Космос 02.08.2020

Космическая биология

16 мин.

Из Википедии — свободной энциклопедии

Космическая биология (космобиология) — наука, изучающая возможности жизни в условиях космического пространства и при полётах на космических летательных аппаратах, а также принципы построения биологических систем обеспечения жизнедеятельности членов экипажей космических кораблей и станций [1] . Рассматривает отсутствие влияния на организм силы тяжести, возможность существования организмов в вакууме и т. п.

Раздел биологической науки – космическая биология

Данная наука относительно молодая, но очень интенсивно развивающаяся. Основными аспектами изучения являются:

  1. Факторы космического пространства и их влияние на организмы живых существ, жизнедеятельность всех живых систем в условиях космоса или летательных аппаратов.
  2. Развитие жизни на нашей планете при участии космоса, эволюция живых систем и вероятность существования биомассы вне пределов нашей планеты.
  3. 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.

космическая биология

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.

Астробиология (экзобиология)

Термин экзобиология – аналогичен астробиологии.

Астробиология является междисциплинарной научной областью, связанной с происхождением, ранней эволюцией, распределением и будущим жизни во Вселенной. Астробиология рассматривает вопрос о том, существует ли внеземная жизнь, и как люди могут ее обнаружить, если она существует.

Впервые этот термин был предложен российским (советским) астрономом Гавриилом Тиховым в 1953 году.

Синонимы астробиологии разнообразны. Близким синонимом является экзобиология (придуман молекулярным биологом и лауреатом Нобелевской премии Джошуа Ледербергом). Считается, что экзобиология имеет узкую область, ограниченную поиском жизни вне Земли, тогда как предметная область астробиологии шире и исследует связь между жизнью и Вселенной, которая включает в себя поиск внеземной жизни, но также включает в себя изучение жизни на Земле, ее происхождения, эволюции и пределов.

Другой термин, используемый в прошлом, – ксенобиология (“биология иноземцев”), слово, использованное в 1954 году писателем-фантастом Робертом Хайнлайном в его работе “Звездный зверь”. Термин ксенобиология теперь используется в более специализированном смысле, означая “биологию, основанную на иноземной химии”, будь то внеземного или земного (возможно, синтетического) происхождения. Поскольку в лаборатории созданы альтернативные химические аналоги некоторым жизненным процессам, ксенобиология в настоящее время рассматривается как отдельный предмет.

Астробиология (экзобиология) — наука, предметом которой является изучение происхождения эволюции и распространения жизни на других планетах во Вселенной. Астробиология опирается на научные достижения в области физики, химии, астрономии, биологии, экологии, планетологии, географии, геологии и космонавтики для исследования возможности существования внеземной жизни.

В решении некоторых задач астробиология тесно соприкасается с космической биологией и космической медициной, возникшими в связи с активным проникновением человека в космическое пространство.

Астробиология осуществляет поиск пригодной для жизни среды обитания как в Солнечной системе, так и за её пределами, поиск доказательств предбиотической химии, лабораторные и практические исследования происхождения и раннего развития жизни на Земле, а также исследования потенциальных возможностей жизни в части приспособления к сложным условиям на Земле и в космосе.

Неизвестно, будет ли жизнь во Вселенной, в случае её обнаружения, иметь клетки, подобные земным растениям. Здесь возникает такая наука, как альтернативная биохимия, которая изучает возможность существования форм жизни, которым свойственны биохимические процессы, полностью отличающиеся от возникших на Земле. Обсуждаемые отличия включают замену углерода в молекулах органических веществ на другие атомы, либо воды в качестве растворителя на другие жидкости. Подобные явления нередко описываются в фантастической литературе.

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.

Астробиология использует молекулярную биологию, биофизику, биохимию, химию, астрономию, физическую космологию, экзопланетологию и геологию, чтобы исследовать возможность жизни в других мирах и помочь распознать биосферы, которые могут отличаться от земных.

Возникновение и ранняя эволюция жизни – неотъемлемая часть дисциплины астробиологии.

Данное междисциплинарное направление включает в себя исследования о происхождении планетной системы, происхождении органических соединений в космосе, минерально-водно-углеродных взаимодействиях, абиогенезе на Земле, планетарной обитаемости, исследования жизни, а также исследования на возможность жизни для адаптациив космическом пространстве.

Даже если внеземная жизнь так и не будет открыта, междисциплинарный характер астробиологии и порожденные ею космические и эволюционные перспективы все равно могут привести к целому ряду преимуществ и новых открытий здесь, на Земле.

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?

  1. Ученым было дано теоретическое обоснование влияния невесомости на организмы млекопитающих.
  2. Он смоделировал несколько вариантов создания условий космоса в лаборатории.
  3. 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.

методы биологических исследований

Биология в космосе

Роль биологии в космических исследования Чтобы понять какова роль биологии в космических исследованиях мы должны узнать что такое биология?

Роль биологии в космических исследования После того как мы узнали что такое биология можем обратится к космической биологии. Космическая биология-это комплекс преимущественно биологических наук, изучающих:

1) особенности жизнедеятельности земных организмов в условиях космического пространства и при полётах на космических летательных аппаратах.

2) принципы построения биологических систем обеспечения жизнедеятельности членов экипажей космических кораблей и станций. 

3) внеземные формы жизни. Роль биологии в космических исследованиях.

Космическая биология — синтетическая наука, собравшая в единое целое достижения различных разделов биологии, авиационной медицины, астрономии, геофизики, радиоэлектроники и многих др. наук и создавшая на их основе собственные методы исследования. Работы по космической биологии ведутся на различных видах живых организмов, начиная с вирусов и заканчивая млекопитающими.

Первоочередная задача космической биологии — изучение влияния факторов космического полёта (ускорение, вибрация, невесомость, измененная газовая среда, ограниченная подвижность и полная изоляция в замкнутых герметичных объёмах и др.) и космического пространства (вакуум, радиация, уменьшенная напряжённость магнитного поля и др.). Исследования по космической биологии ведутся в лабораторных экспериментах, в той или иной мере воспроизводящих влияние отдельных факторов космического полёта и космического пространства. Однако наиболее существенное значение имеют лётные биологические эксперименты, в ходе которых можно изучить влияние на живой организм комплекса необычных факторов внешней среды.

На искусственных спутниках Земли и космических кораблях в полет отправлялись морские свинки, мыши, собаки, высшие растения и водоросли (хлорелла), различные микроорганизмы, семена растений, изолированные культуры тканей человека и кролика и другие биологические объекты.

На участках выхода на орбиту у животных обнаруживалось ускорение учащения пульса и дыхания, которые постепенно исчезали после перехода корабля на орбитальный полёт. Наиболее важный непосредственный эффект действия ускорений – изменения лёгочной вентиляции и перераспределение крови в сосудистой системе, в том числе в малом круге, а также изменения в рефлекторной регуляции кровообращения. Нормализация пульса после воздействия ускорений в невесомости происходит значительно медленнее, чем после испытаний на центрифуге в условиях Земли.

Как средние, так и абсолютные значения частоты пульса в невесомости были ниже, чем в соответствующих моделирующих опытах на Земле, и характеризовались выраженными колебаниями. Анализ двигательной активности собак показал довольно быструю адаптацию к необычным условиям невесомости и восстановление способности к координированным движениям. Такие же результаты были получены и в экспериментах на обезьянах. Исследованиями условных рефлексов у крыс и морских свинок после возвращения их из космического полёта установлено отсутствие изменений по сравнению с предполётными опытами.

Важными для дальнейшего развития экофизиологического направления исследований явились эксперименты на советском биоспутнике “Космос-110” с двумя собаками на борту и на американском биоспутнике “Биос-3”, на борту которого находилась обезьяна . Во время 22-суточного полёта собаки впервые подвергались не только влиянию неизбежно присущих факторов, но и ряду специальных воздействий (раздражение синусного нерва электрическим током, пережатие сонных артерий и т. д.), имевших целью выяснить особенности нервной регуляции кровообращения в условиях невесомости. Кровяное давление у животных регистрировалось прямым путём .

Во время полёта обезьяны на биоспутнике ” Биос-3″, продолжавшегося 8,5 суток, были обнаружены серьёзные изменения циклов сна и бодрствования (фрагментация состояний сознания, быстрые переходы от сонливости к бодрствованию, заметное сокращение фаз сна, связанных со сновидениями и глубокой дремотой), а также нарушение суточной ритмики некоторых физиологических процессов. Последовавшая вскоре после досрочного окончания полёта смерть животного была, по мнению ряда специалистов, обусловлена влиянием невесомости, которая привела к перераспределению крови в организме, потере жидкости и нарушению обмена калия и натрия.

Генетические исследования, проведённые в орбитальных космических полётах, показали, что пребывание в космическом пространстве оказывает стимулирующий эффект на сухие семена лука и нигеллы . Ускорение деления клеток было обнаружено на проростках гороха, кукурузы, пшеницы. В культуре устойчивой к радиации расы актиномицетов (бактерии) оказалось в 6 раз больше выживших спор и развивавшихся колоний, тогда как в чувствительном к радиации штамме (чистая культура вирусов, бактерий, других микроорганизмов или культура клеток, изолированная в определённое время и в определённом месте) произошло снижение соответствующих показателей в 12 раз.

Послеполётные исследования и анализ полученной информации показали, что длительный космический полёт сопровождается у высокоорганизованных млекопитающих развитием детренированности сердечнососудистой системы, нарушением водно-солевого обмена, в частности значительным уменьшением содержания кальция в костях .

В результате проведённых биологических исследований на высотных и баллистических ракетах, ИСЗ, ККС и др. космических летательных аппаратах установлено, что человек может жить и работать в условиях космического полёта сравнительно продолжительное время. Показано, что невесомость снижает переносимость организмом физических нагрузок и затрудняет реадаптацию к условиям нормальной (земной) гравитации. Важный результат биологических исследований в космосе — установление того факта, что невесомость не обладает мутагенной активностью, по крайней мере в отношении генных и хромосомных мутаций.

При подготовке и проведении дальнейших экофизиологических и экобиологических исследований в космических полётах основное внимание будет уделено изучению влияния невесомости на внутриклеточные процессы, биологическим эффектам тяжёлых частиц с большим зарядом, суточной ритмике физиологических и биологических процессов, комбинированным воздействиям ряда факторов космического полёта.

Исследования по космической биологии позволили разработать ряд защитных мероприятий и подготовили возможность безопасного полёта в космос человека, что и было осуществлено полётами советских, а затем и американских кораблей с людьми на борту. Значение космической биологии этим не исчерпывается. Исследования в этой области будут и впредь особенно нужны для решения ряда вопросов, в частности для биологической разведки новых космических трасс.

Это потребует разработки новых методов биотелеметрии (способ дистанционного исследования биологических явлений и измерения биологических показателей), создания вживляемых устройств для малой телеметрии (совокупность технологий, позволяющая производить удалённые измерения и сбор информации для предоставления оператору или пользователю), превращения различных видов возникающей в организме энергии в необходимую для питания таких устройств электрическую энергию, новых методов “сжатия” информации и др. Чрезвычайно важную роль космическая биология сыграет и в разработке необходимых для длительных полётов биокомплексов, или замкнутых экологических систем с автотрофными и гетеротрофными организмами

Современные методы

  1. 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.
  2. Методы белковой химии и гистохимии. Позволяют управлять белками и ферментами в живых системах.
  3. Использование флуоресцентной микроскопии, сверхразрешающей микроскопии.
  4. Использование молекулярной биологии и биохимии и их методов исследования.
  5. 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.
  6. 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.

  1. 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).
  2. Достойный уровень подготовки и снабжения всем необходимым рабочих космических экипажей.
  3. Обеспечение безопасности по всем параметрам (в том числе и от неизведанных или инородных факторов воздействия с других планет) рабочим кораблям и авиаконструкциям.
  4. Психофизиологическая реабилитация космонавтов при возвращении на Землю.
  5. Разработка способов защиты космонавтов и космических кораблей от радиационного излучения.
  6. Обеспечение нормальных жизненных условий в кабинах при полетах в космос.
  7. Разработка и применение модернизированных компьютерных технологий в космической медицине.
  8. Внедрение космической телемедицины и биотехнологии. Использование методов этих наук.
  9. Решение медицинских и биологических проблем для комфортных полетов космонавтов на Марс и другие планеты.
  10. 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.

полет в невесомости

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.

перегрузки и невесомость

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.

Профессия космобиолог

Космобиолог – специалист, который исследует поведение всевозможных биологических систем, начиная с вирусов и заканчивая животными и людьми в условиях космоса. В его задачи входят изучение физиологии и генных изменений организмов, разработка устойчивых космических экосистем для орбитальных станций, лунных баз и длительных перелетов.

Эта профессия частично существует и сейчас, но ее функционал выполняют ученые, находящиеся на станции МКС. В будущем произойдет обширное разделение на множество сфер деятельности, в том числе и космобиологию.

В будущем необходимо будет выращивать еду и животных в космосе. И космобиолог должен будет придумать, как это сделать. Профессия появится после 2020 года.

 

Источники

  • https://wiki2.org/ru/%D0%9A%D0%BE%D1%81%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%B1%D0%B8%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F
  • https://FB.ru/article/163819/kosmicheskaya-biologiya-sovremennyie-metodyi-biologicheskih-issledovaniy
  • https://www.berl.ru/article/biology/Cosmobiology
  • https://www.poznavayka.org/biologiya/biologiya-i-poletyi-v-kosmos/
  • https://moluch.ru/young/archive/31/1812/
  • https://wiki.moda/wikipedia/%D0%9A%D0%BE%D1%81%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%B1%D0%B8%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F
  • https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/146126
  • https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%81%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%B1%D0%B8%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F
[свернуть]
Оцените статью
Понравилась статья?
Комментарии (0)
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Комментарии закрыты.