Наука биология включает в себя массу разных разделов, больших и малых дочерних наук. И каждая из них имеет важное значение не только в жизни человека, но и для всей планеты в целом.
Второе столетие подряд люди пытаются изучать не только земное разнообразие жизни во всех ее проявлениях, но и узнать, есть ли жизнь за пределами планеты, в космических просторах. Этим вопросам занимается особая наука - космическая биология. О ней и пойдет речь в нашем обзоре.
Раздел биологической науки - космическая биология
Данная наука относительно молодая, но очень интенсивно развивающаяся. Основными аспектами изучения являются:
- Факторы космического пространства и их влияние на организмы живых существ, жизнедеятельность всех живых систем в условиях космоса или летательных аппаратов.
- Развитие жизни на нашей планете при участии космоса, эволюция живых систем и вероятность существования биомассы вне пределов нашей планеты.
- Возможности построения замкнутых систем и создания в них настоящих жизненных условий для комфортного развития и роста организмов в космическом пространстве.
Космическая медицина и биология являются тесно связанными друг с другом науками, совместно изучающими вопросы физиологического состояния живых существ в космосе, их распространенности в межпланетных просторах и эволюции.
Благодаря исследованиям этих наук стало возможным подбирать оптимальные условия для нахождения людей в космосе, причем не нанося при этом никакого вреда здоровью. Собран огромный материал по наличию жизни в космосе, возможностям растений и животных (одноклеточных, многоклеточных) жить и развиваться в невесомости.
История развития науки
Корни космической биологии уходят еще в древнее время, когда философы и мыслители - естествоиспытатели Аристотель, Гераклит, Платон и другие - наблюдали за звездным небом, пытаясь выявить взаимосвязь Луны и Солнца с Землей, понять причины их влияния на сельскохозяйственные угодья и животных.
Позже, в средние века, начались попытки определения формы Земли и объяснения ее вращения. Долгое время на слуху была теория, созданная Птолемеем. Она говорила о том, что Земля - это центр Вселенной, а все остальные планеты и небесные тела движутся вокруг нее (геоцентрическая система).
Однако нашелся другой ученый, поляк Николай Коперник, который доказал ошибочность этих утверждений и предложил свою, гелиоцентрическую систему строения мира: в центре - Солнце, а все планеты движутся вокруг. При этом Солнце - тоже звезда. Его взгляды поддерживали последователи Джордано Бруно, Ньютон, Кеплер, Галилей.
Однако именно космическая биология как наука появилась много позже. Только в XX веке русский ученый Константин Эдуардович Циолковский разработал систему, позволяющую людям проникать в космические глубины и потихоньку их изучать. Его по праву считают отцом этой науки. Также большую роль в развитии космобиологии сыграли открытия в физике и астрофизике, квантовой химии и механике Эйнштейна, Бора, Планка, Ландау, Ферми, Капицы, Боголюбова и других.
Новые научные исследования, позволившие людям совершить-таки давно планируемые вылеты в космос, позволили выделить конкретные медицинские и биологические обоснования безопасности и влияния внепланетных условий, которые сформулировал Циолковский. В чем была их суть?
- Ученым было дано теоретическое обоснование влияния невесомости на организмы млекопитающих.
- Он смоделировал несколько вариантов создания условий космоса в лаборатории.
- Предложил варианты получения космонавтами пищи и воды при помощи растений и круговорота веществ.
Таким образом, именно Циолковским были заложены все основные постулаты космонавтики, которые не потеряли своей актуальности и сегодня.
Невесомость
Современные биологические исследования в области изучения влияния динамических факторов на организм человека в условиях космоса позволяют по максимуму избавлять космонавтов от негативного влияния этих самых факторов.
Выделяют три главные динамические характеристики:
- вибрация;
- ускорение;
- невесомость.
Самой необычной и важной по действию на организм человека является именно невесомость. Это состояние, при котором исчезает сила гравитации и она не заменяется другими инерционными воздействиями. При этом человек полностью теряет способность контролировать положение тела в пространстве. Такое состояние начинается уже в нижних слоях космоса и сохраняется во всем его пространстве.
Медико-биологические исследования показали, что в состоянии невесомости в организме человека происходят следующие изменения:
- Учащается сердцебиение.
- Расслабляются мышцы (уходит тонус).
- Снижается работоспособность.
- Возможны пространственные галлюцинации.
Человек в невесомости способен находиться до 86 дней без вреда для здоровья. Это было доказано опытным путем и подтверждено с медицинской точки зрения. Однако одной из задач космической биологии и медицины на сегодня является разработка комплекса мер по предотвращению влияния невесомости на организм человека вообще, устранению утомляемости, повышению и закреплению нормальной работоспособности.
Существует ряд условий, которые соблюдают космонавты для преодоления невесомости и сохранения контроля над телом:
- конструкция летательного аппарата строго соответствует необходимым нормам по технике безопасности для пассажиров;
- космонавты всегда тщательно пристегнуты к своим местам с целью избегания непредвиденных полетов вверх;
- все предметы на корабле имеют строго определенное место и закреплены надлежащим образом с целью избегания травмоопасных ситуаций;
- жидкости хранятся только в закрытых, герметично упакованных контейнерах.
Для того чтобы добиться хороших результатов в преодолении невесомости, космонавты проходят тщательную подготовку на Земле. Но, к сожалению, пока современные научные исследования не позволяют создать в лаборатории подобные условия. На нашей планете преодолеть силу тяжести не представляется возможным. Это также одна из задач на будущее для космической и медицинской биологии.
Перегрузки в космосе (ускорения)
Еще одним немаловажным фактором, воздействующим на организм человека, находящегося в космосе, являются ускорения, или перегрузки. Суть этих факторов сводится к неравномерному перераспределению нагрузки на тело при сильных скоростных движениях в пространстве. Выделяют два основных типа ускорения:
- кратковременное;
- длительное.
Как показывают медико-биологические исследования, и то и другое ускорение имеет очень важное значение в оказании влияния на физиологическое состояние организма космонавта.
Так, например, при действии кратковременных ускорений (они длятся менее 1 секунды) могут произойти необратимые изменения в организме на молекулярном уровне. Также, если органы не тренированы, достаточно слабы, есть риск разрыва их оболочек. Такие воздействия могут осуществляться при отделении капсулы с космонавтом в космосе, при катапультировании его или при посадках корабля на орбитах.
Поэтому очень важно, чтобы космонавты прошли тщательное медицинское обследование и определенную физическую подготовку перед полетом в космос.
Длительно действующее ускорение возникает при запуске и посадке ракеты, а также во время полета в некоторых пространственных местах космоса. Действие таких ускорений на организм по данным, которые предоставляют научные медицинские исследования, следующее:
- учащается сердцебиение и пульс;
- учащается дыхание;
- наблюдается возникновение тошноты и слабости, бледность кожи;
- страдает зрение, перед глазами появляется красная или черная пленка;
- возможно ощущение боли в суставах, конечностях;
- тонус мышечной ткани падает;
- нервно-гуморальная регуляция меняется;
- становится иным газообмен в легких и в организме в целом;
- возможно появление потливости.
Перегрузки и невесомость заставляют ученых-медиков придумывать различные способы. позволяющие приспособить, натренировать космонавтов, чтобы они могли выдерживать действие этих факторов без последствий для здоровья и без потери работоспособности.
Один из самых эффективных способов тренировки космонавтов на ускорения - это аппарат центрифуга. Именно в нем можно пронаблюдать все изменения, которые происходят в организме при действии перегрузок. Также он позволяет натренироваться и приспособиться к влиянию этого фактора.
Полет в космос и медицина
Полеты в космос, безусловно, оказывают очень большое влияние на состояние здоровья людей, особенно нетренированных или имеющих хронические заболевания. Поэтому важным аспектом являются медицинские исследования всех тонкостей полета, всех реакций организма на самые разнообразные и невероятные воздействия внепланетных сил.
Полет в невесомости заставляет современную медицину и биологию придумывать и формулировать (вместе с тем и осуществлять, конечно) комплекс мер по обеспечению космонавтам нормального питания, отдыха, снабжения кислородом, сохранения работоспособности и так далее.
Кроме того, медицина призвана обеспечить космонавтам достойную помощь в случае непредвиденных, аварийных ситуаций, а также защиту от воздействий неизвестных сил других планет и пространств. Это достаточно сложно, требует много времени и сил, большой теоретической базы, использования только новейшего современного оборудования и препаратов.
Кроме того, медицина наравне с физикой и биологией имеет своей задачей защитить космонавтов от физических факторов условий космоса, таких как:
- температура;
- радиация;
- давление;
- метеориты.
Поэтому исследование всех этих факторов и особенностей имеет очень важное значение.
Методы исследований в биологии
Космическая биология, как и любая другая биологическая наука, обладает определенным набором методов, позволяющих проводить исследования, накапливать теоретический материал и подтверждать его практическими выводами. Эти методы с течением времени не остаются неизменными, подвергаются обновлениям и модернизации в соответствии с текущим временем. Однако исторически сложившиеся методы биологии все равно остаются актуальными и по сей день. К ним относятся:
- Наблюдение.
- Эксперимент.
- Исторический анализ.
- Описание.
- Сравнение.
Эти методы биологических исследований базовые, актуальные в любые времена. Но существует ряд других, которые возникли с развитием науки и техники, электронной физики и молекулярной биологии. Именно они называются современными и играют наибольшую роль в изучении всех биолого-химических, медицинских и физиологических процессах.
Современные методы
- Методы генной инженерии и биоинформатики. Сюда относится агробактериальная и баллистическая трансформация, ПЦР (полимеразные цепные реакции). Роль биологических исследований такого плана велика, поскольку именно они позволяют найти варианты решения проблемы питания и насыщения кислородом ракетных установок и кабин для комфортного состояния космонавтов.
- Методы белковой химии и гистохимии. Позволяют управлять белками и ферментами в живых системах.
- Использование флуоресцентной микроскопии, сверхразрешающей микроскопии.
- Использование молекулярной биологии и биохимии и их методов исследования.
- Биотелеметрия - метод, который является результатом сочетания работы инженеров и медиков на биологической основе. Он позволяет контролировать все физиологически важные функции работы организма на расстоянии при помощи радиоканалов связи тела человека и компьютером-регистратором. Космическая биология использует этот метод как основной для отслеживания воздействий условий космоса на организмы космонавтов.
- Биологическая индикация межпланетного пространства. Очень важный метод космической биологии, позволяющий оценивать межпланетные состояния среды, получать сведения о характеристиках разных планет. Основу здесь составляет применение животных со встроенными датчиками. Именно подопытные животные (мыши, собаки, обезьяны) добывают информацию с орбит, которая используется земными учеными для анализа и выводов.
Современные методы биологических исследований позволяют решать передовые задачи не только космической биологии, но и общечеловеческие.
Проблемы космической биологии
Все перечисленные методы медико-биологических исследований, к сожалению, не смогли пока решить все проблемы космической биологии. Существует ряд злободневных вопросов, которые остаются насущными и по сей день. Рассмотрим основные проблемы, с которыми сталкивается космическая медицина и биология.
- Подбор подготовленного персонала для полета в космос, состояние здоровья которого смогло бы удовлетворять всем требованиям медиков (в том числе позволило бы космонавтам выдерживать жесткую подготовку и тренировки для полетов).
- Достойный уровень подготовки и снабжения всем необходимым рабочих космических экипажей.
- Обеспечение безопасности по всем параметрам (в том числе и от неизведанных или инородных факторов воздействия с других планет) рабочим кораблям и авиаконструкциям.
- Психофизиологическая реабилитация космонавтов при возвращении на Землю.
- Разработка способов защиты космонавтов и космических кораблей от радиационного излучения.
- Обеспечение нормальных жизненных условий в кабинах при полетах в космос.
- Разработка и применение модернизированных компьютерных технологий в космической медицине.
- Внедрение космической телемедицины и биотехнологии. Использование методов этих наук.
- Решение медицинских и биологических проблем для комфортных полетов космонавтов на Марс и другие планеты.
- Синтез фармакологических средств, которые позволят решить проблему оснащенности кислородом в космосе.
Развитые, усовершенствованные и комплексные в применении методы медико-биологических исследований обязательно позволят решить все поставленные задачи и существующие проблемы. Однако когда это будет - вопрос сложный и довольно непредсказуемый.
Следует отметить, что решением всех этих вопросов занимаются не только ученые России, но и ученый совет всех стран мира. И это большой плюс. Ведь совместные исследования и поиски дадут несоизмеримо больший и быстрый положительный результат. Тесное мировое сотрудничество в решении космических проблем - залог успеха в освоении внепланетного пространства.
Современные достижения
Таких достижений немало. Ведь ежедневно проводится интенсивная работа, тщательная и кропотливая, которая позволяет находить все новые и новые материалы, делать выводы и формулировать гипотезы.
Одним из главнейших открытий XXI века в космологии стало обнаружение воды на Марсе. Это сразу же дало повод к рождению десятков гипотез о наличии или отсутствии жизни на планете, о возможности переселения землян на Марс и так далее.
Еще одним открытием стало то, что учеными были определены возрастные рамки, в пределах которых человек максимально комфортно и без тяжелых последствий может находиться в космосе. Данный возраст начинается от 45 лет и заканчивается примерно 55-60 годами. Молодые люди, отправляющиеся в космос, чрезвычайно сильно страдают психологически и физиологически по возвращении на Землю, тяжело адаптируются и перестраиваются.
Была обнаружена вода и на Луне (2009 г.). Также на спутнике Земли были найдены ртуть и большое количество серебра.
Методы биологических исследований, а также инженерно-физические показатели позволяют с уверенностью сделать вывод о безвредности (по крайней мере, не большей вредности, чем на Земле) воздействия ионной радиации и облучения в космосе.
Научные исследования доказали, что длительное пребывание в космосе не налагает отпечаток на состояние физического здоровья космонавтов. Однако проблемы остаются в психологическом плане.
Были проведены исследования, доказывающие, что высшие растения по-разному реагируют на нахождение в космических просторах. Семена одних растений при исследовании не проявили никаких генетических изменений. Другие же, наоборот, показали явные деформации на молекулярном уровне.
Опыты, проведенные на клетках и тканях живых организмов (млекопитающих) доказали, что космос не влияет на нормальное состояние и функционирование данных органов.
Различные виды медицинских исследований (томография, МРТ, анализы крови и мочи, кардиограмма, компьютерная томография и так далее) позволили сделать вывод о том, что физиологические, биохимические, морфологические характеристики клеток человека остаются неизменными при пребывании в космосе до 86 дней.
В лабораторных условиях была воссоздана искусственная система, позволяющая максимально приблизиться к состоянию невесомости и таким образом изучить все аспекты влияния этого состояния на организм. Это позволило, в свою очередь, разработать ряд профилактических мер по предотвращению воздействия этого фактора при полете человека в невесомости.
Результатами экзобиологии стали данные, свидетельствующие о наличии органических систем вне биосферы Земли. Пока стало возможным только теоретическое формулирование этих предположений, однако в скором времени ученые планируют добыть и практические доказательства.
Благодаря исследованиям биологов, физиков, медиков, экологов и химиков были выявлены глубокие механизмы воздействия людей на биосферу. Добиться этого стало возможным путем создания искусственных экосистем вне планеты и оказания на них такого же влияния, как и на Земле.
Это не все достижения космической биологии, космологии и медицины на сегодняшний день, а только основные. Существует большой потенциал, реализация которого и есть задача перечисленных наук на будущее.
Жизнь в космосе
По современным представлениям жизнь в космосе может существовать, так как последние открытия подтверждают наличие на некоторых планетах подходящих условий для возникновения и развития жизни. Однако мнения ученых в этом вопросе делятся на две категории:
- жизни нет нигде, кроме Земли, никогда не было и не будет;
- жизнь есть в необъятных просторах космического пространства, но люди еще не обнаружили ее.
Какая из гипотез верная - решать каждому лично. Доказательств и опровержений и для одной, и для другой достаточно.
