Учебное пособие: Урок биологии в музее истории космонавтики им. К.Э. Циолковского
В настоящее время исследователи уделяют максимальное внимание следующим проблемам космической биологии и медицины:
1) детальному изучению механизмов действия факторов космического полета и разработке средств устранения или ослабления их отрицательных воздействий;
2) дальнейшему совершенствованию и созданию замкнутых экологических систем жизнеобеспечения;
3) дальнейшему изучению труда космонавтов в целях определения оптимальных способов и интенсивности работы при выполнении любых заданий и улучшения функциональных способностей организма в полете.
Большое значение приобретают также цитохимические и электронномикроскопические исследования, позволяющие в значительной степени подкрепить физиологические и биохимические выводы.
Проблема биологических ритмов, их роль в сохранении гомеостатических реакции организма в условиях длительного полета приобретают в космической физиологии определенное значение.
В условиях экстремальных воздействий нет полного соответствия между протекающими в организме метаболическими процессами и энергетическим балансом. При энергетических уровнях одинаковой значимости, нередко наблюдавшихся в условиях воздействия различных по силе раздражителей и при качественно различном и равном по калорийности питании, не исключены выраженные нарушения в общем, функциональном состоянии организма, его реактивности. Например, было установлено, что одна и та же доза фармакологического препарата в зависимости от функционального состояния организма приводит к различному эффекту. Так, например, после воздействия ускорения вместо обычной реакции брадикардии (снижение частоты пульса) на введение стрихнина можно было отметить учащение ритма сердечной деятельности. Стрихнин здесь не вызывал свойственного ему влияния на центры блуждающего нерва, а приводил к усилению функции симпатической нервной системы. Значит, важно углубить представления не только о влиянии на организм отдельных факторов полета (ускорения, невесомость, гипокинезия, т.е. ограничение подвижности, шум, изменение температуры и др.), но и о воздействии таковых в совокупности на всех уровнях, начиная от молекулярно-субклеточных и кончая организменным.
Учение о реактивности организма, базирующееся на классических положениях творцов этого учения Н.Е. Введенского и А.А. Ухтомского, приобретает в космической физиологии ведущее значение. Различные по характеристике раздражители в зависимости от исходного функционального состояния могут обусловливать одинаковый эффект, и наоборот, один и тот же раздражитель может вызвать различные эффекты.
Под влиянием экстремальных воздействий, совместимых с нормальной жизнедеятельностью, возникает адаптивная перестройка функций, которая раздвигает границы существования организма, приводит к смещению зоны оптимума и к ослаблению зависимости от внешних условий. Появляется новый функциональный уровень жизнедеятельности, предопределяющий новые особенности реакций организма как на непосредственное экстремальное воздействие, так и в период восстановления функций до исходного уровня.
Следует подчеркнуть значение новых методов обработки биологической информации, в частности кибернетических и математических. При обработке полученных данных обычными способами извлекается только часть полезной информации. Обращаясь с новых позиций к материалам, удается находить все новые интересные факты, приобретающие особую ценность при их сравнении с данными более поздних полетов. Например, так называемая космическая аритмия – феномен повышенной колеблемости пульса у животных и людей в условиях невесомости. Этот феномен связан с относительным усилением тонуса парасимпатического отдела вегетативной нервной системы.
Новый этап физиологических исследований в космосе был начат полетом корабля «Восход», пилотируемого командиром корабля космонавтом В.М. Комаровым. В составе экипажа был также врач Б.Б. Егоров, и это позволило впервые применить функционально и конструктивно самостоятельную систему медицинских исследований.
Кроме того, новейшие методики обследований человека на борту корабля позволили обнаружить отдельные функциональные проявления после завершения полета: ортостатическая неустойчивость (значительное изменение сосудистого тонуса при переходе тела из горизонтального положения в вертикальное), изменения картины крови (уменьшение массы эритроцитов, уменьшение продолжительности жизни эритроцитов), изменения вводно-минерального обмена (баланса жидкостей и кальция). Предотвращение этих нарушений – важнейшая задача космической медицины. Как показали исследования, эффективными средствами повышения устойчивости организма к влиянию экстремальных являются, в частности, высокогорная тренировка и физическая подготовка.
Итак, космическая биология – комплексная научная дисциплина, охватывающая совокупность общебиологических, биофизических, биохимических, физико-химических, математических, астрофизических, геофизических, инженерно-конструкторских и др. исследований, направленных на изучение и решение таких проблем, как происхождение, наличие, распространение, особенности эволюции живой материи (возможно инопланетного происхождения) во Вселенной; особенности жизнедеятельности и поведения земных организмов в условиях космического пространства, на других небесных телах или при полетах на космических аппаратах; построение искусственной среды обитания на космических кораблях (КК) и орбитальных станциях на основе использования различных биологических объектов.
Космическая биология тесно связана с космической медициной, ее подразделом является космическая радиобиология. Исследования в космобиологии базируются на классических трудах русских и советских ученых К.А. Тимирязева, В.И. Вернадского, В.В. Докучаева, И.П. Павлова, И.М. Сеченова, разрабатывавших различные аспекты взаимодействия организмов с внешней средой и пути приспособления организмов к изменяющимся условиям среды. Велико также значение теоретических и экспериментальных данных по сравнительной физиологии (Л.А. Орбели), климатофизиологии (К.М. Быков) и особенно авиационной физиологии и гигиене. Основы этих исследований были заложены еще во время второй мировой войны.
Космическое пространство резко отличается от среды, в которой обитают живые организмы в пределах биосферы Земли: низкая плотность вещества, отсутствие молекулярного кислорода, высокая интенсивность биологически активного излучения, резкие колебания температуры и метеорные потоки полностью исключают возможность жизнедеятельности высокоорганизованных представителей живого мира в незащищенном состоянии. Весьма специфичны условия обитания в кабине КК в результате воздействия вибраций, шума, ускорений, невесомости, изоляции.
Таким образом, необходимо решать задачи совершенствования биотехнических систем жизнеобеспечения, разрабатывать средства и методы повышения устойчивости организмов в космических полетах, что крайне важно для обеспечения более длительных полетов человека и его земных спутников (растения, животные).
Первым этапом биологических исследований на ракетах в конце 40-х и начале 50-х гг. в условиях, близких к космическому полету, явились многократные полеты собак и других животных на ракетах на высоту до 450 км. Впервые были разработаны устройства для жизни животных в герметических кабинах (или спец. скафандрах), а также дистанционные методы регистрации поведенческих и физиологических реакций животных на условия полета (демонстрация музейных экспонатов: механизма передачи физиологических функций животных по радио – схема; катапультируемой тележки для подопытных животных с регистрирующей и физиологической аппаратурой и парашютом).
Полученные экспериментальные данные позволили положительно решить вопрос о переносимости высокоорганизованными животными продолжительного действия ускорений и невесомости.
Биологические эксперименты при полетах КК проводились на собаках, крысах, мышах, морских свинках, лягушках, мухах-дрозофилах, высших растениях (традесканция, семена пшеницы, гороха, лука, кукурузы, проростки растений на разных стадиях развития), на икре улитки, одноклеточных водорослях (хлорелла), культуре тканей человека и животных, бактериальных культурах, вирусах, фугах, некоторых ферментах. Важными для дальнейшего исследования в области экофизиологии явились эксперименты на советском биологическом искусственном спутнике Земли «Космос-110» с двумя собаками на борту (1966) и на американском биоспутнике «Биос-3» с обезьяной на борту (1969). По исследованию влияния на биологические объекты ионизирующего излучения радиационного пояса Земли эксперименты проводились на черепахах, кишечной палочке, дрозофилах (1968-1970 гг.).
В серии этих и других экспериментов было установлено, что невесомость несколько снижает переносимость организмом физических напряжений и затрудняет реадаптацию к нормальной гравитации, но не обладает мутагенной активностью, по крайней мере, в отношении генных и хромосомных мутаций. Исследования в области космической биологии и впредь будут крайне необходимы при биологической разведке новых космических трасс, разработке биотелеметрии, «сжатии» биологической информации и особенно при выборе биологических объектов (автотрофных и гетеротрофных) для замкнутых биотехнических систем.
В 1972 г. подписано соглашение между СССР и США о сотрудничестве в исследовании и использовании космического пространства в мирных целях, а также в области космической биологии и медицины.
В задачу космической медицины входят: исследование влияния на организм человека факторов космического полета, устранение их неблагоприятных воздействий, разработка соответствующих профилактических мер и средств; разработка физиолого-гигиенических требований к системам жизнеобеспечения и к средствам спасения членов экипажа при возникновении аварийных ситуаций; профилактика и лечение заболеваний в космическом полете; разработка клинических и психофизиологических методов отбора и подготовки космонавтов (демонстрация музейных стендов, посвященных тренировкам космонавтов, чертежей профилактических нагрузочных костюмов, аварийно-спасательных скафандров, различных экспонатов бытовой техники: система водообеспечения, массметры, сборник конденсата, поглотитель углекислого газа, бортовой подогреватель пищи, прибор «градус», холодильная камера, беговая дорожка; других предметов быта: продукты питания, инструменты, лекарства и др.).
Можно быть уверенным, что опыт, накопленный космической биологией и медициной, явится достаточно надежной предпосылкой успехов в этом направлении. Сбывается предсказание К.Э. Циолковского: «Человек будет жить и работать в космосе».
Группам учащихся (во главе с учеником-руководителем) предлагается поработать с экспонатами музея, выполнить ряд заданий. Задания могут быть различного характера и уровня сложности. Приведем пример нескольких вариантов заданий.
Задание №1.
1. Проанализируйте инструкцию по рациону питания космонавтов (музейный экспонат). Переписать ее.
2. Сравните рацион питания человека и космонавта (сравнить суточную калорийность двух рационов по соответствующим таблицам калорийности пищевых продуктов).
3. Сделайте выводы о пищевой нагрузке «землян» и космонавтов.
Задание №2.