ДЕПОРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МАСКВЫ
advertisement
ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МАСКВЫ ЦЕНТРАЛЬНОЕ ОКРУЖНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ Государственное бюджетное образовательное учреждение Лицей 1581 К 100-летию академика В.Н.Челомея (30 июня 1914г. - 8 декабря 1984г.) Главному конструктору ракетной и космической техники. Подготовка к окружным ученическим чтениям: «Научно-технический щит Отечества: традиции и современность» Тема творческой работы: «Наука на орбите: биологические и медицинские исследования». Выполнила: Семёнова Полина, Ученица 8 «Б» класса. Руководитель: Воробьев Владимир Вячеславович Москва. 2013 год. Наука на орбите: биологические и медицинские исследования. Космическая биология и медицина — комплексные науки, изучающие особенности жизнедеятельности различных организмов и человека в условиях космического полета. Основной задачей исследований в области космической биологии и медицины является разработка средств и методов жизнеобеспечения, сохранения здоровья и работоспособности членов экипажей космических кораблей и станций в полетах различной продолжительности и степени сложности. Сейчас, когда полеты становятся все более и более продолжительными, это не ограничивается только предоставлением космонавтам необходимых запасов кислорода, воды и пищи, но включает в себя возможность удовлетворить и многие другие потребности человека, потому что когда человек долго находится в отрыве от Земли, выполняя во время космического полета большую и напряженную работу, нужно подумать и о том, чтобы он мог надлежащим образом отдохнуть. Поэтому все, что окружает человека в условиях космического полета, является предметом тщательной заботы и внимания космической медицины. К сожалению, условия, в которых совершаются полеты, на современном этапе еще не таковы, чтобы снять или значительно сократить нагрузку на человека. Таким образом, пока нет возможности исключить возникновение и развитие приспособительных реакций – адаптацию к условиям полета. Практически все космонавты, возвращающиеся на Землю, теряют в весе (от 0,5 до 7 кг). Динамика веса, как известно, очень существенный показатель состояния организма. Если человек теряет вес, каждый из нас начинает беспокоиться. Итак, с чем же нам все-таки придется столкнуться? В космосе мы должны беречь себя от: Влияния невесомости. При длительном нахождении в невесомости наши кости теряют необходимый им для прочности кальций, вследствие чего размягчаются. Также пропадают все физические характеристики организма (мускулатура выключается из деятельности организма). От излишнего давления крови в головном мозге (из-за возникающего избытка гемоглобина может понизиться деятельность костного мозга, синтезирующего его) Этот аппарат «Чибис» восстанавливает нормальное давления в организме. Специальный компрессор выкачивает воздух из штанов и создает внутри них пониженное давление, что заставляет кровь отливать от головы к нижней половине тела. Космические лучи — это галактические частицы, состоящие из протонов, электронов, ядер гелия, водорода и некоторых более тяжелых элементов и достигающие Земли со скоростью, близкой к скорости света. Эта скорость многократно возрастает в периоды солнечной активности. Космические лучи вызывают ионизацию атмосферы и формирование аэронов. Уровень космического излучения на поверхности Земли зависит от высоты местности и ее геомагнитной широты. Влияние космических лучей на организмы изучено сравнительно мало. Это обусловлено главным образом тем, что они действуют в комплексе. Существует гипотеза о возможном появлении в них фактора, меняющего свойства биологических систем. Однако известно, что с космическими излучениями сопряжена чувствительность к свету. Длительное воздействие космической радиации способно очень негативно отразиться на здоровье человека. Для дальнейшей экспансии человечества к иным планетам Солнечной системы следует разработать надёжную защиту от подобных опасностей — учёные из России уже ищут способы решения этой проблемы. Дифференциальный энергетический спектр космических лучей носит степенной характер (в дважды логарифмическом масштабе — наклонная прямая) (минимальные энергии — жёлтая зона, солнечная модуляция, средние энергии — синяя зона, ГКЛ, максимальные энергии — пурпурная зона, внегалактические КЛ) Также космонавтов должны обеспечивать: Кислородом. На МКС это делают так: электролизер «Электрон» разлагает техническую воду на кислород, пополняющий атмосферу станции, и водород, который сбрасывается за борт. Это своего рода регенерация кислорода. Используют и другой способ. На МКС может доставлять всё необходимое грузовой корабль. Это наш грузовой корабль «Прогресс», доставляющий воду, кислород, еду и посылки космонавтам. Еда и вода. Для питья у каждого члена экипажа есть индивидуальный мундштук, который насаживается на шприцы разветвленной бортовой системы водоснабжения «Родник». На них же надеваются тюбики с сублимированной пищей. На МКС воду доставляют в основном грузовыми рейсами «Прогрессов» и «Шаттлов». Воду также получают в результате работы кислородно-водородных топливных элементов. Но из-за большого количества растворенных газов ее используют только для технических, в частности гигиенических нужд. На станциях «Салют» и «Мир» техническая вода добывалась из конденсата атмосферной влаги и мочи космонавтов, чем достигалась почти полная замкнутость системы водоснабжения. Для экипажей «Салютов» продукты питания упаковывались в 100-граммовые консервные банки и алюминиевые тубы по 165 граммов. Сухие (сублимированные) соки и кофе расфасовывались в пленочные пакеты. Для приготовления пищи и напитков имелся специальный проточный блок подогрева воды. Сейчас пища экипажа МКС более разнообразна. В нее входят как обезвоженные, так и готовые продукты. Свежие овощи и фрукты на борту станции тоже бывают, но нечасто — только при визитах «Прогрессов» и «Шаттлов». Элементы гигиены. Душ. Полная замкнутость системы водоснабжения позволила оборудовать станции душевой кабинкой из полимерной пленки, в которую вода подавалась под давлением через распылитель. На МКС контур «по воде» разомкнут: ее отходы сливают в опустевшие водяные баки «Прогрессов» и более не используют. Душа здесь нет, и экипаж «моется всухую», обтираясь влажными салфетками. Связано это не только с экономией воды, но и с большой длительностью и трудоемкостью принятия душа в невесомости. Достаточно сказать, что, прежде чем выйти из кабинки, космонавт должен был специальным отсасывающим устройством тщательно собрать внутри все капли воды. По той же причине экономии времени космонавты не стирают одежду на борту, а просто периодически берут новый комплект. Как и все люди, космонавты должны не только работать, но и отдыхать. Они делают это разными способами. Психологическая разгрузка осуществляется с помощью: Просмотра кино Чтения книг Эспандера (тренажера для рук). Если космонавты не будут делать физические упражнения, то их кости потеряют прочность. И других занятий, не связанных с сильной нагрузкой. Сознавая то, что путь к звездам необычайно сложен и тернист, мы должны двигаться вперед, основывая свои действия на тщательном и глубоком изучении природы человека, его реакций на космическую среду, уделяя самое большое внимание безопасности будущих космических полетов. Можно выделить четыре основных этапа развития медико-биологических исследований в космических полетах. Первый этап - биологическая индикация космических трасс. На этом этапе проводились исследования с использованием широкого круга биологических объектов во время полетов ракет и первых спутников Земли в целях подготовки человека к полету в космическое пространство (50-е - начало 60-х гг. нашего века). Полученные результаты, свидетельствующие об отсутствии биологических ограничений для жизни в условиях полета по околоземной орбите, явились достаточным основанием для решения вопроса о возможности кратковременного космического полета человека. Второй этап - кратковременный полет человека в космос. Медико-биологические исследования, проведенные в 60-е - начале 70-х гг. во время кратковременных пилотируемых космических полетов космических кораблей, свидетельствовали о возможности безопасного пребывания человека в условиях невесомости длительностью 2-3 недели и его активной деятельности вне корабля, в том числе на поверхности Луны. При этом в послеполетном периоде были выявлены заметные изменения, которые, казалось бы, нарастали с увеличением продолжительности космических миссий и после полетов длительностью 14-18 суток оказались весьма существенными. Последнее обстоятельство стимулировало разработку и создание системы соответствующих профилактических мероприятий и углубленных медицинских обследований с целью обеспечения надежной безопасности пребывания человека в космосе при постепенном увеличении продолжительности полетов. Третий этап - исследования во время длительных полетов пилотируемых станций и специализированных биологических спутников Земли. В 1971-1999 годах были проведены медико-физиологические исследования во время пилотируемых полетов (длительность которых от 1 до 14,5 месяцев) на российских орбитальных станциях "Салют" и "Мир". Все исследования показали, что космонавты (и мужчины, и женщины) достаточно хорошо приспосабливаются и эффективно работают в условиях невесомости. Обширный комплекс фундаментальных и прикладных медико-биологических исследований, выполненный на комплексе "Мир", внес существенный вклад в решение практических задач пилотируемой космонавтики и ряда фундаментальных научных дисциплин. В результате проведенных исследований определены основные факторы риска в пилотируемых полётах, изучены специфические и неспецифические закономерности адаптации человека к факторам космического полёта, выявлены основные системы организма наиболее подверженные изменениям в условиях длительного полёта, разработаны эффективные методы и средства профилактики неблагоприятных сдвигов в организме под влиянием факторов космического полета. Разработана и реализуется комплексная программа медицинской оценки состояния и профилактики нежелательных отклонений в организме, основное содержание которой составляют специальные комплексы физических тренировок на бортовых тренажёрах, ношение специальных нагрузочных костюмов, оптимизация деятельности и отдыха экипажа, психологическая поддержка, использование тренировок с воздействием отрицательного давления на нижнюю часть тела, фармакологическая профилактика, оптимизация питания и т.д.. Выполнена программа фундаментальных биологических исследований на растениях, птицах, земноводных, включая изучение роста и развития биообъектов для создания перспективных биологических систем жизнеобеспечения. В результате этой работы были определены факторы риска космического полета и основные системы организма, подверженные наибольшим изменениям, а также изучены закономерности приспособления организма к условиям жизни в космосе. На ранних этапах становления космической биологии и медицины внимание учёных было направлено преимущественно на изучение неблагоприятных эффектов и биологическую индикацию космического полета. С помощью вертикальных пусков ракет и орбитальных полетов искусственных спутников Земли было доказано отсутствие принципиальных ограничений возможности полета человека по околоземной орбите и разработано необходимое для этого оборудование. Однако вскоре проводимые исследования вышли за рамки прикладных задач и обнаружили тесную связь с фундаментальными проблемами физиологии. Открылись новые возможности для изучения в космосе и в условиях моделирования на Земле закономерностей адаптации организма к экстремальным факторам окружающей среды, общих механизмов регуляции функций, взаимодействия систем организма, раскрытия понятий физиологической нормы, переходных состояний и изучения других актуальных проблем физиологии. Эксперименты в космосе на биологических искусственных спутниках Земли "Космос-110" (1966 г.) и "Бион" (11 полетов в период 1973-1997 гг.) с целью углубленного изучения механизмов влияния условий космического полета, прежде всего невесомости, на процессы жизнедеятельности организмов различного уровня организации (микроорганизмы, грибы, высшие растения, насекомые, рыбы, земноводные и млекопитающие) явились важным дополнением к программам медицинских исследований в пилотируемых полетах. Многолетние разносторонние исследования (физиологические, морфологические, биохимические, генетические и др.) позволили выяснить механизмы адаптации к факторам космических полетов у живых существ разного эволюционного уровня развития. Благодаря этим исследованиям существенно расширились знания о механизмах пространственной ориентации человека, влиянии гравитационного фактора на скелетно-мышечную, сердечнососудистую и иммунную системы, кроветворение, водно-солевой обмен и функцию почек, деятельность ЦНС и метаболизм. Это позволило разработать эффективные методы и средства профилактики неблагоприятных сдвигов в организме человека в полетах разной продолжительности и решить ряд важных гигиенических и экологических проблем, связанных с деятельностью человека в замкнутом объёме космического корабля. Систематические исследования на биоспутниках позволили также выявить универсальное значение фактора гравитации в формировании структуры и функции живых систем. Например, в полете биоспутника "Космос-936" впервые были получены данные о том, что искусственная гравитация, создаваемая с помощью бортовой центрифуги, может предупредить многие неблагоприятные эффекты невесомости. Это позволило рассматривать искусственную силу тяжести (ИСТ) в качестве одного из перспективных средств для поддержания оптимального состояния организма человека в длительном космическом полете Проникновение человека в космос привело к формированию нового раздела биологической науки - гравитационной биологии. Полеты биологических спутников, пилотируемые полеты, наземные модельные эксперименты дали уже сейчас огромный научный материал, раскрывающий сущность воздействия гравитации на различные биологические объекты, включая человека. Эти данные важны для медицины, прежде всего для понимания нормальных и патологических реакций, возникающих при попадании организма в условия невесомости и возврате к земным условиям. Увеличение продолжительности и сложности программ полетов, повышая требования к космонавту, заставило по-новому оценить роль "человеческого фактора" в системе "космонавт - космический корабль". Решение проблемы обеспечения устойчивости психологического состояния человека в длительном полете затрагивает весь комплекс поведенческих аспектов, включая области психологических потребностей, переживаний, проблем общения с коллегами по экипажу и наземными службами (ЦУП), ролевых отношений, планирования деятельности, критериев успеха, системы внешних стимулов и т.п. Особенно сложна эта задача, когда сроки полета измеряются годами. Исследования в области космической психологии направлены на повышение психологической и профессиональной надежности космонавтов на основе: совершенствования методов и средств отбора, подготовки и комплектования экипажей и оценки психического состояния космонавтов; профилактики и коррекции психической дезадаптации; исследования особенностей группового взаимодействия; изучения биоритмологических аспектов адаптации; оптимизации профессиональной деятельности космонавтов. Каждый новый шаг в освоении космоса должен быть тщательно взвешен и обоснован. Одним из путей для этого является проведение широкого спектра предварительных исследований на животных и наземных модельных экспериментах с участием человека. С этой целью, например, создаются биоспутники нового поколения, запускаемые на орбиту МКС и способные находиться на ней до 120-180 суток. Также с нашей точки зрения очень важно, чтобы орбитальный комплекс "Мир" продолжил функционировать на орбите в период после 2000 г. Учитывая, что научные исследования на МКС смогут начаться не раньше 2004-2005 гг., это позволит проводить дальнейшую отработку и совершенствование методов и средств медицинского обеспечения безопасности и эффективности деятельности экипажей применительно к задачам МКС и продолжать научные исследования, используя уникальное бортовое медико-биологическое оборудование. В настоящее время космическая медицина находится на рубеже следующего этапа своего развития, связанного с обеспечением автономной жизни, например, на лунной научной базе или на борту межпланетного космического корабля. Четвертый этап - подготовка автономного космического полета. Новизна поставленных задач определяется необходимостью существенно повысить надежность технических и медицинских систем, вследствие невозможности быстрого возвращения экипажа на Землю при аварии или заболевании. Продолжительные полеты на комплексе "Мир" и МКС должны послужить основой для отработки различных аспектов подготовки полета на Марс. В последние годы в России проводится теоретический анализ поставленных задач, и экспериментально отрабатываются отдельные медико-биологические аспекты автономного полета. Одним из начальных этапов такой отработки стал 438-суточный орбитальный полет врача-космонавта Валерия Полякова, сотрудника ГНЦ РФ ИМБП, доказавший отсутствие принципиальных медико-биологических ограничений для марсианской миссии. В отличие от полетов по орбите Земли для марсианской миссии характерны: длительное (не менее 2 лет) проживание экипажа в условиях искусственной среды, что приведет к накоплению в атмосфере микропримесей биологической и химической природы, формированию необычного микробного сообщества внутри корабля, возможному отклонению параметров микроклимата от границ безопасной зоны; воздействие гравитационных перегрузок посадки и взлета с Марса и посадки на Землю на детренированный организм; возможность воздействия галактического космического излучения; проблемы со связью вследствие запаздывания сигналов на 15-30 мин.; невозможность экстренного возвращения экипажа на Землю или замены заболевшего члена экипажа, что делает совершенно необходимым участие в экспедиции высококвалифицированного врача-космонавта; необходимость длительного проживания и совместной деятельности в составе экипажа, находящегося в изоляции, с возможным развитием психологической несовместимости и психо-эмоционального стресса. Предстоит обоснованную создать среду более биологически обитания, адекватную полноценную и долговременным экологически биологическим потребностям человека. На борту марсианского космического корабля необходимо создать аналог земной биосферы, активными компонентами которого будут человек, животные, растения, микроорганизмы. При этом на смену существующим системам придут регенеративные системы жизнеобеспечения с высоким коэффициентом замкнутости циклов. В наземных лабораториях уже сейчас получены обнадеживающие результаты. Другой важной проблемой является защита от галактического и солнечного космического излучения, которые значительно возрастут за пределами радиационных поясов. При длительных межпланетных путешествиях придется считаться с риском возникновения мутагенных процессов, а также с угрозой жизни и здоровью космонавтов. Подходами к обеспечению радиационной безопасности при этом могут быть: выбор определенных периодов солнечной активности, создание на борту космического корабля радиационного убежища и возможное использование фармакологических средств защиты. Пилотируемый полет на Марс потребует решения ряда физиологических проблем, обусловленных длительным пребыванием в невесомости. Симптоматика и механизмы наступающих при этом изменений в организме для полетов имеющейся продолжительности исследованы достаточно детально, однако разработанные меры профилактики нуждаются в дальнейшем совершенствовании. В частности, будет уточнена возможность использования для этих целей ИСТ в случае недостаточной эффективности негравитационных средств профилактики. Вместе с тем, применение ИСТ может привести к возникновению ряда физиологических проблем, связанных с пребыванием человека во вращающейся системе: возникновение сенсорных конфликтов, затруднение в ориентации и движениях, неблагоприятное влияние на вестибулярный аппарат. Автономность полета потребует значительно большей гарантированной надежности, как технических систем корабля, так и системы медицинского обеспечения полета. Сохраняется актуальность комбинированного действия факторов полета на Марс. изучения проблемы Одним из важнейших условий в обеспечении экспедиции на Марс является также успешное решение комплекса психологических проблем, включая психологическую готовность к риску, к выполнению предельных психических и физических нагрузок и к адекватному решению нестандартных ситуаций в условиях автономной жизни. Обязательным условием для включения в состав экипажа должно быть наличие у кандидатов опыта многомесячных полетов в космос, поскольку межпланетный полет потребует мобилизации всех личностных ресурсов экипажа. Таким образом, в ближайшие десятилетия будет реализован ряд сложных космических программ, направленных на улучшение жизни в космосе и на Земле. Станут серьезнее требования сохранения здоровья космонавтов, обеспечения эффективной профессиональной деятельности и высокой работоспособности космонавтов, обусловленные увеличением длительности космических экспедиций, объема внекорабельной деятельности и монтажных работ, усложнением исследовательской деятельности. При осуществлении экспедиций на Луну и, особенно, на Марс, значительно возрастет риск по сравнению с пребыванием на околоземных орбитах. Поэтому многие медико-биологические проблемы будут решаться с учетом новых реалий. Приоритетное развитие "наук о жизни" позволит не только обеспечить успешное решение перспективных задач, стоящих перед космонавтикой, но и внесет неоценимый вклад в земное здравоохранение, на благо каждого человека. Ниже приведена сводная таблица основных достижений человека в области космической медицины. На ней видно, что со временем познание человеком космоса лишь увеличиваются, и это приводит нас к победе над этим загадочным миром у нас над головой. Да Наименов та ание за корабля- пу спутника ск а Длитель Наименовани ность е полёта биообъектов Особенности биологического обеспечения полета Выполне ние задачи 3 Второй искусствен ный спутник Земли но Регистрация яб артериального не давления, частоты системы дыхания, возвраще 57 двигательной ния год активности Землю ря Собака Лайка 19 ЭКГ, Спутник имел на а 19 Собаки Белка авг Второй уст космически а й корабль- 19 спутник 60 и Стрелка, мыши, 1 сутки семена, культуры клеток, год насекомые а Регистрация ЭКГ, Первые артериального животные давления, дыхания, возвраще температуры тела, ны двигательной космоса активности у собак на Землю Регистрация Спутник из 1 Третий космически й корабльспутник де Собаки ка Пчёлка бр Мушка, дыхания, возвраще морские температуры тела, н 19 свинки, двигательной техническ 60 крысы, мыши, активности, им год семена электромиограммы причинам я 1 сутки и собак у ЭКГ, не по а Четвертый космически й корабльспутник 9 Собака ма Чернушка, рта мыши, Регистрация морская дыхания, 61 свинка, мухи, сфигмограммы год семена, а бактерии 19 1,5 часа Спуск по ЭКГ, программ е, животные возвраще ны Собака Пятый космически й корабльспутник 25 Звёздочка, ма крысы, рта морские Регистрация свинки, мухи, дыхания, 61 семена, сфигмограммы год бактерии, а культуры 19 1,5 часа Спуск по ЭКГ, программ е, животные возвраще ны клеток Безусловно, безопасность человека в космосе очень важна, Без знаний о них человек не смог бы совершить первый полет человека в космосе, высадиться на Луну, собирать сведения на Марсе. Знания о мире над головой каждой стране дают преимущества перед конкурентами. Знания нужны нам как никогда, но чем больше мы узнаем о неизвестном, тем больше понимаем, как сложно выжить в этом непредсказуемом и опасном мире.
