Космічна біологія. Сучасні методи біологічних досліджень
Наука біологія включає в себе масу різних розділів, великих і малих дочірніх наук. І кожна з них має важливе значення не тільки в житті людини, а й для всієї планети в цілому.
Содержание
Друге століття поспіль люди намагаються вивчати не тільки земне різноманітність життя у всіх її проявах, а й дізнатися, чи є життя за межами планети, в космічних просторах. Цим питанням займається спеціальна наука - космічна біологія. Про неї і піде мова в нашому огляді.
розділ біологічної науки - космічна біологія
Дана наука відносно молода, але дуже інтенсивно розвивається. Основними аспектами вивчення є:
- Фактори космічного простору і їх вплив на організми живих істот, життєдіяльність всіх живих систем в умовах космосу або літальних апаратів.
- Розвиток життя на нашій планеті за участю космосу, еволюція живих систем і ймовірність існування біомаси поза межами нашої планети.
- Можливості побудови замкнутих систем і створення в них справжніх життєвих умов для комфортного розвитку і зростання організмів в космічному просторі.
Космічна медицина і біологія є тісно пов`язаними один з одним науками, спільно вивчають питання фізіологічного стану живих істот в космосі, їх поширеності в міжпланетних просторах і еволюції.
Завдяки дослідженням цих наук стало можливим підбирати оптимальні умови для перебування людей в космосі, причому не завдаючи при цьому ніякої шкоди здоров`ю. Зібрано величезний матеріал по наявності життя в космосі, можливостям рослин і тварин (одноклітинних, багатоклітинних) жити і розвиватися в невагомості.
Історія розвитку науки
Коріння космічної біології йдуть ще в давні часи, коли філософи і мислителі - натуралісти Аристотель, Геракліт, Платон та інші - спостерігали за зоряним небом, намагаючись виявити взаємозв`язок Місяця і Сонця з Землею, зрозуміти причини їх впливу на сільськогосподарські угіддя та тварин.
Пізніше, в середні віки, почалися спроби визначення форми Землі і пояснення її обертання. Довгий час на слуху була теорія, створена Птолемей. Вона говорила про те, що Земля - це центр Всесвіту, а всі інші планети і небесні тіла рухаються навколо неї (Геоцентрична система).
Однак знайшовся інший учений, поляк Микола Коперник, який довів хибність цих тверджень і запропонував свою, геліоцентричну систему будови світу: в центрі - Сонце, а всі планети рухаються навколо. При цьому Сонце - теж зірка. Його погляди підтримували послідовники Джордано Бруно, Ньютон, Кеплер, Галілей.
Однак саме космічна біологія як наука з`явилася значно пізніше. Тільки в XX столітті російський вчений Костянтин Едуардович Ціолковський розробив систему, що дозволяє людям проникати в космічні глибини і потихеньку їх вивчати. Його по праву вважають батьком цієї науки. Також велику роль у розвитку космобіології зіграли відкриття у фізиці і астрофізиці, квантової хімії та механіки Ейнштейна, Бора, Планка, Ландау, Фермі, Капіци, Боголюбова та інших.
Нові наукові дослідження, що дозволили людям зробити-таки давно плановані вильоти в космос, дозволили виділити конкретні медичні та біологічні обгрунтування безпеки і впливу внепланетних умов, які сформулював Ціолковський. У чому була їх суть?
- Вченим було дано теоретичне обгрунтування впливу невагомості на організми ссавців.
- Він змоделював кілька варіантів створення умов космосу в лабораторії.
- Запропонував варіанти отримання космонавтами їжі і води за допомогою рослин і кругообігу речовин.
Таким чином, саме Ціолковським були закладені всі основні постулати космонавтики, які не втратили своєї актуальності і сьогодні.
невагомість
Сучасні біологічні дослідження в галузі вивчення впливу динамічних факторів на організм людини в умовах космосу дозволяють по максимуму рятувати космонавтів від негативного впливу цих самих чинників.
Виділяють три головні динамічні характеристики:
- вібрація;
- прискорення;
- невагомість.
Самою незвичайною і важливою за дією на організм людини є саме невагомість. Це стан, при якому зникає сила гравітації і вона не замінюється іншими інерційними впливами. При цьому людина повністю втрачає здатність контролювати положення тіла в просторі. Такий стан починається вже в нижніх шарах космосу і зберігається в усьому його просторі.
Медико-біологічні дослідження показали, що в стані невагомості в організмі людини відбуваються такі зміни:
- Частішає серцебиття.
- Розслабляються м`язи (пішов тонус).
- Знижується працездатність.
- Можливі просторові галюцинації.
Людина в невагомості здатний перебувати до 86 днів без шкоди для здоров`я. Це було доведено досвідченим шляхом і підтверджено з медичної точки зору. Однак одним із завдань космічної біології і медицини на сьогодні є розробка комплексу заходів щодо запобігання впливу невагомості на організм людини взагалі, усунення стомлюваності, підвищення і закріпленню нормальної працездатності.
Існує ряд умов, які дотримуються космонавти для подолання невагомості і збереження контролю над тілом:
- конструкція літального апарату строго відповідає необхідним нормам з техніки безпеки для пасажирів;
- космонавти завжди ретельно пристебнуті до своїх місць з метою уникнення непередбачених польотів вгору;
- всі предмети на кораблі мають строго певне місце і закріплені належним чином з метою уникнення травмонебезпечних ситуацій;
- рідини зберігаються тільки в закритих, герметично упакованих контейнерах.
Для того щоб домогтися гарних результатів у подоланні невагомості, космонавти проходять ретельну підготовку на Землі. Але, на жаль, поки сучасні наукові дослідження не дозволяють створити в лабораторії такі умови. На нашій планеті подолати силу тяжіння не представляється можливим. Це також одне із завдань на майбутнє для космічної та медичної біології.
Перевантаження в космосі (прискорення)
Ще одним важливим фактором, що впливає на організм людини, що знаходиться в космосі, є прискорення, або перевантаження. Суть цих факторів зводиться до нерівномірного перерозподілу навантаження на тіло при сильних швидкісні рухи в просторі. Виділяють два основних типи прискорення:
- короткочасне;
- тривале.
Як показують медико-біологічні дослідження, і те й інше прискорення має дуже важливе значення в наданні впливу на фізіологічний стан організму космонавта.
Так, наприклад, при дії короткочасних прискорень (вони тривають менше 1 секунди) можуть статися безповоротні зміни в організмі на молекулярному рівні. Також, якщо органи не треновані, досить слабкі, є ризик розриву їх оболонок. Такі дії можуть здійснюватися при відділенні капсули з космонавтом в космосі, під час катапультування його або при посадках корабля на орбітах.
Тому дуже важливо, щоб космонавти пройшли ретельне медичне обстеження і певну фізичну підготовку перед польотом в космос.
Довготривале прискорення виникає при запуску і посадці ракети, а також під час польоту в деяких просторових місцях космосу. Дія таких прискорень на організм за даними, які надають наукові медичні дослідження, таке:
- частішає серцебиття і пульс;
- частішає дихання;
- спостерігається виникнення нудоти і слабкості, блідість шкіри;
- страждає зір, перед очима з`являється червона або чорна плівка;
- можливе відчуття болю в суглобах, кінцівках;
- тонус м`язової тканини падає;
- нервово-гуморальна регуляція змінюється;
- стає іншим газообмін у легенях і в організмі в цілому;
- можлива поява пітливості.
Перевантаження і невагомість змушують вчених-медиків придумувати різні способи. що дозволяють пристосувати, натренувати космонавтів, щоб вони могли витримувати дію цих факторів без наслідків для здоров`я і без втрати працездатності.
Один з найефективніших способів тренування космонавтів на прискорення - це апарат центрифуга. Саме в ньому можна поспостерігати всі зміни, які відбуваються в організмі під час дії перевантажень. Також він дозволяє натренувати і пристосуватися до впливу цього фактора.
Політ в космос і медицина
Польоти в космос, безумовно, роблять дуже великий вплив на стан здоров`я людей, особливо нетренованих або мають хронічні захворювання. Тому важливим аспектом є медичні дослідження всіх тонкощів польоту, всіх реакцій організму на найрізноманітніші і неймовірні впливу внепланетних сил.
Політ в невагомості змушує сучасну медицину і біологію придумувати і формулювати (разом з тим і здійснювати, звичайно) комплекс заходів щодо забезпечення космонавтам нормального харчування, відпочинку, постачання киснем, збереження працездатності і так далі.
Крім того, медицина покликана забезпечити космонавтам гідну допомогу в разі непередбачених, аварійних ситуацій, а також захист від впливів невідомих сил інших планет і просторів. Це досить складно, вимагає багато часу і сил, великий теоретичної бази, використання тільки новітнього сучасного обладнання і препаратів.
Крім того, медицина нарівні з фізикою і біологією має своїм завданням захистити космонавтів від фізичних факторів умов космосу, таких як:
- температура;
- радіація;
- тиск;
- метеорити.
Тому дослідження всіх цих факторів і особливостей має дуже важливе значення.
методи досліджень в біології
Космічна біологія, як і будь-яка інша біологічна наука, володіє певним набором методів, що дозволяють проводити дослідження, накопичувати теоретичний матеріал і підтверджувати його практичними висновками. Ці методи з часом не залишаються незмінними, піддаються оновлень і модернізації відповідно до поточним часом. Однак історично сформовані методи біології все одно залишаються актуальними і донині. До них відносяться:
- Спостереження.
- Експеримент.
- Історичний аналіз.
- Опис.
- Порівняння.
Ці методи біологічних досліджень базові, актуальні в будь-які часи. Але існує ряд інших, які виникли з розвитком науки і техніки, електронної фізики та молекулярної біології. Саме вони називаються сучасними і відіграють найбільшу роль у вивченні всіх біолого-хімічних, медичних і фізіологічних процесах.
сучасні методи
- Методи генної інженерії та біоінформатики. Так само як агробактеріальної і балістична трансформація, ПЛР (полімеразні ланцюгові реакції). Роль біологічних досліджень такого плану велика, оскільки саме вони дозволяють знайти варіанти вирішення проблеми харчування і насичення киснем ракетних установок і кабін для комфортного стану космонавтів.
- Методи білкової хімії та гистохимии. Дозволяють управляти білками і ферментами в живих системах.
- Використання флуоресцентної мікроскопії, сверхразрешающей мікроскопії.
- Використання молекулярної біології та біохімії і їх методів дослідження.
- біотелеметрії - метод, який є результатом поєднання роботи інженерів і медиків на біологічній основі. Він дозволяє контролювати всі фізіологічно важливі функції роботи організму на відстані за допомогою радіоканалів зв`язку тіла людини і комп`ютером-реєстратором. Космічна біологія використовує цей метод як основний для відстеження дій умов космосу на організми космонавтів.
- Біологічна індикація міжпланетного простору. Дуже важливий метод космічної біології, що дозволяє оцінювати міжпланетні стану середовища, отримувати відомості про характеристики різних планет. Основу тут становить застосування тварин з вбудованими датчиками. Саме піддослідні тварини (миші, собаки, мавпи) добувають інформацію з орбіт, яка використовується земними вченими для аналізу і висновків.
Сучасні методи біологічних досліджень дозволяють вирішувати передові завдання не тільки космічної біології, а й загальнолюдські.
Проблеми космічної біології
Всі перераховані методи медико-біологічних досліджень, на жаль, не змогли поки вирішити всі проблеми космічної біології. Існує ряд злободенних питань, які залишаються нагальними і по сей день. Розглянемо основні проблеми, з якими стикається космічна медицина і біологія.
- Підбір підготовленого персоналу для польоту в космос, стан здоров`я якого змогло б відповідати всім вимогам медиків (в тому числі дозволило б космонавтам витримувати жорстку підготовку і тренування для польотів).
- Гідний рівень підготовки і постачання всім необхідним робочих космічних екіпажів.
- Забезпечення безпеки за всіма параметрами (в тому числі і від незвіданих або сторонніх чинників впливу з інших планет) робочим кораблям і авіаконструкцій.
- Психофізіологічна реабілітація космонавтів при поверненні на Землю.
- Розробка способів захисту космонавтів і космічних кораблів від радіаційного випромінювання.
- Забезпечення нормальних життєвих умов в кабінах при польотах в космос.
- Розробка і застосування модернізованих комп`ютерних технологій в космічній медицині.
- Впровадження космічної телемедицини та біотехнології. Використання методів цих наук.
- Рішення медичних і біологічних проблем для комфортних польотів космонавтів на Марс і інші планети.
- Синтез фармакологічних засобів, які дозволять вирішити проблему оснащеності киснем в космосі.
Розвинені, вдосконалені і комплексні в застосуванні методи медико-біологічних досліджень обов`язково дозволять вирішити всі поставлені завдання і існуючі проблеми. Однак коли це буде - питання складне і досить непередбачуваний.
Слід зазначити, що рішенням всіх цих питань займаються не тільки вчені Росії, але і вчена рада всіх країн світу. І це великий плюс. Адже спільні дослідження і пошуки дадуть незрівнянно більший і швидкий позитивний результат. Тісна світове співробітництво в рішенні космічних проблем - запорука успіху в освоєнні внепланетного простору.
сучасні досягнення
Таких досягнень чимало. Адже щодня проводиться інтенсивна робота, ретельна і копітка, яка дозволяє знаходити все нові і нові матеріали, робити висновки і формулювати гіпотези.
Одним з найголовніших відкриттів XXI століття в космології стало виявлення води на Марсі. Це відразу ж дало привід до народження десятків гіпотез про наявність чи відсутність життя на планеті, про можливість переселення землян на Марс і так далі.
Ще одним відкриттям стало те, що вченими були визначені вікові рамки, в межах яких людина максимально комфортно і без важких наслідків може перебувати в космосі. Даний вік починається від 45 років і закінчується приблизно 55-60 роками. Молоді люди, які вирушають у космос, надзвичайно сильно страждають психологічно і фізіологічно після повернення на Землю, важко адаптуються і перебудовуються.
Була виявлена вода і на Місяці (2009 р.) Також на супутнику Землі були знайдені ртуть і велика кількість срібла.
Методи біологічних досліджень, а також інженерно-фізичні показники дозволяють з упевненістю зробити висновок про нешкідливість (по крайней мере, не більшою шкідливості, ніж на Землі) впливу іонної радіації і опромінення в космосі.
Наукові дослідження довели, що тривале перебування в космосі не накладає відбиток на стан фізичного здоров`я космонавтів. Однак проблеми залишаються в психологічному плані.
Були проведені дослідження, які доводять, що вищі рослини по-різному реагують на знаходження в космічних просторах. Насіння одних рослин при дослідженні не виявили ніяких генетичних змін. Інші ж, навпаки, показали явні деформації на молекулярному рівні.
Досліди, проведені на клітинах і тканинах живих організмів (ссавців) довели, що космос не впливає на нормальний стан і функціонування даних органів.
Різні види медичних досліджень (томографія, МРТ, аналізи крові і сечі, кардіограма, комп`ютерна томографія і так далі) дозволили зробити висновок про те, що фізіологічні, біохімічні, морфологічні характеристики клітин людини залишаються незмінними при перебуванні в космосі до 86 днів.
У лабораторних умовах була відтворена штучна система, що дозволяє максимально наблизитися до стану невагомості і таким чином вивчити всі аспекти впливу цього стану на організм. Це дозволило, в свою чергу, розробити ряд профілактичних заходів щодо запобігання впливу цього фактора при польоті людини в невагомості.
Результатами екзобіології стали дані, які свідчать про наявність органічних систем поза біосферою Землі. Поки стало можливим тільки теоретичне формулювання цих припущень, проте незабаром вчені планують видобути і практичні докази.
Завдяки дослідженням біологів, фізиків, медиків, екологів і хіміків були виявлені глибокі механізми впливу людей на біосферу. Домогтися цього стало можливим шляхом створення штучних екосистем поза планети і надання на них такого ж впливу, як і на Землі.
Це не всі досягнення космічної біології, космології і медицини на сьогоднішній день, а тільки основні. Існує великий потенціал, реалізація якого і є завдання перерахованих наук на майбутнє.
Життя в космосі
За сучасними уявленнями життя в космосі може існувати, так як останні відкриття підтверджують наявність на деяких планетах відповідних умов для виникнення і розвитку життя. Однак думки вчених в цьому питанні діляться на дві категорії:
- життя немає ніде, крім Землі, ніколи не було і не буде;
- життя є в неосяжних просторах космічного простору, але люди ще не виявили її.
Яка з гіпотез вірна - вирішувати кожному особисто. Доказів і спростувань і для однієї, і для іншої досить.
