Исследовательская работа «Космические исследования с помощью растений и животных»

12 апреля 1961 года в 9 часов 06 минут 59,7 секунд впервые в истории человечества был осуществлён запуск человека в Космос. Полёт в околоземном космическом пространстве продлился 108 минут. Человек этот был Юрий Алексеевич Гагарин.

Полёт Гагарина позволил сделать вывод, что человек может переносить невесомость, сохраняя при этом свою жизнь и работоспособность. Именно с этого момента началось практическое покорение космоса. За первым полётом последовали остальные.

Учёные начали разработку требований и рекомендаций при отборе кандидатов для предстоящих полетов в космос. Сначала мало было известно о том, каким основным требованиям должны удовлетворять кандидаты в космонавты, но сразу же было ясно, что необходимо крепкое здоровье и повышенная переносимость физических и психических нагрузок, а также соответствующая общая и техническая подготовка.

Цель моего проекта - найти и изучить доступную информацию о первых полетах в космос. Узнать, какие животные и растения использовались в экспериментах по освоению космоса. Самостоятельно провести опыты над нашими домашними собаками и опыт с растением фасолью, и потом сделать соответствующие выводы.

1. КОСМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ КАК НАУКА.

1.1. Задачи космической медицины.

Космическая биология — комплексная наука, изучающая особенности жизнедеятельности человека и других организмов в условиях космического полета. Частью космической биологии является космическая медицина.

Космическая медицина имеет дело с абсолютно здоровыми пациентами. Исследования в ней ведутся в двух направлениях.

Первое направление – в лабораториях моделируются отдельные моменты космического полета. Выясняются их влияния на организм. Производится отбор и тренировка космонавтов. Медики имеют самое непосредственное отношение к созданию комфортабельной кабины с необходимым микроклиматом в ней, к пошиву космических костюмов, к космической кулинарии и к другим не совсем медицинским делам.

Второе направление исследований — наблюдение вначале за подопытными животными, а потом и за людьми во время их полетов. Находясь на Земле, врачи постоянно следят за состоянием космонавта.

Электрокардиограмма, пульс, артериальное давление, частота дыхания — все эти сведения непрерывно поступают на Землю и информируют о состоянии пилота. Космические медики отличаются от обычных врачей прежде всего своей тысячекилометровой удаленностью от пациента.

Различные факторы действуют на человека на разных этапах полета.

Подъем — перегрузка. Врачи должны выбрать лучшую позу для пилота.

Высота 15 тысяч метров, давление 07 миллиметров ртутного столба — дыхание невозможно, даже если будет чистый кислород.

19 тысяч метров – в организме закипают жидкости, барометрическое давление становится равным давлению водяных паров в организме.

24 тысячи метров и выше — для поддержания давления нужны герметические кабины для восстановления состава воздуха.

36—40 тысяч метров — начинает проявляться поражающее действие космических лучей. Еще выше — добавляется действие ультрафиолетовых лучей.

100 тысяч метров — опасность метеоритов. Еще выше — полная тишина. Не распространяются звуковые волны. Исчезает рассеивание света. Очень темно! Абсолютная чернота!

Пропадает ощущение глубины пространства. Необычные восприятия со стороны органов чувств требуют защиты психики космонавта.

Состояние невесомости отражается на кровообращении, дыхании, пищеварении, влияет на координацию движений и требует своей доли заботы со стороны космических медиков. У космонавтов обнаружено уменьшение числа кровяных шариков – эритроцитов. Снижение числа эритроцитов не очень велико и не представляет, по-видимому, опасности для человека. Но если с увеличением длительности полетов обнаружится возрастание потери эритроцитов, это может оказаться ограничением для более длительных полетов.

Другим процессом является повышенное выделение некоторых солей, например кальция, из организма космонавтов. Избыточное выделение кальция через систему органов выделения может вызвать образование камней. Кроме того, кальций нужен для построения костной ткани, для нормального течения процессов возбуждения в нервной ткани и т. д.

Космическая медицина занимается не только профилактикой сохранения здоровья человека, но и обеспечением человека всем необходимым на случай возникновения каких-либо заболеваний.

В космическую медицину входят почти все медицинские и биологические науки. Она самая молодая, но очень обширная.

Будущее — за космической медициной, медициной здоровых людей. Ведь сплошь здоровые люди — это тоже космическое достижение!

1.2. Вклад различных учёных в развитие космической биологии.

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 Ю.А. Гагариным.

Первые работы в области, близкой к космической медицине, велись сотрудниками научно-исследовательского санитарного института РККА, которым в то время руководил Владимир Владимирович Стрельцов.

Исследования В. В. Стрельцова и других учёных помогли разработать защиту от кислородного голодания с помощью дополнительного кислородного обеспечения.

П. Е. Колмыков, Г. А. Арутюнов, С. С. Холин, И. Я. Борщевский занимались изучением гигиены одежды пилотов, усовершенствования питания и средств защиты от неблагоприятных факторов среды.

В 1949 году по инициативе С. П. Королёва Научно-исследовательский испытательный институт авиационной медицины (НИИИАМ) начал произведение биологических и медицинских исследований.

В 1956 году руководство института создало специальный отдел численностью в 20 человек для исследований и разработки медицинского обеспечения полётов в верхние слои атмосферы. Начальником этого отдела стал В. И. Яздовский. Темп работы над исследованиями увеличился.

3 ноября 1957 года был осуществлён запуск второго искусственного спутника с собакой по кличке Лайка. Успешное проведение запуска доказало на практике безопасность длительного нахождения животного в невесомости.

Вскоре после проведения исследований жизнедеятельности животных в условиях верхних слоёв атмосферы, начало изучаться и состояние организма человека сначала во время полётов на стратостате, а после полёта Гагарина – в условиях космоса.

Основное внимание уделялось изучению влияния на организм невесомости и космического излучения.

В космическом полете на организм человека воздействуют вибрация, шум, невесомость, а также факторы космического пространства как среды обитания (космическое излучение, ультрафиолетовое излучение и др.).

Потребовалось немного времени, чтобы понять, что на одних медикаментах далеко не улетишь. Уже к 1970 году было создано своего рода Министерство здравоохранения в миниатюре.

К 1975 году была фактически создана космическая больница, оснащенная средствами, достаточными для оказания любой медицинской (в том числе, специализированных видов) помощи.

2. Животные в космосе

2.1. Биологические эксперименты до полёта человека в космос

Задолго до того, как в космос поднялся первый человек, ученые начали исследовать влияние полетов на собак. Запуски ракет с собаками начались в СССР в 1949 году.

Первая серия исследований включала подъем животных в герметичес-кой кабине на высоту 100 км. Невесомость в таких полетах длилась 5 мин.

Вторая серия предусматривала подъем животных в специальных скафандрах с последующим катапультирование. В этих исследованиях участвовали 20 собак, причем 6 из них летали по два раза.

Уже первые опыты показали, что с наступлением невесомости собаки теряются, не понимают, где верх, где низ, проявляют беспокойство, но потом приходят в себя. Чтобы исследовать ощущения животных в условиях отсутствия силы тяжести и потери равновесия, у собак разрушали внутреннее ухо (вестибулярный аппарат). После этого функцию органов ориентации начали выполнять глаза, и животные приспосабливались к условиям полета.

Первыми испытателями были обычные дворняжки, они выносливей. Собак подыскивали на улице, причем брали в космический отряд не всех, а с весом не более 6 килограммов и не выше 35 сантиметров. Особое пожелание "киношников" - белый окрас, лучше смотрятся в кадре. А в США дорогу в космос прокладывали обезьяны. Однако наши ученые больше доверяли собакам.

Для собак шили индивидуальные скафандры, проектировали кабины для полета, их испытывали в барокамере. Ученые понимали опасность экспериментов, пэотому и к испытателям относились трепетно.

Первым космонавтом, отправившимся в многодневное космическое путешествие, стала знаменитая Лайка (приложение 1, фото 1). Учёные отобрали бело-чёрную маленькую собачку, крепкую, бойкую, жизнерадостную. Её стали готовить к старту, тренировать, приучали носить жилет с датчиками. Собаку запирали в ящик и вращали в центрифуге, затем помещали в другой ящик, который всё время дёргался, дрожал и грохотал. Внутри было очень тесно, жилетку пристёгивали ремнями к стенкам, но Лайка постепенно привыкла к «ящикам» и проявляла равнодушие к превратностям своей судьбы. Необычной была еда – небольшая порция мутного студня с маленькими кусочками мяса и колбасы, появлявшегося в ящике, крышка которого отодвигалась сама собой.

Впервые на орбите – живое существо собака Лайка.

Мягкая подстилка, автоматическая подача еды. Места мало, собака могла только лежать. На землю Лайка не вернулась, погибла от перегрева. Ей поставлен памятник в Москве на территории Института военной медицины Минобороны РФ.

Первый удачный полет животных состоялся 19 августа 1960 года. В корабле рядом с приборами располагался маленький ящик, в котором находились две собачки – Белка и Стрелка (приложение 1, фото 2,3). В отличие от Лайки им повезло, собаки вернулись на Землю.

Капсула, в которой приземлились Белка и Стрелка.

2.2. Эксперименты с животными после полёта человека в космос

Позднее в космос отправлялись кошки, мыши, кролики, рыбы, земноводные, пресмыкающиеся.

Наблюдая за поведением собак и мышей, изучалась работа их нервной, эндокринной и сердечно-сосудистой систем, печени и других органов.

Астрокошки в симуляторах. Основным кандидатом был Феликс (стоит на заднем плане), но в космос полетела Фелисетт (крайняя слева) (фото из архивов НАСА).

В космос летали обезьяны (приложение 2, фото 3,4). Первым космонавтом-приматом считают шимпанзе Хэма, летавшего в 1961 году.

Единственный длинноухий астронавт – кролик Марфуша, летавшая в компании собак Отважной и Снежинки. Крольчиха была «на сносях»: таким образом ученые исследовали, как невесомость влияет на потомство.

Рыбы.

Эксперименты с ними проводили в СССР еще в 60-е годы, используя меченосцев, рыб-ежей и прочих. Широкую известность получил американский полет с рыбами-жабами, на которых проверяли воздействие невесомости на нервную систему. Этот вид выбрали потому, что структура его слухового аппарата аналогична человеческому.

Вместе с Белкой и Стрелкой в полет отправились две крысы и 40 мышей. В Космосе побывали тысячи грызунов, но история их имена не сохранила.

На среднеазиатских черепахах исследовали влияние перегрузок на организм. Они способны обходиться без пищи до двух недель, комфортно существовать в разреженном воздухе, впадать в летаргический сон. В полете пресмыкающихся полностью обездвижили в специальных клетках.

Испытания прошли успешно, но у некоторых особей вылезли из орбит глаза.

Отправляли в космос двух лягушек-быков.

В этом эксперименте основное внимание было сосредоточено на том, как формируется вестибулярный аппарат у

личинок амфибий.

На борт космической станции доставили двух пауков-крестовиков – Арабеллу и Аниту. Пауки слегка растерялись в невесомости и первые сети сплели с неровными ячейками. Но вскоре освоились и ткали кружева как на Земле. Первая паутина сплетенная Арабеллой

3. Растения в космосе

3.1. Космическая теплица для растений

В лаборатории биологических систем жизнеобеспечения Института медико-биологических проблем разработали космическую тепличку – «Ладу» (приложение 3, фото 7), рассчитанную на 60 Вт, похожую на микроволновку. Она снабженной двумя мини-компьютерами, блоками выращивания, емкостей для воды.

Первым на борту МКС зацвел зеленый японский салат Мизуна. Растение было выбрано за неприхотливость, быстроту роста, вкусовые качества, большое содержание витаминов. На борту станции "Мир" в оранжерее "Свет", например, длительное время росла пшеница. Были планы продолжить опыты на других злаковых. Космонавты даже шутили, что скоро будут печь хлеб в космосе…

Возникает вопрос: а зачем вообще все это нужно? Люди без растений долго не протянут. Это и пища, и мощный психологический фактор. Если среди металла на борту станции теплится маленький зеленый кустик, космонавт не так тоскует по дому. Кроме того, это тест на состояние окружающей среды: известно, что растения более ранимы к внешним факторам, чем животные. На станции "Мир" пшеница долго плохо росла. Причина выяснилась случайно: на станции появились установки по сжиганию метана, а заодно с ним снизилось содержание в воздухе этилена, - растение вдруг вовсю заколосилось. Космонавты не чувствовали повышенного содержания этих веществ, а вот пшеница хворала".

В космосе человек и растения становятся более привязанными друг к другу.

3.2. Выращивание растений в космосе

Главные требования к растениям-претендентам на космический полет - компактность и неприхотливость. Расти придется при скудном освещении и поливе, вода в космосе на строгом учете. На Международной Космической Станции получены ростки третьего поколения гороха, выращенного в орбитальных условиях.

Всего было шесть растений, на каждом - по три стручка. Немного, но вполне достаточно для того, чтобы доказать - в космических условиях растения не становятся мутантами.

С участием космонавтов В. Ремека и А. А. Губарева был осуществлен эксперимент «Хлорелла-1». В этом опыте изучалось размножение этих одноклеточных водорослей в условиях космического полета, которое сравнивалось с параллельным модельным опытом по размножению хлореллы (приложение 3, фото 8) в контрольном наземном эксперименте.

4. Экспериментальная часть

4.1. Могут ли наши домашние животные стать космонавтами?

Нам стало интересно – а смогут ли наши домашние собаки претендовать на то, чтобы отправиться в космос. В эксперименте участвовали две собаки: дворняжка Босс и тойтерьер по кличке Бони. Для изучения их умственных способностей мы взяли тесты профессора Канадского университета, доктора Стенли Корена. Он составлял свои задания для собак.

При проведении тестов должны соблюдаться следующие условия: Возраст тестируемой собаки должен быть больше года, причем у вас она должна жить не менее трех последних месяцев. Тесты проводятся в форме игры. Никакого повышения голоса, никакого недовольства — все должно выполняться спокойно и доброжелательно. Тест выполняется только один раз. Последовательность выполнения заданий не имеет значения.

Описание подопытных животных:

Дворняжка Босс. Кобель, возраст 3 года. Окрас песочно-коричневый. Рост 32 см. Вес 5 кг 500 г.

Той-терьер Бони. Возраст 4 года, самка. Рост 24 см. Вес 2,8кг.

Фото: дворняга Босс; той-терьер Бони

Условия экспериментов: Мы изучали наших животных днём, когда они были сытыми и отдохнувшими.

Для опытов нам понадобились: кусок трубы диаметром 20 см и длиной 1 метр, лакомство (кусочки мяса), большое полотенце, тряпка.

Опыты и их результаты.

Опыт 1. "УМЕНИЕ РЕШАТЬ ПРОБЛЕМЫ". Кладём трубу диаметром 10 см и длиной 1 метр на пол для образования узкого туннеля. На одном конце этого туннеля кладем лакомство, к другому подсаживаем поочерёдно, в разное время наших собак.

Животное видит лакомство, но туннель узок, по нему не пройти, засекаем время, которое понадобится каждой собаке, чтобы обойти туннель и взять лакомство.

Собака Босс справилась с заданием за 5 секунд, собака Бони – за 6 секунд.

Опыт 2. "ОБУЧАЕМОСТЬ". Мы тренировались произносить слова "космос" и "планета" тоном, которым подзываем наших животных по имени. Порядок проведения теста: Мы выбрали момент, когда собака спокойно сидит метрах в 2-х от нас. Ласковым тоном, которым мы обычно подзываем питомца по имени, произносим слово "космос" и таким же тоном слово «планета».

Собака Босс не сдвинулась с места. А когда после этого мы позвали её все-таки по имени – она радостно подбежала.

Собака Бони внимательно смотрела на хозяйку, виляла хвостом при произношении обоих слов, подбежала сразу же.

Опыт 3. "КРАТКОВРЕМЕННАЯ ПАМЯТЬ". На глазах у наших собак мы положили в один из углов комнаты лакомство. Потом питомцев мы выносили из комнаты на несколько минут, затем возвращали и наблюдали, как быстро они находят лакомство. Босс и Бони нашли и съели кусочки мяса одинаково быстро. Им понадобилось менее 5 секунд. За что каждая получила по 5 очков.

Опыт 4. «Изобретательность и упорство». Реквизит: тряпка, кусок лакомства, секундомер.

Усадили собаку; показали вкусный кусочек, дали его понюхать; положили лакомство на пол на расстоянии полутора-двух метров и накрыли его тряпкой; засекли время, которое потребовалось собаке, чтобы заполучить вкуснятинку. Подсчет результатов: Боссу потребовалось 15 секунд, он заработал 5 очков. Бони сбросила тряпку не так быстро (22 секунды), за этот эксперимент ей 4 очка.

Опыт 5. «Понимание новых команд». Босс – обучаемость высокая, понимание команд за 5-8 повторений (95%). 5 очков.

Бони – обучаемость средняя, понимание команд за 20-25 повторений (50%). 4 очка.

Опыт 6. «Определение быстроты достижения цели». Реквизит: лакомство, секундомер, непрозрачная банка.

Усадили собаку, попросили помощника ее удерживать; дали понюхать собаке вкусняшку; положили лакомство в полутора-двух метрах от собаки на пол и накрыли банкой; собака видела ваши действия. Отпустили собаку и засекли время, которое ей потребовалось, чтобы добраться до спрятанного под банкой лакомства.

Босс – 5 секунд, оценка 5 баллов. Бони – 7 секунд, оценка 4 балла.

По мнению Стенли Корена, сумму баллов следует оценивать так:

• От 25 баллов и выше. Вам достался исключительно умный и сообразительный пес, который с легкостью освоит команды самой высокой сложности. Более того — он будет не просто послушным исполнителем, но и вполне способным к принятию самостоятельных решений. С такой собакой надо больше и чаще заниматься, иначе ей станет скучно. А когда собака скучает — она проказничает. Имейте в виду, что для собаки такого интеллекта зачастую не требуется даже лакомства при освоении команд — похвала хозяина и радость от занятий собака ценит превыше всего.

• От 15 до 24 баллов. Ваша собака очень умна. С такой умницей вам не придется долго осваивать команды. Правда, для закрепления усвоенного потребуется десять или более повторений.

Таблица

опытов, проведенных с домашними собаками

Выводы: По итогам нашего эксперимента мы выяснили, что собака Босс заработала 25 очков, а собака Бони - всего 22 очка.

Босс мог бы претендовать на место в отряде собак-космонавтов. Он подходит по внешним характеристикам (весит меньше 6 кг, его рост в холке – меньше 35 см). Но Босс – самец, а предпочтение отдается собакам-самкам.

4.2. Эксперимент с фасолью

На Земле стебли растений растут, подчиняясь силе тяжести, они тянутся вертикально вверх. Их космические собратья развиваются в невесомости, и направление их роста определяется только освещением.

В эксперименте с фасолью я решила наглядно показать, как это происходит. Взяв семена фасоли, завернула их в мокрую марлю и поместила в стеклянную мензурку(1), при этом я периодически меняла положение мензурки. Через несколько дней семена набухли и вскоре проклюнулись(2), я высадила их в грунт(3). Баночки с посаженными семенами я тоже переворачивала. Позже фасоль проросла(4).

Стеклянная мензурка, семена 2. Проклюнувшиеся семена

фасоли фасоли

В ысаживание в грунт 4. Прорастание в баночке

В итоге растение росло и изгибалось во все стороны. Благодаря этой способности растения в космосе могут принести урожая больше, чем на земле, вследствие компактности и отсутствия силы тяжести земли.

Литература

Береговой Г. Т., Завалова И. Д., Ломов Б. Ф., Пономаренко В. А. Экспериментально-психологические исследования в авиации и космонавтике. М., 1978

Газенко О.Г., Ильин Е.А., Парфенов Г.П. Космическая биология. – Изв. АН СССР. 1974, 4.

Газенко О.Г., Пестов И.Д., Макаров В.И. Человечество и космос. – М., Наука, 1987.

Голованов Ярослав Кириллович Лайка // Космонавт №1 — М.: Известия, 1986. — С. 152—160

Космическая медицина и биология. М., Знание, 1978. Серия «Космонавтика, астрономия».

Лебедев В. И. Личность в экстремальных условиях. — М., Политиздат, 1989

Мир космоса. Человек, Земля, Вселенная. – Смоленск: Русич, 2001.

Невесомость. Медико-биологические исследования / Редкол. В. П. Парин, О. Г. Газенко, Е. М. Юганов и др. — М.: Медицина, 1974

Реброва Л.В. Живые организмы в космосе. М., Просвещение, 1989.

Справочник по космической биологии и медицине. Под ред. Бурназяна А.И., Газенко О.Г. - М., Медицина, 1989.

Приложение 1

Фото 1. Собака Лайка.

Фото 2,3. После смерти Белки и Стрелки из них сделали чучела, которые выставили в Музее космонавтики на ВДНХ

Приложение 2

Фото 5. «Американский астронавт» - макака-резус Эйбл в герметичной капсуле

Фото 6. Советская космонавтка Дрема на послеполетном обследовании (1987г.)

Приложение 3

Фото 7. Космическая теплица «Лада»

Фото 8. Водоросль хлорелла.