Влияние условий невесомости на живые организмы

Индивидуальный проект

Влияние условий невесомости на живые организмы

Автор проекта: Шевелева И. А.,

студент гр. № ТП18-1

Руководитель: Литвиненко И.В.,

преподаватель физики

г. Калининград, 2019г.

Методический паспорт индивидуального проекта

Содержание

Введение

Полеты в космос по праву относятся к величайшим завоеваниям человечества. Они начаты учеными, техниками и рабочими нашего государства. Среди задач, вставших перед проблемами космоплавания, имеются вопросы из области биологии и генетики. Не преувеличивая, можно сказать, что от решения вопросов биологии и генетики зависит проникновение человека во Вселенную.

Основоположнику космонавтики Константину Эдуардовичу Циолковскому было ясно, что кроме технических задач, связанных с осуществлением мечты человека о полетах к другим мирам, необходимо решить целый ряд как медицинских, так и биологических проблем. Человек в космическом полете сталкивается с влиянием факторов, не типичных для условий Земли, таких, как перегрузки, вибрация, космическая радиация, электростатические и электромагнитные поля. Кроме того, на космическом корабле ему приходится жить и работать в условиях невесомости, т. е. в условиях, качественно отличных от тех, что имеются на Земле.

Тема проекта: «Влияние условий невесомости на живые организмы»

Актуальность исследовательской работы: важно узнать, как невесомость влияет на организм человека. Условия, при котором тело находиться в состоянии невесомости, с какими факторами сталкивается человек.

Объект исследования: невесомость

Предмет исследования: влияние невесомости на живые организмы.

Цель: необходимо выяснить, как влияют факторы космического полета на живой организм, на все его системы.

Задачи:

1. Изучить литературные и электронные источники по данной теме;

2. Условия невесомости;

3. Влияние невесомости на живой организм.

4. Провести анкетирование студентов.

Методы исследования: аналитический метод.

Глава I. Теоретическая часть исследования по теме: «Влияние условий невесомости на живые организмы»

1. Невесомость.

Невесомость - состояние, при котором отсутствует вес, т. е. сила, с которой тело под влиянием тяготения давит на опору и испытывает со стороны этой опоры ответное противодавление; вызывает ряд изменений в биологических объектах.

1.1 Виды невесомости

Существует статическая и динамическая невесомость.

Статическая невесомость – потеря веса, которая возникает на большом расстоянии от небесных тел из – за ослабления притяжения.

Динамическая невесомость – состояние, в котором находится человек во время полета по орбите.

1.2 Условия, при котором тело находится в состоянии невесомости

Тело под действием внешних сил будет в состоянии невесомости, если:

действующие на тело силы являются только массовыми (силы тяготения);

поле этих массовых сил локально однородно;

начальные скорости всех частиц тела по модулю и направлению одинаковы.

Любое тело находится в состоянии невесомости, если на него действуют только силы тяготения. И примером будет служить- тело, находящиеся в космическом корабле.

2. Воздействие невесомости на организм.

При переходе из условий наличия веса тела у поверхности Земли к условиям невесомости (в первую очередь — при выходе космического корабля на орбиту), у большинства космонавтов наблюдается реакция организма, называемая синдромом космической адаптации.

При длительном (более недели) пребывании человека в космосе отсутствие веса тела начинает вызывать в организме определённые вредные изменения.

Первое и самое очевидное последствие невесомости — стремительное атрофирование мышц: мускулатура фактически выключается из деятельности человека, в результате падают все физические характеристики организма. Кроме того, следствием резкого уменьшения активности мышечных тканей является сокращение потребления организмом кислорода, и из-за возникающего избытка гемоглобина может понизиться деятельность костного мозга, синтезирующего его (гемоглобин).

Также есть основания полагать, что ограничение подвижности нарушит фосфорный обмен в костях, что приведёт к снижению их прочности.

Существует метаморфоза, которая происходит с организмом ввиду невесомости - это увеличивающийся рост. Позвоночник вытягивается почти на 5 см.

Из этого следует, что при полете в вестибулярном аппарате происходит расстройство деятельности и иллюзии неправильного положения тела; в сердечно-сосудистой системе- снижение работоспособности; кровеносной системе- прилив крови к голове, уменьшение объема циркулирующей крови, обезвоживание; опорно-двигательном аппарате- атрофия некоторых групп мышц, расстройство систем, координирующих движения в условиях гравитации, потеря кальция костной ткани.

«В космосе я работал: надо было записывать показания приборов, отвечать Земле и слушать её, надо было отстукивать ключом, а кроме того следить за своими вещами. Я находился в состоянии невесомости. Мой планшет и карандаш того и гляди могли уплыть куда-нибудь… Да что планшет! Ноги я поднял и без всякого напряжения отпустил. Отпустил, а они висят. Проделал то же с руками и руки висят…». Ю. А. Гагарин был в космосе всего 108 минут и не успел за это время понять опасность этого явления и проблемы, связанные с ним. Сегодня космонавты, работающие длительное время, приспособили рабочее место для удобства перемещения.

3. Пути решения проблем, связанных с невесомостью.

Для того, чтобы легче перенести эти ощущения в космосе, на земле существуют специальные тренажеры, имитирующие невесомость. С их помощью космонавты учатся правильной координации движений. Также космонавты много времени проводят в барокамере, в которой создается давление большее или меньшее, чем атмосферное.

Некоторые космонавты называют момент возвращения на Землю "вторым рождением": после посадки им нужно время, чтобы привыкнуть к хождению по твердой поверхности и восстановиться физически. Одним для этого нужны часы, другим - сутки.

4. Основные космические факторы биологического воздействия.

В космическом полете на организм человека могут влиять три основные группы факторов:

1-я группа - крайне низкие степени барометрического давления, космическое излучение, метеорная опасность, температура, отсутствие атмосферы;

2-я группа - шум, вибрация, ускорение, невесомость;

3-я группа - длительная изоляция, микроклимат кабины, психологическая совместимость членов экипажа, изменение суточной периодики.

5. Животные в космосе.

Изучение космоса с помощью животных дало большой прорыв. Российские ученые выяснили, что невесомость влияет на гены живых организмов.

5.1 Медузы в космосе

Возвращение из космоса выбивает из калии не только человека, но и всех остальных существ, а в частности и медуз. НАСА произвело отправку в космос медуз, поместив их на борт воздушного шаттла. Наблюдая за поведением и развитием этих простых организмов, они многое смогли узнать о длительном воздействии невесомости. У медуз нет ног, так как их среда обитания океан, но как и люди они чувствительны к гравитации. У Медуз имеются гравиорецепторы — мельчайшие кристаллы сульфата кальция, находящиеся в кармашках, окруженных очень чувствительными волосковыми клетками. При изменении направления движения эти кристаллики перемещаются на дно мешочков, извещая волосковые клетки о нахождение верха, тем самым отвечая на гравитацию.

Не только медуз выращивали в космосе, но и много других животных, например рыбы оказавшись в космосе меняли траекторию движения, двигаясь петлями вместо обычной прямой траектории.

5.2 Обезьяны в космосе

До полётов людей в космос, в целях изучения биологического воздействия орбитальных и суборбитальных полётов на живой организм, в космос запускали животных, в том числе наиболее близких человеку по физиологии обезьян. До первого полёта человека в космос, полёты животных имели своей целью проверить, могут ли будущие космонавты выжить после полёта, и если да, то как полёт может сказаться на их здоровье. В эпоху пилотируемой космонавтики животных посылали в космос для изучения различного рода биологических процессов, эффектов микрогравитации и в других научно-исследовательских целях.

Наиболее близкие к человеку по физиологии обезьяны многократно запускались в суборбитальные и орбитальные полёты как до, так и после первого полёта в космос человека. США запускали обезьяну в космос первоначально между 1948—1961 и по одному полёту в 1969 и в 1985 годах. В суборбитальные полёты запускали обезьян Франция в 1967 году, Аргентина в 1969—1970 годах, Иран с 2011 года. Советский Союз и Россия запускали обезьян между 1983 и 1996 годами. Всего в космос летали 32 обезьяны; у каждой было только по одной миссии. Были использованы обезьяны из нескольких видов, в том числе макаки-резусы (большинство), макаки-крабоеды и обыкновенные беличьи обезьяны, а также свинохвостые макаки. В рамках программы «Меркурий» в США летали шимпанзе Хэм и Энос.

На раннем этапе смертность среди подопытных обезьян была очень высокой: более половины животных, участвовавших в запусках США в 1940-е — 1950-е, погибли во время миссий или вскоре после них. Впоследствии безопасность полётов значительно выросла: обезьяны, запускавшиеся СССР и США в 1980-е и позднее, как правило, оставались целы.

Рисунок 5.1- Макак-резус Сэм, побывавший в космосе на корабле Little Joe 2

5.3 Собаки в космосе

Серия биологических экспериментов с собаками включала проведение исследований по возможности полётов живых существ на геофизических и космических ракетах, наблюдение за поведением высокоорганизованных животных в условиях таких полётов, а также изучение сложных явлений в околоземном пространстве.

Учёными были проведены исследования воздействия на животных большинства факторов физического и космического характера: изменённой силы тяжести, вибрации и перегрузок, звуковых и шумовых раздражителей различной интенсивности, воздействия космического излучения, гипокинезии и гиподинамии. При проведении таких экспериментов в СССР дополнительно производились испытания систем аварийного спасения головных частей ракет с пассажирами.

Подавляющее большинство исследований с собаками было проведено в Советском Союзе в 50-х и 60-х годах XX века. Тогда же, в 60-х годах, несколько запусков ракет с собаками в верхние слои атмосферы осуществлялись в КНР.

Рисунок 5.2- Почтовая марка СССР. 1966. Уголёк и Ветерок в космосе

6. Влияние невесомости на растения.

Растения хорошо подходят для изучения экологической напряженности. Поскольку они торчат в одном месте — биологи называют такие организмы сессильными, — растениям приходится с умом подходить ко всему, что окружающая среда им преподносит.

Людям было интересно, как растения реагируют на космический полет, ровно с того момента, как у нас появилась возможность туда отправиться.

Космический полет требует специальных камер для роста, специальных инструментов для наблюдения и сбора образцов и, конечно, специальных людей, которые позаботятся о проведении эксперимента на орбите.

Типичный эксперимент начинается на Земле в лаборатории с высадки спящих семян арабидопсиса в чашках Петри с питательным гелем. Этот гель (в отличие от почвы) держится на месте в невесомости и предоставляет растению необходимую воду и питательные вещества. Эти растения затем оборачиваются темной тканью, доставляются в космический центр Кеннеди и загружаются в капсулу Dragon на вершине ракеты Falcon 9, которая летит на МКС.

После стыковки астронавт загружает чашки в оборудование для выращивания растений. Свет стимулирует семена раскрыться, камеры постоянно записывают процесс всхода ростков, и в конце эксперимента астронавт собирает 12-дневные растения и сохраняет их в консервационных тубах.

По возвращении на Землю мы можем сколько угодно экспериментировать с сохраненными образцами, изучать их уникальные процессы метаболизма, которые протекали на орбите.

Собирая плоды, одно из первых, что обнаружили, так это то, что некоторые стратегии роста корней, которые, как мы полагали, требуют гравитацию, не требуют ее вообще. В поиске воды и питательных веществ растения отращивают корни, отправляя их в места поблизости. На Земле гравитация является важным «указателем» направления роста, но растения также используют прикосновения (представьте кончик корня как чувствительный палец) для навигации вокруг препятствий.

В 1880 году Чарльз Дарвин показал, что когда вы выращиваете растения вдоль наклонной поверхности, корни растут из семян не прямо, а скорее отклоняются в одну сторону. Эта стратегия роста называется «перекосом». Дарвин предположил, что причина тому — сочетание гравитации и касания корней — и 130 лет все остальные тоже так считали. Но корни выросли с перекосом и без гравитации. В 2010 году мы увидели, что корни растений, выращенных на МКС, преодолели весь путь по поверхности чашки Петри с идеальным перекосом корней — без какой-либо гравитации. Это было сюрпризом. Очевидно, не гравитация стоит за паттерном роста корней.

У растений на МКС есть второй потенциальный источник информации, от которого они могли отталкиваться: свет. Мы предположили, в отсутствие силы тяжести, которая могла бы указать корням расти в направлении «прочь» от листьев, свет играет большую роль в ориентации корней.

Выяснилось, что да, свет очень важен, но не только свет — должен быть градиент интенсивности света, тогда он будет выступать в качестве ценного руководства. Представьте его как хороший запах: вы можете с закрытыми глазами найти на кухне источник запаха, если духовка с печеньем только открылась, но если весь дом будет в равной степени утоплен в аромате шоколадного печенья, вы вряд ли его найдете.

Рисунок 6.1- Растения в космосе

Выводы по теоретической части исследования.

Невесомость бывает двух видов: статическая и динамическая;

невесомость может быть использована для осуществления некоторых технологических процессов, которые трудно или невозможно реализовать в земных условиях. В невесомости могут находиться живые организмы.

Глава II. Практическая часть исследования по теме: «Влияние условий невесомости на живые организмы»

1. Исследование.

Узнав, что такое невесомость и как она возникает, я решила выяснить, что знают о невесомости окружающие. Я провела опрос.

На вопрос, «что такое невесомость», ни один опрашиваемый не дал точного ответа. 6 человека (11%) были близки к правильному ответу, 23 человек (42%) ответили неправильно. Из 56 человек 10 человек (23%) считают, что невесомость можно наблюдать в домашних условиях. 8 человек (19%) испытывали состояние невесомости, но аргументировали свой ответ только 5 человека: «прыгала на батуте», «плавал».

Выводы по практической части исследования. Из проведенного исследования стало ясно, что невесомость возникает тогда, когда тело свободно падает вместе с опорой, т.е. ускорение тела и опоры равно ускорению свободного падения. Провели анкетирование студентов. Выяснили, что тема невесомости мало известна студентам. Некоторые студенты знают, что невесомость можно наблюдать в домашних условиях и даже испытывали состояние невесомости.

Заключение

В процессе выполнения данной работы мы изучили литературные и электронные источники по данной теме. Узнали условия невесомости; влияние невесомости на живой организм.

Из проведенного исследования стало ясно, что невесомость возникает тогда, когда тело свободно падает вместе с опорой, т.е. ускорение тела и опоры равно ускорению свободного падения;

невесомость бывает двух видов: статическая и динамическая;

невесомость может быть использована для осуществления некоторых технологических процессов, которые трудно или невозможно реализовать в земных условиях. В невесомости могут находиться живые организмы.

Провели анкетирование студентов. Выяснили, что тема невесомости мало известна студентам. Некоторые студенты знают, что невесомость можно наблюдать в домашних условиях и даже испытывали состояние невесомости.


Список использованных источников и литературы

Научная Россия [Электронный ресурс]:- Режим доступа: https://scientificrussia.ru/articles/rossijskie-uchenye-vyyasnili-chto-nevesomost-vliyaet-na-geny-zhivyh-organizmov . (Дата обращения 23.12.18)

РОСКОСМОС [Электронный ресурс]:- Режим доступа: http://www.gctc.ru/main.php?id=940 . (Дата обращения 22.01.2019)

Риа новости [Электронный ресурс]:- Режим доступа: https://ria.ru/20110413/364036390.html . (Дата обращения 22.01.2019)

BBC Russia [Электронный ресурс]:- Режим доступа: https://www.bbc.com/russian/science/2016/03/160302_space_experience_2016 . (Дата обращения 7.01.2019)

Hi News.ru [Электронный ресурс]:- Режим доступа: https://hi-news.ru/space/kak-rasteniya-rastut-v-sostoyanii-nevesomosti.html . (Дата обращения 10.03.2019)

Universe [Электронный ресурс]:- Режим доступа: https://universeru.com/2013/02/pervye-zhivotnye-v-kosmose/ . (Дата обращения 6.02.2019)