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.

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 особлива 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:

1. Фактори космічного простору та їх вплив на організми живих істот, життєдіяльність всіх живих систем в умовах космосу або літальних апаратів.
2. Розвиток життя на нашій планеті за участю космосу, еволюція живих систем і ймовірність існування біомаси поза межами нашої планети.
3. 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 у космосі, їх поширеності в міжпланетних просторах та 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 стародавній час, 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 і тварин.

Пізніше, в середні віки, почалися спроби визначення форми Землі і пояснення її обертання. Довгий час на слуху була теорія, створена Птолемеем. Вона говорила про те, що Земля - це центр Всесвіту, а всі інші планети і небесні тіла рухаються навколо неї (Геоцентрична система).

Проте знайшовся інший учений, поляк Микола Коперник, який довів хибність цих тверджень і запропонував свою, геліоцентричну систему будови світу: у 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 багато 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 здійснити-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?

1. Вченим було дано теоретичне обґрунтування впливу невагомості на організми ссавців.
2. Він змоделював кілька варіантів створення умов космосу в лабораторії.
3. 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 позбавляти космонавтів від негативного впливу цих самих чинників.

Виділяють три головні динамічні характеристики:

• вібрація;
• ускореніе;
• 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:

1. Частішає серцебиття.
2. Розслабляються м`язи (пішов тонус).
3. Знижується працездатність.
4. Можливі просторові галюцинації.

Людина в невагомості здатний знаходитися до 86 днів без шкоди для здоров`я. Це було доведено дослідним 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, усуненню 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 сітуацій;
• рідини зберігаються лише 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 швидкісних рухах в просторі. Виділяють два основних типи прискорення:

• кратковременное;
• 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 у космосі, при катапультуванні його або при посадках корабля на орбітах.

Тому дуже важливо, щоб космонавти пройшли ретельне медичне обстеження і певну фізичну підготовку перед польотом у космос.

Тривало чинне 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 подих;
• спостерігається виникнення нудоти і слабкості, блідість шкіри;
• страждає зір, перед очима з`являється червона або чорна плівка;
• можливе відчуття болю в суглобах, конечностях;
• тонус м`язової тканини падает;
• нервово-гуморальна регуляція меняется;
• стає іншим газообмін у легенях і в організмі в цілому;
• можлива поява пітливості.

Перевантаження і невагомість змушують вчених-медиків придумувати різні способи. 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 при дії перевантажень. Також він дозволяє натренувати і пристосуватися до впливу цього чинника.

Політ у 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 у 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;
• Радиация;
• тиск;
• метеорити.

Тому дослідження всіх цих чинників 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 оновленням і модернізації відповідно до поточним часом. Проте історично сформовані методи біології все одно залишаються актуальними і донині. До них відносяться:

1. Спостереження.
2. Експеримент.
3. Історичний аналіз.
4. Опис.
5. 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

1. Методи генної інженерії та біоінформатики. Сюди відноситься агробактеріальної і балістична трансформація, ПЛР (полімеразна ланцюгова реакція). 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.
2. Методи білкової хімії та гистохимии. Дозволяють управляти білками і ферментами в живих системах.
3. Використання флуоресцентної мікроскопії, сверхразрешающей мікроскопії.
4. Використання молекулярної біології та біохімії і їх методів дослідження.
5. 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 впливів умов космосу на організми космонавтів.
6. 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 та 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 донині. Розглянемо основні проблеми, з якими стикається космічна медицина і біологія.

1. Підбір підготовленого персоналу для польоту в космос, стан здоров`я якого змогло б задовольняти всім вимогам медиків (у тому числі дозволило б космонавтам витримувати жорстку підготовку та тренування для польотів).
2. Гідний рівень підготовки і постачання всім необхідним робочих космічних екіпажів.
3. Забезпечення безпеки за всіма параметрами (в тому числі і від незвіданих або сторонніх чинників впливу з інших планет) робочим кораблям і авіаконструкцій.
4. Психофізіологічна реабілітація космонавтів при поверненні на Землю.
5. Розробка способів захисту космонавтів і космічних кораблів від радіаційного випромінювання.
6. Забезпечення нормальних життєвих умов у кабінах при польотах в космос.
7. Розробка і застосування модернізованих комп`ютерних технологій у космічній медицині.
8. Впровадження космічної телемедицини та біотехнології. Використання методів цих наук.
9. Рішення медичних і біологічних проблем для комфортних польотів космонавтів на Марс і інші планети.
10. Синтез фармакологічних засобів, які дозволять вирішити проблему оснащеності киснем в космосі.

Розвинені, вдосконалені і комплексні у застосуванні методи медико-біологічних досліджень обов`язково дозволять вирішити всі поставлені завдання та 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 у вирішенні 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 або 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). 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 та 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 проявили 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, що свідчать про наявність органічних систем поза біосфери 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 та 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 у цьому питанні діляться на дві категорії:

• житті 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 достатньо.