Институт Естествознания КГПУ им. К.Э. Циолковского;

Урок биологии в музее истории космонавтики

им. К.Э. Циолковского

Авдеева Е.В., студентка IV курса

Ивченко Т.В., профессор кафедры

ботаники и экологии КГПУ

им. К.Э. Циолковского.

Актуальность: в области мировоззренческих идей физическое обоснование процессов жизнедеятельности способствует выработке у школьников убеждений в том, что материальное единство природы сочетается с качественным своеобразием структурных уровней материи, что физические процессы совершаются в живых системах, но «преломляются» сквозь призму биологической организации, дополняются информационными, что методологические принципы естественных наук частично перекрываются лишь в сфере причинности. Этому способствует установление внутрипредметных и межпредметных связей с другими дисциплинами естественнонаучного и гуманитарного цикла, разработка комплексных форм обучения. Материал экскурсии может быть включен в инвариантную и вариативную части учебного плана в качестве региональной компоненты.

Рекомендации: урок можно проводить в учебное время с учащимися 8-х, 9-х, 10-х, 11-х классов при рассмотрении вопросов космической биологии и медицины, изучении различных теорий происхождения жизни (в том числе самозарождения, панспермии), эволюции взглядов на формы жизни; а также с ребятами, которые посещают факультативные и элективные курсы.

Цель: продолжить осуществление биологического образования школьников, дополнив и расширив их знания сведениями по современным проблемам биологии с использованием краеведческого материала.

Образовательная задача: углубить знания учащихся по биологии за курс основной и полной средней школы, ознакомить ребят с понятиями космической медицины и биологии, основы которых были заложены К.Э. Циолковским.

Воспитательная задача: в целях патриотического воспитания раскрыть учащимся значение работ К.Э. Циолковского для биологии и медицины.

Развивающая задача: в целях развития мотивационной сферы учащихся раскрыть смысл в понимании необходимости развития различных разделов биологии для общего прогресса человечества в освоении космического пространства; в интеллектуальном плане продолжить развитие наблюдательности, умения сравнивать и переносить знания на другие ситуации, обобщать и анализировать, делать выводы; в целях развития умений практического труда продолжить развитие умений по составлению отчета об экскурсии.

Организация экскурсии

Учитель заранее договаривается с администрацией музея о предстоящей экскурсии. За неделю в классе (кабинете биологии) учитель вывешивает объявление, в котором указаны:

• дата проведения экскурсии, время и место сбора, стоимость экскурсионного билета;

• список ученических групп, которые будут работать на экскурсии, с указанием заданий для групп и старшего по группе;

• форма отчета (индивидуальная).

Ученические группы образованы по тому признаку, который наиболее целесообразен для данного класса.

План:

1. Вводная часть (инструктаж по правилам работы в музее)

2. Проведение экскурсии в музее с более подробным описанием тех экспонатов, которые, так или иначе, затрагивают аспекты биологической науки.

3. Выполнение заданий группами учащихся в музее.

4. Посещение планетария, прослушивание лекции на тему «Проблема поиска внеземных цивилизаций».

5. Выполнение школьниками письменного отчета, оформление заданий (индивидуально).

6. Оценка учителем работ учеников, выставление отметок (в журнале и дневниках).

Проведение экскурсии

Вопросы биологии в трудах К.Э. Циолковского (тезисно из статьи «Пророк в своем Отечестве»). Проблемы космической медицины и биологии, философские проблемы освоения космоса, самозарождение жизни, биомеханика и др.

В 30-е годы в связи с развитием высотной авиации и овладением стратосферой в СССР начались медико-биологические исследования, имеющие непосредственное отношение к вопросам космической биологии и медицины. Так, уже в те годы были разработаны кабины летательных аппаратов, снабженные системой регенерации воздуха. При постройке стратостатов перед отечественными физиологами и гигиенистами была поставлена задача обеспечения жизнедеятельности и работоспособности трех воздухоплавателей в герметических гондолах. Необходимо было исследовать течение физиологических процессов в герметически замкнутом объеме с давлением искусственной атмосферы около 500 мм. рт.ст. При этом нужно было установить закономерности нарастания концентрации углекислого газа и снижения содержания кислорода в воздухе герметичной гондолы, найти способы удаления избыточного углекислого газа и влаги из воздуха, рекомендовать наиболее надежный и экономичный способ возмещения израсходованного кислорода, разработать пищевой рацион, аварийный пищевой запас, целесообразную одежду для экипажа и решить вопрос удаления отходов жизнедеятельности. Результаты этих исследований были использованы при конструировании герметичных кабин самолетов и послужили основой для создания систем жизнеобеспечения космических кораблей. В качестве резервного средства защиты стратонавта при аварийной разгерметизации кабины стратосферных самолетов и предотвращения взрывной декомпрессии инженерами и авиационными врачами к 1940 г. был создан первый скафандр. В них можно было поддерживать давление кислорода в пределах 110-260 мм рт.ст., и они обеспечивали достаточную подвижность летчиков.

Работы авиационных физиологов, гигиенистов, психологов в эти годы сыграли большую роль в раскрытии механизмов регуляции физиологических функций при воздействии на организм человека различных факторов полета: гипоксии, ускорений, повышенного и пониженного барометрического давления, взрывной декомпрессии, высоких и низких температур, малых и больших яркостей, электромагнитных колебаний сверхвысокой частоты, ультрафиолетовой и инфракрасной радиации и др. Одновременно были разработаны теоретические и практические принципы медицинского отбора летного состава и их специальной физической тренировки.

Эти эксперименты помогли решить ряд медико-биологических проблем, непосредственно связанных с проникновением человека в космическое пространство.

Подготовка и осуществление первого биологического эксперимента в космосе при полете второго искусственного с собакой Лайкой на борту по орбите вокруг Земли позволили установить важный факт: высокоорганизованные животные удовлетворительно переносят условия космического полета. Были обнаружены некоторые особенности физиологического состояния животного в условиях невесомости. Было отмечено, например, что частота сердечных сокращений снижается после окончания действия перегрузок в космическом полете медленнее, чем в земных условиях. Этот эксперимент дал ценный опыт как в отношении отбора и тренировки животных для посылки в космос, так и в отношении оборудования кабин, создания систем жизнеобеспечения и телеметрического контроля состояния физиологических функций животного.

Таким образом, при моделировании экспериментов на космических кораблях-спутниках, во-первых, были применены различные методы физиологических исследований, во-вторых, осуществлен эволюционный подход к исследованию биологического действия факторов космического полета. В кабину корабля помещался ряд различных по сложности организации биологических объектов – от собак до растений, микроорганизмов и фагов. Эти особенности позволили с полным основанием назвать второй и третий космические корабли-спутники «летающими лабораториями». И, в-третьих, такие эксперименты послужили своеобразной репетицией первого полета человека в космос.

Новый этап развития космической биологии и медицины знаменует собой переход от простого качественного установления отсутствия вредных последствий полета к точному количественному анализу биологических явлений, связанных с влиянием факторов космического пространства. Подвергая организм определенным дозированным воздействиям в условиях невесомости и сравнивая его реакции с реакциями на подобные же воздействия в лабораторных условиях, можно получить довольно полное представление о гомеостатической функции различных органов и систем. Решение вновь возникших задач, направленных на сохранение гомеостаза (постоянства внутренней среды) организма и высокой работоспособности космонавтов в длительном космическом полете и при выходе в открытый космос из космического корабля, уже находит свое отражение в научной печати.

В настоящее время исследователи уделяют максимальное внимание следующим проблемам космической биологии и медицины:

1) детальному изучению механизмов действия факторов космического полета и разработке средств устранения или ослабления их отрицательных воздействий;

2) дальнейшему совершенствованию и созданию замкнутых экологических систем жизнеобеспечения;

3) дальнейшему изучению труда космонавтов в целях определения оптимальных способов и интенсивности работы при выполнении любых заданий и улучшения функциональных способностей организма в полете.

Большое значение приобретают также цитохимические и электронномикроскопические исследования, позволяющие в значительной степени подкрепить физиологические и биохимические выводы.

Проблема биологических ритмов, их роль в сохранении гомеостатических реакции организма в условиях длительного полета приобретают в космической физиологии определенное значение.

В условиях экстремальных воздействий нет полного соответствия между протекающими в организме метаболическими процессами и энергетическим балансом. При энергетических уровнях одинаковой значимости, нередко наблюдавшихся в условиях воздействия различных по силе раздражителей и при качественно различном и равном по калорийности питании, не исключены выраженные нарушения в общем, функциональном состоянии организма, его реактивности. Например, было установлено, что одна и та же доза фармакологического препарата в зависимости от функционального состояния организма приводит к различному эффекту. Так, например, после воздействия ускорения вместо обычной реакции брадикардии (снижение частоты пульса) на введение стрихнина можно было отметить учащение ритма сердечной деятельности. Стрихнин здесь не вызывал свойственного ему влияния на центры блуждающего нерва, а приводил к усилению функции симпатической нервной системы. Значит, важно углубить представления не только о влиянии на организм отдельных факторов полета (ускорения, невесомость, гипокинезия, т.е. ограничение подвижности, шум, изменение температуры и др.), но и о воздействии таковых в совокупности на всех уровнях, начиная от молекулярно-субклеточных и кончая организменным.

Учение о реактивности организма, базирующееся на классических положениях творцов этого учения Н.Е. Введенского и А.А. Ухтомского, приобретает в космической физиологии ведущее значение. Различные по характеристике раздражители в зависимости от исходного функционального состояния могут обусловливать одинаковый эффект, и наоборот, один и тот же раздражитель может вызвать различные эффекты.

Под влиянием экстремальных воздействий, совместимых с нормальной жизнедеятельностью, возникает адаптивная перестройка функций, которая раздвигает границы существования организма, приводит к смещению зоны оптимума и к ослаблению зависимости от внешних условий. Появляется новый функциональный уровень жизнедеятельности, предопределяющий новые особенности реакций организма как на непосредственное экстремальное воздействие, так и в период восстановления функций до исходного уровня.

Следует подчеркнуть значение новых методов обработки биологической информации, в частности кибернетических и математических. При обработке полученных данных обычными способами извлекается только часть полезной информации. Обращаясь с новых позиций к материалам, удается находить все новые интересные факты, приобретающие особую ценность при их сравнении с данными более поздних полетов. Например, так называемая космическая аритмия – феномен повышенной колеблемости пульса у животных и людей в условиях невесомости. Этот феномен связан с относительным усилением тонуса парасимпатического отдела вегетативной нервной системы.

Новый этап физиологических исследований в космосе был начат полетом корабля «Восход», пилотируемого командиром корабля космонавтом В.М. Комаровым. В составе экипажа был также врач Б.Б. Егоров, и это позволило впервые применить функционально и конструктивно самостоятельную систему медицинских исследований.

Кроме того, новейшие методики обследований человека на борту корабля позволили обнаружить отдельные функциональные проявления после завершения полета: ортостатическая неустойчивость (значительное изменение сосудистого тонуса при переходе тела из горизонтального положения в вертикальное), изменения картины крови (уменьшение массы эритроцитов, уменьшение продолжительности жизни эритроцитов), изменения вводно-минерального обмена (баланса жидкостей и кальция). Предотвращение этих нарушений – важнейшая задача космической медицины. Как показали исследования, эффективными средствами повышения устойчивости организма к влиянию экстремальных являются, в частности, высокогорная тренировка и физическая подготовка.

Итак, космическая биология – комплексная научная дисциплина, охватывающая совокупность общебиологических, биофизических, биохимических, физико-химических, математических, астрофизических, геофизических, инженерно-конструкторских и др. исследований, направленных на изучение и решение таких проблем, как происхождение, наличие, распространение, особенности эволюции живой материи (возможно инопланетного происхождения) во Вселенной; особенности жизнедеятельности и поведения земных организмов в условиях космического пространства, на других небесных телах или при полетах на космических аппаратах; построение искусственной среды обитания на космических кораблях (КК) и орбитальных станциях на основе использования различных биологических объектов.