Урок биологии в музее истории космонавтики им. К.Э. Циолковского
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.
Космическая биология тесно связана с космической медициной, ее подразделом является космическая радиобиология. Исследования в космобиологии базируются на классических трудах русских и советских ученых К.А. Тимирязева, В.И. Вернадского, В.В. Докучаева, И.П. Павлова, И.М. Сеченова, разрабатывавших различные аспекты взаимодействия организмов с внешней средой и пути приспособления организмов к изменяющимся условиям среды. Велико также значение теоретических и экспериментальных данных по сравнительной физиологии (Л.А. Орбели), климатофизиологии (К.М. Быков) и особенно авиационной физиологии и гигиене. Основы этих исследований были заложены еще во время второй мировой войны.
Космическое пространство резко отличается от среды, в которой обитают живые организмы в пределах биосферы Земли: низкая плотность вещества, отсутствие молекулярного кислорода, высокая интенсивность биологически активного излучения, резкие колебания температуры и метеорные потоки полностью исключают возможность жизнедеятельности высокоорганизованных представителей живого мира в незащищенном состоянии. Весьма специфичны условия обитания в кабине КК в результате воздействия вибраций, шума, ускорений, невесомости, изоляции.
Таким образом, необходимо решать задачи совершенствования биотехнических систем жизнеобеспечения, разрабатывать средства и методы повышения устойчивости организмов в космических полетах, что крайне важно для обеспечения более длительных полетов человека и его земных спутников (растения, животные).
Первым этапом биологических исследований на ракетах в конце 40-х и начале 50-х гг. в условиях, близких к космическому полету, явились многократные полеты собак и других животных на ракетах на высоту до 450 км. Впервые были разработаны устройства для жизни животных в герметических кабинах (или спец. скафандрах), а также дистанционные методы регистрации поведенческих и физиологических реакций животных на условия полета (демонстрация музейных экспонатов: механизма передачи физиологических функций животных по радио – схема; катапультируемой тележки для подопытных животных с регистрирующей и физиологической аппаратурой и парашютом).
Полученные экспериментальные данные позволили положительно решить вопрос о переносимости высокоорганизованными животными продолжительного действия ускорений и невесомости.
Биологические эксперименты при полетах КК проводились на собаках, крысах, мышах, морских свинках, лягушках, мухах-дрозофилах, высших растениях (традесканция, семена пшеницы, гороха, лука, кукурузы, проростки растений на разных стадиях развития), на икре улитки, одноклеточных водорослях (хлорелла), культуре тканей человека и животных, бактериальных культурах, вирусах, фугах, некоторых ферментах. Важными для дальнейшего исследования в области экофизиологии явились эксперименты на советском биологическом искусственном спутнике Земли «Космос-110» с двумя собаками на борту (1966) и на американском биоспутнике «Биос-3» с обезьяной на борту (1969). По исследованию влияния на биологические объекты ионизирующего излучения радиационного пояса Земли эксперименты проводились на черепахах, кишечной палочке, дрозофилах (1968-1970 гг.).
В серии этих и других экспериментов было установлено, что невесомость несколько снижает переносимость организмом физических напряжений и затрудняет реадаптацию к нормальной гравитации, но не обладает мутагенной активностью, по крайней мере, в отношении генных и хромосомных мутаций. Исследования в области космической биологии и впредь будут крайне необходимы при биологической разведке новых космических трасс, разработке биотелеметрии, «сжатии» биологической информации и особенно при выборе биологических объектов (автотрофных и гетеротрофных) для замкнутых биотехнических систем.
В 1972 г. подписано соглашение между СССР и США о сотрудничестве в исследовании и использовании космического пространства в мирных целях, а также в области космической биологии и медицины.
В задачу космической медицины входят: исследование влияния на организм человека факторов космического полета, устранение их неблагоприятных воздействий, разработка соответствующих профилактических мер и средств; разработка физиолого-гигиенических требований к системам жизнеобеспечения и к средствам спасения членов экипажа при возникновении аварийных ситуаций; профилактика и лечение заболеваний в космическом полете; разработка клинических и психофизиологических методов отбора и подготовки космонавтов (демонстрация музейных стендов, посвященных тренировкам космонавтов, чертежей профилактических нагрузочных костюмов, аварийно-спасательных скафандров, различных экспонатов бытовой техники: система водообеспечения, массметры, сборник конденсата, поглотитель углекислого газа, бортовой подогреватель пищи, прибор «градус», холодильная камера, беговая дорожка; других предметов быта: продукты питания, инструменты, лекарства и др.).
Можно быть уверенным, что опыт, накопленный космической биологией и медициной, явится достаточно надежной предпосылкой успехов в этом направлении. Сбывается предсказание К.Э. Циолковского: «Человек будет жить и работать в космосе».
Группам учащихся (во главе с учеником-руководителем) предлагается поработать с экспонатами музея, выполнить ряд заданий. Задания могут быть различного характера и уровня сложности. Приведем пример нескольких вариантов заданий.
Задание №1.
1. Проанализируйте инструкцию по рациону питания космонавтов (музейный экспонат). Переписать ее.
2. Сравните рацион питания человека и космонавта (сравнить суточную калорийность двух рационов по соответствующим таблицам калорийности пищевых продуктов).
3. Сделайте выводы о пищевой нагрузке «землян» и космонавтов.
Задание №2.
1. Используя экспонаты музея: сборник конденсата и поглотитель углекислого газа составьте письменный рассказ о возможном механизме процесса дыхания космонавтов.
2. При составлении рассказа используйте следующую информацию. При дыхании кислород окисляет глюкозу в крови, и в результате этой реакции выделяется вода и углекислый газ. Эти продукты, смешанные с неиспользованным кислородом, выделяются из организма. … Кислород находится в баллонах под давлением. Углекислый газ может быть поглощен гидроксидом щелочного металла. С помощью оксида металла можно удалить и воду.
3. Составьте уравнения реакции, описывающие процесс поглощения углекислого газа и паров воды, используя в качестве металла литий.
Задание №3.
1. Проанализируйте чертежи и рисунки, сделанные К.Э. Циолковским в ходе изучения полетов насекомых и птиц (музейные экспонаты).
2. Какие особенности в строении птиц и насекомых позволили К.Э. Циолковскому использовать их для конструкции летательных аппаратов?
3. Сделайте соответствующие рисунки.
4. Лекция «Проблема поиска внеземных цивилизаций». Основные вопросы:
Проблема поиска внеземных цивилизаций в современной науке. Жизнь земного типа. Иные формы жизни. Распространение разумной жизни во Вселенной.
Методы поиска разумной жизни во Вселенной.
Пути установления межкосмических контактов. Возможно ли взаимопонимание? Искусственный разум.
Пришельцы из космоса.
Философское значение проблемы внеземных цивилизаций.
Демонстрации: Звездное небо. Созвездия Кита, Эридана, Лебедя. Рассвет над Калугой. Панорама города.
Видеофрагменты: «10 минут об НЛО», «Что случилось в Росуэлле в 1947 году».
5. После экскурсии каждая группа под руководством ученика-руководителя все данные обобщает, систематизирует, и каждый ученик самостоятельно оформляет индивидуальный отчет по плану, предложенному в методической карте.
6. Руководитель группы собирает отчеты и оценивает их по следующим критериям: активность во время экскурсии, личный вклад в работу группы, правильность оформления отчета, его полнота, правильность решения предложенных задач.
После анализа отчетов, учитель, руководствуясь мнением руководителя группы, выставляет ученикам отметки за экскурсию.
Литература
1. Космонавтика. Энциклопедия. Под ред. В.П. Глушко. – М.: Советская энциклопедия, 1985. – 528 с.
2. Парин В.В., Космолинский Ф.П., Душков Б.А. Космическая медицина и биология. Пособие для учителей. – М.: Просвещение, 1970. – 224 с.
3. Планетарий. Цикл учебных лекций по астрономии. Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, 2007.
4. Фертрегт М. Основы космонавтики. Пер. с англ. А.Н. Рубашова. Под ред. А.А. Космодемьянского. Пособие для студентов. – М.: Просвещение, 1969. – 301 с.
5. Циолковский К.Э. Черты моей жизни./ Сост. И.С. Короченцев. – Тула: Приокское книжное издательство, 1983. – 158 с.
1