структур. Высокочастотные вибрации стимулируют возникновение рефлексов растяжения мышц и сухожилий, для противодействия которым мышцам с такой же высокой частотой приходится напрягаться и расслабляться. Благодаря такой тренировке происходит наращивание мышечной массы, и одновременно за счет тяги, приложенной к сухожилиям, происходит стимуляция роста костей. Благоприятным побочным эффектом от воздействия вибрационных пластин может стать то, что удастся сократить время тренировок в космосе, по крайней мере для восстановления мышечных и костных структур. В настоящее время проводятся испытания дополнительных фармакологических средств, например аминокислот для стимуляции синтеза белков с целью сохранения здорового состояния мышц и костей.

Уменьшение костной массы оказывает негативное влияние не только на прочность скелета, но, за счет ускоренного разрушения костей, приводит к повышению концентрации кальция в крови, а это создает риск образования мочевых камней, которые могут стать причиной неотложного медицинского состояния на космической станции. Тот, у кого были колики на фоне отхождения желчных или мочевых камней, знает, какой мучительной может быть связанная с этим боль! Согласно нашим современным знаниям, восприятие боли, в отличие от других ощущений, не ослабевает в условиях невесомости.

Об изменении вкуса в невесомости я уже говорил, но как обстоят дела с другими органами чувств? Считается, что в земных условиях приблизительно 40 % чувствительных клеток организма заняты обработкой информации, поступающей от кожи, мышц и суставов, чтобы мозг мог контролировать положение и движения тела в пространстве. Еще 30 % чувствительных клеток обрабатывают зрительную информацию и анализируют ее. Все остальные приблизительно в равных долях заняты обработкой слуховой информации и информации, поступающей от прочих органов. Отсюда понятно, что наш мозг главным образом нагружен кинестетическими задачами, то есть задачами, связанными с восприятием движений в пространстве и с обработкой зрительных образов. Поэтому нет ничего удивительного в том, что в процессе эмбрионального развития система восприятия движений начинает работать прежде систем, отвечающих за слух, вкус, обоняние, причем начинает уже на седьмой неделе беременности. В это время размер эмбриона не превышает 2 см. Это лишний раз подчеркивает очевидную важность восприятия пространства для жизни как таковой. Без этой системы восприятия невозможны никакие целенаправленные движения, ни до ни после рождения на свет. К этому моменту еще не закончено развитие внутренних органов. Этот этап завершается к девятой неделе внутриутробного развития и предваряет остальное развитие плода. Система слухового восприятия начинает функционировать только на 24-й неделе беременности, орган равновесия на 25-й, а зрение полностью формируется только на 4-м году жизни после рождения.

Осязание поддерживается покровом из тонких волосков, которых у взрослого человека насчитывается около 5 млн. Этот покров слишком тонок для того, чтобы, как на более ранних этапах нашей эволюционной истории, играть какую-то роль в терморегуляции, но зато этот волосяной покров принимает участие в осязании. Так как волосяной фолликул в среднем иннервируют пятьдесят осязательных рецепторов, то легко подсчитать, что в коже содержится около 250 млн рецепторов. К этому числу надо добавить еще 200 млн свободных нервных окончаний, способных различать около 10 модальностей воздействия. Гигантская нервная сеть тела способна среди прочего распознавать прикладываемое к коже давление, температуру осязаемого предмета и деформации кожи. Число рецепторов, воспринимающих деформации кожи, оценивают приблизительно в 60 млн. Нормальный гражданин, конечно, не столь чувствителен, как принцесса на горошине из одноименной сказки Ханса Кристиана Андерсена, но кожей лба мы способны ощутить давление силой меньше тысячной доли грамма.

Всего чувствительных клеток – порядка одного миллиарда. Этот мощный фон, особая роль кожи, органа равновесия и зрительной системы объясняют, почему внезапное выпадение многочисленных и разнообразных стимулов в космосе, так называемая сенсорная депривация, создает нешуточную проблему для центральной нервной системы. Недаром в «Рассказах о пилоте Пиркса» научного фантаста Станислава Лема кандидаты на должность пилота подвергались жесточайшему отбору, после чего проходили завершающий тест, по результату которого судили об их пригодности. Кандидатов помещали в условия практически полной сенсорной депривации, в звуконепроницаемую изолирующую камеру, куда не проникал ни один луч света. Они плавали в концентрированном солевом растворе, как в Мертвом море, и температуру этого раствора поддерживали такой, чтобы человек в нем не потел и не мерз. Сначала человек испытывал блаженство и расслабленность, но затем начиналось целое путешествие в страну ужасов, прежде чем человек освобождался от бредовых мыслей. Главное действующее лицо, антигерой кадет Пиркс, блестяще выдержал это испытание, и ему предложили пройти особую практику на космической станции, расположенной на обратной стороне Луны.

Сенсорная депривация в космосе не такая полная и зловещая, как в солевом растворе кадета Пиркса, поскольку здесь, на МКС, астронавт не совсем полностью отключен от всех внешних раздражителей, а наш мозг настолько функционально пластичен, что уже через пару дней обучается по-новому оценивать чувственные ощущения. Например, с течением времени исчезают симптомы космического укачивания. Для того чтобы в первые дни не слишком сильно страдать от приступов космической болезни, астронавты на борту МКС могут прибегать к таким лекарствам, как скополамин, классическому средству от морской болезни, которое много десятков лет с успехом применяют на Земле. Побочным эффектом скополамина становится утомляемость, поэтому одновременно с ним астронавты принимают амфетамин, который позволяет сохранять ясность ума и силы.

Более сложным образом проявляется так называемый нервно-глазной синдром, обусловленный космическим полетом (spaceflight associated neuro-ocular syndrome, сокращенно SANS). Это заболевание пока невозможно предупредить, для этого мы не располагаем подходящими средствами. SANS преимущественно наблюдают при длительных космических полетах. В чем же он заключается? Картина заболевания до сих пор до конца не ясна. У этой болезни следующие симптомы: повышение внутричерепного давления, нарушение циркуляции ликвора в головном и спинном мозге, накопление в центральной нервной системе прозрачной водянистой жидкости, бедной клетками и белком, а также возможное сдавление зрительных нервов, у некоторых астронавтов, вернувшихся после длительного пребывания на МКС, оно проявилось снижением остроты зрения. Гипотеза, объясняющая этот синдром, основана на смещении жидкости в верхнюю половину тела в условиях невесомости. Причины ухудшения зрения или формирования отека мозга должны быть, однако, выяснены, прежде чем будет можно отправлять астронавтов в еще более длительные космические путешествия. Многие ученые – в том числе и мы – занимаются сейчас исследованием этой проблемы.

Когда немецкий астронавт Матиас Маурер поднимется на борт космического корабля, в его ранце будет не только рагу из оленины и саарландские картофельные клецки, но и лента с тепловым жидкостным сенсором, которую он наложит себе на лоб. Эта лента была разработана в берлинской клинике Шарите и названа «Термо-мини». На материале предыдущих космических миссий мы, к своему удивлению, обнаружили, что в течение первых двух месяцев пребывания в космосе внутренняя температура тела постепенно повышается более чем на 1 °C и держится на этом уровне до конца путешествия, которое в среднем длится полгода. Есть первые указания на то, что параллельно этому повышению температуры тела у астронавтов происходит повышение содержания в крови биохимических маркеров, типичных для хронического воспаления. Это воспаление может приводить к поражению клеточных мембран в центральной нервной системе, что делает их более проницаемыми, а следовательно, располагает к развитию отека нервной ткани. Поскольку мозг заключен в жесткий костный футляр – череп, он не может сильно увеличиваться в объеме, а значит, неизбежно станет повышаться внутричерепное давление. Это не может не отразиться на состоянии зрительных нервов. Дело в том, что зрительный нерв, выходя из глазного яблока, проникает в череп через узкое отверстие. Даже небольшое повышение внутричерепного давления, таким образом, может привести к повреждению нерва в этом узком месте. Одновременно наблюдаемые нами признаки хронического воспаления могут говорить о том, что на борту МКС астронавты подвергаются более сильному облучению, чем на Земле. SANS – очень серьезная проблема, и, несмотря на то что опасность развития этого синдрома известна с первых дней космической эры, практическое решение этой проблемы до сих пор не найдено.

К этой важной проблеме избыточного облучения и его эффектов мы сейчас и обратимся. Из практических соображений лучевую нагрузку, испытываемую астронавтами, разделяют на краткосрочную и долговременную. В обоих случаях поражение развивается в результате образования в высшей степени реакционноспособных свободных радикалов, то есть химических элементов, агрессивно вступающих в химические реакции; с такими активными свободными радикалами мы познакомились уже в горах. Но здесь, в космосе, излучение куда в большей степени приводит к образованию свободных радикалов. По этой причине излучение может в клетках повредить ДНК и регулирующие обмен веществ молекулы. К краткосрочным эффектам относят лучевую болезнь. Для нее характерны такие симптомы, как тошнота, рвота, понос, снижение числа клеток крови, смертельно опасные кровотечения. Выраженность симптомов зависит от полученной дозы радиации. К долгосрочным эффектам относят вызванные излучением повреждения ДНК, которые могут привести к неконтролируемому росту клеток и в конечном счете к раку.

В земных условиях среднестатистический житель Германии ежегодно получает дозу фонового излучения, равную в среднем двум миллизивертам (мЗв). К этой естественной лучевой нагрузке следует добавить лучевую нагрузку, обусловленную влиянием цивилизационных факторов и равную в среднем ежегодной дозе 1,8 мЗв. Согласно медицинским исследованиям, эта дополнительная лучевая нагрузка складывается из радиоактивных осадков после ядерных взрывов в пятидесятые и шестидесятые годы и последствий катастроф на атомных электростанциях в Чернобыле (1986 год) и в Фукусиме, в Японии (2011 год). Таким образом, в Германии средняя экспозиция к радиоактивности природных и цивилизационных источников составляет около 4 мЗв в год. «Зиверт» – единица измерения, принятая в радиационной биологии. Она представляет собой меру биологического воздействия радиоактивного излучения на человека, животных и растения. Так как доза излучения, равная одному зиверту, очень высока, то полученные дозы обычно выражают в тысячных долях зиверта, в миллизивертах (мЗв). Согласно предписаниям ведомства по защите от излучения, предельно допустимой дозой дополнительного излучения от их производственных источников в Германии остается доза 1 мЗв. Для людей, в силу профессии имеющих дело с радиоактивным излучением, например рентгенологов, предельно допустимой дозой становится 20 мЗв в год. Для сравнения, работники атомной электростанции в Фукусиме получили дозы почти в десять раз большие – 175 мЗв. Воздействие 1–6 Зв вызывает тошноту, рвоту, лихорадку и выпадение волос. Доза 5–20 Зв приводит к шоку и массивным кровотечениям, при облучении дозами свыше 20 Зв смерть наступает в течение двух дней. Если рассчитывать лучевую нагрузку посуточно, то каждый житель Земли получает в среднем от 0,0025 до 0,005 мЗв. На МКС, расположенной на орбите, удаленной от поверхности Земли на 400 км, защита от космического излучения, обеспечиваемая атмосферой и магнитным полем Земли, отсутствует. Поэтому астронавты получают значительно большую дозу излучения, чем жители Земли: в среднем 0,8 мЗв в сутки. Риск облучения сильно возрастает, если астронавт покидает околоземную орбиту и находится, например, на Луне. Согласно данным, полученным с помощью китайского лунного зонда «Чан-4», доза излучения там в десять раз выше, чем на МКС.

Эти данные получены при измерениях, сделанных на фоне спокойного Солнца, вне вспышек, которые, хоть и случаются редко, но вызывают многократное усиление излучения. Что же намерены делать специалисты, чтобы ему противостоять? Фармакологи создали для защиты от радиации препараты, связывающие свободные радикалы; создаются и новые защитные средства такого рода. Кроме того, существуют лекарства, которые могут препятствовать озлокачествлению уже поврежденных излучением клеток. Эту проблему можно решить, создав защитные оболочки вокруг космических кораблей и станций, обеспечивающих радиационную безопасность астронавтов. Так как главная опасность в этом случае исходит от высокоэнергетических частиц солнечного вещества, движущихся с субсветовыми скоростями, то для защиты от радиации можно использовать спутниковую систему предупреждения и оповещения. В случае, например, вспышки на Солнце, ее опасность можно будет оценить уже вблизи от Солнца и передать сообщение об этом на борт космического корабля со скоростью света. Это позволит экипажу выиграть время и вовремя перейти в защищенный от радиации отсек корабля.

Технически возможно создать материалы, эффективно отражающие излучение, или использовать отклоняющие потоки излучения магнитных полей; последнее решение, разумеется, требует больших энергетических затрат. В лабораториях уже были испытаны сверхпроводящие магнитные катушки, не требующие для работы глубокого охлаждения. В условиях Луны и Марса надежным способом защиты от излучения станет строительство подземных станций, выход из которых наружу будет осуществляться только при крайней необходимости.

Но до того, как такие станции станут реальностью, придется собрать данные, полученные в ходе длительных экспедиций, которые будут работать на окололунной орбите. Эта орбитальная станция получит название Gateway («Ворота»). Если измерения внутренней температуры тела, порученные Маттиасу Мауреру, будут успешно завершены на борту МКС, то, скорее всего, лет через пять-десять прибор «Термо-мини» отправится в путешествие на Луну. Его разработка уже началась. Тогда я смогу снова вернуться на обратную сторону Луны.

Первый контакт с обратной стороной Луны лично для меня обернулся вынужденной посадкой, но, оказывается, такие ошибки более поучительны, чем успехи. Для того чтобы становиться «умнее» после неудач, необходима тщательная, всесторонняя подготовка. Памятуя о том факте, что выполнение сложных задач в экстремальных условиях внешней среды всегда чревато высоким риском, в британской армии следуют – для предупреждения катастроф – правилу пяти П: Правильное планирование и подготовка предупреждают провалы (правило семи P: Proper Planning and Preparation Prevents Piss Poor Performance).

Все дело в том, что уже давно стало ясно: в экстремальных условиях – на жаре, на холоде, на высоте – любая неудача может очень быстро привести к гибели. И здесь возникают решающе важные вопросы: как можно уменьшить риск неудачи или вовсе ее избежать? И что делать, если неудача все же произошла? Именно эти вопросы побуждают специалистов (в том числе и меня) исследовать экстремальные условия, с которыми нам приходится сталкиваться как обществу, и эти вопросы становятся со временем лишь все более настоятельными и неотложными. На первом месте здесь стоит проблема изменения климата и его воздействие. От нашего ответа зависит, будет ли у нас будущее и насколько светло или мрачно будет оно выглядеть. Для того чтобы пробудить интерес к этим вопросам, и была написана эта книга.

Благодарности

Сперва я должен поблагодарить семью. Моя жена Луиза критично, но с большой любовью следила за этим моим книжным проектом, а мои сыновья Леонард, Максим и Артур постоянно снабжали меня интересными новыми данными из современных медиа. Благодарен я и брату Мартину, и сестре Ульрике, которые с пониманием отнеслись к тому, что я подолгу не давал о себе знать; время от времени они звонили узнать, все ли у меня в порядке, и это очень трогательно с их стороны. Моему агенту, доктору Фрауке Линдеман, я благодарен за ее верное чутье; часто она подсказывала мне, что ту или иную тему можно подать в несколько иной форме. Я искренне и глубоко благодарен моему редактору из издательства Fischer доктору Рюдигеру Дамману за отличную совместную работу и освежающие обсуждения формата, содержания и построения книги. Естественно, я благодарю всех тех, кто в последние годы своими замечаниями и советами поспособствовал созданию этой книги. Прежде всего это профессор Карл Кирш и профессор Лотар Рекер, профессор Александр Шукер, профессор Эгон Хумпелер, профессор Вольфганг Шоберсбергер и профессор Клаус Бен из Чили, а также моя команда из Института физиологии берлинской клиники Шарите. Благодарю я и мою невидимую, но вездесущую секретаршу Фелицитас Керн, а также моих многолетних сотрудников и коллег Катарину Браунс, Доротею Греверс, Камиллу Кинаст, доктора Мартину Маджони, доктора Оливера Опатца, Штефана Мендта, Алена Ривероса, доктора Матиаса Штайнаха, доктора Александра Штана, доктора Андреаса Вернера, Аннику Вернер и Мандалену Выпукол, а за техническое содействие Бригитту Бюнш, Бербель Химмельсбах, Бьерна Хоффмана и Сильвию Плог. Особой благодарности достойны сотрудники Центра космической и экстремальной медицины в лице профессора Блоттнера, профессора Хабацеттля и их сотрудников, а также огромное множество людей, добровольно согласившихся стать участниками физиологических исследований как в земных условиях, так и в космосе. Я благодарен Немецкому агентству воздушных и космических полетов, в особенности доктору Петеру Грефу, доктору Маркусу Брауну, доктору Кристиану Рогону и доктору Катрин Штанг за финансовую поддержку многочисленных исследований на Земле и в космосе; Немецкому научному обществу за поддержку таких экзотических тем, как палеофизиология, и таких животрепещущих тем, как влияние изменения климата на здоровье и работоспособность населения Субсахары; Немецкой службе академического обмена и сотрудникам программы привлечения иностранных специалистов Китайской Народной Республики – за финансовую поддержку в оплате труда приглашенных профессоров в странах Азии и Южной Америки. И не в последнюю очередь я благодарен университетской клинике Шарите, а также студенткам и студентам-медикам за постоянный обмен идеями. В последнее время университетская клиника Шарите проявила интерес к проблемам экстремальной медицины и включила в учебный план модуль М24 – «Человек в экстремальных условиях внешней среды», и этот факт меня особенно радует.

Библиография

Adolph E. F. Physiology of man in the desert. New York: Interscience; 1947.

Ames B. N., Cathcart R., Schwiers E., Hochstein P. Uric acid provides an antioxidant defense in humans against oxidant-and radical-caused aging and cancer: a hypothesis // Proc Natl Acad Sci USA 1981; 78: 6858–6862.

Angeli A., Minetto M., Dovio A., Paccotti P. The overtraining syndrome in athletes: a stress-related disorder // J Endocrinol Invest 2004 June; 27(6): 603–612.

Arad Z. Water relations and resistance to desiccation in three Israeli desert snails, Eremina desertorum, Euchondrus desertorum and Euchondrus albulus // J Arid Environ 1993; 24: 387–395.

Astrand P.-O., Rodahl K. Textbook of work physiology. McGraw-Hill; 1977.

Bar-Or O. Effects of age and gender on sweating pattern during exercise // Int. J. Sports Med. 1998; 19 (Suppl. 2): 106, 107.

Barger L. K., Lockley S. W., Rajaratnam S. M., Landrigan C. P. Neurobehavioral, health, and safety consequences associated with shift work in safety-sensitive professions // Curr Neurol Neurosci Rep 2009, March; 9(2):155–164.

Bärtsch P., Saltin B. General introduction to altitude adaptation and mountain sickness // Scand J Med Sci Sports 2008; 18(s1):1–10.

Beall C. M, Cavalleri G. L., Deng L., Elston R. C., Gao Y., Knight J. et al. Natural selection on EPAS1 (HIF2α) associated with low hemoglobin concentration in Tibetan highlanders // Proc Natl Acad Sci 2010; 107: 11459–11464.

Behn C., Araneda O. F., Llanos A. J., Celedón G., González G. Hypoxia-related lipid peroxidation: evidences, implications and approaches // Respir Physiol Neurobiol 2007, September 30; 158(2–3): 143–150.

Berry H. L., Bowen K., Kjellstrom T. Climate change and mental health: a causal pathways framework // Int. J. Public Health 2010; 55(2): 123–132.

Binder A. B., Gunga H.-C. Young thrust-fault scarps in the highlands: evidence for an initially totally molten moon. Icarus 1985; 63: 421–441.

Bjornerud M. Zeitbewusstheit. Geologischen Denken und wie es helfen könnte, die Welt zu retten. MSB Matthes & Seitz, Berlin; 2020.

Blixen K. Afrika – dunkel lockende Welt. Manesse 1986.

Bouvier A., Wadhwa M. The age of the Solar System redefined by the oldest Pb-Pb age of a meteoritic inclusion // Nat Geosci 2010; 3: 637–641.

Boyd R., Silk J. B. How humans evolved. Norton 1997.

Brasier M., McLoughlin N., Green O., Wacey D. A fresh look at the fossil evidence for early Archaean cellular life // Philos Trans R Soc B2006; 361: 887–902.

Briggs E. G., Crowther P. R. Palaeobiology, a synthesis. Blackwell Science; 1990.

Bryson B. Eine kurze Geschichte des menschlichen Körpers. Goldmann; 2019.

Budde G., Burkhardt C., Kleine T. Molybdenum isotopic evidence for the late accretion of outer Solar System material to Earth. In: Nature Astronomy. Online-Veröffentlichung vom 20. Mai 2019, doi:10.1038/s41550–019–0779.

Burtscher M., Bachmann O., Hatzl T., Hotter B., Likar R., Philadelphy M. et al. Cardiopulmonary and metabolic responses in healthy elderly humans during a 1-week hiking programme at high altitude // Eur J Appl Physiol 2001; 84(5): 379–386.

Cairns S. P. Lactic acid and exercise performance: culprit or friend? // Sports Med 2006; 36(4): 279–291.

Canup R. M., Righter K. Origin of the Earth and Moon. Tucson, AZ: University of Arizona Press; 2000.

Cheung S. S. Advanced environmental exercise physiology. Human Kinetics; 2010.

Chouker A. (Ed.) Stress Challenges and Immunity in Space. From Mechanisms to Monitoring and Preventive Strategies. Springer; 2020.

Coste O., Beaumont M., Batéjat D., Beers P. V., Touitou Y. Prolonged mild hypoxia modifies human circadian core body temperature and may be associated with sleep disturbances // Chronobiol Int 2004, May; 21(3): 419–433.

Crawshaw L. I., Wallace H. L., Dasgupta S. Thermoregulation. In: Auerbach P. S. (Ed.) Wilderness medicine. 5th ed. Philadelphia: Mosby Elsevier; 2007. 110–124.

Cross D. L. The influence of physical fitness training as a rehabilitation tool // Int J Rehabil Res 1980; 3(2): 163–175.

Czeisler C. A., Moore-Ede M. C., Coleman R. H. Rotating shift work schedules that disrupt sleep are improved by applying circadian principles // Science 1982, July 30; 217(4558): 460–463.

de Duve C. Ursprung des Lebens. Präbiotische Evolution und die Entstehung der Zelle. Heidelberg, Berlin, Oxford: Spektrum; 1994.

de Leeuw N. H., Catlow C. R. A., King H. E., Putnis A., Muralidharan K., Deymier P., Stimpfl M., Drake M. J. Where on Earth has our water come from? // Chem Commun 2010; 46: 8923–8925.

Denton D. The hunger for salt. Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag; 1982.

Di Prampero P. E., Boutellier U., Pietsch P. Oxygen deficit and stores at onset of muscular exercise in humans // J Appl Physiol 1983 July;55 (1 Pt. 1): 146–153.

Diamond J. Arm und Reich. Frankfurt / Main: S. Fischer; 1998.

Dunne J. P., Stouffer R. J., John, J. G. Reductions in labour capacity from heat stress under climate warming // Nat. Clim. Change 2013; 3(6): 563–566.

Eaton S. B., Konner M. Paleolithic nutrition – a consideration of its nature and current implications // N Engl J Med 1985; 312: 283–289.

Economos A. C. The largest land mammal // J Theor Biol 1981; 89: 211–215.

Edholm O. G. Man – Hot and Cold. London: Edward Arnold Ltd., 1978.

European Space Agency. Exobiology in the solar system & the search for life on Mars. Report from the ESA exobiology team study 1997–1998. European Space Agency; 1999.

Falk B., Dotan R. Children’s thermoregulation during exercise in the heat: a revisit // Appl. Physiol. Nutr Metab. 2008; 33(2): 420–427.

Fitzsimons J. T. The physiology of thirst and sodium appetite. Cambridge University Press; 1979.

Folk G. E., Semken H. A. The evolution of sweat glands // Int. J. Biometeorol. 1991; 35(3): 180–186.

Folk G. E. Textbook of environmental physiology. Philadelphia: Lea & Febiger, 1974.

Frasnelli J. Wir riechen besser, als wir denken: Wie der Geruchssinn Erinnerungen prägt, Krankheiten vorhersagt und unser Liebesleben steuert. Molden Verlag; 2019.

Fumagalli M., O’Meara J. M., Prochaska J. X. Detection of pristine gas two billion years after the Big Bang // Science 2011; 334: 1245–1249.

Gaffin S. L., Moran D. S. Pathophysiology of heat-related illness. In: Auerbach, P. S. (Ed.) Wilderness medicine. 5th ed. Philadelphia: Mosby Elsevier; 2007. 228–268.

Gagnon D., Jay O., Lemire B., Kenny G. P. Sex-related differences in evaporative heat loss: the importance of metabolic heat production // Eur J Appl Physiol 2008; 104(5): 821–829.

Ganten D., Spahl T., Deichmann T. Die Steinzeit steckt uns in den Knochen: Gesundheit als Erbe der Evolution. 2nd ed. München: Piper; 2009.

Gauer O. H., Henry J. P. Neurohormonal control of plasma volume // Int Rev Physiol 1976; 9: 145–190.

Glaw F., Köhler J., Townsend T. M., Vences M. Rivaling the world’s smallest reptiles: discovery of miniaturized and microendemic new species of leaf chameleons (Brookesia) from Northern Madagascar. PLoS ONE2012;7(2): e31314.

Gomez C. R. Disorders of body temperature. In: Handbook of clinical neurology. Vol. 120: Neurologic aspects of systemic disease Part II, Elsevier, 2014, 947–957.

Greie S., Humpeler E., Gunga H.-C., Koralewski E., Klingler A., Mittermayr M., Fries D., Lechleitner M., Hoertnagl H., Hoffmann G., Strauss-Blasche G., Schobersberger W. Improvement of metabolic syndrome markers through altitude specific hiking vacation // J Endocrinol Invest 29: 497–504, 2003.

Greiffenhagen M. (Hrsg.) Pfarrerskinder. Autobiographisches zu einem protestantischen Thema. Kreuz Verlag; 1982.

Grocott M. P., Martin D. S., Wilson M. H., Mitchell K., Dhillon S., Mythen M. G, et al. Caudwell xtreme Everest expedition // High Alt Med Biol 2010; 11(2):133–137.

Grossman S. P. Thirst and sodium appetite. Academic Press; 1990.

Groß M. Exzentriker des Lebens. Zellen zwischen Hitzeschock und Kältestreß. Spektrum Akademischer Verlag; 1997.

Gunga H.-C. Human physiology in extreme environments. American Academic Press, Elsevier 2021. 2. Edition.

Gunga H.-C. Am Tag zu heiß und nachts zu hell. Rowohlt; 2019.

Gunga H.-C., Nathan Zuntz. His Life and Work in the Fields of High Altitude Physiology and Aviation Medicine. American Physiological Society, Elsevier, 2009.

Gunga H.-C., Kirsch K. A., Röcker L., Kohlberg E., Tiedemann J., Steinach M. et al. Erythropoietin regulations in humans under different environmental and experimental conditions // Resp Physiol Neurobiol 2007; 158: 287–297.

Gunga H-C., Steinach M. Wärmehaushalt und Temperaturregulation. In: Speckmann H., Hescheler J., Köhling R. (Eds) Physiologie. 7. Auflage Elsevier; 2019, 625–652.

Gunga H.-C., Rice L. Neocytolisis on descending the mountain and ascending into space // Acta Physiol. (Oxf) 2021, May 16; e13676; doi: 10.1111/alpha.

Gunga H.-C., Suthau T., Bellmann A., Friedrich A., Schwanebeck T., Stoinski S., Trippel T., Kirsch K., Hellwich O. Body mass estimations for Plateosaurus engelhardti using laser scanning and 3D reconstruction methods // Naturwissenschaften 2007; 94: 623–630.

Gunga H.-C., Suthau T., Bellmann A., Stoinski S., Friedrich A., Trippel T., Kirsch K., Hellwich O. A new body mass estimation of Brachiosaurus brancai Janensch, 1914 mounted and exhibited at the Museum of Natural History (Berlin, Germany) // Fossil Rec 2008; 11:33–38.

Gunga H.-C., Weller-Ahlefeld V., Appell Coriolano H. J., Werner A., Hoffmann U. The cardiovascular system, red blood cells and oxygen transport in space. Springer Briefs; 2016.

Gunga H.-C., Sandsund M., Reinertsen R., Sattler F., Koch J. A non-invasive device to continuously determine heat strain in humans. J. Therm. Biol. 2008; 33(5): 297–307.

Günther B., Morgado E., Kirsch K., Gunga H.-C. Gravitational tolerance and size of Brachiosaurus brancai. Mitteilungen aus dem Museum für Naturkunde in Berlin. Geowiss Reihe 2002; 5: 263–267.

Gunz P., Neubauer S., Falk D., Tafforeau P., Le Cabec A., Smith T. M., Kimbel W. H., Spoor F., Alemseged Z. Australopithecus afarensis endocasts suggest ape-like brain organization and prolonged brain growth // Science Advances 6 (14): eaaz4729. DOI: 10.1126/sciadv.aaz4729

Haber H. Unser blauer Planet // rororo; 1967.

Hackett P., Roach R. High-altitude medicine. In: Auerbach P. (Ed.) Wilderness medicine. Philadelphia: Mosby-Elsevier; 2007; 2–36.

Hackett P. H., Rennie D., Levine H. D. The incidence, importance, and prophylaxis of acute mountain sickness. Lancet 1976, November 27; 2(7996): 1149–1155.

Hardy R. N. Temperature and animal life. London: Edward Arnold Ltd.; 1979.

Havenith G., Fogarty A., Bartlett R., Smith C. J., Ventenat V. Male and female upper body sweat distribution during running measured with technical absorbents // Eur J Appl Physiol 2008; 104(2): 245–255.

Haynes G. The early settlement of North America: the Clovis era. Cambridge: Cambridge University Press; 2002.

Heath D., Williams D. R. Man at high altitude: pathophysiology of acclimatization and adaptation. Churchill Livingstone; 1981.

Hoad R., Moore P. The world’s toughest endurance challenges. Bloomsbury; 2012.

Hochachka P. W., Gunga H.-C., Kirsch K. Our ancestral physiological phenotype: an adaptation for hypoxia tolerance and for endurance performance? // Proc Natl Acad Sci 1998; 95(4): 1915–1920.

Hochachka P. W., Somero G. N. Biochemical adaptation. Princeton University Press; 1984.

Hölder H. Geologie und Paläontologie in Texten und ihrer Geschichte. Freiburg, München. Verlag Karl Alber; 1960.

Holloszy J. O., Coyle E. F. Adaptations of skeletal muscle to endurance exercise and their metabolic consequences // J Appl Physiol 1984 April; 56(4): 831–838.

Hultgren H. N. High altitude medicine. Hultgren Publications Stanford; 1997.

Hiebl I., Schneeganß D., Braunitzer G. High-altitude respiration of birds. The primary structures of the alpha D-chains of the Bar-headed Goose (Anser indicus), the Greylag Goose (Anser anser) and the Canada Goose (Branta canadensis). In: Biological Chemistry Hoppe-Seyler. Band 367, Nummer 7, Juli 1986, ISSN0177–3593, 591–599, PMID3755960.

Janvier P., Clément G. Muddy tretrapod origins // Nature 2010; 463: 40,41.

Järvelä I., Torniainen S., Kolho K.-L. Molecular genetics of human lactase deficiencies // Ann Med 2009; 41: 568–575.

Jelkmann W. Regulation of erythropoietin production // J Physiol 2011, March 15; 589 (Pt. 6): 1251–1258.

Jessen C. Temperature regulation in humans and other mammals. Berlin / Heidelberg: Springer, 2001.

Jiricka M. K. Activity tolerance and fatigue. In: Porth C. M., Matfin G. (Eds.) Pathophysiology concepts of altered health states. 8th ed. Wolters Kluwer Health / Lippincott Williams & Wilkins; 2009; 231–251.

Jones S., Martin R., Pilbeam D. The Cambridge encyclopedia of human evolution. New York Cambridge University Press; 1992.

Jordan T. H. Structural geology of the Earth’s interior // Proc Natl Acad Sci 1979; 76: 4192–4200.

Joyce G. F. The antiquity of RNA-based evolution // Nature 2002; 418: 214–221.

Kamler K. Extreme survival. London: Robinson; 2004.

Kenefick R. W., Leon L. R. Pathophysiology of heat-related illnesses. In: Auerbach P. S. (Ed.) Wilderness medicine. Philadelphia: Elsevier, 2012; 215–231.

Kirsch K., Gunga H.-C. Der Mensch in extremen Umwelten // 100 Jahre Urania Berlin (Festschrift) 1988; 155–161.

Kirsch K. Thermoregulation und cardiovasculäre Adaptation. Der Kassenarzt 1979; 19(1): 31–35.

Kjellstrom T., Friel S., Dixon J., Corvalan C., Rehfuess E., Campbell-Lendrum D., Gore F., Bartram J. Urban environmental health hazards and health equity // J Urban Health 2007; 84 (3 Suppl.): 86–97.

Kleiber M. The fire of life: an introduction to animal energetics. New York: Wiley, 1961.

Klein N., Remes K., Gee C. T., Sander P. M. Biology of the sauropod dinosaurs. Understanding the life of giants. Bloomington, Indianapolis: Indiana University Press; 2012.

Kolbert E. The sixth extinction. Picador; 2014.

Krause J. Die Reise unserer Gene. Eine Geschichte über uns und unsere Vorfahren. Propyläen; 5. Auflage 2019.

Kreher J. B., Schwartz J. B. Overtraining syndrome: a practical guide // Sports Health 2012 March; 4(2): 128–138.

Kunsch K. Der Mensch in Zahlen. G. Fischer; 1997.

Kunsch K., Kunsch S. Der Mensch in Zahlen: eine Datensammlung in Tabellen mit über 20 000 Einzelwerten. München: Spektrum, Akademischer Verlag; 2007.

Lambert D. The diagram group. The field guide to early man. New York: The Diagram Visual Information Ltd.; 1987.

Lang K. R. The Cambridge guide to the solar system. Cambridge: Cambridge University 2. Ed.; 2011.

LaPlante M. D. Superlative. The biology of the extremes. BenBella Books, Inc.; 2019.

Leakey R. Die ersten Spuren. Über den Ursprung des Menschen. C. Bertelsmann; 1997.

Leakey M. D., Hay R. L., Curtis G. H., Drake R. E., Jackes M. K., White T. D. Fossil hominids from the Laetoli Beds // Nature 1976; 262: 460–466.

Lem S. Pilot Pirx. Erzählungen. Suhrkamp; 2003.

Lenton T., Watson A. Revolutions that made the earth. Oxford University Press; 2014.

León-Velarde F., Maggiorini M., Reeves J. T., Aldashev A., Asmus I., Bernardi L. et al. Consensus statement on chronic and subacute high altitude diseases // High Altitude Med Biol 2005; 6(2): 147–157.

Levine B. D. VO2max: what do we know, and what do we still need to know? // J Physiol 2008 January 1; 586(1): 25–34.

Liem K. F. Form and function of lungs: the evolution of air breathing mechanisms. Am Zool 1988; 28: 739–759.

Loewy A., Mörikofer W. Physiologie des Höhenklimas. J. Springer; 1932.

Lorente-Galdos B., Lao O., Serra-Vidal G. et al. Whole-genome sequence analysis of a Pan African set of samples reveals archaic gene flow from an extinct basal population of modern humans into sub-Saharan populations // Genome Biol 20, 77 (2019), https://doi.org/10.1186/s13059–019–1684–5

Lundby C., Millet G. P., Calbet J. A., Bärtsch P., Subudhi A. W. Does ›altitude training‹ increase exercise performance in elite athletes? // Br J Sports Med 2012; 46 (11): 792–795.

Luo Z.-X., Yuan C.-X., Meng Q.-J., Ji Q. A Jurassic eutherian mammal and divergence of marsupials and placentals // Nature 2011; 476: 442–445.

Mack G. W., Nadel E. R. Body fluid balance during heat stress in humans. In: Fregly M., Blatteis C. M. (Eds.) Handbook of physiology. Oxford: Oxford University Press; 1996: 187–214.

Mackenzie D. The big splat, or how the Moon came to be. John Wiley & Sons; 2003.

Mair J., Hammerer-Lercher A., Mittermayr M., Klingler A., Humpeler E. et al. 3-week hiking holidays at moderate altitude do not impair cardiac function in individuals with metabolic syndrome // International Journal Cardiology 2008; 23: 186–188.

McArdle W. D., Katch F. I., Katch V. L. Human energy expenditure during rest and physical activity. In: McArdle W. D., Katch F. I., Katch V. L., (Eds.) Exercise physiology: energy, nutrition and human performance. Baltimore / Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins; 2007; 95–207.

Milan F. A. The human biology of circumpolar populations. Cambridge University Press; 1980.

Mora C., Tittensor D. P., Adl S., Simpson A. G. B., Worm B. How many species are there on Earth and in the ocean? // PLoS Biol 2011; 9: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pbio.1001127

Morbidelli A., Chambers J., Lunnie J. I., Petit J. M., Robert F., Valsecchi G. B., Cyr K. E. Source regions and timescales for the delivery of water to the Earth // Meteoritics and Planetary Science 2000; 35, 1309–1329.

Mortlock D. J., Warren S. J., Venemans B. P., Patel M., Hewett P. C., McMahon, R. G. et al. A luminous quasar at a redshift of z = 7.085 // Nature 2011; 474: 616–619.

Mueck-Weymann M., Leichtfried V., Schobersberger W., Hoffmann G., Greie S., Reicht I., Humpeler E. AMAS II (Austrian Moderate Altitude II): Auswirkungen eines einwöchigen Aktivurlaubs (1700 m) in mittleren Höhen auf bio-psychologische Parameter. In: Schobersberger W. et al. Jahrbuch 2007 der Österreichischen Gesellschaft für Alpin- und Höhenmedizin, Raggl digital graphic+print. Innsbruck 2007; 209–226.

Münker C., Pfänder J. A., Weyer S., Büchl A., Kleine T., Mezger K. Evolution of planetary cores and the Earth-Moon system from Nb/Ta systematics // Science 2003; 301: 84–87.

Nesse R. M., Williams G. C. Warum wir krank werden. Die Antworten der Evolutionsmedizin. C. H. Beck; 1997.

Opatz O., Trippel T., Lochner A., Werner A., Stahn A., Steinach M., Lenk J., Kuppe H., Gunga H.-C. Temporal and spatial dispersion of human body temperature during deep hypothermia // Br. J. Anaesth. 2013; 111(5): 768–775.

Opher M., Loeb A., Drake J. et al. A small and round heliosphere suggested by magnetohydrodynamic modelling of pick-up ions // Nat Astron (2020). https://doi.org/10.1038/s41550–020–1036–0

Pandolf K. B., Sawka M. N., Gonzalez R. R. Human performance physiology and environmental medicine at terrestrial extremes. Indianapolis: Brown & Benchmark; 1988.

Parsons K. Human thermal environments. London: Taylor & Francis; 2003.

Perry S. F. Lungs: comparative anatomy, functional morphology, and evolution. In: Gans C., Gaunt A. S. (Eds.) Biology of the reptilia, vol. 19, morphology G, visceral organs. Ithaca, N. Y., Society for the Study of Amphibians and Reptiles; 1998, 1–92.

Piantadosi C. A. The biology of human survival life and death in extreme environments. Oxford University Press; 2003.

Piantadosi C. A. Mankind beyond earth. The history, science, and future of human space exploration. Columbia University Press; 2012.

Piil J. F., Christiansen L., Morris N. B., Jacob Mikkelsen C. J., Ioannou L. G., Flouris A. D., Lundbye-Jensen J., Nybo L. Direct exposure of the head to solar heat radiation impairs motor-cognitive performance // Sci Rep, 2020; 10 (1) DOI: 10.1038/s41598–020–64768-w

Probst E., Windolf R. Dinosaurier in Deutschland. München: Bertelsmann; 1993.

Reich D., Patterson N., Kircher M., Delfin F., Nandineni M. R., Pugach I., Min-Shan Ko A., Ko Y.-C., Jinam T. A., Phipps M. E., Saitou N., Wollstein A., Kayser M., Pääbo S., Stoneking M. Denisova admixture and the first modern human dispersals into Southeast Asia and Oceania // Am J Hum Genet 2011; 89: 516–528.

Richalet J. P., Donoso M. V., Jiménez D., Antezana A. M., Hudson C., Cortès G. et al. Chilean miners commuting from sea level to 4500 m: a prospective study // High Alt Med Biol 2002; 3(2): 159–166.

Rosler K., Hoppeler H., Conley K. E., Claassen H., Gehr P., Howald H. Transfer effects in endurance exercise. Adaptations in trained and untrained muscles // Eur J Appl Physiol Occup Physiol 1985; 54(4): 355–362.

Rowell L. B. Human cardiovascular control. New York: Oxford University Press; 1993.

Sawka M. N., Wenger C. B., Pandolf K. B. Thermoregulatory response to acute exercise-heat stress and heat acclimation. In: Fregly M., Blatteis C. M. (Eds.) Handbook of physiology. Oxford: Oxford University Press; 1996, 157–186.

Schmidt-Nielsen K. Animal physiology. 5th ed. Cambridge University Press; 1997.

Schobersberger W., Greie S., Humpeler E., Mittermayr M., Fries D. et al. Austrian Moderate Altitude Study (AMAS2000): Erythropoietic activity and HB-O2 affinity during a 3-week hiking holiday at moderate altitude in persons with metabolic syndrome // High Altitude Medicine and Biology 6: 167–177, 2005.

Schobersberger W., Hoffmann G., Fries D., Gunga H.-C., Greie S. et al. AMAS (Austrian Moderate Altitude Study)-2000: Effects of hiking holidays at moderate altitude on immune system markers in persons with metabolic syndrome // Pteridines 15: 149–154, 2004.

Schopf J. W. Cradle of life: the discovery of Earth’s earliest fossils. Princeton University.

Schopf J. W. Disparate rates, differing fates: tempo and mode of evolution changed from the Precambrian to the Phanerozoic // Proc Natl Acad Sci 1994; 91: 6735–6742.

Schopf J. W. Major events in the history of life. Jones & Bartlett Learning; 1992.

Schopf J. W. Microfossils of the Early Archean Apex chert: new evidence of the antiquity of life // Science 1993; 260: 640–646.

Schroter R. C., Robertshaw D., Baker M. A., Shoemaker V. H., Holmes R., Schmidt-Nielsen K. Respiration in heat stressed camels // Respir Physiol 1987; 70(1): 97–112.

Sender R., Fuchs S., Milo R. Are we really vastly outnumbered? Revisiting the ratio of bacterial to host cells in humans // Cell 2016; 164: 337–340.

Sharkey B., Gaskill S. Fitness and health. Champaign: Human Kinetics; 1997.

Shave R., Franco A. The physiology of endurance training. In: Whyte G. (Ed.) The physiology of training. Elsevier Limited; 2006, 61–85.

Shkolnik A., Taylor C. R., Finch V., Borut A. Why do Bedouins wear black robes in hot deserts? // Nature 1980; 283(5745): 373–375.

Sinclair W. H., Crowe M. J., Spinks W. L., Leicht A. S. Pre-pubertal children and exercise in hot and humid environments: a brief review // J Sports Sci Med 2007; 6(4): 385–392.

Sloan A. Man in extreme environments. Springfield, IL: Charles C. Thomas; 1979.

Smith F. A., Boyer A. G., Brown J. H., Costa D. P., Dayan T., Ernest S. K. M. et al. The evolution of maximum body size of terrestrial mammals // Science 2010; 330: 1216–1219.

Smith C. J., Havenith G. Body mapping of sweating patterns in athletes: a sex comparison // Med Sci Sports Exerc 2012; 44(12): 2350–2361.

Smith C. J., Havenith G. Body mapping of sweating patterns in male athletes in mild exercise induced hyperthermia // Eur J Appl Physiol 2011; 111: 1391–1404.

Solomon S. C., Chaiken J. Thermal expansion and thermal stress in the Moon and terrestrial planets: clues to early thermal history // Proc Lunar Sci Conf 7th 1976; 3229–3243.

Spurway N. Origins. In: Spurway N., Wackerhage H. (Eds) Genetics and molecular biology of muscle adaptation. London: Churchill Livingstone Elsevier; 2006, 1–23.

Staron R. S. Human skeletal muscle fiber types: delineation, development, and distribution // Can J Appl Physiol 1997 August; 22(4): 307–327.

Strickberger M. W. Evolution. 3rd ed. Sudbury, MA: Jones and Bartlett; 2000.

Suedfeld P., Weiss K. Antarctica natural laboratory and space analogue for psychological research // Environ Behav 2000 Jan; 32(1): 7–17.

Theiss H. D., Adam M., Greie S., Schobersberger W., Humpeler E., Franz W. M. Increased levels of circulating progenitor cells after 1-week sojourn at moderate altitude (Austrian Moderate Altitude Study II, AMAS II) // Respir Physiol Neurobiol 160: 232–238, 2008.

Tice M. M., Lowe D. R. Photosynthetic microbial mats in the 3,416-Myr-old ocean // Nature 2004; 431: 549–552.

Uhen M. D. Evolution of marine mammals: back to the sea after 300 million years // Anat Rec (Hoboken) 2007, June; 290(6): 514–522.

Unknown. Report from Heidelberg. The story of the Army Air Forces Aeromedical Center in Germany 1945–1947.

Van der Bogert C. H., Hiesinger H., Banks M. E., Watters T. R., Robinson M. S. Derivation of absolute model ages for lunar lobate scarps // Lunar Planet Sci 2012; 43: 1847.

Vrba E. S., Denton G. H., Partridge T. C., Burckle L. H. Paleoclimate and evolution with emphasis on human origins. New Haven, CT: Yale University Press; 1994, 1–547.

Ward M., Milledge J. S., West J. B. High altitude medicine and physiology. London: Chapman and Hall Medical; 1989.

Watson J. W., Bolle F. Die Welt, in der wir leben. Droemer Knaur; 1957.

Wendt H. Ehe die Sintflut kam. Forscher entdecken die Urwelt. Stalling; 1965.

West J. B. American medical research expedition to Everest // High Alt Med Biol 2010; 11(2): 103–110.

West J. B. High altitude physiology. Hutchinson Ross; 2006.

West J. B. High life: a history of high-altitude physiology and medicine. New York: Oxford University Press; 1998.

Westall F. Life on the early Earth: a sedimentary view // Science 2005; 308: 366,367.

Winsley R., Matos N. Overtraining and elite young athletes // Med Sport Sci 2011; 56: 97–105.

Winslow R. M., Monge C. Hypoxia, polycythemia, and chronic mountain sickness. Baltimore: Johns Hopkins University Press; 1987.

Wu T. Y., Ding S. Q., Liu J. L., Yu M. T., Jia J. H., Chai Z. C., Chen Dai R. C., Zhang S. L., Li B. Y., Pan L., Liang B. Z., Zhao J. Z., Qi D. T., Sun Y. F., Kayser B. Who should not go high: chronic disease and work at altitude during construction of the Qinghai-Tibet railroad // High Alt Med Biol 2007; 8(2): 88–107.

Wu X., Muzny D. M., Lee C. C., Caskey C. T. Two independent mutational events in the loss of urate oxidase during hominoid evolution // J Mol Evol 1992; 34: 78–84.

Zalmout I. S., Sanders W. J., MacLatchy L. M., Gunnell G. F., Al-Mufarreh Y. A., Ali M. A., Nasser A.-A. H., Al-Masari A. M., Al-Sobhi S. A., Nadhra A. O., Matari A. H., Wilson J. A., Gingerich P. D. New oligocene primate from Saudi Arabia and the divergence of apes and Old World monkeys // Nature 2010; 466: 360–364.

Zaryski C., Smith D. J. Training principles and issues for ultra-endurance athletes // Curr Sports Med Rep 2005 June; 4(3): 165–170.

Zhang X., Liu W., Zhao Y. Cambrian Burgess Shale-type Lagerstätten in South China: distribution and significance // Gondwana Res 2008; 14: 255–262.

Zulley J., Knab B. Unsere innere Uhr. Herder; 2000.

Zuntz N., Loewy A., Müller F., Caspari W. Höhenklima und Bergwanderungen in ihrer Wirkung auf den Menschen. Berlin, Leipzig, Wien, Stuttgart. Deutsches Verlagshaus Bong; 1906.

Интернет-ссылки

http://de.wikipedia.org/wiki/Laktoseintoleranz

http://solar-center.stanford.edu/about/

http://sora.unm.edu/sites/default/files/journals/wilson/v086n04/p0461-p0462.pdf

http://www.handelsblatt.com/archiv/laengstes-offizielles-rennen-der-welt-deutscher-stellt-weltrekord-im-ultramarathon-auf/2188086.html

http://www. tagesanzeiger.ch/zuerich/region/37jaehriger-Zuercher-joggt-4988-Kilometer-in-49-Tagen/story/19261558

https://www.gesundheit.gv.at/leben/bewegung/gesunde-bewegung/extremsport-risikosport

https://www.scinexx.de/news/kosmos/heliosphaere-mischung-auscroissant-und-kugel/

https://www.bmu.de/fileadmin/Daten_BMU/Download_PDF/Klimaschutz/hap_handlungsempfehlungen_bf.pdf

http://www.fossilmuseum.net/Tree_of_Life/Stromatolites.htm

https://www.bundesaerztekammer.de/fileadmin/user_upload/downloads/pdf-Ordner/Pressemitteilungen/20191114_Klimawandel/ 3_Lancet_Countdown_Policy_brief_for_Germany_German_v01b.pdf

http://www.enchantedlearning.com/subjects/astronomy/sun/

https://www.dwd.de/DE/leistungen/nationalerklimareport/report.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Oort_cloud

Примечания

1

Бликсен К. Из Африки. – М., АСТ, 2018. Пер. А. Ю. Кабалкина. – Прим. ред.

2

Стыковка Crew Dragon с МКС состоялась 12 ноября 2021 года. 23 марта 2022 года Матиас Маурер совершил выход в открытый космос, который продлился 6 часов 54 минуты. Отстыковку от МКС провели 5 мая 2022 года. – Прим. ред.

Content

Ханнс-Кристиан Гунга
Мобилизация организма. На что способно наше тело в экстремальных условиях

Об авторе

Предисловие александра герста

Предисловие автора

Хаарштранг, или Бытие – это становление Мой путь к физиологии

Большой взрыв, или Вселенная внутри нас Из космоса в музей естествознания

Олдувай, или Колыбель человечества Где и как мы стали теми, кто мы есть

Уайт-Хорс, или Испытание границ возможного Необычайное очарование экстремальных видов спорта

Хамар-Лагдад, или Опасность жары Почему изменение климата непосредственно угрожает нашему здоровью

Синий лед Блауайса, или Когда горы зовут Благо и вред горного воздуха

Шлюз, или Образцовое путешествие Потеря силы тяжести – тяжелая потеря?

Благодарности

Библиография

Примечания