علم زیست شناسی شامل بسیاری از بخش های مختلف، علوم کودک بزرگ و کوچک است. و هر یک از آنها نه تنها در زندگی انسان، بلکه برای کل سیاره مهم هستند.
برای دومین قرن متوالی، مردم در تلاشند تا نه تنها تنوع زمینی حیات را در تمام مظاهر آن مطالعه کنند، بلکه در تلاشند تا دریابند که آیا حیات در خارج از سیاره، در فضا وجود دارد یا خیر. این مسائل توسط یک علم خاص - زیست شناسی فضایی - سروکار دارد. در بررسی ما مورد بحث قرار خواهد گرفت.
بخش زیست شناسی - زیست شناسی فضایی
این علم نسبتاً جوان است، اما به شدت در حال توسعه است. جنبه های اصلی یادگیری عبارتند از:
- عوامل فضای بیرونی و تأثیر آنها بر موجودات زنده، فعالیت حیاتی همه سیستم های زنده در فضا یا هواپیما.
- توسعه حیات در سیاره ما با مشارکت فضا، تکامل سیستم های زنده و احتمال وجود زیست توده در خارج از سیاره ما.
- امکان ساخت سیستم های بسته و ایجاد شرایط واقعی زندگی در آنها برای آسایشتوسعه و رشد موجودات در فضا.
پزشکی فضایی و زیست شناسی علوم نزدیک به هم هستند که به طور مشترک وضعیت فیزیولوژیکی موجودات زنده در فضا، شیوع آنها در فضاهای بین سیاره ای و تکامل را مطالعه می کنند.
به لطف تحقیقات این علوم، انتخاب شرایط بهینه برای یافتن افراد در فضا و بدون آسیب رساندن به سلامت امکان پذیر شد. مواد عظیمی در مورد حضور حیات در فضا، توانایی گیاهان و جانوران (تک سلولی، چند سلولی) برای زندگی و توسعه در حالت بی وزنی جمع آوری شده است.
تاریخچه توسعه علم
ریشه های زیست شناسی فضایی به دوران باستان بازمی گردد، زمانی که فیلسوفان و متفکران - دانشمندان علوم طبیعی ارسطو، هراکلیتوس، افلاطون و دیگران - آسمان پرستاره را تماشا می کردند و سعی می کردند رابطه ماه و خورشید را با زمین شناسایی کنند. برای درک دلایل تأثیر آنها بر زمین های کشاورزی و حیوانات.
بعدها، در قرون وسطی، تلاش هایی برای تعیین شکل زمین و توضیح چرخش آن آغاز شد. برای مدت طولانی، نظریه ای وجود داشت که توسط بطلمیوس ایجاد شد. او در مورد این واقعیت صحبت کرد که زمین مرکز جهان است و تمام سیارات و اجرام آسمانی دیگر در اطراف آن حرکت می کنند (سیستم زمین مرکزی).
اما دانشمند دیگری به نام قطب نیکولاس کوپرنیک وجود داشت که اشتباه بودن این اظهارات را ثابت کرد و سیستم خورشیدمرکزی خود را از ساختار جهان پیشنهاد کرد: در مرکز خورشید قرار دارد و تمام سیارات به دور خود حرکت می کنند. خورشید نیز یک ستاره است. نظرات او مورد حمایت پیروان جوردانو قرار گرفتبرونو، نیوتن، کپلر، گالیله.
با این حال، زیست شناسی فضایی به عنوان یک علم بسیار دیرتر ظاهر شد. تنها در قرن بیستم، دانشمند روسی کنستانتین ادواردوویچ تسیولکوفسکی سیستمی را توسعه داد که به مردم اجازه می دهد به اعماق فضا نفوذ کنند و به آرامی آنها را مطالعه کنند. او را به حق پدر این علم می دانند. همچنین اکتشافات فیزیک و اخترفیزیک، شیمی کوانتومی و مکانیک توسط اینشتین، بور، پلانک، لاندو، فرمی، کاپیتزا، بوگولیوبوف و دیگران نقش زیادی در توسعه کیهان‌شناسی ایفا کردند.
تحقیقات علمی جدید، که به مردم اجازه می دهد تا پروازهای برنامه ریزی شده طولانی به فضا انجام دهند، امکان شناسایی توجیهات پزشکی و بیولوژیکی خاص برای ایمنی و تاثیر شرایط فرازمینی را که تسیولکوفسکی فرموله کرده بود، فراهم کرد. جوهر آنها چه بود؟
- به دانشمندان یک توجیه نظری برای تأثیر بی وزنی بر موجودات پستانداران داده شده است.
- او چندین تغییر از شرایط فضایی را در آزمایشگاه مدلسازی کرد.
- گزینه های پیشنهادی برای فضانوردان برای به دست آوردن غذا و آب با کمک گیاهان و گردش مواد.
بنابراین، این تسیولکوفسکی بود که تمام اصول اولیه فضانوردی را مطرح کرد، که امروزه ارتباط خود را از دست نداده اند.
بی وزنی
تحقیقات بیولوژیکی مدرن در زمینه مطالعه تأثیر عوامل دینامیکی بر بدن انسان در فضا به فضانوردان اجازه می دهد تا حداکثر از تأثیر منفی همین عوامل خلاص شوند.
سه ویژگی اصلی دینامیکی وجود دارد:
- ارتعاش؛
- شتاب؛
- بی وزنی.
غیرعادی ترین و مهم ترین تأثیر بر بدن انسان بی وزنی است. این حالتی است که در آن نیروی گرانش ناپدید می شود و با تأثیرات اینرسی دیگر جایگزین نمی شود. در این حالت فرد به طور کامل توانایی کنترل موقعیت بدن در فضا را از دست می دهد. چنین حالتی از قبل در لایه‌های پایینی کیهان آغاز می‌شود و در کل فضای آن ادامه می‌یابد.
مطالعات پزشکی و بیولوژیکی نشان داده اند که تغییرات زیر در بدن انسان در حالت بی وزنی رخ می دهد:
- ضربان قلب افزایش می یابد.
- عضلات شل می شوند (تونوس از بین می رود).
- کاهش عملکرد.
- توهمات فضایی احتمالی.
یک فرد در شرایط بی وزنی می تواند تا 86 روز بدون آسیب به سلامتی بماند. این امر به صورت تجربی و از دیدگاه پزشکی تایید شده است. با این حال، امروزه یکی از وظایف زیست‌شناسی فضایی و پزشکی ایجاد مجموعه‌ای از اقدامات برای جلوگیری از تأثیر بی‌وزنی بر بدن انسان به طور کلی، رفع خستگی، افزایش و تثبیت عملکرد طبیعی است.
تعدادی از شرایط وجود دارد که فضانوردان برای غلبه بر بی وزنی و حفظ کنترل بر بدن رعایت می کنند:
- طراحی هواپیما کاملاً با استانداردهای ایمنی لازم برای مسافران مطابقت دارد؛
- فضانوردان همیشه با احتیاط روی صندلی های خود بسته می شوند تا از پروازهای رو به بالا پیش بینی نشده جلوگیری کنند؛
- همه اقلام در کشتی به شدت هستندمحل ثابت و ایمن شده مناسب برای جلوگیری از آسیب؛
- مایعات فقط در ظروف در بسته و در بسته نگهداری می شوند.
برای دستیابی به نتایج خوب در غلبه بر بی وزنی، فضانوردان تحت آموزش های کامل در زمین قرار می گیرند. اما، متأسفانه، تاکنون تحقیقات علمی مدرن اجازه ایجاد چنین شرایطی را در آزمایشگاه نمی دهد. در سیاره ما، غلبه بر نیروی گرانش ممکن نیست. همچنین یکی از چالش های آینده برای فضا و زیست شناسی پزشکی است.
نیروهای G در فضا (شتاب)
یکی دیگر از عوامل مهم تأثیرگذار بر بدن انسان در فضا، شتاب یا اضافه بار است. ماهیت این عوامل به توزیع نابرابر بار روی بدنه در حین حرکات با سرعت بالا در فضا کاهش می یابد. دو نوع اصلی شتاب وجود دارد:
- کوتاه مدت؛
- طولانی.
همانطور که مطالعات زیست پزشکی نشان می دهد، هر دو شتاب در تأثیرگذاری بر وضعیت فیزیولوژیکی بدن فضانورد بسیار مهم هستند.
بنابراین، برای مثال، تحت تأثیر شتاب‌های کوتاه‌مدت (که کمتر از ۱ ثانیه طول می‌کشند)، تغییرات غیرقابل برگشتی در سطح مولکولی در بدن رخ می‌دهد. همچنین در صورتی که اندام ها به اندازه کافی ضعیف آموزش نبینند، خطر پارگی پرده های آنها وجود دارد. چنین تأثیراتی را می توان در هنگام جداسازی کپسول با فضانورد در فضا، در هنگام پرتاب او انجام داد.یا هنگام فرود کشتی در مدارها.
بنابراین، بسیار مهم است که فضانوردان قبل از پرواز به فضا تحت معاینه پزشکی کامل و تمرینات بدنی خاصی قرار گیرند.
شتاب طولانی اثر هنگام پرتاب و فرود موشک و همچنین در هنگام پرواز در برخی مکان‌های فضایی در فضا رخ می‌دهد. تأثیر چنین شتاب هایی بر بدن، طبق داده های ارائه شده توسط تحقیقات علمی پزشکی، به شرح زیر است:
- ضربان قلب و نبض تند می شود؛
- تنفس سریع می شود؛
- بروز حالت تهوع و ضعف، رنگ پریدگی پوست وجود دارد؛
- آسیب می بیند، یک فیلم قرمز یا سیاه جلوی چشم ظاهر می شود؛
- ممکن است در مفاصل، اندام ها احساس درد کنید؛
- افت بافت عضلانی؛
- تغییر مقررات عصبی اخلاقی؛
- تبادل گاز در ریه ها و در کل بدن متفاوت می شود؛
- ممکن است باعث تعریق شود.
دید
نیروهای G و بی وزنی دانشمندان علوم پزشکی را مجبور می کند تا راه های مختلفی را ارائه دهند. به فضانوردان اجازه می دهد تا سازگار شوند، آموزش دهند تا بتوانند در مقابل عملکرد این عوامل بدون عواقب سلامتی و بدون از دست دادن کارایی مقاومت کنند.
یکی از مؤثرترین راه‌ها برای آموزش فضانوردان برای شتاب، دستگاه سانتریفیوژ است. در آن است که می توانید تمام تغییراتی را که در بدن تحت تأثیر بارهای اضافی رخ می دهد مشاهده کنید. همچنین به شما این امکان را می دهد که تمرین کنید و با تأثیر این عامل سازگار شوید.
پرواز فضایی و پزشکی
پروازهای فضایی مطمئناً تأثیر بسیار زیادی بر سلامت افراد دارد، به ویژه کسانی که آموزش ندیده یا بیماری های مزمن دارند. بنابراین، یک جنبه مهم، تحقیقات پزشکی در مورد تمام ظرافت های پرواز، تمام واکنش های بدن به متنوع ترین و باورنکردنی ترین اثرات نیروهای فرازمینی است.
پرواز در شرایط بی وزنی، پزشکی و زیست شناسی مدرن را مجبور می کند تا مجموعه ای از اقدامات را ابداع و فرموله کند (البته همزمان اجرا کند) تا فضانوردان را با تغذیه طبیعی، استراحت، تامین اکسیژن، ظرفیت کار و غیره تامین کند.
علاوه بر این، پزشکی برای ارائه کمک های مناسب به فضانوردان در مواقع اضطراری پیش بینی نشده و همچنین محافظت در برابر تأثیر نیروهای ناشناخته دیگر سیارات و فضاها طراحی شده است. بسیار دشوار است، نیاز به زمان و تلاش زیادی دارد، یک پایه نظری بزرگ، فقط استفاده از آخرین تجهیزات مدرن و داروها.
علاوه بر این، پزشکی در کنار فیزیک و زیست شناسی وظیفه محافظت از فضانوردان در برابر عوامل فیزیکی شرایط فضایی مانند:
را بر عهده دارد.
- دما;
- تابش;
- فشار؛
- شهاب‌سنگ.
بنابراین مطالعه همه این عوامل و ویژگی ها بسیار مهم است.
روش های تحقیق در زیست شناسی
زیست شناسی فضایی، مانند هر علم بیولوژیکی دیگری، دارای مجموعه ای از روش ها است که امکان انجام تحقیقات، جمع آوری مطالب نظری و تأیید آن با نتیجه گیری های عملی را فراهم می کند. این روش ها در طول زمانبدون تغییر باقی می مانند، مطابق با زمان فعلی به روز و مدرن می شوند. با این حال، روش های تاریخی تثبیت شده زیست شناسی هنوز هم تا به امروز مرتبط هستند. این موارد عبارتند از:
- مشاهده.
- آزمایش.
- تحلیل تاریخی.
- شرح.
- مقایسه.
این روشهای تحقیقات بیولوژیکی اساسی هستند و در هر زمان مرتبط هستند. اما تعدادی دیگر وجود دارند که با پیشرفت علم و فناوری، فیزیک الکترونیک و زیست شناسی مولکولی به وجود آمده اند. آنها مدرن نامیده می شوند و بیشترین نقش را در مطالعه کلیه فرآیندهای بیولوژیکی-شیمیایی، پزشکی و فیزیولوژیکی دارند.
روش های مدرن
- روش های مهندسی ژنتیک و بیوانفورماتیک. این شامل تبدیل آگروباکتری و بالستیک، PCR (واکنش های زنجیره ای پلیمراز) است. نقش تحقیقات بیولوژیکی از این نوع بسیار زیاد است، زیرا آنها هستند که امکان یافتن گزینه هایی را برای حل مشکل تغذیه و اکسیژن رسانی پرتابگرها و کابین ها برای آسایش فضانوردان فراهم می کنند.
- روشهای شیمی پروتئین و هیستوشیمی. به کنترل پروتئین ها و آنزیم ها در سیستم های زنده اجازه دهید.
- استفاده از میکروسکوپ فلورسانس، میکروسکوپ با وضوح فوق العاده.
- استفاده از بیولوژی مولکولی و بیوشیمی و روش های تحقیق آنها.
- بیوتلمتری روشی است که حاصل ترکیب کار مهندسان و پزشکان بر اساس بیولوژیک است. این به شما امکان می دهد تمام عملکردهای مهم فیزیولوژیکی کار را کنترل کنید.ارگانیسم از راه دور با استفاده از کانال های ارتباطی رادیویی بدن انسان و ضبط کننده رایانه. زیست‌شناسی فضایی از این روش به‌عنوان پایه‌ای برای ردیابی اثرات شرایط فضا بر موجودات فضانوردان استفاده می‌کند.
- نشانه بیولوژیکی فضای بین سیاره ای. یک روش بسیار مهم زیست شناسی فضایی، که امکان ارزیابی حالات بین سیاره ای محیط، به دست آوردن اطلاعات در مورد ویژگی های سیارات مختلف را فراهم می کند. اساس در اینجا استفاده از حیوانات با حسگرهای داخلی است. این حیوانات آزمایشی (موش، سگ، میمون) هستند که اطلاعات را از مدارها استخراج می کنند که توسط دانشمندان زمینی برای تجزیه و تحلیل و نتیجه گیری استفاده می شود.
روش های مدرن تحقیقات بیولوژیکی امکان حل مشکلات پیشرفته نه تنها زیست شناسی فضایی، بلکه مسائل جهانی را نیز فراهم می کند.
مشکلات زیست شناسی فضایی
همه روش های ذکر شده در تحقیقات زیست پزشکی، متأسفانه، هنوز نتوانسته اند همه مشکلات زیست شناسی فضایی را حل کنند. تعدادی از مسائل موضوعی وجود دارد که تا به امروز ضروری هستند. بیایید به چالش‌های اصلی پیش روی پزشکی فضایی و زیست‌شناسی نگاهی بیندازیم.
- انتخاب پرسنل آموزش دیده برای پرواز فضایی، که وضعیت سلامتی آنها می تواند تمام الزامات پزشکان را برآورده کند (از جمله اجازه دادن به فضانوردان برای مقاومت در برابر آموزش های دقیق و آموزش برای پرواز).
- سطح مناسب آموزش و تامین همه چیز لازم برای خدمه فضای کاری.
- تضمین ایمنی از همه جهات (از جمله عوامل تأثیرگذار ناشناخته یا خارجیاز سیارات دیگر) کشتی های کار و سازه های هواپیما.
- توانبخشی روانی-فیزیولوژیکی فضانوردان پس از بازگشت به زمین.
- توسعه راه هایی برای محافظت از فضانوردان و فضاپیماها در برابر تشعشعات.
- اطمینان از شرایط عادی زندگی در کابین ها در طول پروازهای فضایی.
- توسعه و کاربرد فناوری پیشرفته کامپیوتری در پزشکی فضایی.
- معرفی پزشکی از راه دور و بیوتکنولوژی فضایی. استفاده از روش های این علوم.
- حل مشکلات پزشکی و بیولوژیکی برای پرواز راحت فضانوردان به مریخ و سیارات دیگر.
- سنتز عوامل دارویی که مشکل تامین اکسیژن در فضا را حل می کند.
توسعه یافته، بهبود یافته و پیچیده در روش های کاربردی تحقیقات زیست پزشکی مطمئناً همه وظایف و مشکلات موجود را حل خواهد کرد. با این حال، چه زمانی این یک سوال دشوار و نسبتاً غیرقابل پیش بینی است.
لازم به ذکر است که نه تنها دانشمندان روسی، بلکه شورای دانشگاهی همه کشورهای جهان نیز با این مسائل سروکار دارند. و این یک مزیت بزرگ است. از این گذشته، تحقیقات و جست و جوهای مشترک نتایج مثبتی به طور نامتناسبی بزرگتر و سریعتر خواهد داشت. همکاری نزدیک جهانی در حل مشکلات فضایی، کلید موفقیت در اکتشاف فضای فرازمینی است.
دستاوردهای مدرن
از این دست دستاوردها زیاد است. از این گذشته ، کار فشرده هر روز انجام می شود ، دقیق و پر زحمت ، که به شما امکان می دهد بیشتر و بیشتر پیدا کنیدمواد، نتیجه گیری و فرمول بندی فرضیه.
یکی از مهم ترین اکتشافات قرن بیست و یکم در کیهان شناسی، کشف آب در مریخ بود. این بلافاصله باعث ایجاد ده ها فرضیه در مورد وجود یا عدم وجود حیات در این سیاره، در مورد امکان اسکان مجدد زمینیان به مریخ و غیره شد.
کشف دیگر این بود که دانشمندان محدودیت های سنی را تعیین کرده اند که در آن فرد می تواند تا حد امکان راحت و بدون عواقب جدی در فضا باشد. این سن از 45 سالگی شروع می شود و در حدود 55-60 سالگی به پایان می رسد. جوانانی که به فضا می‌روند پس از بازگشت به زمین، سازگاری و بازسازی سخت از نظر روانی و فیزیولوژیکی رنج می‌برند.
آب نیز در ماه (2009) کشف شد. عطارد و مقدار زیادی نقره نیز در ماهواره زمین یافت شد.
روشهای تحقیقات بیولوژیکی، و همچنین مهندسی و شاخص‌های فیزیکی، به ما این امکان را می‌دهند که با اطمینان نتیجه بگیریم که اثرات تشعشعات یونی و قرار گرفتن در معرض در فضا بی‌ضرر هستند (حداقل مضرتر از زمین نیستند).
مطالعات علمی ثابت کرده اند که ماندن طولانی مدت در فضا بر سلامت فیزیکی فضانوردان تأثیری ندارد. با این حال، مشکلات روانی همچنان باقی است.
مطالعاتی انجام شده است که ثابت می کند گیاهان عالی نسبت به حضور در فضا واکنش متفاوتی نشان می دهند. بذر برخی از گیاهان مورد بررسی هیچ تغییر ژنتیکی را نشان نداد. برعکس، دیگران تغییر شکل های آشکاری را در سطح مولکولی نشان دادند.
تجارب،انجام‌شده بر روی سلول‌ها و بافت‌های موجودات زنده (پستانداران) ثابت کرد که فضا بر وضعیت طبیعی و عملکرد این اندام‌ها تأثیری ندارد.
انواع مختلف مطالعات پزشکی (توموگرافی، ام آر آی، آزمایش خون و ادرار، کاردیوگرام، توموگرافی کامپیوتری و غیره) به این نتیجه رسیدند که ویژگی های فیزیولوژیکی، بیوشیمیایی، مورفولوژیکی سلول های انسانی در زمان ماندن در فضا بدون تغییر باقی می مانند. تا 86 روز.
در شرایط آزمایشگاهی، یک سیستم مصنوعی بازسازی شد که به شما امکان می دهد تا حد امکان به حالت بی وزنی نزدیک شوید و بنابراین تمام جنبه های تأثیر این حالت را بر بدن مطالعه کنید. این به نوبه خود امکان توسعه تعدادی از اقدامات پیشگیرانه را برای جلوگیری از تأثیر این عامل در طول پرواز انسان در گرانش صفر فراهم کرد.
نتایج اگزوبیولوژی داده هایی هستند که حضور سیستم های آلی خارج از بیوسفر زمین را نشان می دهند. تا کنون، تنها فرمول نظری این فرضیات ممکن شده است، اما به زودی دانشمندان قصد دارند شواهد عملی را نیز به دست آورند.
به لطف تحقیقات زیست شناسان، فیزیکدانان، پزشکان، بوم شناسان و شیمیدانان، مکانیسم های عمیق تأثیر انسان بر بیوسفر آشکار شده است. این امر با ایجاد اکوسیستم‌های مصنوعی در خارج از سیاره و اعمال تأثیری مشابه بر روی آنها بر روی زمین ممکن شد.
این همه دستاوردهای زیست شناسی فضایی، کیهان شناسی و پزشکی امروزی نیست، بلکه تنها دستاوردهای اصلی است. پتانسیل های زیادی وجود دارد که اجرای آن استوظیفه علوم ذکر شده برای آینده.
زندگی در فضا
طبق ایده های مدرن، حیات در فضا می تواند وجود داشته باشد، زیرا اکتشافات اخیر وجود شرایط مناسب در برخی از سیارات را برای پیدایش و توسعه حیات تایید می کند. اما نظرات علما در این مورد به دو دسته تقسیم می شود:
- زندگی جایی جز زمین نیست، هرگز نبوده و نخواهد بود؛
- زندگی در گستره های وسیع فضای ماورای جو وجود دارد، اما مردم هنوز آن را کشف نکرده اند.
کدام یک از فرضیه ها درست است - این به هر فردی بستگی دارد که تصمیم بگیرد. شواهد و شواهد کافی برای هر دو و دیگری وجود دارد.
