Концентрация углекислого газа в атмосфере обитаемых гермомодулей космических станций

ГУЗЕНБЕРГ А.С.

ЮРГИН А.В.

ПОТЕМКИН А.Л.

ЖЕЛЕЗНЯКОВ А.Г.

РОМАНОВ С.Ю.            БУТРИН В.А.

БУРЛАКОВА А.А.

ГУЗЕНБЕРГ Аркадий Самуилович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник РКК «Энергия»,

GUZENBERG Arkady Samuilovich — Candidate of science (Engineering),

Senior research scientist at RSC Energia,

ROMANOV Sergey Yurievich — Doctor of science (Engineering),

First deputy general designer,

Роль углекислого газа в земных условиях

Парциальное давление углекислого газа (СО2) в земной атмосфере составляет 0,23–0,30 мм рт. ст. (0,03–0,04%), что обусловлено его участием в круговороте веществ. Источником СО2 в газовой среде герметической кабины является человек, так как СО2 — один из основных конечных продуктов обмена, образующихся в процессе метаболизма в его организме. В среднем человек в сутки выделяет около 480 л (960 г) СО2, при физической работе выделение его из организма возрастает в несколько раз [1]. Процесс удаления СО2 из организма через лёгкие регулируется дыхательным центром — отделом головного мозга, управляющим внешним дыханием. Регулирование дыхания обеспечивает поддержание нормальной концентрации СО2 в альвеолярном воздухе и артериальной крови.

У здоровых людей в соответствии с физиологией дыхания в каждый момент времени уровень вентиляции лёгких (частота и глубина дыхания) таков, что СО2 удаляется из организма в таком количестве, чтобы поддерживать его парциальное давление в альвеолах лёгких ~40 мм рт. ст. (5,3%), что обеспечивает в артериальной крови парциальное давление СО2 40…49 мм рт. ст. (5,3…6,5%). Здоровый организм не допускает снижения СО2 ниже этого диапазона (рис. 1) [2–4]. Уровень кровоснабжения органов человека в зависимости от концентрации в крови СО2 представлен на рис. 1 [5].

В соответствии с физиологией дыхания, СО2 — газ, необходимый для дыхания человека, который становится вредной примесью, начиная с определённой концентрации в атмосфере (ориентировочно после 0,8–1,0%, что соответствует парциальному давлению 6,0–7,6 мм рт. ст.).

Рис. 1. Кровоснабжение жизненно важных органов человека в зависимости от концентрации СО2 в артериальной крови [5]

Было установлено (эффект Вериго– Бора), что без присутствия СО2 кислород не может высвободиться из связанного с гемоглобином состояния, что затрудняет переход кислорода из капилляров в ткани и приводит к кислородному голоданию организма даже при высокой концентрации кислорода в крови [2–5].

В норме дыхание стимулируется повышением уровня углекислого газа в крови. При физической нагрузке усиливаются процессы окисления, и выделяется больше углекислого газа. Кровь при избытке углекислого газа раздражает дыхательный центр, возбудимость повышается, человек начинает дышать чаще и глубже, избыток углекислого газа удаляется, недостаток кислорода восполняется. При уменьшении темпа дыхания происходит обратный процесс.

Углекислый газ как регулятор обменных процессов:

• •    затрудняет переход кислорода из капилляров в ткани при снижении своего парциального давления в крови и альвеолярном воздухе (в соответствии с эффектом Вериго–Бора);

• •    является расширителем кровеносных сосудов;

• •    стимулирует дыхание за счёт повышения своего уровня в крови;

• •    усиливает мышечные сокращения (сердце и мышцы);

• •    поддерживает кислотно-щелочное равновесие — pH крови.

В результате исследований с 30-дневным нахождением испытуемых мужчин в гермокамере [5–7] было сделано заключение о том, что длительное (многомесячное) пребывание человека в гермокамере с парциальным давлением СО2, превышающим 7,6 мм рт. ст. (1,0%), не рекомендуется, так как это приводит к проявлению гиперкапнии — повышенному содержанию СО2 в артериальной крови, вызывающему токсическое воздействие на организм.

Рост лёгочной вентиляции при гиперкапнии является основной приспособительной реакцией организма, направленной на поддержание концентрации СО₂ в альвеолах лёгких и артериальной крови на нормальном уровне. В результате при оценке эффекта хронического влияния гиперкапнии были выделены три основных уровня концентрации СО₂ в гермокамере , которые определяют различную переносимость человеком гиперкапнии [3–7].

Первый уровень соответствует повышению парциального давления СО₂ в гермокамере до 4,0–6,0 мм рт. ст. (0,5–0,8%), он характеризуется отсутствием сколько-нибудь значимого влияния на организм.

Второй уровень соответствует повышению парциального давления СО₂ в гермокамере до 11,0 мм рт. ст. (1,5%). При этом основные физиологические функции и работоспособность организма человека не претерпевают значительных изменений, однако имеет место медленное развитие сдвигов от нормы со стороны дыхания, регуляции кислотно-щелочного равновесия крови и обмена электролитов, в результате чего могут возникать патологические изменения.

Третий уровень — повышение парциального давления СО₂ до 22,0 мм рт. ст. (2,9%) и выше — приводит к снижению работоспособности, выраженным сдвигам физиологических функций и развитию патологических состояний.

В соответствии с физиологией дыхания, для того чтобы углекислый газ начал оказывать вредное воздействие на здоровье человека, его парциальное давление в альвеолах лёгких должно повыситься до уровня более 40 мм рт. ст. (5,3%), и только тогда его парциальное давление в артериальной крови будет более 46–49 мм рт. ст. (6,0–6,5%).

Однако при повышении концентрации углекислого газа повышаются также частота и глубина дыхания, восстанавливающие барьер 40 мм рт. ст. При достижении парциального давления СО2 7,6 мм рт. ст. (1,0%) частота дыхания увеличивается на 10–12%, и только после этого отмечается развитие умеренного газового ацидоза. При парциальном давлении СО2 в атмосфере менее 7,6 мм рт. ст. его концентрация в крови не увеличивается, и, следовательно, негативного влияния на здоровье человека СО2 оказать не может.

Прошло почти 40 лет после исследований Н.А. Агаджаняна и А.И. Елфи-мовича [7], подтвердивших необходимость и пользу углекислого газа на уровне до 7,6 мм рт. ст. (1,0%), но отечественные и зарубежные работы о вредном воздействии СО2 при парциальном давлении 0,5–1,5 мм рт. ст. (0,06–0,20%), не учитывающие эффект Вериго–Бора [8–10], продолжают публиковаться.

Практическое значение углекислого газа

Использование СО2 для дыхания в практических целях (в медицине и физической культуре) тоже не подтверждает мнение о его негативном влиянии на здоровье человека при концентрации в атмосфере до 1,0–1,5%. Так, после открытия роли СО2, его начали добавлять в газовые смеси аквалангистов, чтобы стимулировать работу дыхательного центра.

Этот же принцип используют в медицине при наркозе и искусственной вентиляции лёгких (ИВЛ). Капнометрия (измерение СО2 во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе) является обязательной процедурой при любой общей анестезии. Альвеолярная вентиляция обычно устанавливается так, чтобы обеспечить нормокапнию (нормовен-тиляцию) — т. е. парциальное давление CO2 в альвеолах лёгких должно находиться в диапазоне 36,0…43,0 мм рт. ст. (4,8…5,7%). При наркозе со слишком высокой альвеолярной вентиляцией (гипервентиляцией) возникает гипокапния — уровень CO2 опускается ниже 34,0 мм рт. ст. (4,5%). К сожалению, гипервентиляция является распространённой побочной реакцией при ИВЛ пациента для обеспечения адекватной оксигенизации и даже для углубления наркоза, что приводит к избыточному дыхательному алкалозу (увеличению щёлочности крови) и к более трудному и продолжительному восстановлению в посленаркозный период [11].

Подозрения о серьёзных патологических сдвигах в организме человека в связи с гипервентиляцией появились после катастроф и гибели пилотов при высотных полётах. Экспериментально было показано, что гипервентиляция чистым кислородом сопровождается снижением мозгового кровотока и нарастанием концентрации молочной кислоты в тканях мозга, что связано с гипокапнией — понижением содержания CO2 в крови [12].

В условиях земной атмосферы с возрастом человека (в т. ч. из-за изменения образа жизни) концентрация СО2 в альвеолах лёгких и в крови уменьшается, и при падении до 3,5% (~27,0 мм рт. ст.) из-за сужения капилляров человеку может угрожать инсульт и инфаркт. Для расширения капилляров производится увеличение содержания СО2 в альвеолах лёгких и в крови за счёт дыхательных методик или устройств [5]. Проведённые исследования газового состава крови у больших групп населения разных возрастов позволили сделать однозначный вывод о причине постоянного спазма микрососудов — гипертонии артериол. У большинства обследованных пожилых людей в состоянии покоя в артериальной крови содержится 3,6–4,5% (27–34 мм рт. ст.) углекислого газа (при норме 6,0–6,5%, или 46–49 мм рт. ст.) [13].

Углекислый газ в атмосфере обитаемой космической станции

СО2 в условиях космических полётов, как и в земных условиях, — газ, необходимый для дыхания человека, который становится вредной примесью, начиная с концентраций в атмосфере 0,8–1,0%, что соответствует парциальному давлению 6,0–7,6 мм рт. ст.

На борту космической станции при повышенном содержании СО2 по отношению к земному для сохранения парциального давления СО2 в альвеолах лёгких на уровне 40 мм рт. ст. (5,3%) возрастает количество вдохов– выдохов (а также глубина дыхания) для вымывания из организма лишнего СО2. При парциальном давлении СО2 7,6 мм рт. ст. (1,0%), как указывалось выше, увеличение частоты дыхания человека достигает 10–12%.

В настоящее время для космических экспедиций нет экспериментально подтверждённых в космических полётах всеми признанных научно обоснованных нормативов, определяющих предельную концентрацию СО2 в атмосфере обитаемых гермомодулей для длительных полётов [14].

В течение более тридцати лет российские и иностранные космонавты летали на станциях «Салют», «Мир» и МКС (на последней — до 2008 г.) при парциальном давлении СО₂ в атмосфере ~6,0 мм рт. ст. (0,8%) и обычно не жаловались на головную боль ( 6,0 мм рт. ст. среднесуточно — годовой российский стандарт; 5,3 мм рт. ст. (0,7%) в течение пяти суток в среднем — полугодовой американский стандарт [15] ). Парциальное давление СО₂ на уровне ~6,0 мм рт. ст. было обычным при экспедициях на станцию «Мир» в течение 15 лет (только два космонавта связывали головную боль с таким уровнем СО₂). Поэтому эти результаты позволили в 1995 г. установить российский годовой норматив равным 6,0 мм рт. ст. (0,8%) [1, 16, 17].

Требования по снижению уровня СО₂ были выдвинуты NASA в 2008 г. в связи с жалобами некоторых астронавтов на наличие головной боли при согласованном всеми партнёрами нормативном уровне парциального давления СО₂ 5,0–6,0 мм рт. ст. В дальнейшем для каждой экспедиции NASA подтверждало необходимость поддержания в атмосфере МКС парциального давления СО₂ не более 4,5 мм рт. ст. Эти требования выполнялись с использованием российских ресурсов — регенерационной системы «Воздух» и поглотительных нерегене-рируемых фильтров.

В 2013 г. NASA был разработан новый вариант полётного правила, в котором был принят предельный среднесуточный уровень парциального давления СО₂ в атмосфере МКС 4,0 мм рт. ст. Однако жалобы отдельных астронавтов на головную боль продолжались [18, 19].

В настоящее время парциальное давление СО2 в атмосфере МКС поддерживается менее 3,0 мм рт. ст. В одной из редакций американского стандарта SMAC для продолжительности полёта 1 000 сут парциальное давление СО2 было установлено 2 мм рт. ст., однако в дальнейших редакциях этот стандарт СО2 был удалён. В настоящее время американскими стандартами концентрация СО2 в космических полётах не установлена.

В Международном стандарте [20] для космических полётов продолжи- тельностью до одного года установлено парциальное давление СО2 в атмосфере гермомодулей не более 6 мм рт. ст.

В связи с отдельными сообщениями о связанных с концентрацией CO₂ на борту МКС симптомах, NASA проанализировало связь между концентрацией CO₂ и головными болями в полёте. В 2014 г. в печати появилась статья с подробным исследованием связи между уровнями СО₂ в атмосфере МКС и головными болями астронавтов, которой в настоящее время руководствуются специалисты NASA [21].

В опубликованное исследование вошли данные по астронавтам, которые выполняли полёт на МКС между 14 марта 2001 г. и 31 мая 2012 г. Анализируя полученные сообщения о головной боли и данные измерений CO2, были определены средние арифметические и максимальные значения для 24-часового и 7-дневного периодов. Головные боли, случающиеся после первой недели космического полёта, не учитывались. Всего было зафиксировано 46 жалоб астронавтов на головную боль в полётах, в 1 670 случаях при опросах астронавтов жалоб не было. Несмотря на то, что на головную боль жаловались только 2,7% астронавтов, в статье сделан вывод о повышенной чувствительности человека к уровню CO2 в полёте. В качестве подтверждения этого вывода в статье приводятся данные, что частота головных болей до экспедиции № 23 была 3,3%, а затем снизилась до 1,6% (после выполнения требования о поддержании парциального давления СО2 не более 4 мм рт. ст.).

В статье указывается также, что влияние возраста члена экипажа на момент запуска и время нахождения в полёте обратно пропорционально количеству жалоб на головную боль. Специалистами NASA кроме этого был сделан вывод, что для удержания риска возникновения головной боли на показателе ниже 1% средний 7-суточный уровень CO₂ нужно поддерживать ниже 2,5 мм рт. ст.

Однако в конце статьи сделано заключение, что приведённых в ней результатов недостаточно для определения нового стандарта по СО2 и что нужна более масштабная работа для выяснения влияния концентрации CO2 в космическом полёте [21].

Анализ статьи специалистов NASA [21] позволяет констатировать, что полученные с МКС телеметрические данные не могут быть обработаны корректно, так как в момент фиксации данных неизвестно, в каком модуле и в течение какого времени находились члены экипажа, задействованные в исследовании. Кроме того, в модуле, где система очистки от СО₂ не работает, парциальное давление СО₂ выше на 0,5–1,0 мм рт. ст. Пользоваться средней 7-суточной величиной концентрации СО₂ в атмосфере гермомодулей при значительной разнице в концентрации СО₂ между «дневным» и «ночным» временем по распорядку дня экипажа некорректно с медицинской точки зрения — на человека воздействует конкретная концентрация углекислого газа, а не его средняя величина.

Фактор головной боли как медицинский показатель

В медицине известно около 200 причин возникновения головной боли (цефалгии). Это может быть повышение или понижение артериального давления, патология церебральных сосудов, заболевания позвоночника, сосудов мозга, опухоли мозга, интоксикация [22].

«Международная классификации головных болей» (МКГБ-2, 2004 г.) представляет собой многоуровневый список, к первому уровню которого относятся 13 основных групп головных болей [23, 24].

Всемирная организация здравоохранения утверждает, что от головной боли страдает от 50 до 75% взрослого населения Земного шара. А её очаг может локализоваться в разных частях головы. По статистике, в течение года 90% людей хотя бы раз испытывают головную боль, а приступам мигрени подвержены 12–18% населения Земли [25].

Количество людей, периодически страдающих на Земле от головной боли при парциальном давлении СО₂ в атмосфере 0,23 мм рт. ст. (0,03%), превышает предлагаемые опубликованные NASA данные зависимости головной боли астронавтов от содержания СО₂ [21].

Возможная причина головной боли у астронавтов, прежде всего, — влияние невесомости, связанное с приливом крови к голове, и вдыхание астронавтом выдыхаемого воздуха с повышенным содержанием СО2 при неподвижной деятельности, во сне и т. д.

Подгруппа по качеству атмосферы ( AQS — Air Quality Subgroup ) международной Многосторонней группы медицинских операций ( MMOP — Multilateral Medical Operations Panel ) МКС в своём протоколе в 2017 г. констатировала, что в настоящее время нет согласованных научно обоснованных нормативов по содержанию СО₂ в атмосфере космических объектов и что для их обоснования нужны дальнейшие научные исследования [14].

Влияние содержания углекислого газа в атмосфере обитаемой космической станции на характеристики систем очистки от углекислого газа

Поддержание содержания СО₂ в штатном режиме обеспечивается двумя американскими сорбционными регенерационными системами CDRA (штатно работает одна система) и одной российской сорбционной регенерационной системой «Воздух» [19]. Одна американская система при шести членах экипажа поддерживает на МКС парциальное давление СО₂ в атмосфере не более 4 мм рт. ст. Совместно американская и российская системы поддерживают на МКС парциальное давление СО₂ не более 3 мм рт. ст. [26].

Американская система проектировалась для поддержания парциального давления СО2 в пределах 5,3 мм рт. ст. в среднем за пять суток при семи членах экипажа, российская система — для поддержания парциального давления СО2 на уровне 6 мм рт. ст. среднесуточно для трёх членов экипажа.

Поскольку обе системы являются сорбционными, уменьшение содержания СО₂ в атмосфере гермообъёма ведёт к уменьшению их эффективности по поглощению СО₂ и требует увеличения количества сорбента и расхода очищаемого воздуха, т. е. изменения конструкции существующих систем или, что более соответствует практике, увеличения их количества [19].

Для систем другого типа также всегда остаётся необходимость увеличения расхода воздуха через систему, т. е. в любом случае всё сводится к увеличению массы и энергопотребления системы очистки, что практически приводит к увеличению их количества на космической станции.

Таким образом, снижение парциального давления СО2 на считанные миллиметры ртутного столба, представляющееся медицинским специалистам простым действием, для инженеров оказывается технической проблемой.

Рассмотрим это заключение на примере российской системы «Воздух», проанализировав её эффективность при уменьшении содержания СО2 в атмосфере гермообъёма.

Снижение текущего российского норматива 6,0 мм рт. ст. до уровня земной атмосферы (0,23 мм рт. ст.) потребует использования нескольких систем очистки с соответствующей массой, электропотреблением и занимаемым объёмом. В табл. 1 и на рис. 2 представлены данные расчёта требуемого количества систем в зависимости от уровня поддержания СО2.

Рис. 2. Зависимость необходимого количества российских систем «Воздух» от поддерживаемого парциального давления углекислого газа [26]. Точки рассчитаны по экспериментальным данным системы в соответствии с производительностью

Как видно из рис. 2, при понижении требуемого уровня концентрации СО₂ в атмосфере гермообъёма количество систем увеличивается по кривой, близкой к экспоненте. Для поддержания земного парциального давления CO₂ в пределах 0,23 мм рт. ст. на МКС при трёх членах экипажа требуется ~14 систем «Воздух» или ~8 систем CDRA (с соответствующим увеличением массы, объёма, энергетических затрат и стоимости). Из этих же данных следует, что для поддержания на МКС парциального давления СО₂ 6 мм рт. ст. для шести человек требуется только одна система «Воздух» или одна система CDRA .

Таблица 1

Количество систем для удаления СО2, выделяемого экипажем из трёх человек, при разных значениях парциального давления и концентрации СО2

Парциальное давление СО2, мм рт. ст.	Концентрация СО2, %	Экспериментальные данные по удалению СО2 российской системой, (цикл 30/10 мин, 3 фильтра), л/ч	Требуемое количество российских систем, шт
6,0 (норматив)	0,800	107/159	1
5,0	0,650	89/133	1
4,0	0,500	71/106	1
3,0	0,400	53/80	1–2
2,0	0,250	36/53	2
1,0	0,130	18/27	3–4
0,5	0,065	9/13	6–7
0,23 (содержание в воздухе земной атмосферы)	0,030	4/6	14

Примечание . Количество систем рассчитывается, исходя из среднесуточного выделения СО₂ 25 л/ч [26], при этом количество систем определялось с возможностью временного включения форсированного режима.

В данной статье использованы материалы из статьи авторов в журнале «Пилотируемые полёты в космос» с привлечением новых материалов [26–28]. Прежде всего, это новые исследования по использованию на МКС персонального анализатора углекислого газа NASA PCO₂M , позволяющего производить замеры концентрации CO₂ с помощью неподвижно установленного прибора или — переносимого на астронавтах устройства. Прибор не имеет вентилятора и основан на диффузионном принципе [27].

Сравнение данных переносных анализаторов углекислого газа PCO₂M в атмосфере МКС с данными бортового спектрометра MCA в течение одного дня (октябрь 2016 г.) показало, что данные анализаторов на поясе одежды космонавтов и на её воротнике сзади совпадают с данными МСА , а на рукаве рубашки и воротнике сбоку превышают их на ~1,0 мм рт. ст., что, вероятно, связано с частичным попаданием на них выдыхаемого человеком воздуха.

Были проанализированы показания прибора PCO₂M на воротнике сзади в течение ~6 сут в атмосфере МКС в сентябре–октябре 2016 г. Данные измерений показали ситуацию с CO₂ вокруг астронавта на МКС при разных работах и во сне. Помимо ожидаемого повышения местной концентрации CO₂ во время физических тренировок также было выявлено значительное её увеличение во время сна. Миллионная доля CO₂ составила в среднем ~2 500 ppm (что соответствует парциальному давлению ~1,9 мм рт. ст.). Но во время 8-часового сна миллионная доля CO₂ в спальных отсеках была в среднем 7 200 ppm (~5,4 мм рт. ст.) в течение почти двух часов, достигая иногда в это же время 8 000–10 000 ppm (6,0–7,6 мм рт. ст.). При измерениях в гермомодулях, как указано выше, концентрации CO₂, замеренные прибором на воротнике сзади, совпадали с данными американского масс-спектрометра МСА , т. е. в действительности астронавты, вероятно, во время сна дышали воздухом с ещё более высокими концентрациями СО₂, чем измеренные [27].

Было сделано предположение, что указанные превышения стали результатом перемещения головы с вдыханием воздуха с более высокой концентрацией CO2 относительно штатного уровня. Астронавты двигают головой во время сна, что первоначально снижает концентрацию CO2, после чего она начинает повышаться при фиксации головы в новом положении. Если же астронавт перемещает голову в положение, где есть воздушный поток, достаточный для уноса выдыхаемого CO2, тогда его уровень остаётся примерно на значениях, регистрируемых анализатором MCA [27].

Утверждается, что экипаж связывает нахождение в спальных отсеках (объём спального отсека ~2,1 м3) с зонами появления симптомов головной боли из-за воздействия повышенных концентраций CO2 (выше 6,0 мм рт. ст.). Хотя приведённые данные, вероятно, подтверждают эту связь, считается необходимым проведение большего количества измерений [27].

Таким образом, головная боль отдельных астронавтов связана, вероятно, со сном в спальных отсеках, а понижение NASA содержания СО₂ в атмосфере МКС с 5,3 до 2–3 мм рт. ст. вряд ли целесообразно.

Для решения вопроса о влиянии углекислого газа на головные боли членов экипажей в космическом полёте были проведены большие исследования на группе из 66 астронавтов на борту МКС при долгосрочных космических полётах, протокол которых был согласован Медицинским советом ESA , Комитетом Космического центра Джонсона NASA по защите испытуемых людей, Институциональным наблюдательным советом Космического центра Джонсона, Институциональным наблюдательным советом JAXA по исследованиям на человеке и Многосторонним комитетом по исследованиям человека на МКС, а также Комитетом по медицинской этике LUMC [28].

Данные о 42 астронавтах были собраны ретроспективно (после полётов) и были подтверждены проспективно (во время полётов) у 24 астронавтов. В период с 2006 по 2019 г. всем астронавтам ESA и NASA, участвовавшим в космических полётах, были разосланы анкеты для заполнения перед полётом своей индивидуальной истории головной боли. В дополнение к клиническим данным, на МКС собирались данные об атмосфере в полётах — по углекислому газу, кислороду, температуре и относительной влажности. Для определения связи между возникновением головной боли в течение недели и средним уровнем CO2 для каждого астронавта использовался прогнозный логистический регрессионный анализ [28].

В ретроспективном исследовании участвовали 42 астронавта, 38 из которых были мужчинами. 23 из 42 (54,8%) астронавтов сообщили о 33 приступах головной боли, из которых только два были классифицированы как мигрень, причём оба эпизода произошли в первую неделю полёта [28].

В проспективном исследовании участвовали 24 астронавта (23 мужчины и 1 женщина), все они до этого приняли участие в ретроспективном исследовании. 15 из 24 (62,5%) астронавтов сообщили, что никогда не испытывали головных болей. Всего в полёте зарегистрировано 378 эпизодов головной боли у 22 из 24 астронавтов (у 9 из 24 — перед полётом). Из них по 189 эпизодам было достаточно данных для классификации подтипов головной боли, 170 из 189 эпизодов головной боли соответствовали критериям головной боли напряжения, а 19 из 189 — мигрени. Эпизоды на более поздних неделях чаще являлись головной болью напряжения, чем на первой неделе. Период исследования включал 3 596 дней сбора данных в полёте. За три месяца после возвращения на Землю ни у одного из астронавтов, участвующих в исследовании, не отмечалось приступов головной боли. Средненедельные уровни CO₂ и O₂, влажность, температура или давление не отличались от недель, в течение которых отдельный астронавт испытывал головную боль, по сравнению с неделями, когда голова не болела [28].

Корреляции между средними уровнями CO2, O2 и индивидуально зарегистрированными эпизодами головной боли выявлено не было. Парциальное давление СО2 при этом составляло 2,7±0,5 мм рт. ст. [28].

При длительном пребывании в космосе краниальное перераспределение жидкостей организма может привести к смещению внутричерепных и экстракраниальных жидкостей, повышению внутричерепного давления и провоцированию головных болей. Исследователи указывают, что существуют данные о сохраняющихся нарушениях циркуляции спинномозговой жидкости в течение многих месяцев после возвращения на Землю. Этот факт может объяснить головную боль в ходе космического полёта и нарушения зрения после длительного космического полёта. Для ограничения эффекта физиологических изменений, вызванных условиями микрогравитации, применяются физические упражнения и кратковременное усиление искусственной гравитации [28].

При исследованиях удалось отслеживать головную боль и связанные с ней симптомы во время реального длительного пребывания в космосе у 66 астронавтов. Космические полёты вызывали головные боли у здоровых людей, у которых не было регулярных головных болей до и после космического полёта. В этом объединённом ретроспективно-проспективном исследовании большой группы международных астронавтов во время длительных космических полётов было обнаружено, что космические головные боли возникали как в первую неделю (почти у всех астронавтов), так и позже (у большинства астронавтов). Эпизоды первой недели представляли собой преимущественно мигрень и часто сопровождались тошнотой, головокружением и отёком лица. Более поздние эпизоды головной боли чаще являлись головной болью напряжения с меньшим количеством и менее тяжёлыми сопутствующими симптомами. Большинство эпизодов головной боли лечили анальгетиками, сном или приёмом жидкости. Интенсивность головной боли и принципы её лечения были одинаковыми на протяжении всего космического полёта [28].

Ранее повышения уровня CO2 на борту связывались с возникновением головной боли. В проведённых официальных исследованиях эта гипотеза не подтверждается. Парциальное давление СО2 при исследованиях составляло 2,7±0,5 мм рт. ст.

В этих исследованиях также не было обнаружено возможной связи между параметрами бортовой окружающей среды — температурой, давлением, уровнем кислорода — и возникновением головной боли.

Все исследования, рассмотренные нами в статье, учитывая физиологические механизмы поддержания СО2 на определённом уровне за счёт увеличения частоты и глубины дыхания, позволяют утверждать, что головная боль не зависит от парциального давления СО2 в атмосфере до уровня ~6 мм рт. ст.

Выводы

В соответствии с физиологией дыхания, СО₂ — газ, необходимый для дыхания человека, который становится вредной примесью, когда его парциальное давление в атмосфере превышает 7,6 мм рт. ст. (что соответствует концентрации 1,0%). При концентрациях, не достигающих токсических значений, СО₂ расширяет кровеносные сосуды и поддерживает кислотнощелочное равновесие pH крови.

В соответствии с эффектом Вериго– Бора, при уменьшении парциального давления СО2 ниже номинального в альвеолах легких (40 мм рт. ст.; 5,3%) и в артериальной крови (46…49 мм рт. ст.; 6,0…6,5%) у человека происходит кислородное голодание организма даже при высокой концентрации кислорода в крови.

Практическое применение СО2 в дыхательных методиках также позволяет сделать вывод о его необходимости: в медицине при наркозе и при ИВЛ альвеолярная вентиляция устанавливается так, чтобы обеспечить содержание CO2 в альвеолах лёгких в диапазоне 36,0…43,0 мм рт. ст. (4,8…5,7 %).

Статья по исследованию взаимосвязи между концентрацией углекислого газа в атмосфере МКС и головными болями астронавтов, которой руководствуются специалисты NASA [21], этой связи не доказывает. В исследование были включены данные по астронавтам, которые выполняли полёт на МКС между мартом 2001 г. и маем 2012 г. Всего было зафиксировано 46 жалоб астронавтов на головную боль, в 1670 случаях при опросах астронавтов жалоб не было.

В течение более тридцати лет российские и иностранные космонавты летали на станциях «Салют», «Мир» и МКС (на последней — до 2008 г.) при парциальном давлении СО2 в атмосфере ~6,0 мм рт. ст. (0,8%), и в основном жалоб на головную боль не фиксировалось.

Возможная причина головной боли астронавтов — прежде всего, влияние невесомости, связанное с приливом крови к голове, а также вдыхание астронавтом выдыхаемого воздуха с повышенным содержанием СО2 (во сне и при неподвижной деятельности).

Снижение нормативов парциального давления СО2 на считанные миллиметры, представляющееся медицинским специалистам простым действием, для инженеров оказывается технической проблемой из-за необходимости увеличения количества систем очистки от углекислого газа на борту космической станции, так как:

– понижается поглотительная характеристика сорбента, что ведёт к увеличению массы сорбента в сорбционной системе очистки;

– требуется увеличение расхода воздуха в любой системе очистки, что ведёт к увеличению её энергопотребления и массы.

В настоящее время NASA поддерживает парциальное давление СО₂ в атмосфере МКС менее 3,0 мм рт. ст., но жалобы ряда астронавтов на головную боль продолжаются. При этом требования по концентрации СО₂ из стандарта NASA были исключены.

Подгруппа по качеству атмосферы ( AQS ) международной Многосторонней группы медицинских операций ( MMOP ) МКС в своем протоколе в 2017 г. констатировала отсутствие согласованных научно обоснованных нормативов по содержанию СО₂ в атмосфере космических объектов и то, что для их обоснования нужны дальнейшие научные исследования.

При проведённых в 2016 г. исследованиях NASA с переносным анализатором СО₂ PCO₂M , прикреплённым сзади на воротнике астронавта, во время 8-часового сна измерения концентрации CO₂ в атмосфере спальных отсеков (объёмом 2,1 м³) показывали в среднем 7200 ppm (~5,4 мм рт. ст. CO₂) в течение почти двух часов регистрации, достигая иногда в этот период времени 8000…10000 ppm (6,0…7,6 мм рт. ст.).

Результаты приведённых исследований показывают, что экипаж связывает пребывание в спальных отсеках с появлением симптомов головной боли из-за воздействия повышенного парциального давления CO2 (вероятно, выше 7,6 мм рт. ст.).

Для решения вопроса о влиянии концентрации углекислого газа на головные боли членов экипажей при долговременных космических полётах были проведены исследования с задействованием 66 астронавтов, побывавших на МКС в период с 2006 по 2019 г. В этих исследованиях было показано, что головные боли возникали как в первую неделю космического полёта (почти у всех астронавтов), так и позже (у большинства астронавтов). Эпизоды первой недели представляли собой преимущественно мигрень и часто сопровождались тошнотой, головокружением и отёком лица. Более поздние эпизоды головной боли чаще являлись головной болью напряжения с меньшим количеством и менее тяжёлыми сопутствующими симптомами [27].

Ранее NASA связывало возникновение эпизодов головной боли с повышением уровня CO₂ на борту. В проведённых с 66 астронавтами исследованиях эта гипотеза не подтверждается. Парциальное давление СО₂ в процессе проведения исследования составляло 2,7±0,5 мм рт. ст.

В международном стандарте [20] для космических полётов продолжительностью до одного года установлено парциальное давление СО₂ в атмосфере гермомодулей не более 6 мм рт. ст. Приведённые исследования, а также исследования, указанные нами в статье [26], с учётом эффекта Вериго– Бора, позволяют утверждать, что головная боль не зависит от парциального давления СО₂ в атмосфере, если его значение ниже 6 мм рт. ст.