КОСМИЧЕСКАЯ МЕДИЦИНА, область медицины, изучающая особенности жизнедеятельности человека при действии факторов космического полёта с целью разработки средств и методов сохранения здоровья и работоспособности экипажей космических кораблей и станций. Основные задачи космической медицины: изучение влияния на организм человека факторов космического полёта (КП); разработка средств профилактики и защиты от неблагоприятных последствий их воздействия; физиологическое и санитарно-гигиеническое обоснование требований к системе жизнеобеспечения пилотируемых летательных аппаратов, а также к средствам спасения экипажей при возникновении чрезвычайных ситуаций. Важные направления космической медицины; разработка клинических и психофизиологических методов и критериев отбора и подготовки космонавтов к полёту; разработка средств и методов медицинского контроля на всех этапах полёта; решение вопросов профилактики и лечения заболеваний в полёте и устранения неблагоприятных последствий длительных КП. Космическая медицина тесно связана с космической биологией, космической физиологией и психофизиологией, космической радиобиологией и др.
Космическая медицина восходит к авиационной медицине, а её развитие обусловлено созданием ракетной техники и достижениями космонавтики. Биологические и физиологические исследования на животных и с использованием ракет и кораблей-спутников позволили протестировать системы жизнеобеспечения, изучить физиологические эффекты факторов КП и обосновать возможность и безопасность его для человека. Деятельность отечественных учёных позволила решить ряд фундаментальных и прикладных проблем космической медицины, в том числе по созданию эффективной системы медицинского обеспечения здоровья и активной деятельности человека в пилотируемых КП. Этому способствовал большой объём выполненных в нашей стране исследований и экспериментов в 1960-1990-е годы, как в наземных модельных условиях, так и в КП на кораблях «Восток», «Восход», «Союз», орбитальных станциях серий «Салют», «Мир» и автоматических аппаратах (биологических спутниках) серии «Бион».
В КП на организм человека действуют факторы, связанные с динамикой полёта (ускорение, шум, вибрация, невесомость и др.); факторы, связанные с пребыванием в так называемом гермозамкнутом помещении малого объёма с искусственной средой обитания. Комплексное воздействие этих факторов во время КП не всегда позволяет установить строгие причинно-следственные связи регистрируемых отклонений физиологических показателей у человека на разных этапах полёта.
Среди всех факторов КП уникальным и практически не воспроизводимым в лабораторных условиях является невесомость (микрогравитация). В начальный период её действия наблюдается смещение жидких сред организма в краниальном (к голове) направлении за счёт снятия гидростатического давления, а также признаки так называемой болезни движения вследствие рассогласования в деятельности сенсорных систем и др. Медико-биологические исследования показали, что развитие приспособительных реакций практически всех физиологических систем организма к пребыванию в условиях длительной невесомости может привести к неблагоприятным последствиям - сердечнососудистой декомпенсации, ортостатической неустойчивости, атрофии мышц, остеопорозу и др. Физиологическое действие факторов КП изучают также при моделировании их эффектов в лабораторных условиях на специальных установках и стендах (центрифуги, вибростенды, барокамеры, иммерсионные стенды и др.).
Создание, запуск и расширение МКС потребовали разработки и внедрения общей системы медицинского обеспечения КП. Медицинское обеспечение - это система организационных, медицинских, санитарно-гигиенических и медико-технических мероприятий, направленных на сохранение и поддержание здоровья и работоспособности космонавтов на всех этапах их деятельности. Включает: медицинский отбор и освидетельствование космонавтов; медико-биологическую подготовку экипажей; медико-санитарное сопровождение разработки пилотируемых космических аппаратов; разработку бортовых средств медико-биологического обеспечения; медицинское обеспечение здоровья и работоспособности космонавтов; мониторинг здоровья экипажа и среды обитания в жилых отсеках орбитальных станций (санитарно-гигиенический и радиационный контроль); профилактику неблагоприятного воздействия на организм факторов КП, медицинскую помощь по показаниям; медицинское обеспечение здоровья членов экипажей в послеполётный период, в том числе проведение мероприятий по медицинской реабилитации.
Для предупреждения неблагоприятных реакций организма человека на разных этапах КП (включая послеполётный период реабилитации) применяют комплекс предполётных подготовительных и профилактических мероприятий и средств: бегущая дорожка, велоэргометр, вакуумный костюм, имитирующий отрицательное давление на нижнюю половину тела, тренировочно-нагрузочные костюмы, эспандеры, водно-солевые добавки, фармакологические средства и др. Основная цель профилактических мероприятий - противодействие адаптации к невесомости, что достигается созданием осевой нагрузки на тело, физическими тренировками, имитацией эффекта гидростатического давления крови, сбалансированным питанием с возможной его коррекцией. Эффективность этих мероприятий подтверждена длительными КП отечественных экипажей.
Высокая биологическая активность различных видов космического излучения определяет важность мер по созданию средств дозиметрии, определению допустимых доз во время КП, разработке средств и методов профилактики и защиты от поражающего действия космического излучения. Обеспечение радиационной безопасности приобретает особое значение при увеличении дальности и продолжительности КП, особенно межпланетных. Для обеспечения выполнения работ в открытом космосе или на поверхности планет, а также для сохранения жизни в случае разгерметизации корабля или станции используют космические скафандры с системой жизнеобеспечения.
Космическая медицина изучает также механизмы развития и методы предупреждения декомпрессионной болезни; эффекты пониженного (гипоксия) и повышенного (гипероксия) содержания кислорода; изменение суточных режимов; психологию совместимости членов экипажей. Обеспечение жизнедеятельности человека на пилотируемых космических кораблях и орбитальных станциях создаётся комплексом оборудования, результативность работы которого мониторируется санитарно-гигиеническими и микробиологическими исследованиями атмосферы, воды, поверхностей интерьера и др. Специальный раздел космической медицины посвящён отбору и подготовке космонавтов.
Российское космическое агентство координирует всю космическую деятельность в Российской Федерации, включая медицинское обеспечение КП. Медико-биологических проблем институт является ГНЦ, изучающим проблемы космической медицины и отвечающим за здоровье космонавтов в КП. Центр подготовки космонавтов имени Ю. А. Гагарина - головная организация на этапах отбора и медико-биологической подготовки к КП и послеполётной реабилитации. В составе научного совета РАН по космосу работает секция по космической биологии и медицине. Проблемам космической медицины посвящён журнал «Авиакосмическая и экологическая медицина». Специальные курсы по космической физиологии и медицине включены в учебные программы медико-биологического факультета Российского государственного медицинского университета и факультета фундаментальной медицины МГУ.
В США координацией работ по проблемам космической медицины занимается НАСА; в Европе - Европейское космическое агентство (ESA); в Японии - Японское агентство по освоению космоса (JAXA); в Канаде - Канадское космическое агентство (CSA). Наиболее крупные международные организации - Комитет по исследованию космического пространства (COSPAR) и Международная астронавтическая федерация (IAF).
Лит.: Краткий справочник по космической биологии и медицине. 2-е изд. М., 1972; Основы космической биологии и медицины. Совместное советско-американское издание: В 3 т. / Под редакцией О. Г. Газенко, М. Кальвина. М., 1975; Космическая биология и медицина: Совместное советско-американское издание: В 5 т. М., 1994-2001.
ГОУ лицей № 000
Калининского района г. Санкт-Петербурга
Исследовательская работа
Медико-биологические исследования в космосе
Гуршевым Олегом
Руководитель: учитель биологии
Санкт- Петербург, 2011 г.
Введение 2
Начало медико-биологических исследований в середине XX века. 3
Воздействие космического полёта на организм человека. 6
Экзобиология. 10
Перспективы развития исследований. 14
Список использованных источников. 17
Приложение (презентация, эксперименты) 18
Введение
Космическая биология и медицина - комплексная наука, изучающая особенности жизнедеятельности человека и других организмов 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. Космическая биология и медицина неразрывно связана с космонавтикой, астрономией , астрофизикой, геофизикой, биологией, авиационной медициной и многими другими науками.
Актуальность темы довольно большая в наш современный и стремительный XXI век.
Тема «Медико-биологический исследований» меня интересовала последних года два, с тех пор, как я определился в выборе профессии поэтому я решил сделать исследовательскую работу на эту тему.
2011 год является юбилейным – 50 лет со дня первого человеческого полета в космос.
Начало Медико-биологических исследований в середине XX века
Отправными в становлении космической биологии и медицины считаются следующие вехи: 1949 г. - впервые появилась возможность проведения биологических исследований при полетах ракет; 1957 г. - впервые живое существо (собаку Лайку) отправили в околоземный орбитальный полет на втором искусственном спутнике Земли; 1961 г. - первый пилотируемый полет в космос, совершенный. С целью научного обоснования возможности безопасного в медицинском отношении полета человека в космос исследовалась переносимость воздействий, характерных для старта, орбитального полета, спуска и посадки на Землю космических летательных аппаратов (КЛА), а также испытывалась работа биотелеметрической аппаратуры и систем обеспечения жизнедеятельности космонавтов. Основное внимание уделялось изучению влияния на организм невесомости и космического излучения.
Лайка (собака-космонавт) 1957 г.
Р езультаты, полученные при проведении биологических экспериментов на ракетах, втором искусственном спутнике (1957 г.), вращаемых космических кораблях-спутниках (1960-1961 гг.), в совокупности с данными наземных клинических, физиологических, психологических, гигиенических и других исследований фактически открыли путь человеку в космос. Кроме этого, биологические эксперименты в космосе на этапе подготовки первого космического полета человека позволили выявить ряд функциональных изменений, возникающих в организме при действии факторов полета, что явилось основанием для планирования последующих экспериментов на животных и растительных организмах в полетах пилотируемых космических кораблей, орбитальных станций и биоспутников. Первый в мире биологический спутник с подопытным животным - собакой «Лайкой». Выведен на орбиту 03.11.1957 г. И находился там 5 месяцев. Спутник просуществовал на орбите до 14.04.1958 г. На спутнике имелось два радиопередатчика, телеметрическая система, программное устройство, научные приборы для исследования излучения Солнца и космических лучей, системы регенерации и терморегулирования для поддержания в кабине условий, необходимых для существования животного. Получены первые научные сведения о состоянии живого организма в условиях космического полёта.
|
Достижения в области космической биологии и медицины во многом предопределили успехи в развитии пилотируемой космонавтики. Наряду с полетом , совершенном 12 апреля 1961 г., следует отметить такие эпохальные события в истории космонавтики, как высадку 21 июля 1969 г. астронавтов Армстронга (N. Armstrong) и Олдрина (Е. Aldrin) на поверхность Луны и многомесячные (до года) полеты экипажей на орбитальных станциях «Салют» и «Мир». Это стало возможным благодаря разработке теоретических основ космической биологии и медицины, методологии проведения медико-биологических исследований в космических полетах, обоснованию и внедрению методов отбора и предполетной подготовки космонавтов, а также разработке средств жизнеобеспечения, медицинского контроля, сохранения здоровья и работоспособности членов экипажа в полете.
Команда Апполо 11 (слева на право): Neil. A. Armstrong, Command Module Pilot Michael Collins, Commander Edwin (Buzz) E. Aldrin.
Воздействие космического полёта на организм человека
В космическом полете на организм человека воздействует комплекс факторов, связанных с динамикой полета (ускорения, вибрация, шум, невесомость), пребыванием в герметичном помещении ограниченного объема (измененная газовая среда, гипокинезия, нервно-эмоциональное напряжение и т. д.), а также факторы космического пространства как среды обитания (космическое излучение, ультрафиолетовое излучение и др.).
В начале и конце космического полета на организм оказывают влияние линейные ускорения . Их величины, градиент нарастания, время и направление действия в период запуска и выведения КЛА на околоземную орбиту зависят от особенностей ракетно-космического комплекса, а в период возвращения на Землю - от баллистических характеристик полета и типа КЛА. Выполнение маневров на орбите также сопровождается воздействием ускорений на организм, однако их величины при полетах современных КЛА незначительны.
Старт космического корабля «Союз ТМА-18» к Международной космической станции с космодрома Байконур
Основные сведения о влиянии ускорений на организм человека и способах защиты от их неблагоприятного действия были получены при исследованиях в области авиационной медицины, космическая биология и медицина лишь дополнили эти сведения. Было установлено, что пребывание в условиях невесомости, особенно длительное время, приводит к снижению устойчивости организма к действию ускорений. В связи с этим за несколько суток до спуска с орбиты космонавты переходят на специальный режим физических тренировок, а непосредственно перед спуском получают водно-солевые добавки для увеличения степени гидратации организма и объема циркулирующей крови. Разработаны специальные кресла - ложементы и противоперегрузочные костюмы, что обеспечивает повышение переносимости ускорений при возвращении космонавтов на Землю.
Среди всех факторов космического полета постоянным и практически невоспроизводимым в лабораторных условиях является невесомость. Влияние ее на организм многообразно. Возникают как неспецифические адаптационные реакции, характерные для хронического стресса, так и разнообразные специфические изменения, обусловленные нарушением взаимодействия сенсорных систем организма, перераспределением крови в верхнюю половину тела, уменьшением динамических и практически полным снятием статических нагрузок на опорно-двигательный аппарат.
МКС лето 2008 г.
Обследования космонавтов и многочисленные эксперименты на животных в полетах биоспутников «Космос» позволили установить, что ведущая роль в возникновении специфических реакций, объединяемых в симптомокомплекс космической формы болезни движения (укачивание), принадлежит вестибулярному аппарату. Это связано с повышением в условиях невесомости возбудимости рецепторов отолитов и полукружных каналов и нарушением взаимодействия вестибулярного анализатора и других сенсорных систем организма. В условиях невесомости у человека и животных обнаруживаются признаки детренированности сердечно-сосудистой системы, увеличение объема крови в сосудах грудной клетки, застойные явления в печени и почках, изменение мозгового кровообращения, уменьшение объема плазмы. В связи с тем, что в условиях невесомости изменяются секреция антидиуретического гормона, альдостерона и функциональное состояние почек, развивается гипогидратация организма. При этом уменьшается содержание внеклеточной жидкости и увеличивается выведение из организма солей кальция, фосфора, азота , натрия, калия и магния. Изменения в опорно-двигательном аппарате возникают преимущественно в тех отделах, которые в обычных условиях жизнедеятельности на Земле несут наибольшую статическую нагрузку, т. е. мышцах спины и нижних конечностей, в костях нижних конечностей и позвонках. Отмечаются снижение их функциональных возможностей, замедление скорости периостального костеобразования, остеопороз губчатого вещества, декальцинация и другие изменения, которые приводят к снижению механической прочности костей.
В начальный период адаптации к невесомости (занимает в среднем около 7 сут.) примерно у каждого второго космонавта возникают головокружение, тошнота, дискоординация движений, нарушение восприятия положения тела в пространстве, ощущение прилива крови к голове, затруднение носового дыхания, ухудшение аппетита. В ряде случаев это приводит к снижению общей работоспособности, что затрудняет выполнение профессиональных обязанностей. Уже на начальном этапе полета появляются начальные признаки изменений в мышцах и костях конечностей.
По мере увеличения продолжительности пребывания в условиях невесомости многие неприятные ощущения исчезают или сглаживаются. Одновременно с этим практически у всех космонавтов, если не принять должных мер, прогрессируют изменения состояния сердечно-сосудистой системы, обмена веществ, мышечной и костной ткани. Для предупреждения неблагоприятных сдвигов используется широкий комплекс профилактических мер и средств: вакуумная емкость, велоэргометр, бегущая дорожка, тренировочно-нагрузочные костюмы, электромиостимулятор, тренировочные эспандеры, прием солевых добавок и т. д. Это позволяет поддерживать хорошее состояние здоровья и высокий уровень работоспособности членов экипажей в длительных космических полетах.
Неизбежным сопутствующим фактором любого космического полета является гипокинезия - ограничение двигательной активности, которая, несмотря на интенсивные физические тренировки во время полета, приводит в условиях невесомости к общей детренированности и астенизации организма. Многочисленные исследования показали, что длительная гипокинезия, создаваемая пребыванием в постели с наклоном головного конца (-6°), оказывает на организм человека практически такое же влияние, как и длительная невесомость. Этот способ моделирования в лабораторных условиях некоторых физиологических эффектов невесомости широко использовалось в СССР и США. Максимальная длительность такого модельного эксперимента, проведенного в Институте медико-биологических проблем МЗ СССР, составила один год.
Специфической проблемой является исследование воздействия на организм космических излучений. Дозиметрические и радиобиологические эксперименты позволили создать и внедрить в практику систему обеспечения радиационной безопасности космических полетов, которая включает средства дозиметрического контроля и локальной защиты, радиозащитные препараты (радиопротекторы).
Орбитальная станция «МИР»
В задачи космической биологии и медицины входит изучение биологических принципов и методов создания искусственной среды обитания на космических кораблях и станциях. Для этого отбирают живые организмы, перспективные для включения их в качестве звеньев в замкнутую экологическую систему, исследуют продуктивность и устойчивость популяций этих организмов, моделируют экспериментальные единые системы живых и неживых компонентов - биогеоценозы, определяют их функциональные характеристики и возможности практического использования в космических полетах.
Успешно развивается и такое направление космической биологии и медицины, как экзобиология, изучающая наличие, распространение, особенности и эволюцию живой материи во Вселенной. На основании наземных модельных экспериментов и исследований в космосе получены данные, свидетельствующие о теоретической возможности существования органической материи за пределами биосферы . Проводится также программа поиска внеземных цивилизаций путем регистрации и анализа радиосигналов, идущих из космоса.
«Союз ТМА-6»
Экзобиология
Одно из направлений космической биологии; занимается поисками живой материи и органических веществ в космосе и на других планетах. Основная цель экзобиологии состоит в получении прямых или косвенных данных о существовании жизни в космосе. Основанием для этого служат находки предшественников сложных органических молекул (синильной кислоты, формальдегида и др.), которые обнаружены в космическом пространстве спектроскопическими методами (всего найдено до 20 органических соединений). Методы экзобиологии различны и рассчитаны не только на обнаружение инопланетных проявлений жизни, но и на получение некоторых характеристик возможных внеземных организмов. Для предположения о существовании жизни во внеземных условиях, например, на других планетах Солнечной системы, важно выяснить способность выживания организмов при экспериментальном воспроизведении этих условий. Многие микроорганизмы могут существовать при близких к абсолютному нулю и высоких (до 80-95 °С) температуpax; их споры выдерживают глубокий вакуум и длит, высушивание. Они переносят гораздо большие дозы ионизирующего излучения, чем в космическом пространстве. Внеземные организмы, вероятно, должны обладать более высокой приспособляемостью к жизни в среде, содержащей малое количество воды. Анаэробные условия не служат препятствием для развития жизни, поэтому теоретически можно предположить существование в космосе самых различных по свойствам микроорганизмов, которые могли адаптироваться к необычным условиям, вырабатывая различные защитные приспособления. Эксперименты, осуществлённые в СССР и США, не дали доказательств существования жизни на Марсе, нет жизни на Венере и Меркурии, маловероятна она и на планетах-гигантах, а также их спутниках. В Солнечной системе жизнь есть, вероятно, лишь на Земле. Согласно одним представлениям, жизнь вне Земли возможна только на водно-углеродной основе, свойственной нашей планете. Другая точка зрения не исключает и кремниевоаммиачной основы, однако человечество пока не владеет методами обнаружения внеземных форм жизни.
«Викинг»
Программа «Викинг»
Программа «Викинг» - космическая программа НАСА по изучению Марса, в частности, на предмет наличия жизни на этой планете. Программа включала запуск двух идентичных космических аппаратов - «Викинг-1» и «Викинг-2», которые должны были провести исследования на орбите и на поверхности Марса. Программа «Викинг» была кульминацией серии миссий по изучению Марса начало которым положил в 1964 г. «Маринер-4», продолжены «Маринер-6» и «Маринер-7», пролетевших в 1969, и орбитальными миссиями «Маринер-9» в 1971 и 1972 гг. «Викинги» заняли место в истории освоения Марса как первые, благополучно севшие на поверхность, американские космические аппараты. Это была одна из наиболее информативных и успешных миссий на красную планету, хотя ей и не удалось обнаружить жизнь на Марсе.
Оба аппарата были запущены в 1975 г. с мыса Канаверал, штат Флорида. Перед полётом спускаемые аппараты были тщательно стерилизованы для предотвращения заражения Марса земными формами жизни. Время полета заняло немногим меньше года и к Марсу прибыли в 1976 г. Продолжительность миссий «Викинг» планировалась в 90 дней после приземления, но каждый аппарат проработал значительно больше этого срока. Орбитальный аппарат «Викинг-1» проработал до 7 августа 1980 г., спускаемый аппарат - до 11 ноября 1982 г. Орбитальный аппарат «Викинг-2» функционировал до 25 июля 1978 г., спускаемый аппарат - до 11 апреля 1980 г.
Заснеженная пустыня на Марсе. Снимок «Викинга-2»
Программа «БИОН»
Программа «БИОН» включает в себя комплексные исследования на животных и растительных организмах в полетах специализированных спутников (биоспутников) в интересах космической биологии, медицины и биотехнологии. С 1973 по 1996 г. запущено в космос 11 биоспутников.
Ведущее научное учреждение:
ГНЦ РФ - Институт медико-биологически проблем РАН (г. Москва)
Конструкторское бюро:
ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г. Самара)
Длительность полетов:
от 5 до 22,5 сут.
Место запуска:
космодром Плесецк
Район приземления:
Казахстан
Страны-участницы:
СССР, Россия, Болгария, Венгрия, Германия, Канада, Китай, Нидерланды, Польша, Румыния, США, Франция, Чехословакия
Исследования на крысах и обезьянах в полетах биоспутников показали, что пребывание в невесомости приводит к существенным, но обратимым функциональным, структурным и метаболическим изменениям в мышцах, костях, миокарде и нейро-сенсорной системе млекопитающих. Описана феноменология и изучен механизм развития этих изменений.
Впервые в полетах биоспутников «БИОН» реализована на практике идея о создании искусственной силы тяжести (ИСТ). В экспериментах на крысах установлено, что ИСТ, создаваемая вращением животных на центрифуге, препятствует развитию неблагоприятных изменений в мышцах, костях и миокарде.
В рамках Федеральной космической программы России на период 2006-2015 гг. в разделе «Космические средства для фундаментальных космических исследований » запланировано продолжение программы «БИОН», запуски космических аппаратов «БИОН-М» намечены на 2010, 2013 и 2016 гг.
«БИОН»
Перспективы развития исследований
Современный этап освоения и изучения космического пространства характеризуется постепенным переходом от длительных орбитальных полетов к межпланетным перелетам, ближайшим из которых видится экспедиция на Марс . В этом случае ситуация меняется коренным образом. Она меняется не только объективно, что связано со значительным увеличением длительности пребывания в космосе, посадкой на другую планету и возвращением на Землю, но и, что очень важно - субъективно, поскольку, покинув уже ставшую привычной земную орбиту, космонавты останутся (в весьма небольшой по численности группе своих коллег) «одинокими» на необъятных просторах Вселенной.
Вместе с тем, возникают принципиально новые проблемы, связанные с резким возрастанием интенсивности космической радиации, необходимостью использования возобновляемых источников кислорода, воды и пищи, и главное, решением психологических и медицинских задач.
Mercury" href="/text/category/mercury/" rel="bookmark">Mercury -Redstone 3» с Аланом Шепардом.
Трудность управления такой системой в ограниченном герметически замкнутом объеме настолько велика, что не приходится надеяться на ее скорое внедрение в практику. По всей вероятности переход на биологическую систему жизнеобеспечения будет происходить постепенно по мере готовности ее отдельных звеньев. На первом этапе развития БСЖО, очевидно, произойдет замена физико-химического метода получения кислорода и утилизации углекислого газа - на биологический. Как известно, основные «поставщики» кислорода - это высшие растения и фотосинтезирующие одноклеточные организмы. Более сложной задачей является пополнение запасов воды и пищи.
Питьевая вода очевидно еще очень долгое время будет иметь «земное происхождение», а техническая (используемая для хозяйственных нужд) уже сейчас восполняется за счет регенерации конденсата атмосферной влаги (КДА), мочи и других источников.
Безусловно, главный компонент будущей замкнутой экологической системы - растения. Исследования на высших растениях и фотосинтезирующих одноклеточных организмах на борту космических аппаратов показали, что условиях космического полета, растения проходят все стадии развития, начиная с прорастания семян до образования первичных органов, цветения, оплодотворения и созревания нового поколения семян. Таким образом, была экспериментально доказана принципиальная возможность осуществления полного цикла развития растений (от семени до семени) в условиях микрогравитации. Результаты космических экспериментов были настолько обнадеживающими, что позволили уже в начале 80-х годов сделать вывод о том, что разработка систем биологического жизнеобеспечения и создание на этой основе экологически замкнутой системы в ограниченном герметическом объеме является не столь уж сложной задачей. Однако с течением времени стало очевидно, что проблема не может быть решена окончательно, по крайней мере, до тех пор, пока не будут определены (расчетным или экспериментальным путем) основные параметры, позволяющие сбалансировать массо - и энергопотоки этой системы.
Для возобновления запасов пищи необходимо также ввести в систему животных. Разумеется, на первых этапах это должны быть «малогабаритные» представители животного мира - моллюски, рыбы, птицы, а позже, возможно кролики и другие млекопитающие.
Таким образом, космонавтам во время межпланетных перелетов необходимо не только научиться выращивать растения, содержать животных и культивировать микроорганизмы, но и разработать надежный, способ управления «космическим ковчегом». А для этого, сначала надо выяснить, как растет и развивается отдельно взятый организм в условиях космического полета, а затем какие требования предъявляет сообществу каждый отдельно взятый элемент замкнутой экологической системы.
Моей основной задачей в исследовательской работе было выяснить, какой интересный и захватывающий пусть прошли космические исследования и какой долгий путь им ещё предстоит пройти!
Если только себе представить, какое разнообразие всего живого есть на нашей планете, то что можно предположить тогда о космосе…
Вселенная настолько большая и неизвестная, что такой вид исследований жизненно важен для нас, живущих на планете Земля. А мы ведь только в самом начале пути и нам предстоит столько всего познать и увидеть!
На протяжении всего того времени, когда я делал эту работу, узнал столько всего интересного, о чем никогда не подозревал, узнал прекрасных исследователей как Карл Саган, узнал о интереснейших космических программах, проведенных в XX веке, как США, так и в СССР, узнал много о современных программах, как «БИОН», и много всего другого.
Исследования продолжаются…
Список использованных источников
Большая Детская Энциклопедия Вселенная: Научно-популярное издание. - Русское энциклопедическое товарищество, 1999. Сайт http://spacembi. *****/ Большая энциклопедия Вселенная. - М. : Изд-во «Астрель», 1999.
4. Энциклопедия Вселенная (“РОСМЭН”)
5. Сайт Wikipedia (картинки)
6.Космос на рубеже тысячелетий. Документы и материалы. М., Международные отношения (2000г.)
Приложение.
“Марссоперенос”
"Маpссоперенос" Отработка одного из звеньев будущей биолого-технической системы жизнеобеспечения космонавтов.
Цель: Получение новых данных о процессах газо-жидкостного обеспечения в корнеобитаемых средах в условиях космического полета
Задачи: Экспериментальное определение коэффициентов капиллярной диффузии влаги и газов
Ожидаемые результаты: Создание установки с корнеобитаемой средой для выращивания растений применительно к условиям микрогравитации
· Комплект "Кювета экспериментальная" для определения характеристик влагопереноса (скорости перемещения фронта пропитки и влагосодержания в отдельных зонах)
Цель: Использование новых компьютерных технологий для повышения комфортности пребывания космонавта в условиях длительного космического полета.
Задачи: Активизация конкретных областей мозга, ответственных за зрительные ассоциации космонавта, связанные с родными местами и семьей на Земле с дальнейшим повышением его работоспособности. Анализ состояния космонавта на орбите путем тестирования по специальным методикам.
Используемая научная аппаратура:
Блок EGE2 (индивидуальный жесткий диск космонавта с альбомом фотографий и опросником)
"VEST" Получение данных для разработки мер профилактики неблагоприятного воздействия условий полета на здоровье и работоспособность экипажа МКС.
Цель: Оценка новой интегрированной системы одежды из различных типов материалов для использования в условиях космического полета.
Задачи:
Ожидаемые результаты: Подтверждение функциональности новой интегрированной системы одежды "VEST", в том числе её эргономических показателей в условиях космического полета, что позволит уменьшить массу и объем одежды, планируемой к использованию в долгосрочных космических полетах на МКС.
Отрасль медицины, которая призвана обеспечить здоровье космонавтов, может улучшить благосостояние людей и на Земле.
Космическая медицина как отдельная дисциплина берет начало в 50-х годах прошлого века. Когда люди только начали покорять космос - среду, не предназначенную для жизни человека, она была призвана справляться с непосредственным воздействием микрогравитации на физиологию человека. Постепенно космическая медицина столкнулась и с отдаленными последствиями влияния почти полной невесомости, радиации и длительной изоляции участников экспедиций от остального мира.
Первыми космонавтами, конечно, стали военные летчики-испытатели, однако было очевидно, что в космос необходимо отправить и врачей, чтобы те могли на месте изучить реакцию организма на факторы космического полета. Первым врачом-космонавтом стал Борис Егоров - в октябре 1964 года он провел более суток на борту корабля “Восход-1” и собрал значительный материал по действию перегрузок и микрогравитации на вестибулярный аппарат.
NASA подключила врачей к разработке космических программ и оборудования (в том числе систем жизнеобеспечения, скафандров, шлюзов и т.д) в 1967 году. Первым из них стал Стори Масгрейв, который позже сам принял участие в шести полетах по программе “Спейс Шаттл”.
Хотя космическая медицина с тех пор значительно шагнула вперед, она по-прежнему в большой мере опирается на возможность вернуть космонавта на Землю в том случае, если ему требуется серьезная врачебная помощь. Однако в свете планируемых долгосрочных миссий в космос (в частности, полет на Марс), разрабатываются новые способы диагностики и лечения в условиях невесомости.
При возникновении той или иной медицинской ситуации на борту космического корабля или станции, для постановки диагноза может потребоваться специальное оборудование. Рентген и КТ отпадают, поскольку используют излучение, недопустимое в условиях космической среды. Самым оптимальным вариантом становится УЗИ, поскольку позволяет делать снимки различных органов и тканей и не требует тяжелой габаритной аппаратуры. Небольшие, размером с лэптоп, аппараты УЗИ уже используются NASA для проверки состояния глаз и зрительного нерва у астронавтов, которые проводят длительное время на орбите.
Сканер МРТ дает большие, чем УЗИ, возможности для диагностики, но он очень тяжел и дорог. Однако недавно сотрудники Университета Саскачевана (Канада) разработали компактный аппарат МРТ, который весит менее тонны (вес среднестатистического сканера - 11 тонн), стоит около 200 тысяч долларов и не влияет на работу электронного оборудования на борту.
Для проведения абдоминальных лапароскопических телеопераций в космосе американская компания Virtual Incision совместно с NASA разработала хирургический робот размером с кулак человека. Управлять им будет врач на Земле. Чтобы в условиях микрогравитации биологические жидкости при проведении оперативного вмешательства не распространялись по всему модулю, исследователи из Университета Карнеги-Меллона и Луисвиллского университета создали специальную хирургическую систему, AISS (Aqueous Immersion Surgical System). Она представляет собой прозрачную коробку, которая накладывается на рану и заполняется стерильным физиологическим раствором - он не позволяет крови вытекать наружу. Система позволяет хирургам работать с раной, а также, при изменении давления в ней, проводить забор крови, чтобы потом, при необходимости, ее можно было вернуть в систему кровообращения.
Космос воздействует на вирусы и бактерии так же, как на людей. Согласно проведенным исследованиям, условия микрогравитации увеличивают вирулентность таких организмов; они начинают активнее размножаться, быстрее мутируют, лучше сопротивляются антибиотикам. В качестве альтернативы последним для уничтожения вирусов и бактерий может использоваться холодная плазма. В лабораторных условиях было установлено, что она убивает большинство микроорганизмов и увеличивает скорость затягивания раны.
Врачам и космонавтам приходится столкнуться с целым рядом разнообразных проблем. Среди них - “космическая болезнь” (головокружения и потеря равновесия при выходе из земной гравитации и возвращении в нее), “космическая остеопения” (потеря костной массы во время пребывания в условиях микрогравитации, в среднем 1% в месяц), потеря мышечной массы, поскольку мускулам не требуется преодолевать гравитацию, ухудшение зрения из-за повышенного внутричерепного давления и многие другие.
Из зафиксированных на данный момент заболеваний и состояний, от которых страдали участники различных космических экспедиций, - инфекции верхних дыхательных путей, вирусный гастроэнтерит, дерматит, бессонница, “морская болезнь”, аритмия, почечная колика, однако очевидно, что во время продолжительных миссий на далекие расстояния людям придется столкнуться и с другими проблемами медицинского характера.
Каждая из них, в особенности серьезное заболевание или травма, может потенциально негативно повлиять на ход экспедиции, привести к ее провалу и потере членов экипажа. Возвращение на Землю будет либо невозможным, либо очень сложным, в зависимости от уже пройденного пути, поэтому оказание врачебной помощи (включая неотложную и психологическую) должно быть полностью или максимально автономным.
Разработки, сделанные для космических экспедиций, могут пригодиться и для Земли. Некоторые из них уже стали реальностью. Например, технологии цифровой обработки изображений, которые разрабатывались в NASA для получения более качественных снимков Луны, нашли применение в аппаратах МРТ и КТ. Пеноматериал с эффектом памяти, который сегодня применяется в ортопедических матрасах и подушках, также был изначально создан для обеспечения удобства и безопасности пилотов.
И это - лишь малая часть подобных “ответвлений” космических исследований. Космическая медицина, развиваясь, может не только привести человека к звездам, но и сделать лучше его жизнь дома - на Земле.
Западное медицинское исследование и наблюдение за 12 астронавтами показало, что при продолжительном нахождении в условиях микрогравитации сердце человека на 9,4 процента сильнее приобретает сферическую форму, что в свою очередь может вызывать самые различные проблемы с его работой. Особенно актуальной эта проблема может стать при длительных космических путешествиях, например, к Марсу.
«Сердце в космосе работает совсем не так, как оно работает в условиях земной гравитации, что в свою очередь может привести к утрате его мышечной массы», — говорит доктор Джемс Томас из NASA.
«Все это повлечет за собой серьезные последствия после возвращения на Землю, поэтому в настоящий момент мы ищем возможные способы, которые позволят избежать или по крайней мере снизить эту потерю мышечной массы».
Специалисты отмечают, что после возвращения на Землю сердце обретает свою изначальную форму, однако никому не известно, как один из важнейших органов нашего организма поведет себя после долгих перелетов. Докторам уже известны случаи, когда вернувшиеся обратно астронавты испытывали головокружение и дезориентацию. В некоторых случаях отмечается резкое изменение в артериальном давлении (происходит его резкое снижение), особенно когда человек пытается встать на ноги. Помимо этого, у некоторых астронавтов во время миссий наблюдается аритмия (нарушение сердечного ритма).
Исследователи отмечают необходимость в разработке методов и правил, которые позволят путешественникам дальнего космоса избежать данные виды проблем. Как отмечается, такие методы и правила могли бы пригодиться не только космонавтам, но и обычным людям на Земле — испытывающим проблемы работы сердца, а также тем, кому прописан постельный режим.
В настоящий момент началась пятилетняя исследовательская программа, задачей которой будет определение уровня воздействия космоса на ускорение развития у космонавтов атеросклероза (болезнь кровеносных сосудов).
Несмотря на то, что проведенный NASA анонимный опрос снял подозрения в частом употреблении астронавтами алкогольных напитков, в 2007 году произошли два случая, когда фактически пьяных астронавтов из NASA допустили для полета внутри российского космического корабля «Союз». При этом лететь людям разрешили даже после того, как медики, готовившие этих астронавтов к полету, а также другие участники миссии рассказали начальству о весьма горячей кондиции своих коллег.
Согласно политике безопасности того времени, NASA говорило об официальном запрете употребления астронавтами алкоголя за 12 часов перед тренировочными полетами. Действие этого правила также негласно предполагалось и на время космических полетов. Однако после вышеописанного инцидента, NASA возмутила такая беспечность астронавтов, что агентство решило сделать это правило в отношении космических полетов официальным.
Бывший астронавт Майк Маллэйн рассказал однажды о том, что астронавты употребляли алкоголь перед полетом для дегидратации организма (алкоголь обезвоживает), чтобы в конечном итоге снизить нагрузку на мочевой пузырь и в момент запуска внезапно не захотеть в туалет.
Свое место среди опасностей в рамках космических миссий имел также и психологический аспект. Во время космической миссии Skylab 4 астронавтам настолько «надоело» общаться с центром управления космическими полетами, что они почти на сутки отключили радиосвязь и игнорировали поступающие от NASA сообщения. После этого инцидента ученые стараются определить и решить потенциальные негативные психологические эффекты, которые могут возникнуть в рамках более стрессовых и продолжительных миссий к Марсу.
Десятилетнее исследование показало, что последние недели перед запуском и во время начала космических миссий астронавты явно недосыпают. Среди опрошенных три из четырех признавались, что употребляли медицинские средства, которые помогали им уснуть, даже невзирая на то, что употребление подобных медикаментов могло быть опасным во время управления космическим аппаратом и при работе с другим оборудованием. Опаснее всего ситуация в таком случае могла бы оказаться тогда, когда астронавты принимали одно и то же лекарство и в одно и то же время. В таком случае в момент возникшей чрезвычайной ситуации, требующей экстренного решения, они могли бы ее просто проспать.
Несмотря на то, что NASA приписало каждому астронавту спать как минимум восемь с половиной часов в день, большинство из них каждодневно отдыхали всего около шести часов во время выполнения миссий. Серьезность такой нагрузки на организм усугублялась еще и тем, что в течение последних трех месяцев тренировок перед полетом люди ежедневно спали менее шести с половиной часов.
«Будущие миссии на Луну, Марс и дальше потребуют разработки более эффективных мер для решения вопросов нехватки сна и оптимизации производительности человека во время космического полета», — говорит старший исследователь данного вопроса доктор Чарльз Кзейлер.
«Эти меры могут включать изменения графика работ, которые будут выполняться с учетом воздействия на человека определенных световых волн, а также изменения в поведенческой стратегии экипажа для более комфортного входа в состояние сна, которое обязательно необходимо для восстановления здоровья, сил и хорошего настроения на следующий день».
показали, что еще со времен миссий космических шаттлов у некоторых астронавтов отмечались случаи временной значительной и менее значительной потери слуха. Отмечались они чаще всего при воздействии на людей высоких звуковых частот. У членов экипажа советской космической станции «Салют-7» и российского «Мира» также регистрировались незначительные или весьма значительные эффекты снижения слуха после возвращения на Землю. Опять же во всех этих случаях причиной частичной или полной временной потери слуха являлось воздействие высоких звуковых частот.
Экипажу Международной космической станции предписано каждодневное ношение беруш. Для снижения шума на борту МКС, помимо прочих мер, было предложено использование специальных звукоизоляционных прокладок внутри стен станции, а также установка более тихих вентиляторов.
Однако, помимо шумного фона, на потерю слуха могут влиять и другие факторы: например, состояние атмосферы внутри станции, повышение внутричерепного давления, а также повышенный уровень углекислого газа внутри станции.
В 2015 году NASA планирует с помощью экипажа МКС начать изучение возможных способов избегания эффектов потери слуха во время годичных миссий. Ученые хотят посмотреть, насколько долго можно избегать подобных эффектов, и выяснить приемлемый риск, связанный с потерей слуха. Ключевой задачей эксперимента будет определение того, как минимизировать потерю слуха полностью, а не только во время конкретно взятой космической миссии.
У каждого десятого человека на Земле рано или поздно проявляется проблема камней в почках. Однако данный вопрос становится гораздо острее, когда речь заходит об астронавтах, потому как в условиях космоса кости организма начинают терять полезные вещества еще быстрее, чем на Земле. Внутрь организма выделяются соли (фосфат кальция), которые проникают через кровь и накапливаются в почках. Эти соли могут утрамбовываться и обретать форму камней. При этом размер этих камней может варьироваться от микроскопического до вполне себе серьезного — вплоть до размера с грецкий орех. Проблема заключается в том, что эти камни могут блокировать сосуды и другие потоки, которые питают орган или выводят из почек лишние вещества.
Для астронавтов риск развития почечных каменей опаснее тем, что в условия микрогравитации может снижаться объем крови внутри организма. Кроме того, многие астронавты не пьют по 2 литра жидкостей в день, которые, в свою очередь, могли бы обеспечить полную гидратацию их организма и не позволять камням застаиваться в почках, выводя их частички вместе с мочой.
Отмечается, что как минимум у 14 американских астронавтов развилась проблема с камнями в почках практически разу же после завершения их космических миссий. В 1982 году был зафиксирован случай острой боли у члена экипажа на борту советской станции «Салют-7». Космонавт в течение двух дней мучился от сильнейших болей, в то время как его товарищу ничего не оставалось, как беспомощно наблюдать за страданиями своего коллеги. Сначала все подумали на острый аппендицит, однако через время вместе с мочой у космонавта вышел небольшой почечный камень.
Ученые весьма долгое время разрабатывали специальную ультразвуковую машину размером с настольный компьютер, которая позволяет обнаруживать камни в почках и выводить их с помощью импульсов звуковых волн. Думается, на борту корабля, следующего к Марсу, такая штука могла бы определенно пригодиться.
Несмотря на то, что мы пока с точностью не знаем, какие негативные эффекты для здоровья может вызывать пыль с других планет или астероидов, ученым все же известны некоторые весьма неприятные последствия, которые могут проявляться в результате воздействия лунной пыли.
Самый серьезный эффект вдыхания пыли, вероятнее всего, отразится на легких. Однако невероятно острые частицы лунной пыли могут нанести серьезные повреждения не только легким, но и сердцу, заодно вызвав целый букет различных недугов, начиная от сильнейшего воспаления органов и заканчивая раком. Аналогичные эффекты может вызывать, например, асбест.
Острые частицы пыли могут нанести вред не только внутренним органам, но и вызывать воспаление и ссадины на коже. Для защиты необходимо использование специальных многослойных кевлароподобых материалов. Лунная пыль может с легкостью повредить роговицы глаз, что в свою очередь может оказаться наиболее серьезной экстренной ситуацией для человека в космосе.
Ученые с сожалением отмечают, что неспособны смоделировать лунный грунт и провести полный набор тестов, необходимых для определения воздействия лунной пыли на организм. Одна из сложностей в решении этой задачи заключается в том, что на Земле частицы пыли не находятся в вакууме и не подвергаются постоянному воздействию радиации. Лишь дополнительные исследования пыли непосредственно на поверхности самой Луны, а не в лаборатории, смогут обеспечить ученых необходимыми данными для разработки эффективных методов защиты от этих крошечных токсичных убийц.
Наша иммунная система меняется и отвечает на любые, даже самые малейшие изменения в нашем организме. Недостаток сна, недостаточный прием питательных веществ или даже обычный стресс — все это ослабляет нашу иммунную систему. Но это на Земле. Изменение же иммунной системы в космосе может в конечном итоге обернуться обычной простудой либо нести потенциальную опасность в развитии куда более серьезных заболеваний.
В космосе распределение иммунных клеток в организме изменяется не сильно. Куда большую угрозу для здоровья могут повлечь за собой изменения в функционировании этих клеток. Когда функционирование клетки снижается, уже подавленные вирусы, находящиеся в человеческом организме, могут заново пробудиться. И сделать это фактически скрытно, без проявления симптомов болезни. При повышении активности иммунных клеток иммунная система слишком остро реагирует на раздражители, вызывая аллергические реакции и другие побочные эффекты вроде сыпи на коже.
«Такие вещи, как радиация, микробы, стресс, микрогравитация, нарушение сна и даже изоляция — все они могут повлиять на изменение работы иммунной системы членов экипажа», — говорит иммунолог NASA Брайан Крушин.
«В рамках долгих космических миссий будет повышаться риск развития инфекций, гиперчувствительности, а также аутоиммунных проблем у астронавтов».
Для решения проблем с иммунной системой NASA планирует использовать новые методы антирадиационной защиты, новый подход к сбалансированному питанию и лекарствам.
Нынешнее очень необычное и весьма продолжительное отсутствие солнечной активности может способствовать опасным изменениям уровня радиации в космосе. Ничего подобного не происходило почти в течение последних 100 лет.
«Несмотря на то, что подобные события необязательно являются останавливающим фактором для долгих миссий к Луне, астероидам и даже к Марсу, галактическая космическая радиация сама по себе является тем фактором, который может ограничить запланированное время проведения этих миссий», — говорит Нэйтан Швадрон из Института земных, океанических и космических исследований.
Последствия такого рода воздействия могут быть самыми разными, начиная от лучевой болезни и заканчивая развитием рака или поражением внутренних органов. Кроме того, опасные уровни радиационного фона сокращают эффективность антирадиационной защиты космического корабля примерно на 20 процентов.
В рамках всего лишь одной миссии на Марс астронавт может подвергнуться 2/3 той безопасной дозы излучения, которой человек может подвергнуться в худшем случае в течение всей своей жизни. Это излучение может вызвать изменения в ДНК и увеличить риск развития рака.
«Если говорить о накопительной дозе, то это тоже самое, что проводить полное КТ-сканирование организма каждые 5-6 дней», — говорит ученый Кэри Цейтлин.
При симуляции состояния нахождения в космосе ученые обнаружили, что воздействие высокозаряженных частиц даже в малых дозах заставляет лабораторных крыс реагировать на окружение гораздо медленнее, и при этом грызуны становятся более раздражительными. Наблюдение за крысами также показало изменение в составе белка в их мозге.
Однако ученые спешат отметить, что не на всех крысах проявлялись одинаковые эффекты. Если это правило действительно и в случае с астронавтами, то, по мнению исследователей, они смогли бы определить биологический маркер, указывающий и предсказывающий скорое проявление этих эффектов у астронавтов. Возможно, этот маркер даже позволил бы найти способ снизить негативные последствия от воздействия радиации.
Более серьезную проблему представляет болезнь Альцгеймера.
«Воздействие уровня радиации, эквивалентного тому, которое придется испытать человеку во время полета на Марс, может способствовать развитию когнитивных проблем и ускорять изменения в работе мозга, которые чаще всего ассоциируют с болезнью Альцгеймера», — говорит невролог Керри О’Бэнион.
«Чем дольше находишься в космосе, тем больше риск развития заболевания».
Один из утешительных фактов заключается в том, что ученые уже успели исследовать один из самых неудачных сценариев воздействия излучения. Они за один раз подвергли лабораторных мышей такому уровню излучения, которое являлось бы характерным для всего времени в рамках миссии на Марс. В свою очередь, люди при полете на Марс будут подвергаться излучению дозированно, в течение трех лет полета. Ученые считают, что человеческий организм может адаптироваться к таким небольшим дозам.
Помимо этого, отмечается, что пластик и легковесные материалы могут обеспечить людям более эффективную защиту от излучения, по сравнению с используемым сейчас алюминием.
У некоторых астронавтов отмечается развитие серьезных проблем со зрением после пребывания в космосе. Чем дольше длится космическая миссия, тем вероятнее шанс подобных печальных последствий.
По крайней мере среди 300 американских астронавтов, проходивших медицинскую проверку с 1989 года, проблемы со зрением наблюдались у 29 процентов людей, находившихся в космосе в течение двухнедельных космических миссий, и у 60 процентов людей, которые в течение нескольких месяцев работали на борту Международной космической станции.
Врачи из Техасского университета провели сканирование мозга у 27 астронавтов, проведших в космосе более месяца. У 25 процентов из них наблюдалось уменьшение объема передне-задней оси одного или сразу двух глазных яблок. Такое изменение приводит к дальнозоркости зрения. Опять же отмечалось, чем дольше человек находится в космосе, тем вероятнее данное изменение.
Ученые считают, что объясняться этот негативный эффект может подъемом жидкости к голове в условиях мигрогравитации. В данном случае в черепной коробке начинает накапливаться цереброспинальная жидкость, повышается внутричерепное давление. Просачиваться сквозь кость жидкость не может, поэтому начинает создавать давление на внутреннюю часть глаз. Исследователи пока не уверены, будет ли уменьшаться данный эффект у астронавтов, прибывающих в космосе более шести месяцев. Однако вполне очевидно, что выяснить это будет нужно до того момента, как засылать людей на Марс.
Если проблема вызвана исключительно внутричерепным давлением, то одним из возможных вариантов ее решения будет создание условий искусственной гравитации, каждый день по восемь часов, во время сна астронавтов. Однако говорить о том, поможет ли данный метод или нет — пока рано.
«Эта проблема требует решения, потому что в противном случае она может оказаться главной причиной невозможности длительных космических путешествий», — говорит ученый Марк Шелхамер.
