Khoa học sinh học bao gồm rất nhiều phần khác nhau, khoa học trẻ em lớn và nhỏ. Và mỗi người trong số họ đều quan trọng không chỉ đối với cuộc sống con người mà còn đối với toàn bộ hành tinh.
Trong thế kỷ thứ hai liên tiếp, mọi người đang cố gắng nghiên cứu không chỉ sự đa dạng trên cạn của sự sống trong tất cả các biểu hiện của nó, mà còn để tìm hiểu xem có sự sống bên ngoài hành tinh, trong không gian vũ trụ hay không. Những vấn đề này được giải quyết bởi một khoa học đặc biệt - sinh học không gian. Nó sẽ được thảo luận trong bài đánh giá của chúng tôi.
Phần Sinh học - Sinh học Không gian
Khoa học này tương đối trẻ, nhưng đang phát triển rất sâu rộng. Các khía cạnh chính của việc học là:
- Các yếu tố của không gian bên ngoài và ảnh hưởng của chúng đối với các sinh vật của chúng sinh, hoạt động quan trọng của tất cả các hệ thống sống trong không gian hoặc máy bay.
- Sự phát triển của sự sống trên hành tinh của chúng ta với sự tham gia của không gian, sự tiến hóa của các hệ thống sống và khả năng tồn tại của sinh khối bên ngoài hành tinh của chúng ta.
- Khả năng xây dựng các hệ thống khép kín và tạo ra các điều kiện sống thực sự trong đó để tạo sự thoải máisự phát triển và tăng trưởng của các sinh vật trong không gian vũ trụ.
Y học vũ trụ và sinh học là những ngành khoa học có liên quan chặt chẽ với nhau nghiên cứu trạng thái sinh lý của các sinh vật sống trong không gian, sự phổ biến của chúng trong không gian liên hành tinh và sự tiến hóa.
Nhờ nghiên cứu của các ngành khoa học này, người ta có thể chọn ra các điều kiện tối ưu để tìm kiếm người trong không gian và không gây hại cho sức khỏe. Tài liệu khổng lồ đã được thu thập về sự hiện diện của sự sống trong không gian, khả năng của thực vật và động vật (đơn bào, đa bào) sống và phát triển trong môi trường không trọng lượng.
Lịch sử phát triển của khoa học
Nguồn gốc của sinh học không gian bắt nguồn từ thời cổ đại, khi các nhà triết học và nhà tư tưởng - các nhà khoa học tự nhiên Aristotle, Heraclitus, Plato và những người khác - quan sát bầu trời đầy sao, cố gắng xác định mối quan hệ của Mặt trăng và Mặt trời với Trái đất, để hiểu lý do ảnh hưởng của chúng đến đất nông nghiệp và động vật.
Sau đó, vào thời Trung cổ, những nỗ lực bắt đầu để xác định hình dạng của Trái đất và giải thích sự quay của nó. Trong một thời gian dài, đã có một lý thuyết do Ptolemy tạo ra. Cô ấy nói về thực tế rằng Trái đất là trung tâm của Vũ trụ, và tất cả các hành tinh và thiên thể khác chuyển động xung quanh nó (hệ thống địa tâm).
Tuy nhiên, có một nhà khoa học khác, Pole Nicolaus Copernicus, người đã chứng minh sự sai lầm của những tuyên bố này và đề xuất hệ thống nhật tâm của riêng mình về cấu trúc thế giới: ở trung tâm là Mặt trời, và tất cả các hành tinh đều chuyển động xung quanh. Mặt trời cũng là một ngôi sao. Quan điểm của ông được những người theo Giordano ủng hộBruno, Newton, Kepler, Galileo.
Tuy nhiên, sinh học vũ trụ với tư cách là một ngành khoa học đã xuất hiện muộn hơn nhiều. Chỉ trong thế kỷ 20, nhà khoa học Nga Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky đã phát triển một hệ thống cho phép con người thâm nhập vào sâu trong không gian và từ từ nghiên cứu chúng. Ông được coi là cha đẻ của ngành khoa học này một cách chính đáng. Ngoài ra, những khám phá về vật lý và vật lý thiên văn, hóa lượng tử và cơ học của Einstein, Bohr, Planck, Landau, Fermi, Kapitza, Bogolyubov và những người khác đã đóng một vai trò lớn trong sự phát triển của sinh vật học vũ trụ.
Nghiên cứu khoa học mới, cho phép con người thực hiện các chuyến bay đã lên kế hoạch từ lâu vào vũ trụ, giúp xác định các lý do y tế và sinh học cụ thể cho sự an toàn và tác động của các điều kiện ngoài Trái đất mà Tsiolkovsky đã đưa ra. Bản chất của họ là gì?
- Các nhà khoa học đã được chứng minh lý thuyết về tác động của tình trạng không trọng lượng đối với các sinh vật có vú.
- Anh ấy đã mô hình hóa một số biến thể của điều kiện không gian trong phòng thí nghiệm.
- Các lựa chọn được đề xuất cho các phi hành gia để kiếm thức ăn và nước uống với sự trợ giúp của thực vật và sự tuần hoàn của vật chất.
Vì vậy, chính Tsiolkovsky là người đã đặt ra tất cả các định đề cơ bản về du hành vũ trụ, những định đề này vẫn không bị mất đi ngày nay.
Không trọng lượng
Nghiên cứu sinh học hiện đại trong lĩnh vực nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố động đến cơ thể con người trong không gian cho phép các phi hành gia loại bỏ tối đa ảnh hưởng tiêu cực của những yếu tố tương tự này.
Có ba đặc điểm động lực chính:
- rung;
- tăng tốc;
- không trọng lượng.
Tác động bất thường và quan trọng nhất đối với cơ thể con người là không trọng lượng. Đây là trạng thái mà lực hấp dẫn biến mất và nó không được thay thế bằng các ảnh hưởng quán tính khác. Trong trường hợp này, một người hoàn toàn mất khả năng kiểm soát vị trí của cơ thể trong không gian. Trạng thái như vậy đã bắt đầu ở các lớp thấp hơn của vũ trụ và tồn tại trong toàn bộ không gian của nó.
Các nghiên cứu y học và sinh học đã chỉ ra rằng những thay đổi sau đây xảy ra trong cơ thể con người ở trạng thái không trọng lượng:
- Nhịp tim tăng lên.
- Cơ bắp thư giãn (giảm cân).
- Giảm hiệu suất.
- Ảo giác không gian có thể xảy ra.
Một người không trọng lượng có thể sống đến 86 ngày mà không gây hại cho sức khỏe. Điều này đã được chứng minh bằng thực nghiệm và xác nhận theo quan điểm y học. Tuy nhiên, một trong những nhiệm vụ của sinh học không gian và y học ngày nay là phát triển một loạt các biện pháp để ngăn chặn tác động của trọng lượng lên cơ thể con người nói chung, loại bỏ mệt mỏi, tăng và củng cố hiệu suất bình thường.
Có một số điều kiện mà các phi hành gia quan sát để khắc phục tình trạng không trọng lượng và duy trì sự kiểm soát đối với cơ thể:
- thiết kế của máy bay tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn an toàn cần thiết cho hành khách;
- phi hành gia luôn được buộc chặt vào ghế cẩn thận để tránh những chuyến bay lên không lường trước được;
- tất cả các mặt hàng trên tàu đều là hàng nghiêm chỉnhnơi cố định và được bảo đảm đúng cách để tránh bị thương;
- Chất lỏng chỉ được bảo quản trong hộp kín, đậy kín.
Để đạt được kết quả tốt trong việc khắc phục tình trạng không trọng lượng, các phi hành gia phải trải qua quá trình huấn luyện kỹ lưỡng trên Trái đất. Nhưng, thật không may, cho đến nay nghiên cứu khoa học hiện đại không cho phép tạo ra những điều kiện như vậy trong phòng thí nghiệm. Trên hành tinh của chúng ta, không thể vượt qua lực hấp dẫn. Đây cũng là một trong những thách thức trong tương lai đối với không gian và sinh học y học.
Lực G trong không gian (gia tốc)
Một yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến cơ thể con người trong không gian là gia tốc, hoặc quá tải. Bản chất của các yếu tố này là giảm tải cho sự phân bố lại không đồng đều của tải trọng trên cơ thể trong các chuyển động mạnh ở tốc độ cao trong không gian. Có hai loại gia tốc chính:
- ngắn hạn;
- dài.
Như các nghiên cứu y sinh cho thấy, cả hai gia tốc đều rất quan trọng trong việc ảnh hưởng đến trạng thái sinh lý của cơ thể phi hành gia.
Vì vậy, ví dụ, dưới tác động của các gia tốc ngắn hạn (chúng kéo dài dưới 1 giây), những thay đổi không thể đảo ngược có thể xảy ra trong cơ thể ở cấp độ phân tử. Ngoài ra, nếu các cơ quan không được luyện tập, đủ yếu sẽ có nguy cơ bị vỡ ối. Những ảnh hưởng như vậy có thể được thực hiện trong quá trình tách viên nang với phi hành gia trong không gian, trong quá trình phóng của anh tahoặc khi hạ cánh tàu theo quỹ đạo.
Vì vậy, điều rất quan trọng là các phi hành gia phải kiểm tra y tế kỹ lưỡng và rèn luyện thể chất nhất định trước khi bay vào vũ trụ.
Gia tốc tác dụng kéo dài xảy ra trong quá trình phóng và hạ cánh của tên lửa, cũng như trong quá trình bay ở một số địa điểm trong không gian. Ảnh hưởng của những gia tốc như vậy đối với cơ thể, theo dữ liệu được cung cấp bởi nghiên cứu y học khoa học, như sau:
- nhịp tim và nhịp đập nhanh;
- thở gấp;
- có hiện tượng buồn nôn và suy nhược, da nhợt nhạt;
- thị lực bị ảnh hưởng, một tấm phim màu đỏ hoặc đen xuất hiện trước mắt;
- có thể thấy đau nhức xương khớp, tay chân;
- giảm trương lực mô cơ;
- thay đổi quy định thần kinh;
- trao đổi khí trong phổi và toàn bộ cơ thể trở nên khác nhau;
- có thể gây đổ mồ hôi.
G-lực và không trọng lượng buộc các nhà khoa học y tế phải đưa ra nhiều cách khác nhau. cho phép thích nghi, đào tạo các phi hành gia để họ có thể chịu được tác động của các yếu tố này mà không ảnh hưởng đến sức khỏe và không bị giảm hiệu quả.
Một trong những cách hiệu quả nhất để huấn luyện phi hành gia tăng tốc là thiết bị ly tâm. Đó là trong đó bạn có thể quan sát tất cả những thay đổi xảy ra trong cơ thể dưới tác động của quá tải. Nó cũng cho phép bạn đào tạo và thích ứng với ảnh hưởng của yếu tố này.
Chuyến bay vũ trụ và thuốc
Chuyến bay vũ trụ chắc chắn ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe của con người, đặc biệt là những người chưa qua đào tạo hoặc mắc các bệnh mãn tính. Do đó, một khía cạnh quan trọng là nghiên cứu y học về tất cả những điều tinh tế của chuyến bay, tất cả các phản ứng của cơ thể trước những tác động đa dạng và đáng kinh ngạc nhất của các lực ngoài trái đất.
Bay trong không trọng lượng buộc y học và sinh học hiện đại phải phát minh và xây dựng (tất nhiên đồng thời thực hiện) một bộ các biện pháp để cung cấp cho các phi hành gia chế độ dinh dưỡng, nghỉ ngơi, cung cấp oxy, khả năng làm việc bình thường, v.v.
Ngoài ra, y học được thiết kế để cung cấp cho các phi hành gia sự trợ giúp phù hợp trong các trường hợp khẩn cấp, bất khả kháng, cũng như bảo vệ khỏi tác động của các lực không xác định của các hành tinh và không gian khác. Việc này khá khó, đòi hỏi nhiều thời gian và công sức, cơ sở lý thuyết rộng, chỉ sử dụng các thiết bị và thuốc hiện đại nhất.
Ngoài ra, y học, cùng với vật lý và sinh học, có nhiệm vụ bảo vệ phi hành gia khỏi các yếu tố vật lý của điều kiện không gian, chẳng hạn như:
- nhiệt độ;
- xạ;
- áp;
- thiên thạch.
Vì vậy, việc nghiên cứu tất cả các yếu tố và tính năng này là rất quan trọng.
Phương pháp nghiên cứu trong sinh học
Sinh học vũ trụ, giống như bất kỳ khoa học sinh học nào khác, có một số phương pháp nhất định cho phép tiến hành nghiên cứu, tích lũy tài liệu lý thuyết và xác nhận nó bằng các kết luận thực tế. Những phương pháp này theo thời giankhông thay đổi, được cập nhật và hiện đại hóa phù hợp với thời điểm hiện tại. Tuy nhiên, các phương pháp sinh học được thành lập trong lịch sử vẫn còn phù hợp cho đến ngày nay. Chúng bao gồm:
- Quan sát.
- Thử nghiệm.
- Phân tích lịch sử.
- Mô tả.
- So sánh.
Những phương pháp nghiên cứu sinh học này là cơ bản, phù hợp bất cứ lúc nào. Nhưng có một số loại khác ra đời cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, vật lý điện tử và sinh học phân tử. Chúng được gọi là hiện đại và đóng vai trò lớn nhất trong việc nghiên cứu tất cả các quá trình sinh học-hóa học, y tế và sinh lý học.
Phương pháp hiện đại
- Phương pháp công nghệ gen và tin sinh học. Điều này bao gồm chuyển đổi vi khuẩn nông và đạn đạo, PCR (phản ứng chuỗi polymerase). Vai trò của nghiên cứu sinh học của loại hình này là rất lớn, vì chúng có thể giúp tìm ra các phương án để giải quyết vấn đề nạp và cung cấp oxy cho các bệ phóng tên lửa và cabin để tạo sự thoải mái cho các phi hành gia.
- Phương pháp hóa học protein và hóa mô. Cho phép kiểm soát protein và enzym trong hệ thống sống.
- Sử dụng kính hiển vi huỳnh quang, kính hiển vi siêu phân giải.
- Việc sử dụng sinh học phân tử và hóa sinh và các phương pháp nghiên cứu của họ.
- Biotelemetry là một phương pháp là kết quả của sự kết hợp công việc của các kỹ sư và bác sĩ trên cơ sở sinh học. Nó cho phép bạn kiểm soát tất cả các chức năng sinh lý quan trọng của công việc.sinh vật ở khoảng cách xa bằng cách sử dụng các kênh liên lạc vô tuyến của cơ thể người và máy ghi âm máy tính. Sinh học không gian sử dụng phương pháp này làm cơ sở để theo dõi các tác động của điều kiện không gian lên các sinh vật của phi hành gia.
- Chỉ thị sinh học của không gian liên hành tinh. Một phương pháp rất quan trọng của sinh học không gian, giúp đánh giá trạng thái giữa các hành tinh của môi trường, để thu được thông tin về đặc điểm của các hành tinh khác nhau. Cơ sở ở đây là việc sử dụng động vật với các cảm biến tích hợp. Các động vật thí nghiệm (chuột, chó, khỉ) lấy thông tin từ quỹ đạo, được các nhà khoa học trên cạn sử dụng để phân tích và đưa ra kết luận.
Các phương pháp nghiên cứu sinh học hiện đại cho phép giải quyết các vấn đề nâng cao không chỉ của sinh học vũ trụ mà còn cả những vấn đề phổ quát.
Vấn đề của sinh học không gian
Tất cả các phương pháp nghiên cứu y sinh được liệt kê, rất tiếc, vẫn chưa thể giải quyết tất cả các vấn đề của sinh học không gian. Có một số vấn đề thời sự vẫn cấp thiết cho đến ngày nay. Hãy cùng xem xét những thách thức chính mà y học và sinh học không gian phải đối mặt.
- Tuyển chọn những nhân viên được đào tạo cho chuyến bay vũ trụ, những người có tình trạng sức khỏe có thể đáp ứng tất cả các yêu cầu của bác sĩ (bao gồm cả việc cho phép các phi hành gia chịu được sự huấn luyện và đào tạo nghiêm ngặt cho các chuyến bay).
- Trình độ đào tạo và cung cấp mọi thứ cần thiết cho đội không gian làm việc.
- Đảm bảo an toàn về mọi mặt (bao gồm cả các yếu tố ảnh hưởng không xác định hoặc ngoại laitừ các hành tinh khác) tàu và cấu trúc máy bay đang hoạt động.
- Phục hồi tâm-sinh lý của các phi hành gia khi trở về Trái đất.
- Phát triển các cách bảo vệ phi hành gia và tàu vũ trụ khỏi bức xạ.
- Đảm bảo điều kiện sống bình thường trong các cabin trong các chuyến bay vào vũ trụ.
- Phát triển và ứng dụng công nghệ máy tính tiên tiến trong y học vũ trụ.
- Giới thiệu về y học từ xa không gian và công nghệ sinh học. Sử dụng các phương pháp của các khoa học này.
- Giải pháp cho các vấn đề y tế và sinh học cho các chuyến bay thoải mái của các phi hành gia đến sao Hỏa và các hành tinh khác.
- Tổng hợp các tác nhân dược lý sẽ giải quyết vấn đề cung cấp oxy trong không gian.
Được phát triển, cải tiến và phức tạp trong các phương pháp ứng dụng của nghiên cứu y sinh chắc chắn sẽ giải quyết được tất cả các nhiệm vụ và các vấn đề còn tồn tại. Tuy nhiên, đây sẽ là một câu hỏi khó và khá khó đoán.
Cần lưu ý rằng không chỉ các nhà khoa học Nga, mà cả Hội đồng Học thuật của tất cả các nước trên thế giới đều giải quyết tất cả những vấn đề này. Và đây là một điểm cộng lớn. Rốt cuộc, nghiên cứu và tìm kiếm chung sẽ cho kết quả dương tính nhanh hơn và lớn hơn một cách tương xứng. Hợp tác toàn cầu chặt chẽ trong việc giải quyết các vấn đề không gian là chìa khóa thành công trong việc khám phá không gian ngoài Trái đất.
Thành tựu hiện đại
Có nhiều thành tựu như vậy. Rốt cuộc, công việc chuyên sâu được thực hiện mỗi ngày, kỹ lưỡng và chăm chỉ, cho phép bạn ngày càng tìm thấy nhiều hơnvật liệu, rút ra kết luận và hình thành giả thuyết.
Một trong những khám phá quan trọng nhất của thế kỷ 21 về vũ trụ học là phát hiện ra nước trên sao Hỏa. Điều này ngay lập tức làm nảy sinh hàng tá giả thuyết về sự hiện diện hay vắng mặt của sự sống trên hành tinh, về khả năng tái định cư của người trái đất lên sao Hỏa, v.v.
Một khám phá khác là các nhà khoa học đã xác định giới hạn tuổi mà một người có thể ở trong không gian một cách thoải mái và không gây hậu quả nghiêm trọng nhất có thể. Tuổi này bắt đầu từ 45 tuổi và kết thúc vào khoảng 55-60 tuổi. Những người trẻ đi vào không gian phải chịu đựng vô cùng đau đớn về tâm lý và sinh lý khi trở về Trái đất, khó khăn trong việc thích nghi và xây dựng lại.
Nước cũng được phát hiện trên Mặt Trăng (2009). Thủy ngân và một lượng lớn bạc cũng được tìm thấy trên vệ tinh của Trái đất.
Phương pháp nghiên cứu sinh học, cũng như các chỉ số kỹ thuật và vật lý, cho phép chúng tôi tự tin kết luận rằng tác động của bức xạ ion và sự phơi nhiễm trong không gian là vô hại (ít nhất là không nguy hại hơn trên Trái đất).
Các nghiên cứu khoa học đã chứng minh rằng việc ở lâu trong không gian không ảnh hưởng đến thể chất của các phi hành gia. Tuy nhiên, vấn đề tâm lý vẫn còn.
Các nghiên cứu đã được tiến hành chứng minh rằng thực vật bậc cao phản ứng khác nhau khi ở trong không gian. Hạt của một số cây trong nghiên cứu không cho thấy bất kỳ sự thay đổi gen nào. Ngược lại, những người khác cho thấy sự biến dạng rõ ràng ở cấp độ phân tử.
Kinh nghiệm,được tiến hành trên các tế bào và mô của sinh vật sống (động vật có vú) đã chứng minh rằng không gian không ảnh hưởng đến trạng thái bình thường và hoạt động của các cơ quan này.
Nhiều loại nghiên cứu y tế khác nhau (chụp cắt lớp, MRI, xét nghiệm máu và nước tiểu, tim đồ, chụp cắt lớp vi tính, v.v.) dẫn đến kết luận rằng các đặc điểm sinh lý, sinh hóa, hình thái của tế bào người không thay đổi khi ở trong không gian lên đến 86 ngày.
Trong điều kiện phòng thí nghiệm, một hệ thống nhân tạo đã được tái tạo cho phép bạn tiến gần nhất có thể đến trạng thái không trọng lượng và do đó nghiên cứu tất cả các khía cạnh về ảnh hưởng của trạng thái này đối với cơ thể. Do đó, điều này giúp chúng ta có thể phát triển một số biện pháp phòng ngừa để ngăn chặn tác động của yếu tố này trong chuyến bay của con người trong điều kiện không trọng lực.
Kết quả của ngoại sinh học là dữ liệu chỉ ra sự hiện diện của các hệ thống hữu cơ bên ngoài sinh quyển của Trái đất. Cho đến nay, chỉ có công thức lý thuyết của những giả định này là có thể thực hiện được, nhưng các nhà khoa học sẽ sớm có kế hoạch thu thập bằng chứng thực tế.
Nhờ nghiên cứu của các nhà sinh học, vật lý, bác sĩ, nhà sinh thái học và nhà hóa học, những cơ chế tác động sâu sắc của con người lên sinh quyển đã được tiết lộ. Điều này có thể thực hiện được bằng cách tạo ra các hệ sinh thái nhân tạo ngoài hành tinh và gây ảnh hưởng lên chúng giống như trên Trái đất.
Đây không phải là tất cả những thành tựu của sinh học không gian, vũ trụ học và y học ngày nay, mà chỉ là những thành tựu chính. Có rất nhiều tiềm năng, việc triển khainhiệm vụ của các ngành khoa học được liệt kê trong tương lai.
Cuộc sống trong không gian
Theo quan niệm hiện đại, sự sống trong không gian có thể tồn tại, vì những khám phá gần đây xác nhận sự hiện diện trên một số hành tinh có điều kiện thích hợp cho sự xuất hiện và phát triển của sự sống. Tuy nhiên, ý kiến của các học giả về vấn đề này chia thành hai loại:
- cuộc sống không ở đâu ngoài Trái đất, chưa bao giờ và sẽ không bao giờ có;
- sự sống tồn tại trong không gian bao la rộng lớn, nhưng con người vẫn chưa khám phá ra nó.
Giả thuyết nào là đúng - tùy mỗi cá nhân quyết định. Có đủ bằng chứng và bác bỏ cho cả cái này và cái kia.
