ИнститутЕстествознания КГПУ им. К.Э. Циолковского;
Урокбиологии 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 идейфизическое обоснование процессов жизнедеятельности способствует выработке ушкольников убеждений в том, что материальное единство природы сочетается скачественным своеобразием структурных уровней материи, что физические процессысовершаются в живых системах, но «преломляются» сквозь призму биологическойорганизации, дополняются информационными, что методологические принципыестественных наук частично перекрываются лишь в сфере причинности. Этомуспособствует установление внутрипредметных и межпредметных связей с другимидисциплинами естественнонаучного и гуманитарного цикла, разработка комплексныхформ обучения. Материал экскурсии может быть включен в инвариантную ивариативную части учебного плана в качестве региональной компоненты.
Рекомендации: урок можно проводить в учебноевремя с учащимися 8-х, 9-х, 10-х, 11-х классов при рассмотрении вопросовкосмической биологии и медицины, изучении различных теорий происхождения жизни(в том числе самозарождения, панспермии), эволюции взглядов на формы жизни; атакже с ребятами, которые посещают факультативные и элективные курсы.
Цель: продолжить осуществлениебиологического образования школьников, дополнив и расширив их знания сведениямипо современным проблемам биологии с использованием краеведческого материала.Образовательная задача: углубитьзнания учащихся по биологии за курс основной и полной средней школы, ознакомитьребят с понятиями космической медицины и биологии, основы которых были заложеныК.Э. Циолковским.
Воспитательная задача: в целях патриотического воспитанияраскрыть учащимся значение работ К.Э. Циолковского для биологии имедицины.
Развивающая задача: в целях развития мотивационной сферыучащихся раскрыть смысл в понимании необходимости развития различных разделов биологиидля общего прогресса человечества в освоении космического пространства; винтеллектуальном плане продолжить развитие наблюдательности, умения сравниватьи переносить знания на другие ситуации, обобщать и анализировать, делать выводы;в целях развития умений практического труда продолжить развитие умений посоставлению отчета об экскурсии.
Организация экскурсии
Учитель заранеедоговаривается с администрацией музея о предстоящей экскурсии. За неделю вклассе (кабинете биологии) учитель вывешивает объявление, в котором указаны:
- дата проведенияэкскурсии, время и место сбора, стоимость экскурсионного билета;
- списокученических групп, которые будут работать на экскурсии, с указанием заданий длягрупп и старшего по группе;
- форма отчета(индивидуальная).
Ученические группыобразованы по тому признаку, который наиболее целесообразен для данного класса.
План:
1. Вводная часть (инструктаж поправилам работы в музее)
2. Проведение экскурсии в музее с болееподробным описанием тех экспонатов, которые, так или иначе, затрагивают аспектыбиологической науки.
3. Выполнение заданий группами учащихсяв музее.
4. Посещение планетария, прослушиваниелекции на тему «Проблема поиска внеземных цивилизаций».
5. Выполнение школьниками письменногоотчета, оформление заданий (индивидуально).
6. Оценка учителем работ учеников,выставление отметок (в журнале и дневниках).
Проведение экскурсии
Вопросы биологии в трудахК.Э. Циолковского (тезисно из статьи «Пророк в своем Отечестве»). Проблемыкосмической медицины и биологии, философские проблемы освоения космоса,самозарождение жизни, биомеханика и др.
В 30-е годы в связи сразвитием высотной авиации и овладением стратосферой в СССР началисьмедико-биологические исследования, имеющие непосредственное отношение квопросам космической биологии и медицины. Так, уже в те годы были разработаныкабины летательных аппаратов, снабженные системой регенерации воздуха. Припостройке стратостатов перед отечественными физиологами и гигиенистами былапоставлена задача обеспечения жизнедеятельности и работоспособности трехвоздухоплавателей в герметических гондолах. Необходимо было исследовать течениефизиологических процессов в герметически замкнутом объеме с давлениемискусственной атмосферы около 500 мм. рт.ст. При этом нужно было установитьзакономерности нарастания концентрации углекислого газа и снижения содержаниякислорода в воздухе герметичной гондолы, найти способы удаления избыточногоуглекислого газа и влаги из воздуха, рекомендовать наиболее надежный иэкономичный способ возмещения израсходованного кислорода, разработать пищевойрацион, аварийный пищевой запас, целесообразную одежду для экипажа и решитьвопрос удаления отходов жизнедеятельности. Результаты этих исследований былииспользованы при конструировании герметичных кабин самолетов и послужилиосновой для создания систем жизнеобеспечения космических кораблей. В качестверезервного средства защиты стратонавта при аварийной разгерметизации кабиныстратосферных самолетов и предотвращения взрывной декомпрессии инженерами иавиационными врачами к 1940 г. был создан первый скафандр. В них можно былоподдерживать давление кислорода в пределах 110-260 мм рт.ст., и они обеспечивали достаточную подвижность летчиков.
Работы авиационныхфизиологов, гигиенистов, психологов в эти годы сыграли большую роль в раскрытиимеханизмов регуляции физиологических функций при воздействии на организмчеловека различных факторов полета: гипоксии, ускорений, повышенного ипониженного барометрического давления, взрывной декомпрессии, высоких и низкихтемператур, малых и больших яркостей, электромагнитных колебаний сверхвысокойчастоты, ультрафиолетовой и инфракрасной радиации и др. Одновременно былиразработаны теоретические и практические принципы медицинского отбора летногосостава и их специальной физической тренировки.
Эти эксперименты помоглирешить ряд медико-биологических проблем, непосредственно связанных спроникновением человека в космическое пространство.
Подготовка иосуществление первого биологического эксперимента в космосе при полете второгоискусственного с собакой Лайкой на борту по орбите вокруг Земли позволилиустановить важный факт: высокоорганизованные животные удовлетворительнопереносят условия космического полета. Были обнаружены некоторые особенностифизиологического состояния животного в условиях невесомости. Было отмечено,например, что частота сердечных сокращений снижается после окончания действияперегрузок в космическом полете медленнее, чем в земных условиях. Этотэксперимент дал ценный опыт как в отношении отбора и тренировки животных дляпосылки в космос, так и в отношении оборудования кабин, создания системжизнеобеспечения и телеметрического контроля состояния физиологических функцийживотного.
Таким образом, примоделировании экспериментов на космических кораблях-спутниках, во-первых, былиприменены различные методы физиологических исследований, во-вторых, осуществленэволюционный подход к исследованию биологического действия факторовкосмического полета. В кабину корабля помещался ряд различных по сложностиорганизации биологических объектов – от собак до растений, микроорганизмов ифагов. Эти особенности позволили с полным основанием назвать второй и третийкосмические корабли-спутники «летающими лабораториями». И, в-третьих, такиеэксперименты послужили своеобразной репетицией первого полета человека вкосмос.
Новый этап развитиякосмической биологии и медицины знаменует собой переход от простогокачественного установления отсутствия вредных последствий полета к точномуколичественному анализу биологических явлений, связанных с влиянием факторовкосмического пространства. Подвергая организм определенным дозированнымвоздействиям в условиях невесомости и сравнивая его реакции с реакциями наподобные же воздействия в лабораторных условиях, можно получить довольно полноепредставление о гомеостатической функции различных органов и систем. Решениевновь возникших задач, направленных на сохранение гомеостаза (постоянствавнутренней среды) организма и высокой работоспособности космонавтов вдлительном космическом полете и при выходе в открытый космос из космическогокорабля, уже находит свое отражение в научной печати.
В настоящее времяисследователи уделяют максимальное внимание следующим проблемам космическойбиологии и медицины:
1) детальному изучениюмеханизмов действия факторов космического полета и разработке средствустранения или ослабления их отрицательных воздействий;
2) дальнейшемусовершенствованию и созданию замкнутых экологических систем жизнеобеспечения;
3) дальнейшему изучениютруда космонавтов в целях определения оптимальных способов и интенсивностиработы при выполнении любых заданий и улучшения функциональных способностейорганизма в полете.
Большое значениеприобретают также цитохимические и электронномикроскопические исследования,позволяющие в значительной степени подкрепить физиологические и биохимическиевыводы.
Проблема биологическихритмов, их роль в сохранении гомеостатических реакции организма в условияхдлительного полета приобретают в космической физиологии определенное значение.
В условиях экстремальныхвоздействий нет полного соответствия между протекающими в организмеметаболическими процессами и энергетическим балансом. При энергетическихуровнях одинаковой значимости, нередко наблюдавшихся в условиях воздействияразличных по силе раздражителей и при качественно различном и равном покалорийности питании, не исключены выраженные нарушения в общем, функциональномсостоянии организма, его реактивности. Например, было установлено, что одна ита же доза фармакологического препарата в зависимости от функциональногосостояния организма приводит к различному эффекту. Так, например, послевоздействия ускорения вместо обычной реакции брадикардии (снижение частотыпульса) на введение стрихнина можно было отметить учащение ритма сердечнойдеятельности. Стрихнин здесь не вызывал свойственного ему влияния на центрыблуждающего нерва, а приводил к усилению функции симпатической нервной системы.Значит, важно углубить представления не только о влиянии на организм отдельныхфакторов полета (ускорения, невесомость, гипокинезия, т.е. ограничениеподвижности, шум, изменение температуры и др.), но и о воздействии таковых всовокупности на всех уровнях, начиная от молекулярно-субклеточных и кончаяорганизменным.
Учение о реактивностиорганизма, базирующееся на классических положениях творцов этого ученияН.Е. Введенского и А.А. Ухтомского, приобретает в космическойфизиологии ведущее значение. Различные по характеристике раздражители в зависимостиот исходного функционального состояния могут обусловливать одинаковый эффект, инаоборот, один и тот же раздражитель может вызвать различные эффекты.
Под влияниемэкстремальных воздействий, совместимых с нормальной жизнедеятельностью,возникает адаптивная перестройка функций, которая раздвигает границысуществования организма, приводит к смещению зоны оптимума и к ослаблениюзависимости от внешних условий. Появляется новый функциональный уровеньжизнедеятельности, предопределяющий новые особенности реакций организма как нанепосредственное экстремальное воздействие, так и в период восстановленияфункций до исходного уровня.
Следует подчеркнутьзначение новых методов обработки биологической информации, в частностикибернетических и математических. При обработке полученных данных обычнымиспособами извлекается только часть полезной информации. Обращаясь с новыхпозиций 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 колеблемостипульса у животных и людей в условиях невесомости. Этот феномен связан сотносительным усилением тонуса парасимпатического отдела вегетативной нервнойсистемы.
Новый этап физиологическихисследований в космосе был начат полетом корабля «Восход», пилотируемогокомандиром корабля космонавтом В.М. Комаровым. В составе экипажа был такжеврач Б.Б. Егоров, и это позволило впервые применить функционально иконструктивно самостоятельную систему медицинских исследований.
Кроме того, новейшиеметодики обследований человека на борту корабля позволили обнаружить отдельныефункциональные проявления после завершения полета: ортостатическаянеустойчивость (значительное изменение сосудистого тонуса при переходе тела изгоризонтального положения в вертикальное), изменения картины крови (уменьшениемассы эритроцитов, уменьшение продолжительности жизни эритроцитов), изменениявводно-минерального обмена (баланса жидкостей и кальция). Предотвращение этихнарушений – важнейшая задача космической медицины. Как показали исследования,эффективными средствами повышения устойчивости организма к влияниюэкстремальных являются, в частности, высокогорная тренировка и физическаяподготовка.
Итак, космическаябиология – комплексная научная дисциплина, охватывающая совокупностьобщебиологических, биофизических, биохимических, физико-химических,математических, астрофизических, геофизических, инженерно-конструкторских и др.исследований, направленных на изучение и решение таких проблем, какпроисхождение, наличие, распространение, особенности эволюции живой материи(возможно инопланетного происхождения) во Вселенной; особенностижизнедеятельности и поведения земных организмов в условиях космическогопространства, на других небесных телах или при полетах на космическихаппаратах; построение искусственной среды обитания на космических кораблях (КК)и орбитальных станциях на основе использования различных биологическихобъектов.
Космическая биологиятесно связана с космической медициной, ее подразделом является космическаярадиобиология. Исследования в космобиологии базируются на классических трудахрусских и советских ученых К.А. Тимирязева, В.И. Вернадского,В.В. Докучаева, И.П. Павлова, И.М. Сеченова, разрабатывавшихразличные аспекты взаимодействия организмов с внешней средой и путиприспособления организмов к изменяющимся условиям среды. Велико также значениетеоретических и экспериментальных данных по сравнительной физиологии(Л.А. Орбели), климатофизиологии (К.М. Быков) и особенно авиационнойфизиологии и гигиене. Основы этих исследований были заложены еще во времявторой мировой войны.
Космическое пространстворезко отличается от среды, в которой обитают живые организмы в пределахбиосферы Земли: низкая плотность вещества, отсутствие молекулярного кислорода,высокая интенсивность биологически активного излучения, резкие колебаниятемпературы и метеорные потоки полностью исключают возможностьжизнедеятельности высокоорганизованных представителей живого мира в незащищенномсостоянии. Весьма специфичны условия обитания в кабине КК в результатевоздействия вибраций, шума, ускорений, невесомости, изоляции.
Таким образом, необходиморешать задачи совершенствования биотехнических систем жизнеобеспечения,разрабатывать средства и методы повышения устойчивости организмов в космическихполетах, что крайне важно для обеспечения более длительных полетов человека иего земных спутников (растения, животные).
Первым этапомбиологических исследований на ракетах в конце 40-х и начале 50-х гг. вусловиях, близких к космическому полету, явились многократные полеты собак идругих животных на ракетах на высоту до 450 км. Впервые были разработаны устройства для жизни животных в герметических кабинах (или спец. скафандрах), а такжедистанционные методы регистрации поведенческих и физиологических реакцийживотных на условия полета (демонстрация музейных экспонатов: механизмапередачи физиологических функций животных по радио – схема; катапультируемойтележки для подопытных животных с регистрирующей и физиологической аппаратуройи парашютом).
Полученныеэкспериментальные данные позволили положительно решить вопрос о переносимостивысокоорганизованными животными продолжительного действия ускорений иневесомости.
Биологическиеэксперименты при полетах КК проводились на собаках, крысах, мышах, морскихсвинках, лягушках, мухах-дрозофилах, высших растениях (традесканция, семенапшеницы, гороха, лука, кукурузы, проростки растений на разных стадияхразвития), на икре улитки, одноклеточных водорослях (хлорелла), культуре тканейчеловека и животных, бактериальных культурах, вирусах, фугах, некоторыхферментах. Важными для дальнейшего исследования в области экофизиологии явилисьэксперименты 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 биологическиеобъекты ионизирующего излучения радиационного пояса Земли эксперименты проводилисьна черепахах, кишечной палочке, дрозофилах (1968-1970 гг.).
В серии этих и другихэкспериментов было установлено, что невесомость несколько снижает переносимостьорганизмом физических напряжений и затрудняет реадаптацию к нормальнойгравитации, но не обладает мутагенной активностью, по крайней мере, в отношениигенных и хромосомных мутаций. Исследования в области космической биологии ивпредь будут крайне необходимы при биологической разведке новых космическихтрасс, разработке биотелеметрии, «сжатии» биологической информации и особеннопри выборе биологических объектов (автотрофных и гетеротрофных) для замкнутыхбиотехнических систем.
В 1972 г. подписано соглашение между СССР и США о сотрудничестве в исследовании и использованиикосмического пространства в мирных целях, а также в области космическойбиологии и медицины.
В задачу космическоймедицины входят: исследование влияния на организм человека факторовкосмического полета, устранение их неблагоприятных воздействий, разработкасоответствующих профилактических мер и средств; разработкафизиолого-гигиенических требований к системам жизнеобеспечения и к средствамспасения членов экипажа при возникновении аварийных ситуаций; профилактика илечение заболеваний в космическом полете; разработка клинических ипсихофизиологических методов отбора и подготовки космонавтов (демонстрациямузейных стендов, посвященных тренировкам космонавтов, чертежейпрофилактических 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, чтоопыт, накопленный космической биологией и медициной, явится достаточно надежнойпредпосылкой успехов в этом направлении. Сбывается предсказаниеК.Э. Циолковского: «Человек будет жить и работать в космосе».
Группам учащихся (воглаве с учеником-руководителем) предлагается поработать с экспонатами музея,выполнить ряд заданий. Задания могут быть различного характера и уровнясложности. Приведем пример нескольких вариантов заданий.
Задание №1.
1. Проанализируйтеинструкцию по рациону питания космонавтов (музейный экспонат). Переписать ее.
2. Сравните рационпитания человека и космонавта (сравнить суточную калорийность двух рационов посоответствующим таблицам калорийности пищевых продуктов).
3. Сделайте выводы о пищевойнагрузке «землян» и космонавтов.
Задание №2.
1. Используя экспонатымузея: сборник конденсата и поглотитель углекислого газа составьте письменныйрассказ о возможном механизме процесса дыхания космонавтов.
2. При составлениирассказа используйте следующую информацию. При дыхании кислород окисляетглюкозу 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 бытьпоглощен гидроксидом щелочного металла. С помощью оксида металла можно удалитьи воду.
3. Составьте уравненияреакции, описывающие процесс поглощения углекислого газа и паров воды,используя в качестве металла литий.
Задание №3.
1. Проанализируйтечертежи и рисунки, сделанные К.Э. Циолковским в ходе изучения полетовнасекомых и птиц (музейные экспонаты).
2. Какие особенности встроении птиц и насекомых позволили К.Э. Циолковскому использовать их дляконструкции летательных аппаратов?
3. Сделайтесоответствующие рисунки.
4. Лекция «Проблема поиска внеземныхцивилизаций». Основные вопросы:
· Проблема поискавнеземных цивилизаций в современной науке. Жизнь земного типа. Иные формыжизни. Распространение разумной жизни во Вселенной.
· Методы поискаразумной жизни во Вселенной.
· Пути установлениямежкосмических контактов. Возможно ли взаимопонимание? Искусственный разум.
· Пришельцы изкосмоса.
· Философскоезначение проблемы внеземных цивилизаций.
Демонстрации: Звездноенебо. Созвездия Кита, Эридана, Лебедя. Рассвет над Калугой. Панорама города.
Видеофрагменты: «10 минутоб НЛО», «Что случилось в Росуэлле в 1947 году».
5. После экскурсии каждая группа подруководством ученика-руководителя все данные обобщает, систематизирует, икаждый ученик самостоятельно оформляет индивидуальный отчет по плану,предложенному в методической карте.
6. Руководитель группы собирает отчеты иоценивает их по следующим критериям: активность во время экскурсии, личныйвклад в работу группы, правильность оформления отчета, его полнота,правильность решения предложенных задач.
После анализа отчетов, учитель,руководствуясь мнением руководителя группы, выставляет ученикам отметки заэкскурсию.
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. Космическаямедицина 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.