Nauka biologii obejmuje wiele różnych sekcji, nauki o dużych i małych dzieciach. A każdy z nich jest ważny nie tylko w życiu człowieka, ale dla całej planety.
Przez drugi wiek z rzędu ludzie próbują badać nie tylko ziemskie zróżnicowanie życia we wszystkich jego przejawach, ale także dowiedzieć się, czy istnieje życie poza planetą, w kosmosie. Zagadnieniami tymi zajmuje się specjalna nauka - biologia kosmiczna. Zostanie to omówione w naszej recenzji.
Sekcja Biologii - Biologia Kosmiczna
Ta nauka jest stosunkowo młoda, ale bardzo intensywnie się rozwija. Główne aspekty uczenia się to:
- Czynniki przestrzeni kosmicznej i ich wpływ na organizmy żywych istot, żywotna aktywność wszystkich żywych systemów w kosmosie lub samolocie.
- Rozwój życia na naszej planecie z udziałem przestrzeni kosmicznej, ewolucja systemów żywych oraz prawdopodobieństwo istnienia biomasy poza naszą planetą.
- Możliwości budowania systemów zamkniętych i tworzenia w nich rzeczywistych warunków życia dla komfortowegorozwój i wzrost organizmów w przestrzeni kosmicznej.
Medycyna kosmiczna i biologia to ściśle powiązane nauki, które wspólnie badają stan fizjologiczny istot żywych w kosmosie, ich występowanie w przestrzeniach międzyplanetarnych i ewolucję.
Dzięki badaniom tych nauk możliwe stało się dobranie optymalnych warunków do znajdowania ludzi w kosmosie, bez szkody dla zdrowia. Zebrano ogromny materiał na temat obecności życia w kosmosie, zdolności roślin i zwierząt (jednokomórkowych, wielokomórkowych) do życia i rozwoju w stanie nieważkości.
Historia rozwoju nauki
Korzenie biologii kosmicznej sięgają czasów starożytnych, kiedy filozofowie i myśliciele – przyrodnicy Arystoteles, Heraklit, Platon i inni – obserwowali gwiaździste niebo, próbując zidentyfikować związek Księżyca i Słońca z Ziemią, aby zrozumieć przyczyny ich wpływu na grunty rolne i zwierzęta.
Później, w średniowieczu, zaczęto próbować określić kształt Ziemi i wyjaśnić jej rotację. Przez długi czas istniała teoria stworzona przez Ptolemeusza. Mówiła o tym, że Ziemia jest centrum Wszechświata, a wokół niej poruszają się wszystkie inne planety i ciała niebieskie (układ geocentryczny).
Jednak był inny naukowiec, Polak Mikołaj Kopernik, który udowodnił błędność tych stwierdzeń i zaproponował własny, heliocentryczny system budowy świata: w centrum znajduje się Słońce, a wszystkie planety poruszają się dookoła. Słońce jest także gwiazdą. Jego poglądy poparli zwolennicy GiordanoBruno, Newton, Kepler, Galileo.
Jednak biologia kosmiczna jako nauka pojawiła się znacznie później. Dopiero w XX wieku rosyjski naukowiec Konstantin Eduardovich Tsiołkowski opracował system, który pozwala ludziom wnikać w głębiny kosmosu i powoli je badać. Jest słusznie uważany za ojca tej nauki. Również odkrycia w dziedzinie fizyki i astrofizyki, chemii kwantowej i mechaniki Einsteina, Bohra, Plancka, Landaua, Fermiego, Kapitzy, Bogolyubova i innych odegrały dużą rolę w rozwoju kosmobiologii.
Nowe badania naukowe, które pozwoliły ludziom na odległe loty w kosmos, umożliwiły zidentyfikowanie konkretnych medycznych i biologicznych uzasadnień bezpieczeństwa i wpływu warunków pozaziemskich sformułowanych przez Ciołkowskiego. Jaka była ich istota?
- Naukowcy otrzymali teoretyczne uzasadnienie wpływu nieważkości na organizmy ssaków.
- Modelował kilka wariantów warunków przestrzennych w laboratorium.
- Sugerowane możliwości pozyskiwania przez astronautów pożywienia i wody za pomocą roślin i cyrkulacji materii.
Tak więc to Ciołkowski sformułował wszystkie podstawowe postulaty astronautyki, które nie straciły dziś na aktualności.
Nieważkość
Nowoczesne badania biologiczne w dziedzinie badania wpływu czynników dynamicznych na organizm człowieka w kosmosie pozwalają astronautom maksymalnie pozbyć się negatywnego wpływu tych samych czynników.
Istnieją trzy główne cechy dynamiczne:
- wibracje;
- przyspieszenie;
- nieważkość.
Najbardziej niezwykłym i najważniejszym wpływem na ludzkie ciało jest nieważkość. Jest to stan, w którym siła grawitacji zanika i nie jest zastępowana innymi wpływami bezwładności. W takim przypadku osoba całkowicie traci zdolność kontrolowania pozycji ciała w przestrzeni. Taki stan zaczyna się już w niższych warstwach kosmosu i utrzymuje się w całej jego przestrzeni.
Badania medyczne i biologiczne wykazały, że w organizmie człowieka w stanie nieważkości zachodzą następujące zmiany:
- Tętno wzrasta.
- Mięśnie się rozluźniają (tonus znika).
- Spadek wydajności.
- Możliwe halucynacje przestrzenne.
Osoba w stanie nieważkości jest w stanie wytrzymać do 86 dni bez szkody dla zdrowia. Zostało to udowodnione empirycznie i potwierdzone z medycznego punktu widzenia. Jednak jednym z zadań dzisiejszej biologii kosmicznej i medycyny jest opracowanie zestawu środków zapobiegających wpływowi nieważkości na ogólny organizm ludzki, eliminujących zmęczenie, zwiększających i utrwalających normalną wydajność.
Istnieje wiele warunków, które astronauci obserwują, aby przezwyciężyć nieważkość i zachować kontrolę nad ciałem:
- konstrukcja samolotu jest ściśle zgodna z niezbędnymi normami bezpieczeństwa dla pasażerów;
- astronauci są zawsze ostrożnie przypinani do swoich siedzeń, aby uniknąć nieprzewidzianych lotów w górę;
- wszystkie przedmioty na statku są ściśleustalone miejsce i odpowiednio zabezpieczone, aby uniknąć obrażeń;
- Płyny są przechowywane tylko w zamkniętych, zaplombowanych pojemnikach.
Aby osiągnąć dobre wyniki w pokonywaniu nieważkości, astronauci przechodzą gruntowne szkolenie na Ziemi. Niestety, jak na razie współczesne badania naukowe nie pozwalają na stworzenie takich warunków w laboratorium. Na naszej planecie nie da się pokonać siły grawitacji. To także jedno z przyszłych wyzwań dla kosmosu i biologii medycznej.
Siły G w kosmosie (przyspieszenia)
Innym ważnym czynnikiem wpływającym na ludzkie ciało w kosmosie jest przyspieszenie lub przeciążenie. Istota tych czynników sprowadza się do nierównomiernej redystrybucji obciążenia na ciele podczas silnych, szybkich ruchów w przestrzeni. Istnieją dwa główne rodzaje akceleracji:
- krótkoterminowe;
- długi.
Jak pokazują badania biomedyczne, oba przyspieszenia są bardzo ważne we wpływaniu na stan fizjologiczny ciała astronauty.
Tak więc na przykład pod wpływem krótkotrwałych przyspieszeń (trwają one krócej niż 1 sekundę) w organizmie mogą wystąpić nieodwracalne zmiany na poziomie molekularnym. Ponadto, jeśli narządy nie są wytrenowane, wystarczająco słabe, istnieje ryzyko pęknięcia ich błon. Takie wpływy można przeprowadzić podczas separacji kapsuły z astronautą w kosmosie, podczas jego wyrzucanialub podczas lądowania statku na orbitach.
Dlatego bardzo ważne jest, aby astronauci poddali się dokładnym badaniom lekarskim i określonemu treningowi fizycznemu przed odlotem w kosmos.
Długotrwałe przyspieszenie występuje podczas startu i lądowania rakiety, a także podczas lotu w niektórych przestrzennych miejscach w kosmosie. Wpływ takich przyspieszeń na organizm, według danych dostarczonych przez naukowe badania medyczne, jest następujący:
- bicie serca i puls przyspieszają;
- oddychanie przyspiesza;
- występują nudności i osłabienie, bladość skóry;
- wzrok cierpi, przed oczami pojawia się czerwony lub czarny film;
- może odczuwać bóle stawów, kończyn;
- spadek napięcia tkanki mięśniowej;
- zmiany regulacji neuromoralnych;
- wymiana gazowa w płucach i całym ciele staje się inna;
- może powodować pocenie się.
Siła przeciążenia i nieważkość zmuszają naukowców medycznych do wymyślania różnych sposobów. pozwalających się przystosować, wyszkolić astronautów, aby wytrzymali działanie tych czynników bez konsekwencji zdrowotnych i bez utraty wydajności.
Jednym z najskuteczniejszych sposobów trenowania astronautów do przyspieszania jest wirówka. To w nim można zaobserwować wszystkie zmiany, jakie zachodzą w organizmie pod wpływem przeciążeń. Pozwala również trenować i dostosowywać się do wpływu tego czynnika.
Lot kosmiczny i medycyna
Loty kosmiczne z pewnością mają bardzo duży wpływ na zdrowie ludzi, zwłaszcza tych nieprzeszkolonych lub cierpiących na choroby przewlekłe. Dlatego ważnym aspektem są badania medyczne wszystkich subtelności lotu, wszystkich reakcji organizmu na najbardziej różnorodne i niesamowite efekty sił pozaziemskich.
Latanie w stanie nieważkości zmusza współczesną medycynę i biologię do wymyślenia i sformułowania (jednocześnie oczywiście wdrożenia) zestawu środków zapewniających astronautom normalne odżywianie, odpoczynek, dopływ tlenu, zdolność do pracy i tak dalej.
Ponadto medycyna ma na celu zapewnienie kosmonautom przyzwoitej pomocy w przypadku nieprzewidzianych, awaryjnych sytuacji, a także ochronę przed skutkami nieznanych sił innych planet i przestrzeni. Jest to dość trudne, wymaga dużo czasu i wysiłku, dużej bazy teoretycznej, użycia tylko najnowocześniejszego sprzętu i leków.
Ponadto medycyna, wraz z fizyką i biologią, ma za zadanie chronić astronautów przed fizycznymi czynnikami warunków kosmicznych, takimi jak:
- temperatura;
- promieniowanie;
- ciśnienie;
- meteoryty.
Dlatego badanie wszystkich tych czynników i cech jest bardzo ważne.
Metody badawcze w biologii
Biologia kosmiczna, jak każda inna nauka biologiczna, dysponuje pewnym zestawem metod pozwalających na prowadzenie badań, gromadzenie materiału teoretycznego i potwierdzanie go praktycznymi wnioskami. Te metody z biegiem czasupozostają bez zmian, są aktualizowane i modernizowane zgodnie z aktualnym czasem. Jednak historycznie ustalone metody biologii pozostają aktualne do dnia dzisiejszego. Należą do nich:
- Obserwacja.
- Eksperyment.
- Analiza historyczna.
- Opis.
- Porównanie.
Te metody badań biologicznych są podstawowe i zawsze aktualne. Ale istnieje wiele innych, które pojawiły się wraz z rozwojem nauki i technologii, fizyki elektronicznej i biologii molekularnej. Nazywane są nowoczesnymi i odgrywają największą rolę w badaniu wszystkich procesów biologiczno-chemicznych, medycznych i fizjologicznych.
Nowoczesne metody
- Metody inżynierii genetycznej i bioinformatyki. Obejmuje to transformację agrobakteryjną i balistyczną, PCR (reakcje łańcuchowe polimerazy). Rola tego rodzaju badań biologicznych jest ogromna, ponieważ to one umożliwiają znalezienie możliwości rozwiązania problemu karmienia i natleniania wyrzutni rakietowych i kabin dla komfortu astronautów.
- Metody chemii białek i histochemii. Pozwalają kontrolować białka i enzymy w żywych systemach.
- Korzystanie z mikroskopii fluorescencyjnej, mikroskopii superrozdzielczej.
- Zastosowanie biologii molekularnej i biochemii oraz ich metod badawczych.
- Biotelemetria to metoda będąca wynikiem połączenia pracy inżynierów i lekarzy na gruncie biologicznym. Pozwala kontrolować wszystkie fizjologicznie ważne funkcje pracy.organizmu na odległość za pomocą kanałów komunikacji radiowej ludzkiego ciała i rejestratora komputerowego. Biologia kosmiczna wykorzystuje tę metodę jako podstawę do śledzenia wpływu warunków kosmicznych na organizmy astronautów.
- Biologiczne wskazanie przestrzeni międzyplanetarnej. Bardzo ważna metoda biologii kosmosu, która umożliwia ocenę międzyplanetarnych stanów środowiska, uzyskanie informacji o cechach różnych planet. Podstawą jest tutaj wykorzystanie zwierząt z wbudowanymi czujnikami. To zwierzęta doświadczalne (myszy, psy, małpy) wydobywają informacje z orbit, które są wykorzystywane przez ziemskich naukowców do analiz i wniosków.
Nowoczesne metody badań biologicznych pozwalają rozwiązywać zaawansowane problemy nie tylko biologii kosmicznej, ale także uniwersalne.
Problemy biologii kosmicznej
Wszystkie wymienione metody badań biomedycznych niestety nie były w stanie rozwiązać wszystkich problemów biologii kosmicznej. Istnieje wiele aktualnych spraw, które do dziś pozostają pilne. Przyjrzyjmy się głównym wyzwaniom stojącym przed medycyną kosmiczną i biologią.
- Dobór wyszkolonego personelu do lotów kosmicznych, którego stan zdrowia spełniałby wszystkie wymagania lekarzy (w tym pozwalanie astronautom na wytrzymanie rygorystycznego szkolenia i szkolenia do lotów).
- Przyzwoity poziom wyszkolenia i zaopatrzenie we wszystko, co niezbędne do pracy załóg kosmicznych.
- Zapewnienie bezpieczeństwa pod każdym względem (w tym przed nieznanymi lub obcymi czynnikami wpływu)z innych planet) statki robocze i konstrukcje lotnicze.
- Rehabilitacja psychofizjologiczna astronautów po powrocie na Ziemię.
- Opracowanie sposobów ochrony astronautów i statków kosmicznych przed promieniowaniem.
- Zapewnienie normalnych warunków życia w kabinach podczas lotów kosmicznych.
- Rozwój i zastosowanie zaawansowanych technologii komputerowych w medycynie kosmicznej.
- Wprowadzenie telemedycyny i biotechnologii kosmicznej. Korzystając z metod tych nauk.
- Rozwiązanie problemów medycznych i biologicznych dla komfortowych lotów astronautów na Marsa i inne planety.
- Synteza środków farmakologicznych, które rozwiążą problem zaopatrzenia w tlen w kosmosie.
Opracowane, udoskonalone i złożone w zastosowaniu metody badań biomedycznych z pewnością rozwiążą wszystkie zadania i istniejące problemy. Jednak kiedy to nastąpi, jest to trudne i raczej nieprzewidywalne pytanie.
Należy zauważyć, że wszystkimi tymi zagadnieniami zajmują się nie tylko rosyjscy naukowcy, ale także Rada Naukowa wszystkich krajów świata. I to jest duży plus. W końcu wspólne badania i poszukiwania dadzą nieproporcjonalnie większy i szybszy pozytywny wynik. Ścisła globalna współpraca w rozwiązywaniu problemów kosmicznych jest kluczem do sukcesu w eksploracji przestrzeni pozaziemskiej.
Nowoczesne osiągnięcia
Jest wiele takich osiągnięć. Przecież codziennie intensywna praca jest wykonywana, dokładna i żmudna, co pozwala znaleźć coraz więcejmateriały, wyciągać wnioski i formułować hipotezy.
Jednym z najważniejszych odkryć XXI wieku w kosmologii było odkrycie wody na Marsie. To natychmiast dało początek dziesiątkom hipotez o obecności lub braku życia na planecie, o możliwości przesiedlenia Ziemian na Marsa i tak dalej.
Kolejnym odkryciem było to, że naukowcy określili granice wieku, w których dana osoba może przebywać w kosmosie tak wygodnie i bez poważnych konsekwencji, jak to tylko możliwe. Wiek ten zaczyna się od 45 lat, a kończy na około 55-60 lat. Młodzi ludzie udający się w kosmos bardzo cierpią psychicznie i fizjologicznie po powrocie na Ziemię, dostosowując się i ciężko odbudowując.
Woda została również odkryta na Księżycu (2009). Na satelicie Ziemi znaleziono również rtęć i dużą ilość srebra.
Biologiczne metody badawcze, a także inżynierskie i fizyczne wskaźniki pozwalają nam z przekonaniem stwierdzić, że skutki promieniowania jonowego i ekspozycji w kosmosie są nieszkodliwe (przynajmniej nie bardziej szkodliwe niż na Ziemi).
Badania naukowe dowiodły, że długie przebywanie w kosmosie nie wpływa na zdrowie fizyczne astronautów. Jednak problemy psychologiczne pozostają.
Przeprowadzono badania, które wykazały, że wyższe rośliny inaczej reagują na przebywanie w kosmosie. Nasiona niektórych roślin w badaniach nie wykazywały żadnych zmian genetycznych. Inne, wręcz przeciwnie, wykazały oczywiste deformacje na poziomie molekularnym.
Doświadczenia,przeprowadzone na komórkach i tkankach organizmów żywych (ssaków) dowiodły, że przestrzeń nie wpływa na normalny stan i funkcjonowanie tych narządów.
Różne rodzaje badań medycznych (tomografia, rezonans magnetyczny, badania krwi i moczu, kardiogram, tomografia komputerowa itd.) doprowadziły do wniosku, że fizjologiczne, biochemiczne i morfologiczne cechy ludzkich komórek pozostają niezmienione podczas przebywania w kosmosie do 86 dni.
W warunkach laboratoryjnych odtworzono sztuczny system, który pozwala maksymalnie zbliżyć się do stanu nieważkości, a tym samym zbadać wszystkie aspekty wpływu tego stanu na organizm. To z kolei umożliwiło opracowanie szeregu środków zapobiegawczych, które zapobiegałyby wpływowi tego czynnika podczas lotu człowieka w stanie zerowej grawitacji.
Wyniki egzobiologii to dane wskazujące na obecność układów organicznych poza biosferą Ziemi. Do tej pory możliwe stało się jedynie teoretyczne sformułowanie tych założeń, ale wkrótce naukowcy planują również uzyskanie praktycznych dowodów.
Dzięki badaniom biologów, fizyków, lekarzy, ekologów i chemików ujawniono głębokie mechanizmy oddziaływania człowieka na biosferę. Było to możliwe dzięki stworzeniu sztucznych ekosystemów poza planetą i wywieraniu na nie takiego samego wpływu jak na Ziemi.
To nie wszystkie osiągnięcia dzisiejszej biologii kosmicznej, kosmologii i medycyny, ale tylko te najważniejsze. Istnieje duży potencjał, którego realizacja jestzadaniem wymienionych nauk na przyszłość.
Życie w kosmosie
Według współczesnych idei życie w kosmosie może istnieć, ponieważ ostatnie odkrycia potwierdzają obecność na niektórych planetach odpowiednich warunków do powstania i rozwoju życia. Jednak opinie uczonych na ten temat dzielą się na dwie kategorie:
- życie jest nigdzie poza Ziemią, nigdy nie było i nigdy nie będzie;
- życie istnieje na ogromnych przestrzeniach kosmosu, ale ludzie jeszcze go nie odkryli.
Która z hipotez jest prawidłowa - decyzja należy do każdej osoby. Jest wystarczająco dużo dowodów i obalenia zarówno dla jednego, jak i drugiego.
