מדע הביולוגיה כולל הרבה קטעים שונים, מדעי ילדים גדולים וקטנים. וכל אחד מהם חשוב לא רק בחיי אדם, אלא לכדור הארץ בכללותו.
במשך המאה השנייה ברציפות, אנשים מנסים לחקור לא רק את המגוון הארצי של החיים על כל ביטוייהם, אלא גם לגלות אם יש חיים מחוץ לכדור הארץ, בחלל החיצון. בנושאים אלו עוסק מדע מיוחד - ביולוגיה של החלל. זה יידון בסקירה שלנו.
מדור ביולוגיה - ביולוגיה בחלל
מדע זה צעיר יחסית, אך מתפתח מאוד. ההיבטים העיקריים של הלמידה הם:
- גורמי החלל החיצון והשפעתם על האורגניזמים של יצורים חיים, הפעילות החיונית של כל מערכות החיים בחלל או במטוסים.
- התפתחות החיים על הפלנטה שלנו בהשתתפות החלל, התפתחותן של מערכות חיות והסבירות לקיומה של ביומסה מחוץ לכוכב הלכת שלנו.
- האפשרויות לבנות מערכות סגורות וליצור בהן תנאי חיים אמיתיים לנוחותהתפתחות וצמיחה של אורגניזמים בחלל החיצון.
רפואת החלל וביולוגיה הם מדעים קרובים החוקרים במשותף את המצב הפיזיולוגי של יצורים חיים בחלל, את השכיחות שלהם במרחבים בין-פלנטריים ובאבולוציה.
הודות למחקר של מדעים אלה, ניתן היה לבחור את התנאים האופטימליים למציאת אנשים בחלל, ומבלי לגרום נזק לבריאות. נאסף חומר עצום על נוכחות חיים בחלל, יכולתם של צמחים ובעלי חיים (חד-תאיים, רב-תאיים) לחיות ולהתפתח בחוסר משקל.
היסטוריה של התפתחות המדע
שורשי ביולוגיית החלל חוזרים לימי קדם, כאשר פילוסופים והוגים - מדעני טבע אריסטו, הרקליטוס, אפלטון ואחרים - צפו בשמיים זרועי הכוכבים, בניסיון לזהות את הקשר של הירח והשמש עם כדור הארץ, כדי להבין את הסיבות להשפעתם על אדמה חקלאית ובעלי חיים.
מאוחר יותר, בימי הביניים, החלו ניסיונות לקבוע את צורת כדור הארץ ולהסביר את סיבובו. במשך זמן רב הייתה תיאוריה שיצר תלמי. היא דיברה על העובדה שכדור הארץ הוא מרכז היקום, וכל שאר כוכבי הלכת וגרמי השמיים נעים סביבו (מערכת גיאוצנטרית).
עם זאת, היה מדען אחר, הפולני ניקולאוס קופרניקוס, שהוכיח את הכשל של ההצהרות הללו והציע מערכת הליוצנטרית משלו של מבנה העולם: במרכז נמצאת השמש, וכל כוכבי הלכת נעים מסביב. השמש היא גם כוכב. דעותיו נתמכו על ידי חסידי ג'ורדנוברונו, ניוטון, קפלר, גלילאו.
עם זאת, ביולוגיה של החלל כמדע הופיעה הרבה יותר מאוחר. רק במאה ה-20 פיתח המדען הרוסי קונסטנטין אדוארדוביץ' ציולקובסקי מערכת המאפשרת לאנשים לחדור למעמקי החלל וללמוד אותם באיטיות. הוא נחשב בצדק לאבי המדע הזה. כמו כן, תגליות בפיזיקה ואסטרופיזיקה, כימיה קוונטית ומכניקה מאת איינשטיין, בוהר, פלאנק, לנדאו, פרמי, קפיצה, בוגוליובוב ואחרים מילאו תפקיד גדול בהתפתחות הקוסמוביולוגיה.
מחקר מדעי חדש, שאפשר לאנשים לבצע טיסות מתוכננות זמן רב לחלל, איפשר לזהות הצדקות רפואיות וביולוגיות ספציפיות לבטיחות ולהשפעה של תנאים מחוץ לכדור הארץ שציולקובסקי ניסח. מה הייתה המהות שלהם?
- למדענים ניתנה הצדקה תיאורטית להשפעה של חוסר משקל על אורגניזמים של יונקים.
- הוא עיצב כמה וריאציות של תנאי החלל במעבדה.
- אפשרויות מוצעות לאסטרונאוטים להשיג מזון ומים בעזרת צמחים ומחזור החומר.
לפיכך, ציולקובסקי הוא שהניח את כל ההנחות הבסיסיות של האסטרונאוטיקה, שלא איבדו את הרלוונטיות שלהן היום.
חוסר משקל
מחקר ביולוגי מודרני בתחום חקר השפעתם של גורמים דינמיים על גוף האדם בחלל מאפשר לאסטרונאוטים להיפטר מההשפעה השלילית של אותם גורמים למקסימום.
יש שלושה מאפיינים דינמיים עיקריים:
- vibration;
- acceleration;
- חוסר משקל.
ההשפעה יוצאת הדופן והחשובה ביותר על גוף האדם היא חוסר משקל. זהו מצב בו כוח הכבידה נעלם והוא אינו מוחלף בהשפעות אינרציאליות אחרות. במקרה זה, אדם מאבד לחלוטין את היכולת לשלוט במיקום הגוף בחלל. מצב כזה מתחיל כבר בשכבות התחתונות של הקוסמוס ונמשך לאורך כל המרחב שלו.
מחקרים רפואיים וביולוגיים הראו שהשינויים הבאים מתרחשים בגוף האדם במצב של חוסר משקל:
- קצב הלב עולה.
- שרירים נרגעים (טונוס נעלם).
- ירידה בביצועים.
- הזיות מרחביות אפשריות.
אדם בחוסר משקל מסוגל להישאר עד 86 ימים ללא פגיעה בבריאות. זה הוכח אמפירית ואושר מנקודת מבט רפואית. עם זאת, אחת המשימות של ביולוגיה ורפואת החלל כיום היא לפתח מערך אמצעים למניעת השפעת חוסר המשקל על גוף האדם באופן כללי, להעלים עייפות, להגביר ולגבש ביצועים תקינים.
יש מספר תנאים שאסטרונאוטים צופים בהם כדי להתגבר על חוסר משקל ולשמור על שליטה על הגוף:
- עיצוב המטוס תואם בקפדנות את תקני הבטיחות הדרושים לנוסעים;
- אסטרונאוטים תמיד קשורים בקפידה במושביהם כדי למנוע טיסות לא צפויות כלפי מעלה;
- כל הפריטים בספינה הם בהחלטמקום קבוע ומאובטח כראוי כדי למנוע פציעה;
- נוזלים מאוחסנים רק במיכלים סגורים ואטומים.
כדי להגיע לתוצאות טובות בהתגברות על חוסר משקל, האסטרונאוטים עוברים הכשרה יסודית על פני כדור הארץ. אבל, למרבה הצער, עד כה מחקר מדעי מודרני אינו מאפשר ליצור תנאים כאלה במעבדה. על הפלנטה שלנו, לא ניתן להתגבר על כוח הכבידה. זהו גם אחד מהאתגרים העתידיים לחלל ולביולוגיה רפואית.
כוחות G בחלל (האצות)
גורם חשוב נוסף המשפיע על גוף האדם בחלל הוא תאוצה, או עומס יתר. המהות של גורמים אלה מצטמצמת לחלוקה מחדש לא אחידה של העומס על הגוף במהלך תנועות חזקות במהירות גבוהה בחלל. ישנם שני סוגים עיקריים של האצה:
- לטווח קצר;
- long.
כפי שמחקרים ביו-רפואיים מראים, שתי התאוצות חשובות מאוד בהשפעה על המצב הפיזיולוגי של גופו של האסטרונאוט.
אז, למשל, תחת פעולת האצות קצרות טווח (הן נמשכות פחות משנייה אחת), יכולים להתרחש שינויים בלתי הפיכים בגוף ברמה המולקולרית. כמו כן, אם האיברים אינם מאומנים, חלשים מספיק, קיים סיכון לקרע של הקרומים שלהם. השפעות כאלה יכולות להתבצע במהלך הפרדת הקפסולה עם האסטרונאוט בחלל, במהלך פליטתואו בעת נחיתת ספינה במסלול.
לכן, חשוב מאוד שהאסטרונאוטים יעברו בדיקה רפואית יסודית והכשרה גופנית מסוימת לפני הטיסה לחלל.
האצה ארוכת טווח מתרחשת במהלך שיגור ונחיתה של רקטה, כמו גם במהלך טיסה במקומות מרחביים מסוימים בחלל. ההשפעה של תאוצות כאלה על הגוף, על פי נתונים שסופקו על ידי מחקר רפואי מדעי, היא כדלקמן:
- פעימות הלב והדופק מאיצים;
- הנשימה מזרזת;
- יש התרחשות של בחילה וחולשה, עור חיוור;
- הראייה סובלת, סרט אדום או שחור מופיע מול העיניים;
- עלול להרגיש כאב במפרקים, בגפיים;
- טונוס רקמת השריר יורד;
- שינוי ברגולציה נוירומורלית;
- חילופי גזים בריאות ובגוף בכללותו הופך להיות שונה;
- עלול לגרום להזעה.
כוחות G וחוסר משקל מאלצים מדענים רפואיים להמציא דרכים שונות. מאפשר להסתגל, לאמן אסטרונאוטים כך שיוכלו לעמוד בפעולת הגורמים הללו ללא השלכות בריאותיות וללא אובדן יעילות.
אחת הדרכים היעילות ביותר לאמן אסטרונאוטים להאיץ היא מנגנון הצנטריפוגה. בו אתה יכול לראות את כל השינויים המתרחשים בגוף תחת פעולת עומס יתר. זה גם מאפשר לך להתאמן ולהסתגל להשפעה של גורם זה.
טיסת חלל ורפואה
לטיסות חלל בהחלט יש השפעה גדולה מאוד על בריאותם של אנשים, במיוחד אלה שאינם מאומנים או שיש להם מחלות כרוניות. לכן, היבט חשוב הוא המחקר הרפואי של כל דקויות הטיסה, כל התגובות של הגוף להשפעות המגוונות והמדהימות ביותר של כוחות מחוץ לכדור הארץ.
הטיסה בחוסר משקל מאלצת את הרפואה והביולוגיה המודרנית להמציא ולגבש (במקביל ליישם, כמובן) מערך של אמצעים כדי לספק לאסטרונאוטים תזונה רגילה, מנוחה, אספקת חמצן, כושר עבודה וכן הלאה.
בנוסף, הרפואה נועדה לספק לקוסמונאוטים סיוע הגון במקרה של מצבי חירום בלתי צפויים, כמו גם הגנה מפני השפעותיהם של כוחות לא ידועים של כוכבי לכת וחללים אחרים. זה די קשה, זה דורש הרבה זמן ומאמץ, בסיס תיאורטי גדול, שימוש רק בציוד המודרני והתרופות החדישות ביותר.
בנוסף, לרפואה, יחד עם פיזיקה וביולוגיה, יש את המשימה להגן על אסטרונאוטים מפני הגורמים הפיזיים של תנאי החלל, כגון:
- temperatur;
- radiation;
- pressure;
- מטאוריטים.
לכן, לימוד כל הגורמים והתכונות הללו חשוב מאוד.
שיטות מחקר בביולוגיה
ביולוגיית החלל, כמו לכל מדע ביולוגי אחר, יש מערך מסוים של שיטות המאפשרות ביצוע מחקר, צבירת חומר תיאורטי ואיששו במסקנות מעשיות. שיטות אלו לאורך זמןנשארים ללא שינוי, מעודכנים ומודרניים בהתאם לזמן הנוכחי. עם זאת, השיטות המבוססות היסטורית של הביולוגיה עדיין נשארות רלוונטיות עד היום. אלה כוללים:
- תצפית.
- ניסוי.
- ניתוח היסטורי.
- Description.
- Comparison.
שיטות מחקר ביולוגי אלו הן בסיסיות, רלוונטיות בכל עת. אבל ישנם מספר אחרים שצמחו עם התפתחות המדע והטכנולוגיה, הפיזיקה האלקטרונית והביולוגיה המולקולרית. הם נקראים מודרניים וממלאים את התפקיד הגדול ביותר בחקר כל התהליכים הביולוגיים-כימיים, הרפואיים והפיזיולוגיים.
שיטות מודרניות
- שיטות של הנדסה גנטית וביואינפורמטיקה. זה כולל טרנספורמציה אגרובקטריאלית ובליסטית, PCR (תגובות שרשרת פולימראז). תפקידו של מחקר ביולוגי מסוג זה הוא רב, שכן הם אלו המאפשרים למצוא אפשרויות לפתרון בעיית האכלה וחמצן של משגרי רקטות ותאי תאים לנוחות האסטרונאוטים.
- שיטות של כימיה והיסטוכימיה של חלבונים. אפשר לשלוט בחלבונים ובאנזימים במערכות חיות.
- באמצעות מיקרוסקופיה פלואורסצנטית, מיקרוסקופיה ברזולוציה על.
- השימוש בביולוגיה מולקולרית וביוכימיה ובשיטות המחקר שלהן.
- ביוטלמטריה היא שיטה שהיא תוצאה של שילוב של עבודה של מהנדסים ורופאים על בסיס ביולוגי. זה מאפשר לך לשלוט בכל הפונקציות החשובות מבחינה פיזיולוגית של העבודה.אורגניזם במרחק באמצעות ערוצי תקשורת רדיו של גוף האדם ומקליט מחשב. ביולוגיית החלל משתמשת בשיטה זו כבסיס למעקב אחר ההשפעות של תנאי החלל על אורגניזמים של אסטרונאוטים.
- אינדיקציה ביולוגית של מרחב בין-פלנטרי. שיטה חשובה מאוד של ביולוגיית החלל, המאפשרת להעריך את המצבים הבין-פלנטריים של הסביבה, כדי לקבל מידע על המאפיינים של כוכבי לכת שונים. הבסיס כאן הוא השימוש בבעלי חיים עם חיישנים מובנים. חיות ניסוי (עכברים, כלבים, קופים) הם שמחלצים מידע ממסלולים, המשמשים מדענים יבשתיים לניתוח ומסקנות.
שיטות מודרניות של מחקר ביולוגי מאפשרות פתרון בעיות מתקדמות לא רק של ביולוגיית החלל, אלא גם של אוניברסליות.
בעיות של ביולוגיית החלל
כל השיטות המפורטות למחקר ביו-רפואי, למרבה הצער, עדיין לא הצליחו לפתור את כל הבעיות של ביולוגיית החלל. ישנם מספר נושאים אקטואליים שנותרו דחופים עד היום. בואו נסתכל על האתגרים העיקריים העומדים בפני רפואת החלל והביולוגיה.
- בחירת כוח אדם מיומן לטיסה בחלל, שמצבם הבריאותי יכול לעמוד בכל דרישות הרופאים (כולל מתן אפשרות לאסטרונאוטים לעמוד בהכשרה והדרכה קפדנית לטיסות).
- רמת הכשרה ראויה ואספקה של כל מה שצריך עבור צוותי חלל עבודה.
- הבטחת בטיחות בכל המובנים (כולל מגורמי השפעה לא ידועים או זריםמכוכבי לכת אחרים) ספינות פועלות ומבני מטוסים.
- שיקום פסיכו-פיזיולוגי של אסטרונאוטים עם החזרה לכדור הארץ.
- פיתוח דרכים להגנה על אסטרונאוטים וחלליות מפני קרינה.
- הבטחת תנאי מחייה נורמליים בבקתות במהלך טיסות לחלל.
- פיתוח ויישום של טכנולוגיית מחשבים מתקדמת ברפואת החלל.
- מבוא לרפואת טלרפואה בחלל וביוטכנולוגיה. שימוש בשיטות של מדעים אלה.
- פתרון בעיות רפואיות וביולוגיות לטיסות נוחות של אסטרונאוטים למאדים ולכוכבי לכת אחרים.
- סינתזה של חומרים תרופתיים שיפתרו את בעיית אספקת החמצן בחלל.
שיטות יישום של מחקר ביו-רפואי שפותחו, משופרות ומורכבות בוודאי יפתרו את כל המשימות והבעיות הקיימות. עם זאת, מתי זה יהיה שאלה קשה ודי בלתי צפויה.
יש לציין שלא רק מדענים רוסים, אלא גם המועצה האקדמית של כל מדינות העולם עוסקות בכל הנושאים הללו. וזה יתרון גדול. אחרי הכל, מחקר וחיפושים משותפים יתנו תוצאה חיובית גדולה ומהירה יותר באופן לא פרופורציונלי. שיתוף פעולה גלובלי הדוק בפתרון בעיות חלל הוא המפתח להצלחה בחקר החלל מחוץ לכדור הארץ.
הישגים מודרניים
יש הרבה הישגים כאלה. הרי בכל יום מתבצעת עבודה אינטנסיבית, יסודית וקפדנית, המאפשרת למצוא עוד ועודחומרים, להסיק מסקנות ולנסח השערות.
אחת התגליות החשובות ביותר של המאה ה-21 בקוסמולוגיה הייתה גילוי המים על מאדים. זה הוליד מיד עשרות השערות לגבי נוכחות או היעדר חיים על הפלנטה, לגבי אפשרות התיישבות מחדש של בני כדור הארץ למאדים, וכן הלאה.
תגלית נוספת הייתה שמדענים קבעו את גבולות הגיל שבהם אדם יכול להיות בחלל בנוחות ובלי השלכות חמורות ככל האפשר. גיל זה מתחיל מ-45 ומסתיים בערך בגיל 55-60. צעירים היוצאים לחלל סובלים מאוד מבחינה פסיכולוגית ופיזיולוגית כשהם חוזרים לכדור הארץ, מסתגלים ונבנים מחדש קשה.
מים התגלו גם על הירח (2009). כספית וכמות גדולה של כסף נמצאו גם בלוויין של כדור הארץ.
שיטות מחקר ביולוגיות, כמו גם מדדים הנדסיים ופיזיקליים, מאפשרים לנו להסיק בביטחון שההשפעות של קרינת יונים וחשיפה בחלל אינן מזיקות (לפחות לא מזיקות יותר מאשר על כדור הארץ).
מחקרים מדעיים הוכיחו כי שהייה ארוכה בחלל אינה משפיעה על הבריאות הפיזית של אסטרונאוטים. עם זאת, נותרו בעיות פסיכולוגיות.
נערכו מחקרים שהוכיחו שצמחים גבוהים מגיבים בצורה שונה להימצאות בחלל. זרעים של כמה צמחים במחקר לא הראו שינויים גנטיים. אחרים, להיפך, הראו עיוותים ברורים ברמה המולקולרית.
חוויות,שבוצעו על תאים ורקמות של אורגניזמים חיים (יונקים) הוכיחו שהמרחב אינו משפיע על המצב והתפקוד הנורמלי של איברים אלה.
סוגים שונים של מחקרים רפואיים (טומוגרפיה, MRI, בדיקות דם ושתן, קרדיוגרמה, טומוגרפיה ממוחשבת וכן הלאה) הובילו למסקנה שהמאפיינים הפיזיולוגיים, הביוכימיים והמורפולוגיים של תאים אנושיים נשארים ללא שינוי בעת שהייה בחלל עד 86 ימים.
בתנאי מעבדה, נוצרה מחדש מערכת מלאכותית המאפשרת להתקרב ככל האפשר למצב של חוסר משקל ובכך ללמוד את כל ההיבטים של השפעת מצב זה על הגוף. זה, בתורו, איפשר לפתח מספר אמצעי מניעה למניעת השפעתו של גורם זה במהלך טיסה אנושית באפס כבידה.
תוצאות האקסוביולוגיה הן נתונים המצביעים על נוכחות של מערכות אורגניות מחוץ לביוספרה של כדור הארץ. עד כה, רק הניסוח התיאורטי של הנחות אלו התאפשר, אך בקרוב מתכננים מדענים להשיג גם ראיות מעשיות.
הודות למחקר של ביולוגים, פיזיקאים, רופאים, אקולוגים וכימאים, נחשפו מנגנונים עמוקים של השפעה אנושית על הביוספרה. זה התאפשר על ידי יצירת מערכות אקולוגיות מלאכותיות מחוץ לכדור הארץ והשפעה עליהן כמו על כדור הארץ.
זה לא כל ההישגים של ביולוגיית החלל, הקוסמולוגיה והרפואה כיום, אלא רק העיקריים שבהם. יש הרבה פוטנציאל, שהיישום שלו הואהמשימה של המדעים הרשומים לעתיד.
החיים בחלל
לפי רעיונות מודרניים, חיים בחלל יכולים להתקיים, שכן תגליות אחרונות מאשרות נוכחות על כמה כוכבי לכת של תנאים מתאימים להופעת חיים ולהתפתחותם. עם זאת, דעותיהם של חוקרים בנושא זה מתחלקות לשתי קטגוריות:
- החיים אינם בשום מקום מלבד כדור הארץ, מעולם לא היו ולא יהיו;
- חיים קיימים במרחבים העצומים של החלל החיצון, אבל אנשים עדיין לא גילו אותם.
איזו מההשערות נכונה - כל אחד יכול להחליט. יש מספיק ראיות והפרכה גם לאחד וגם לשני.
