Kosmosa bioloģija. Mūsdienīgas bioloģiskās izpētes metodes

2024 Autors: Angel Austin | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 05:35

Bioloģijas zinātnē ir daudz dažādu sadaļu, lielu un mazu bērnu zinātnes. Un katrs no tiem ir svarīgs ne tikai cilvēka dzīvē, bet arī planētai kopumā.

Jau otro gadsimtu pēc kārtas cilvēki cenšas pētīt ne tikai zemes dzīvības daudzveidību visās tās izpausmēs, bet arī noskaidrot, vai ārpus planētas, kosmosā, pastāv dzīvība. Ar šiem jautājumiem nodarbojas īpaša zinātne – kosmosa bioloģija. Tas tiks apspriests mūsu pārskatā.

Bioloģijas sadaļa - Kosmosa bioloģija

Šī zinātne ir salīdzinoši jauna, bet ļoti intensīvi attīstās. Galvenie mācību aspekti ir:

1. Kosmosa faktori un to ietekme uz dzīvo būtņu organismiem, visu dzīvo sistēmu dzīvībai svarīgo darbību kosmosā vai lidmašīnā.
2. Dzīvības attīstība uz mūsu planētas ar kosmosa līdzdalību, dzīvo sistēmu evolūcija un biomasas pastāvēšanas iespējamība ārpus mūsu planētas.
3. Slēgtu sistēmu izveides iespējas un reālu dzīves apstākļu radīšana tajās ērtaiorganismu attīstība un augšana kosmosā.

Kosmosa medicīna un bioloģija ir cieši saistītas zinātnes, kas kopīgi pēta dzīvo būtņu fizioloģisko stāvokli kosmosā, to izplatību starpplanētu telpās un evolūciju.

Pateicoties šo zinātņu pētījumiem, radās iespēja izvēlēties optimālos apstākļus cilvēku atrašanai kosmosā, neradot nekādu kaitējumu veselībai. Ir savākts milzīgs materiāls par dzīvības klātbūtni kosmosā, augu un dzīvnieku (vienšūnu, daudzšūnu) spēju dzīvot un attīstīties bezsvara stāvoklī.

Zinātnes attīstības vēsture

Kosmosa bioloģijas saknes sniedzas senos laikos, kad filozofi un domātāji – dabaszinātnieki Aristotelis, Heraklīts, Platons un citi – vēroja zvaigžņotās debesis, mēģinot identificēt Mēness un Saules attiecības ar Zemi., lai izprastu iemeslus to ietekmei uz lauksaimniecības zemi un dzīvniekiem.

Vēlāk, viduslaikos, sākās mēģinājumi noteikt Zemes formu un izskaidrot tās rotāciju. Ilgu laiku pastāvēja Ptolemaja radītā teorija. Viņa runāja par to, ka Zeme ir Visuma centrs, un visas pārējās planētas un debess ķermeņi pārvietojas ap to (ģeocentriskā sistēma).

Tomēr bija cits zinātnieks, polis Nikolajs Koperniks, kurš pierādīja šo apgalvojumu maldīgumu un ierosināja savu, heliocentrisko pasaules uzbūves sistēmu: centrā ir Saule, un visas planētas pārvietojas. Saule arī ir zvaigzne. Viņa uzskatus atbalstīja Džordāno sekotājiBruno, Ņūtons, Keplers, Galileo.

Tomēr kosmosa bioloģija kā zinātne parādījās daudz vēlāk. Tikai 20. gadsimtā krievu zinātnieks Konstantīns Eduardovičs Ciolkovskis izstrādāja sistēmu, kas ļauj cilvēkiem iekļūt kosmosa dzīlēs un lēnām tos izpētīt. Viņu pamatoti uzskata par šīs zinātnes tēvu. Arī Einšteina, Bora, Planka, Landau, Fermi, Kapicas, Bogoļubova un citu atklājumiem fizikā un astrofizikā, kvantu ķīmijā un mehānikā bija liela nozīme kosmobioloģijas attīstībā.

Jauni zinātniski pētījumi, kas ļāva cilvēkiem veikt sen plānotus lidojumus kosmosā, ļāva noteikt īpašus medicīniskus un bioloģiskus pamatojumus Ciolkovska formulētajiem ārpuszemes apstākļu drošībai un ietekmei. Kāda bija to būtība?

1. Zinātniekiem ir dots teorētisks pamatojums bezsvara stāvokļa ietekmei uz zīdītāju organismiem.
2. Viņš laboratorijā modelēja vairākas telpas apstākļu variācijas.
3. Ieteiktās iespējas astronautiem iegūt pārtiku un ūdeni ar augu palīdzību un vielas cirkulāciju.

Tātad, tieši Ciolkovskis noteica visus astronautikas pamatpostulātus, kas nav zaudējuši savu aktualitāti arī mūsdienās.

Bezsvara stāvoklis

Mūsdienu bioloģiskie pētījumi dinamisko faktoru ietekmes uz cilvēka ķermeni izpētes jomā kosmosā ļauj astronautiem maksimāli atbrīvoties no šo pašu faktoru negatīvās ietekmes.

Ir trīs galvenie dinamiskie raksturlielumi:

• vibrācija;
• paātrinājums;
• bezsvara stāvoklis.

Visneparastākā un svarīgākā ietekme uz cilvēka ķermeni ir bezsvara stāvoklis. Tas ir stāvoklis, kurā gravitācijas spēks pazūd un tas netiek aizstāts ar citām inerciālām ietekmēm. Šajā gadījumā cilvēks pilnībā zaudē spēju kontrolēt ķermeņa stāvokli telpā. Šāds stāvoklis sākas jau kosmosa zemākajos slāņos un saglabājas visā telpā.

Medicīniskos un bioloģiskos pētījumos ir pierādīts, ka bezsvara stāvoklī cilvēka organismā notiek šādas izmaiņas:

1. Sirdspuksti pastiprinās.
2. Muskuļi atslābinās (tonuss pazūd).
3. Pazemināta veiktspēja.
4. Iespējamas telpiskas halucinācijas.

Cilvēks bezsvara stāvoklī spēj noturēties līdz 86 dienām bez kaitējuma veselībai. Tas ir empīriski pierādīts un apstiprināts no medicīniskā viedokļa. Taču viens no kosmosa bioloģijas un medicīnas uzdevumiem mūsdienās ir izstrādāt pasākumu kopumu, lai novērstu bezsvara stāvokļa ietekmi uz cilvēka organismu kopumā, novērstu nogurumu, palielinātu un nostiprinātu normālu sniegumu.

Ir vairāki apstākļi, ko astronauti ievēro, lai pārvarētu bezsvara stāvokli un saglabātu kontroli pār ķermeni:

• lidmašīnas dizains stingri atbilst nepieciešamajiem pasažieru drošības standartiem;
• astronauti vienmēr ir rūpīgi piesprādzēti savos sēdekļos, lai izvairītos no neparedzētiem lidojumiem augšup;
• visas preces uz kuģa ir stingrifiksētā vietā un pareizi nostiprināts, lai izvairītos no savainojumiem;
• Šķidrumus uzglabā tikai slēgtos, noslēgtos traukos.

Lai sasniegtu labus rezultātus bezsvara stāvokļa pārvarēšanā, astronauti uz Zemes iziet pamatīgu apmācību. Bet diemžēl līdz šim mūsdienu zinātniskie pētījumi neļauj radīt šādus apstākļus laboratorijā. Uz mūsu planētas nav iespējams pārvarēt gravitācijas spēku. Tas ir arī viens no nākotnes izaicinājumiem kosmosa un medicīniskās bioloģijas jomā.

G-spēki kosmosā (paātrinājumi)

Cits svarīgs faktors, kas ietekmē cilvēka ķermeni kosmosā, ir paātrinājums jeb pārslodze. Šo faktoru būtība ir samazināta līdz nevienmērīgai ķermeņa slodzes pārdalei spēcīgu ātrgaitas kustību laikā kosmosā. Ir divi galvenie paātrinājuma veidi:

• īstermiņa;
• garš.

Kā liecina biomedicīnas pētījumi, abiem paātrinājumiem ir ļoti liela nozīme astronauta ķermeņa fizioloģiskā stāvokļa ietekmēšanā.

Tātad, piemēram, īslaicīgu paātrinājumu iedarbībā (tie ilgst mazāk par 1 sekundi) organismā var notikt neatgriezeniskas izmaiņas molekulārā līmenī. Tāpat, ja orgāni nav trenēti, pietiekami vāji, pastāv to membrānu plīsuma risks. Šādas ietekmes var veikt kapsulas atdalīšanas laikā ar astronautu kosmosā, viņa izmešanas laikāvai nolaižot kuģi orbītā.

Tāpēc ir ļoti svarīgi, lai astronauti pirms lidošanas kosmosā izietu rūpīgu medicīnisko pārbaudi un noteiktu fizisko sagatavotību.

Ilgas darbības paātrinājums notiek raķetes palaišanas un nosēšanās laikā, kā arī lidojuma laikā atsevišķās telpiskās vietās kosmosā. Šādu paātrinājumu ietekme uz ķermeni, saskaņā ar zinātnisko medicīnisko pētījumu datiem, ir šāda:

• sirdspuksti un pulss paātrinās;
• elpošana paātrinās;
• ir slikta dūša un vājums, bāla āda;
• redze cieš, acu priekšā parādās sarkana vai melna plēve;
• var just sāpes locītavās, ekstremitātēs;
• muskuļu audu tonusa pazemināšanās;
• neiromorālā regulējuma izmaiņas;
• gāzu apmaiņa plaušās un organismā kopumā kļūst atšķirīga;
• var izraisīt svīšanu.

G spēki un bezsvara stāvoklis liek medicīnas zinātniekiem nākt klajā ar dažādiem veidiem. ļaujot pielāgoties, apmācīt astronautus, lai tie varētu izturēt šo faktoru iedarbību bez sekām uz veselību un bez efektivitātes zuduma.

Viens no efektīvākajiem veidiem, kā apmācīt astronautus paātrināties, ir centrifūgas iekārta. Tieši tajā jūs varat novērot visas izmaiņas, kas notiek organismā pārslodzes ietekmē. Tas arī ļauj trenēties un pielāgoties šī faktora ietekmei.

Lidojums kosmosā un medicīna

Kosmosa lidojumiem noteikti ir ļoti liela ietekme uz cilvēku veselību, īpaši tiem, kuri nav apmācīti vai kuriem ir hroniskas slimības. Tāpēc svarīgs aspekts ir visu lidojuma smalkumu, visu ķermeņa reakciju uz visdažādākajām un neticamākajām ārpuszemes spēku sekām medicīniskā izpēte.

Lidošana bezsvara stāvoklī liek mūsdienu medicīnai un bioloģijai izgudrot un formulēt (tajā pašā laikā, protams, ieviest) pasākumu kopumu, lai nodrošinātu astronautiem normālu uzturu, atpūtu, skābekļa piegādi, darba spējas un tā tālāk.

Turklāt medicīna ir paredzēta, lai sniegtu kosmonautiem pienācīgu palīdzību neparedzētu, ārkārtas situāciju gadījumā, kā arī aizsargātu pret citu planētu un telpu nezināmu spēku ietekmi. Tas ir diezgan grūti, tas prasa daudz laika un pūļu, lielu teorētisko bāzi, izmantot tikai jaunākās modernās iekārtas un zāles.

Turklāt medicīnas, kā arī fizikas un bioloģijas uzdevums ir aizsargāt astronautus no kosmosa apstākļu fiziskajiem faktoriem, piemēram:

• temperatūra;
• starojums;
• spiediens;
• meteorīti.

Tādēļ visu šo faktoru un pazīmju izpēte ir ļoti svarīga.

Pētniecības metodes bioloģijā

Kosmosa bioloģijai, tāpat kā jebkurai citai bioloģijas zinātnei, ir noteikts metožu kopums, kas ļauj veikt pētījumus, uzkrāt teorētisko materiālu un apstiprināt to ar praktiskiem secinājumiem. Šīs metodes laika gaitāpaliek nemainīgas, tiek atjauninātas un modernizētas atbilstoši pašreizējam laikam. Tomēr vēsturiski izveidotās bioloģijas metodes joprojām ir aktuālas līdz mūsdienām. Tie ietver:

1. Novērojums.
2. Eksperiments.
3. Vēstures analīze.
4. Apraksts.
5. Salīdzinājums.

Šīs bioloģiskās izpētes metodes ir pamata, aktuālas jebkurā laikā. Taču ir arī vairāki citi, kas radušies zinātnes un tehnoloģiju, elektroniskās fizikas un molekulārās bioloģijas attīstībā. Tos sauc par moderniem un tiem ir vislielākā loma visu bioloģiski ķīmisko, medicīnisko un fizioloģisko procesu izpētē.

Mūsdienu metodes

1. Gēnu inženierijas un bioinformātikas metodes. Tas ietver agrobaktēriju un ballistisko transformāciju, PCR (polimerāzes ķēdes reakcijas). Šāda veida bioloģisko pētījumu loma ir liela, jo tieši tie ļauj rast risinājumus raķešu palaišanas iekārtu un kabīņu barošanas un skābekļa padeves problēmai astronautu ērtībām.
2. Olb altumvielu ķīmijas un histoķīmijas metodes. Ļauj kontrolēt olb altumvielas un fermentus dzīvās sistēmās.
3. Izmantojot fluorescences mikroskopiju, augstas izšķirtspējas mikroskopiju.
4. Molekulārās bioloģijas un bioķīmijas izmantošana un to izpētes metodes.
5. Biotelemetrija ir metode, kas ir inženieru un ārstu darba kombinācijas rezultāts uz bioloģiskā pamata. Tas ļauj kontrolēt visas fizioloģiski svarīgās darba funkcijas.organismu no attāluma, izmantojot cilvēka ķermeņa radiosakaru kanālus un datora ierakstītāju. Kosmosa bioloģija izmanto šo metodi kā pamatu, lai izsekotu kosmosa apstākļu ietekmi uz astronautu organismiem.
6. Starpplanētu telpas bioloģiskā indikācija. Ļoti svarīga kosmosa bioloģijas metode, kas dod iespēju novērtēt vides starpplanētu stāvokļus, iegūt informāciju par dažādu planētu īpašībām. Pamats šeit ir dzīvnieku izmantošana ar iebūvētiem sensoriem. Tieši eksperimentālie dzīvnieki (peles, suņi, pērtiķi) iegūst informāciju no orbītām, ko sauszemes zinātnieki izmanto analīzei un secinājumiem.

Mūsdienu bioloģiskās izpētes metodes ļauj risināt ne tikai kosmosa bioloģijas progresīvas, bet arī universālas problēmas.

Kosmosa bioloģijas problēmas

Visas uzskaitītās biomedicīnas pētījumu metodes, diemžēl, vēl nav spējušas atrisināt visas kosmosa bioloģijas problēmas. Ir vairāki aktuāli jautājumi, kas joprojām ir aktuāli līdz pat šai dienai. Apskatīsim galvenās problēmas, ar kurām saskaras kosmosa medicīna un bioloģija.

1. Apmācīta personāla atlase lidojumam kosmosā, kura veselības stāvoklis varētu atbilst visām ārstu prasībām (tostarp ļaut astronautiem izturēt stingru apmācību un apmācību lidojumiem).
2. Pienācīgs apmācības līmenis un nodrošinājums ar visu nepieciešamo darba telpu apkalpēm.
3. Drošības nodrošināšana visos aspektos (arī no nezināmiem vai svešiem ietekmes faktoriemno citām planētām) strādājošie kuģi un gaisa kuģu konstrukcijas.
4. Astronautu psihofizioloģiskā rehabilitācija pēc atgriešanās uz Zemes.
5. Astronautu un kosmosa kuģu aizsardzības pret radiāciju veidu izstrāde.
6. Normālu dzīves apstākļu nodrošināšana kajītēs kosmosa lidojumu laikā.
7. Progresīvu datortehnoloģiju izstrāde un pielietošana kosmosa medicīnā.
8. Kosmosa telemedicīnas un biotehnoloģijas ieviešana. Izmantojot šo zinātņu metodes.
9. Medicīnisku un bioloģisku problēmu risinājums ērtiem astronautu lidojumiem uz Marsu un citām planētām.
10. Farmakoloģisko līdzekļu sintēze, kas atrisinās skābekļa piegādes problēmu kosmosā.

Izstrādātas, pilnveidotas un sarežģīti pielietojamās biomedicīnas pētījumu metodes noteikti atrisinās visus uzdevumus un esošās problēmas. Tomēr, kad tas būs, ir grūts un diezgan neparedzams jautājums.

Jāpiebilst, ka ar visiem šiem jautājumiem nodarbojas ne tikai Krievijas zinātnieki, bet arī visu pasaules valstu Akadēmiskā padome. Un tas ir liels pluss. Galu galā kopīgi pētījumi un meklējumi dos nesamērīgi lielāku un ātrāku pozitīvu rezultātu. Cieša globāla sadarbība kosmosa problēmu risināšanā ir panākumu atslēga ārpuszemes telpas izpētē.

Mūsdienu sasniegumi

Tādu sasniegumu ir daudz. Galu galā katru dienu tiek veikts intensīvs, rūpīgs un rūpīgs darbs, kas ļauj atrast arvien vairākmateriālus, izdarīt secinājumus un formulēt hipotēzes.

Viens no svarīgākajiem 21. gadsimta atklājumiem kosmoloģijā bija ūdens atklāšana uz Marsa. Tas nekavējoties radīja desmitiem hipotēžu par dzīvības esamību vai neesamību uz planētas, par zemes iedzīvotāju pārvietošanas iespēju uz Marsu un tā tālāk.

Cits atklājums bija tas, ka zinātnieki ir noteikuši vecuma ierobežojumus, kuros cilvēks var atrasties kosmosā pēc iespējas ērtāk un bez nopietnām sekām. Šis vecums sākas no 45 gadiem un beidzas aptuveni 55-60 gadu vecumā. Jaunieši, kas dodas kosmosā, ļoti cieš psiholoģiski un fizioloģiski, atgriežoties uz Zemes, pielāgojoties un smagi atjaunojoties.

Ūdens tika atklāts arī uz Mēness (2009). Dzīvsudrabs un liels daudzums sudraba tika atrasts arī uz Zemes pavadoņa.

Bioloģiskās izpētes metodes, kā arī inženiertehniskie un fizikālie rādītāji ļauj droši secināt, ka jonu starojuma un iedarbības ietekme kosmosā ir nekaitīga (vismaz ne kaitīgāka kā uz Zemes).

Zinātniskie pētījumi ir pierādījuši, ka ilgstoša uzturēšanās kosmosā neietekmē astronautu fizisko veselību. Tomēr psiholoģiskas problēmas saglabājas.

Ir veikti pētījumi, kas pierāda, ka augstākie augi atšķirīgi reaģē uz atrašanos kosmosā. Dažu augu sēklas pētījumā neuzrādīja nekādas ģenētiskas izmaiņas. Citi, gluži pretēji, uzrādīja acīmredzamas deformācijas molekulārā līmenī.

Pieredze,Pētījumi, kas veikti uz dzīvo organismu (zīdītāju) šūnām un audiem, pierādīja, ka telpa neietekmē šo orgānu normālu stāvokli un darbību.

Dažādu veidu medicīniskie pētījumi (tomogrāfija, MRI, asins un urīna analīzes, kardiogramma, datortomogrāfija utt.) ļāva secināt, ka cilvēka šūnu fizioloģiskās, bioķīmiskās un morfoloģiskās īpašības paliek nemainīgas, atrodoties kosmosā. līdz 86 dienām.

Laboratorijas apstākļos tika atjaunota mākslīga sistēma, kas ļauj maksimāli pietuvoties bezsvara stāvoklim un tādējādi izpētīt visus šī stāvokļa ietekmes aspektus uz organismu. Tas savukārt ļāva izstrādāt vairākus preventīvus pasākumus, lai novērstu šī faktora ietekmi cilvēka lidojuma laikā bez gravitācijas.

Eksobioloģijas rezultāti ir dati, kas norāda uz organisko sistēmu klātbūtni ārpus Zemes biosfēras. Līdz šim ir kļuvis iespējams tikai teorētisks šo pieņēmumu formulējums, taču drīzumā zinātnieki plāno iegūt arī praktiskus pierādījumus.

Pateicoties biologu, fiziķu, ārstu, ekologu un ķīmiķu pētījumiem, ir atklāti dziļi cilvēka ietekmes mehānismi uz biosfēru. Tas bija iespējams, izveidojot mākslīgas ekosistēmas ārpus planētas un atstājot uz tām tādu pašu ietekmi kā uz Zemes.

Tie nav visi mūsdienu kosmosa bioloģijas, kosmoloģijas un medicīnas sasniegumi, bet tikai galvenie. Potenciāla ir daudz, kura īstenošana iruzskaitīto zinātņu uzdevums nākotnei.

Dzīve kosmosā

Saskaņā ar mūsdienu priekšstatiem, dzīvība kosmosā var pastāvēt, jo nesenie atklājumi apstiprina, ka uz dažām planētām ir piemēroti apstākļi dzīvības rašanās un attīstībai. Tomēr zinātnieku viedokļi par šo jautājumu iedalās divās kategorijās:

• dzīve nav nekur, izņemot Zemi, nekad nav bijusi un nekad nebūs;
• Dzīvība eksistē plašajos kosmosa plašumos, taču cilvēki to vēl nav atklājuši.

Kura no hipotēzēm ir pareiza – tas ir katra paša ziņā. Ir pietiekami daudz pierādījumu un atspēkojuma gan vienam, gan otram.