Искусственный климат в космосе. Физиологические проблемы невесомости

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 14.12.2024

Люди, которые отправляются в космос, сталкиваются с рядом опасностей для своего здоровья. Многие космонавты после определенного периода времени, проведенного в невесомости, не могут вернуть свои прежние показатели физической подготовки. Рассказываем, почему с научной точки зрения опасно находиться в космосе.

Читайте «Хайтек» в

Подготовка космонавтов

Первые космонавты в СССР и США набирались из числа военных летчиков и летчиков-испытателей, однако потребности космонавтики в различных специалистах росли, и вскоре в космос полетели врачи, инженеры, ученые и представители других профессий.

В России исторически сложилось три отряда подготовки космонавтов, это отряды РГНИИ ЦПК, РКК «Энергия» и ГНЦ ИМБП. На 31 мая 2008 года в России насчитывалось 33 активных космонавта и 7 кандидатов в космонавты.

В отряде НАСА на 31 августа 2008 года состояло 90 астронавтов, кроме того, 28 человек числилось астронавтами-менеджерами.

По правилам Международной авиационной федерации «космическим» считается полет на высоте 100 км и выше. Согласно классификации военно-воздушных сил США, «космическим» считается полет, высота которого превышает 80 км 467 м (50 миль).

В России же «космическим» называется орбитальный полет, то есть тот, при котором космический аппарат должен сделать хотя бы один виток вокруг Земли. Поэтому в различных источниках приводится различное число космонавтов. К тому же ВВС США награждают знаком — «крылышками астронавта» пилотов, поднимавшихся до высоты свыше 50 миль.

Влияние космоса в первые секунды нахождения

С первой секунды невесомости в организме начинают происходить процессы, вредные для человека.

Проявляется болезнь движения в космической форме (аналог морской болезни), меняется взаимодействие сенсорных систем и развиваются сенсорные конфликты в организме, нарушается работа вестибулярного аппарата и координация движений, из костей начинает вымываться кальций, снижается минеральная плотность различных частей скелета, происходит перераспределение минералов, причем кости ног теряют меньше, нежели поясничные позвонки, кости таза и бедренная кость. Наиболее подверженной риску перелома оказывается шейка бедра.

Меняется обмен веществ (отрицательный азотистый баланс и превалирование процессов катаболизма; изменение секреции ряда гормонов; прогрессирующее замедление утилизации глюкозы при сахарной нагрузке по мере увеличения продолжительности полетов) и водно-солевой баланс (уменьшение объема плазмы и межклеточной жидкости).

После установления отрицательного баланса ряда ионов в крови появляются патологические формы эритроцитов. В невесомости снижается не только артериальный, но и венозный тонус, что чревато развитием в раннем послеполетном периоде варикозного поражения вен нижних конечностей.

Физиологические эффекты

С 2 ноября 2017 года ученые сообщили, что существенные изменения в положении и структуре мозга были обнаружены у космонавтов , совершивших полеты в космос, на основании исследований МРТ. Астронавты, совершавшие более длительные космические путешествия, были связаны с более значительными изменениями в мозге.

В октябре 2018 года исследователи, финансируемые НАСА , обнаружили, что длительные путешествия в космическое пространство , включая путешествия в планета Марс может существенно повредить желудочно-кишечные ткани космонавтов. Исследования подтверждают более раннюю работу, которая показала, что такие путешествия могут значительно повредить мозг астронавтов и преждевременно состарить их.

В марте 2019 года НАСА сообщило, что скрытые вирусы у людей могут активироваться во время космических миссий , что, возможно, увеличивает риск для космонавтов в будущих полетах в дальний космос.

Космическая медицина — это разработка медицинской практики , изучающей здоровье космонавтов, живущих в открытом космосе. Основная цель этого научного исследования — выяснить, насколько хорошо и как долго люди могут выжить в экстремальных условиях в космосе и как быстро они могут адаптироваться к окружающей среде Земли после возвращения из космоса.

Космическая медицина также стремится разработать профилактические и паллиативные меры для облегчения страданий, причиняемых проживанием в среде, к которой люди плохо приспособлены.

Во время взлета и входа космические путешественники могут испытывать гравитацию, в несколько раз превышающую нормальную. Нетренированный человек обычно выдерживает около 3 g, но может потерять от 4 до 6 g.

Перегрузка в вертикальном направлении переносится труднее, чем сила, перпендикулярная позвоночнику, потому что кровь течет от мозга и глаз. Сначала человек испытывает временную потерю зрения, а затем при более высоких перегрузках теряет сознание.

Тренировка силы перегрузки и G-костюм, который сжимает тело, чтобы удерживать больше крови в голове, могут смягчить последствия. Большинство космических аппаратов спроектированы так, чтобы поддерживать перегрузки в комфортных пределах.

Окружающая среда космоса смертельна без соответствующей защиты: самая большая угроза в космическом вакууме возникает из-за недостатка кислорода и давления, хотя температура и радиация также представляют опасность. Последствия космического воздействия могут привести к эбулизму, гипоксии, гипокапнии и декомпрессионной болезни.

В дополнение к этому существуют также клеточные мутации и разрушение из-за высокоэнергетических фотонов и субатомных частиц, которые присутствуют в окружение.

Декомпрессия — серьезная проблема во время внекорабельной деятельности (выход в открытый космос) космонавтов. Текущие конструкции EMU учитывают эту и другие проблемы и со временем развиваются.

Ключевой проблемой были конкурирующие интересы увеличения мобильности космонавтов (которая снижается с помощью EMU высокого давления, аналогично сложности деформации надутого аэростата относительно спущенного) и минимизации риска декомпрессии.

Тяжелые симптомы, такие как потеря кислорода в ткани, за которой следует недостаточность кровообращения и вялый паралич, проявятся примерно через 30 секунд.

Легкие также схлопываются в этом процессе, но продолжают выделять водяной пар, что приводит к охлаждению и образованию льда в дыхательных путях. По приблизительным оценкам, у человека будет около 90 секунд для повторного сжатия, после чего смерть может быть неизбежной.

В вакууме нет среды для отвода тепла от тела посредством теплопроводности или конвекции. Потеря тепла происходит из-за излучения от температуры человека 310 тыс. до температуры 3 тыс. в космическом пространстве.

Это медленный процесс, особенно у одетого человека, поэтому опасности немедленного замерзания нет. Быстрое испарительное охлаждение кожной влаги в вакууме может вызвать обледенение, особенно во рту, но это не представляет серьезной опасности.

Без защиты атмосферы и магнитосферы Земли астронавты подвергаются воздействию высоких уровней излучения. Высокий уровень радиационного поражения лимфоцитов, клеток, активно участвующих в поддержании иммунной системы; этот урон способствует пониженному иммунитету, который испытывают космонавты.

Радиация также недавно была связана с более высокой частотой катаракты у космонавтов. Помимо защиты низкой околоземной орбиты, галактические космические лучи представляют дополнительные проблемы для космических полетов человека, поскольку угроза здоровью от космических лучей значительно увеличивает шансы рака через десятилетие или более воздействия.

В исследовании, поддерживаемом НАСА, сообщается, что радиация может нанести вред мозгу астронавтов и ускорить начало болезни Альцгеймера. Вспышки (хотя и редкие) могут дать смертельную дозу облучения за считанные минуты. Считается, что защитные экраны и защитные препараты могут в конечном итоге снизить риски до приемлемого уровня.

Риск для человечества

С космосом и выживанием человечества приходит риск для человеческого рода. Тяжелое событие в будущем может привести к вымиранию людей, которое также известно как экзистенциальный риск.

Многолетний послужной список человечества в отношении выживания в результате стихийных бедствий позволяет предположить, что измеряемый в течение нескольких столетий, экзистенциальный риск, создаваемый такими опасностями, довольно мал.

Тем не менее, исследователи столкнулись с препятствием в изучении человеческого вымирания, поскольку человечество на самом деле никогда не уменьшалось в течение всей истории.

Хотя это не означает, что этого не произойдет в будущем с такими естественными экзистенциальными сценариями, как: воздействие метеоров и крупномасштабный вулканизм; и антропогенно-природные гибридные явления, такие как глобальное потепление и катастрофическое изменение климата или даже глобальная ядерная война.

Наиболее частая проблема, с которой люди сталкиваются в первые часы невесомости, известна как синдром космической адаптации, или SAS, обычно называемый космической болезнью.

Это связано с укачиванием и возникает, когда вестибулярная система адаптируется к невесомости. Симптомы SAS включают тошноту и рвоту, головокружение, головные боли, летаргию и общее недомогание.

О первом случае SAS сообщил космонавт Герман Титов в 1961 году. С тех пор примерно 45% всех людей, летавших в космос, страдали этим заболеванием.

Длительная невесомость включает потерю костной и мышечной массы. Без эффектов силы тяжести скелетные мышцы больше не требуются для поддержания осанки, а группы мышц, используемые при перемещении в невесомости, отличаются от тех, которые требуются для передвижения по земле.

В условиях невесомости космонавты почти не нагружали мышцы спины или мышцы ног, используемые для вставания. Затем эти мышцы начинают слабеть и в конечном итоге становятся меньше.

Следовательно, некоторые мышцы быстро атрофируются, и без регулярных упражнений космонавты могут потерять до 20% своей мышечной массы всего за 5-11 дней. Типы мышечных волокон, выступающих в мышцах, также меняются.

Медленно сокращающиеся волокна выносливости, используемые для поддержания осанки, заменяются быстро сокращающимися быстро сокращающимися волокнами, которых недостаточно для любой тяжелой работы.

В космосе космонавты теряют объем жидкости, включая до 22% объема своей крови. Поскольку ему нужно перекачивать меньше крови, сердце атрофируется. Ослабленное сердце приводит к низкому кровяному давлению и может вызвать проблемы с «ортостатической толерантностью» или способностью организма посылать достаточное количество кислорода в мозг без обморока или головокружения космонавта.

В 2013 году НАСА опубликовало исследование, в ходе которого были обнаружены изменения глаз и зрения обезьян, летавших в космос более 6 месяцев. Заметные изменения включали уплощение глазного яблока и изменения сетчатки.

Зрение космического путешественника может становятся расплывчатыми после слишком длительного пребывания в космосе. Другой эффект известен как визуальный феномен космических лучей.

Поскольку невесомость увеличивает количество жидкости в верхней части тела, астронавты испытывают повышенное внутричерепное давление. Это, по-видимому, увеличивает давление на тыльную сторону глазных яблок, влияя на их форму и слегка раздавливая зрительный нерв.

Этот эффект был замечен в 2012 году исследование с использованием МРТ сканирований астронавтов, которые вернулись на Землю после как минимум одного месяца пребывания в космосе.

Такие проблемы со зрением могут стать серьезной проблемой для будущих полетов в дальний космос, включая миссию с экипажем на планету Марс.

Искусственный климат в космосе. Физиологические проблемы невесомости

Главным звеном в механизме влияния невесомости, определяющим включение всех других механизмов изменения физиологических функций, является снятие в структурах организма деформации и механического напряжения, возникновение которых в условиях Земли связано с влиянием силы тяжести [см. статью «К проблеме патогенеза действия невесомости» в настоящем издании].
Эти явления наиболее заметны в увеличении роста космонавтов в условиях полета.

Основными причинами функциональных изменений в организме человека в условиях невесомости являются изменение афферентного входа; снятие гидростатического давления крови и других жидких сред организма; отсутствие нагрузки на костно-мышечную систему.

Реакции, связанные с изменением афферентации. Невесомость как физический фактор может вызвать непосредственные первичные изменения афферентной импульсации лишь от механорецепторов и отолитов, функционирование которых связано с влиянием силы тяжести (гравирецепторы). Теоретический анализ, основанный на общефизиологических представлениях о функционировании мехапорецепторов, позволяет выдвинуть гипотезу не только об изменении в невесомости афферентной импульсации с различных рецепторных групп, но и об уменьшении ее общего потока.

Оно может быть обусловлено потерей веса отолитами, что приводит к отсутствию их давления на волосковые клетки эпителия, воспринимающие раздражение; снижением напряжения позотонической мускулатуры и мышечных усилий при перемещении тела или его отдельных частей в связи с отсутствием необходимости преодоления силы земного притяжения; отсутствием рефлекторных реакций, направленных на сохранение равновесия тела; уменьшением растяжения полых гладкомышечных органов и сосудов; уменьшением деформации паренхиматозных органов вследствие отсутствия веса этих органов и их содержимого; уменьшением нагрузки на костно-суставной аппарат.

Изменение афферентации в невесомости неизбежно приводит к нарушению взаимодействия афферентных систем, что является, по-видимому, основной причиной развития космической формы болезни движения. Эти нарушения конкретно проявляются развитием сенсорных конфликтов в виде поступления из различных сенсорных систем информации, не соответствующей сформировавшемуся ранее, на основании предыдущего жизненного опыта, интегральному чувственному образу, отображающему определенное положение и перемещение тела в пространстве [Reason J. Т., Brand J. J.].

Дефицит импульсации с механорецепторов в невесомости может сопровождаться уменьшением активности дорсального отдела гипоталамуса, гипоталамо-гипофизарной системы и ретикулярной формации с ослаблением ее восходящего и нисходящего влияний [Magoun N.]. Поэтому вполне возможно сделать предположение об изменении и установлении нового уровня корково-подкорковых циклических взаимодействий в виде снижения тонуса и уменьшения тормозящего влияния коры на подкорковые образования.

Однако вследствие предполагаемого ослабления нисходящих тормозных влияний коры больших полушарий и ретикулярной формации на активность гамма-мотонейронов спинного мозга и синапсы, в том числе на первый сенсорный синапс, действующий «как клапан», фильтрующий сенсорные импульсы [Hagbarth К. Е., Kerr D. J., Hernandes-Peon R.], вероятно, можно ожидать улучшения условий поступления афферентации в ЦНС с ряда сенсорных систем, прежде всего с проприоцепторов.

Профилактические средства, направленные на предупреждение или частичную компенсацию неблагоприятных сдвигов, обусловленных влиянием невесомости, играют важную роль в поддержании работоспособности космонавтов в полете и их безопасном возвращении на Землю. По сути своего воздействия применяемая в настоящее время профилактика, как это ни парадоксально, препятствует адаптации организма человека к невесомости и направлена в первую очередь на облегчение реадаптации космонавтов при возвращении на Землю, восполнение дефицита мышечной активности и воспроизведение эффектов, которые в условиях Земли обусловливаются массой крови и тканевой жидкости. Исследования, проведенные в модельных условиях и во время длительных космических полетов, показали, что для достаточной компенсации и предотвращения физиологических сдвигов, возникающих под влиянием невесомости и других факторов полета, могут быть применены следующие методы:
— физические методы, направленные на уменьшение перераспределения крови в невесомости и в периоде реадаптации к земной гравитации, а также на стимуляцию нервно-рефлекторных механизмов, регулирующих кровообращение при вертикальном положении тела (отрицательное давление на нижнюю часть тела; эластичные и проотивоперегрузочные костюмы; электростимуляция мышц и т. д.);
— физические нагрузки, направленные на поддержание тренированности наиболее важных систем организма, активацию «венозных помп» и «периферических мышечных сердец» и стимуляцию некоторых групп рецепторов (физические упражнения, нагрузочные костюмы, нагрузка на скелет);
— целенаправленное воздействие с помощью медикаментозных средств;
— воздействия, связанные с регуляцией питания (добавление в пищу солей, аминокислот и витаминов, нормирование питания и водопотребления) и содержания жидкости в организме (водно-солевые добавки);
— оптимизация среды обитания, режима труда и отдыха и средств психологической поддержки.

Не исключено, что в будущих длительных космических полетах одним из эффективных средств поддержания оптимального функционального состояния организма человека будет искусственная сила тяжести (ИСТ). Можно полагать, что ее воздействие на различные системы организма человека в условиях невесомости будет неоднозначным. Вероятно, ИСТ будет способствовать предотвращению нарушений со стороны сердечно-сосудистой системы и опорно-двигательного аппарата.

Об этом свидетельствуют результаты экспериментов, проведенных на крысах на биоспутнике «Космос-936». При этом было показано, что создание ИСТ величиной lg в течение всего полета (18,5 сут) путем постоянного вращения животных на бортовой центрифуге предотвращало возникновение в космическом полете таких неблагоприятных изменений, как снижение АТФазной активности миозина миокарда, нарушение водно-солевого обмена, ухудшение сократительных свойств и изменение метаболизма скелетной мускулатуры, снижение механической прочности костей конечностей, изменение состояния эндокринных органов и т. п. [Ильин Е. А.]. Вполне естественно, что исследования в этом направлении будут продолжены и в будущем.

Следует, однако, иметь в виду, что создание и применение ИСТ может привести к возникновению ряда физиологических проблем, связанных с пребыванием человека во вращающейся системе. В этом случае теоретически можно ожидать возникновение неблагоприятных изменений ряда функций организма, связанных с вестибулярной системой и ее взаимодействием с другими сенсорными системами (возникновение сенсорных конфликтов, затруднение в ориентации и выполнении локомоций и т. д.).

В упомянутом выше эксперименте с созданием ИСТ на биоспутнике «Космос-936» у крыс было выявлено большее, чем в невесомости, снижение функций высших отделов ЦНС, угнетение в головном мозге белкового метаболизма (особенно в отделах, связанных с осуществлением двигательной активности), снижение чувствительности и реактивности системы полукружных каналов. Эти нежелательные проявления, возможно, были связаны со сравнительно небольшим радиусом бортовой центрифуги, что приводило к возникновению прецессионных и «ориолисовых ускорений [Ильин Е. А.].

Весьма важным является вопрос о выборе режима (постоянного или прерывистого) использования ИСТ. В частности, в случае использования прерывистого режима нельзя исключить возможности возникновения нежелательных эффектов каждый раз, когда будет возобновляться воздействие ИСТ.

Наиболее важное значение использование ИСТ будет, вероятно, иметь при создании космических поселений. В настоящее время имеются данные о том, что животные второго поколения, родившиеся и выросшие в космическом пространстве, вероятно, будут иметь ограниченные возможности к адаптации при возвращении на Землю [Lichtcnberg В. К.]. Это предположение основывается на результатах модельных экспериментов на животных, в ходе которых у кошек отмечалось изменение корковых структур с появлением «функциональной слепоты», что указывает на выраженную зависимость начального развития ЦНС от постоянной достаточно сильной стимуляции всех сенсорных систем. Таким образом, проблема, связанная с использованием ИСТ в качестве средства предупреждения неблагоприятных эффектов невесомости, остается открытой и для ее решения необходимо проведение дальнейших исследований.

Научно-исследовательский проект "Невесомость и её влияние на человека"

Цель: Выяснить, как невесомость влияет на человека и узнать об особенностях без гравитационного пространства.

Проблема: Могут ли последствия невесомости повредить здоровью человека?

Гипотеза: Да, последствия невесомости могут повредить жизнедеятельности и здоровью человека.

Изучить материал по теме проекта.
Узнать информацию о невесомости.
Исследовать научные работы, связанные со здоровьем людей в состоянии невесомости.
Узнать, как можно избежать неблагоприятных последствий (Если они есть) в невесомости для человека и можно ли это сделать.

В современном мире людям всё больше интересно космическое пространство, а эффект невесомости можно испытать, даже не полетев в космос. В скором будущем регулярные полёты будут не редкостью, ведь уже сейчас учёные занимаются разработкой туристических вылетов, делая выходы в космос доступнее и открытие. Так, каждый ли сможет испытать на себе эффект невесомости, не повредив здоровью? Попробую в этом разобраться.

Ранее для человека полёт в космос был чем-то недостижимым, нереальным и фантастичным, теперь же различные космонавты ежемесячно летают в космос для проведения исследований и настройки оборудования. Известный человек знакомый большинству как Илон Маск готовит экспедицию по вылету в космос. Теперь-то и стоит задуматься, действительно ли безопасно отправляться в экспедицию с точки зрения космического давления и невесомости любому человеку?

Глава 1. Невесомость.

Раздел 1.1. История открытия.

Теория всемирного тяготения покончила с вихревой теорией Декарта.С помощью законов Ньютона стало возможным путем математических вычислений получать точные результаты. Это позволило выдвинуть очередную грандиозную задачу — создать небесную механику. За ее решение взялись последователи Ньютона — блестящая плеяда корифеев механики XVIII века Эйлер, Клеро, Лагранж, Лаплас. Но оставался вопрос, который не заинтересовал никого из этих выдающихся ученых. Очень простой вопрос: если существует невесомость, то нельзя ли использовать ее для решения какой-либо полезной задачи? Такие вопросы не были праздными для ученых XVII—XVIII веков. Честь открытия невесомости принадлежит Галилею.

Строгое научное обоснование этого явления основано на теории Ньютона. Иногда говорят, что в прежние времена путь нового открытия в инженерную практику был намного длиннее, чем теперь. Это не совсем верно. Приведем конкретный пример. В «Беседах» Галилея обсуждается еще один ошибочный принцип механики Аристотеля — боязнь пустоты, якобы присущей природе. Галилей критикует этот принцип. А в 1643 году, спустя всего год после смерти ученого, его ученики Э. Торричелли и В. Вивиани открывают вакуум — «торричеллиеву пустоту». Потребовалось всего четыре года, чтобы это открытие получило практическое применение: Блез Паскаль построил первый барометр. Чуть позже Роберт Бойль в Англии и Отто Герике в Германии изобретают первые воздушные насосы. Затем возникает идея паровой машины. Нет, инженеры XVII века не хуже наших современников умели ценить практическую силу новых физических идей!

А вот с невесомостью все получилось не так. Правда, один положительный пример все же известен. Английский промышленник Уильям Уоттс в 1782 году взял патент на производство дроби посредством сбрасывания капель расплавленного свинца с высокой башни. Падая, капли оказывались в состоянии невесомости,приобретали сферическую форму и успевали затвердеть до того, как долетали до земли. А еще через три года тот же Уоттс для этой цели построил в Бристоле первую башню. Кстати, подобный способ используется до сих пор. Очень простой способ. Почему же потребовалось целых полтора века, чтобы додуматься до него?Может быть, не было потребности? Нет, потребность была: войны в Европе велись почти непрерывно. Может, невесомости просто не повезло — на нее не обратил внимание человек масштаба Паскаля? Но позвольте, с этой задачей справился Уоттс, человек, в науке совершенно безвестный.

Раздел 1.2. Физические особенности невесомости.

Вес тела, в отличие от массы, может изменятся под воздействием ускорения. Небольшие изменения веса можно почувствовать, например, при начале движения или остановке лифта. Состояние полного отсутствия веса называется невесомостью.Невесомость — нулевой вес, может возникать, если отсутствует сила тяготения, то есть тело достаточно удалено от массивных объектов, которые могут притягивать его. На практике такое редко встретишь — гравитационное воздействие существует всегда.

Физика дает определение весу как силе, с которой любое тело действует на поверхность, опору либо подвес. Возникает вес вследствие гравитационного притяжения Земли. Численно вес равен силе тяжести, но последняя приложена к центру масс тела, вес же приложен к опоре. Физическая формула веса (P) при ускоренном движении опоры, будь то падающий лиф или пикирующий самолет, имеет следующий вид:

где m - масса тела, g - ускорение свободного падения, a - ускорение опоры.

При равенстве g и a, P=0, то есть достигается невесомость. В результате вращения Земли существует широтное уменьшение веса: на экваторе примерно на 0,3 % меньше, чем на полюсах.

Надо ещё отметить, что согласно Третьему Закону Ньютона, не только тело воздействует на опору (подвес), но и опора (подвес) воздействуют на тело с силой, называемой силой реакции опоры (подвеса). Эта сила численно равна весу тела и направлена противоположно действию силы тяжести. Тогда, на тело действуют две силы, равные по величине и противоположные по направлению, то есть их равнодействующая равна нулю, значит тело либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно.

Раздел 1.3. Применение в науке.

Отсутствие конвекции и седиментации в космосе позволяют ученым контролировать и усовершенствовать процесс затвердевания, что приведет к появлению новых, более прочных и легких материалов. На европейском электромагнитном левитаторе, расположенном на борту МКС, проводятся эксперименты и в этой области. Проект IMPRESS под руководством ЕКА, объединивший 43 исследовательские группы, уже дал результат — были разработаны лопасти турбин из алюминидов титана. Эти кристаллические сплавы, обладающие уникальными свойствами, такими как высокая температура плавления, высокая прочность и низкая плотность, идеально подходят для со временных электростанций и авиационных двигателей. Использование алюминида титана приведет к 50-процентному уменьшению количества компонентов турбины, что снизит расход топлива и, соответственно, выбросы газов в окружающую среду.

Плазма — это одно из четырех фундаментальных состояний материи, наряду с твердым, жидким и газообразным. Она представляет собой ионизированный газ, чем-то напоминающий молнию, и для Земли это довольно редкое состояние вещества. А вот в космосе плазмы — 99%. Плазма используется в области медицины и гигиены, помогает в борьбе с раком, замедляя рост опухоли на 500% по сравнению с одной только химиотерапией.

Представьте, что вы заполняете крошечный биоразлагаемыймикробаллон (размером с эритроцит) различными лекарственными растворами, которые можно вводить в кровоток для борьбы с болезнью, вдыхать для лечения бактериальных инфекций легких или доставлять непосредственно в место развития злокачественных опухолей.

Этот процесс получил название «микрокапсуляция»; разработанный на базе космических исследований, впоследствии он показал потрясающие результаты. Тесты говорят, что несколько доз лекарства, введенного способом микрокапсуляции непосредственно в опухоль предстательной железы, замедлили рост опухоли на 51% в течение трех недель. В другом исследовании было показано, что достаточно двух доз микрокапсул, чтобы уменьшить размер опухоли легких в 43% случаев. После 26 дней снижение размера опухоли было отмечено в 82% случаев, а 28% опухолей полностью исчезли. Столь многообещающие результаты с использованием низких доз лекарства дают этому методу несомненные преимущества в сравнении с традиционными методами терапии рака, такими как химиотерапия.

Данные, полученные на МКС, были жизненно важны для разработки технологии создания этих капсул, поскольку под действием микрогравитации разные жидкости (например, масло и вода) распределяются равномерно по всей капсуле. Таким образом, можно получить капсулы высочайшего качества!

Глава 2. Человек в невесомости.

Раздел 2.1.Первый человек в невесомости.

12 апреля 1961 года корабль Восток-1 успешно вывел на орбиту Земли первого в мире человека. Им стал гражданин Советского Союза Юрий Алексеевич Гагарин. Этому событию предшествовала атмосфера строжайшей секретности, и конечно тщательная подготовка. Несмотря на проигрыш в космической гонке, все государства встречали его, как героя. После успешной посадки началось настоящее мировое турне, награждение различными медалями, чествование, как героя.Далее история освоения космоса не закончилась, а корабли Восток имели множественное продолжение. Данное имя до сих пор используется Россией для кодировки в своих программах. Как известно, 12 апреля было объявлено как международный день авиации и космонавтики.

Раздел 2.2. Влияние невесомости на человека.

2.2.1. Нервная система.

Как вы понимаете, на орбите нет разделения на день и ночь, и это негативным образом отражается на состоянии нервной системы. В условиях открытого космоса космонавты видят рассвет и закат по нескольку раз за сутки, поэтому понять, когда нужно спать, а когда бодрствовать в таких условиях невозможно. Из-за такого положения дел нарушается работа суточных ритмов человека, что приводит к усталости и дискомфорту.

2.2.2. Иммунная система.

Многолетние исследования в NASA позволили оценить влияние невесомости на иммунную систему. Иммунитет человека является достаточно сложной системой, состоящей из отдельных органов, тканей, клеток и молекулярных комплексов. Только слаженная работа всех составляющих иммунитета позволяет организму должным образом реагировать на вирусы, бактерии и другие инфекционные агенты, которые постоянно витают в воздухе, а также содержатся в пище, воде и других биологических материалах.

Ученые из NASA выяснили, что при длительных полетах в космосе снижается активность некоторых иммунных клеток. В дальнейшем это приводит к активации бактериальной флоры и некоторых вирусов, которые ранее скрывались в организме, но не проявлялись из-за иммунологического контроля. Кроме того, из-за сбоев в работе иммунной системы возможно развитие аллергии в виде сыпи на коже.

На Земле в условиях гравитации сердце и сосуды работают таким образом, что большее количество крови поступает в нижние отделы организма, а меньшее - в верхние. Однако в условиях микрогравитации космоса кровь равномерно поступает во все отделы организма. По этой причине ноги немного худеют, а голова увеличивается в размерах. Такая ситуация приводит организм в некоторое замешательство. Мозг получает сигнал об избытке жидкости в верхней части тела, из-за чего почки начинают активно удалять воду, а человек при этом не чувствует жажды. Это приводит к обезвоживанию, поэтому космонавты всегда должны пить, даже если не хотят этого.

На Международной космической станции имеется воздух, который позволяет космонавтам дышать без вспомогательных средств. Тем не менее, дышит человек в таких условиях иначе. Из-за нарушения кровообращения меняется функционирование дыхательной системы человека, и органы дыхания пропускают меньше воздуха. В итоге, это приводит к уменьшению брюшного охвата. Вместе с тем, воздействие микрогравитации на респираторную систему человека еще плохо изучено ввиду сложности исследования этого явления, и ученым предстоит еще выяснить много важной информации.

2.2.5. Опорно-двигательный аппарат.

В условиях невесомости нагрузка на кости и мышцы почти полностью снимается. Для нормального функционирования костно-мышечного аппарата необходимо постоянное движение. Из-за отсутствия движения кости истончаются, а в кровь выбрасывается большое количество кальция. То же самое происходит с мышцами, которые из-за отсутствия нагрузок постепенно атрофируются.

2.2.6. Профилактика последствий невесомости.

физические методы, направленные на уменьшение перераспределения крови в невесомости и в периоде реадаптации к земной гравитации, а также на стимуляцию нервно-рефлекторных механизмов, регулирующих кровообращение при вертикальном положении тела (отрицательное давление на нижнюю часть тела; эластичные и проотивоперегрузочные костюмы; электростимуляция мышц и т. д.);
физические нагрузки, направленные на поддержание тренированности наиболее важных систем организма, активацию «венозных помп» и «периферических мышечных сердец» и стимуляцию некоторых групп рецепторов (физические упражнения, нагрузочные костюмы, нагрузка на скелет);
целенаправленное воздействие с помощью медикаментозных средств;
воздействия, связанные с регуляцией питания (добавление в пищу солей, аминокислот и витаминов, нормирование питания и водопотребления) и содержания жидкости в организме (водно-солевые добавки);
оптимизация среды обитания, режима труда и отдыха и средств психологической поддержки. Не исключено, что в будущих длительных космических полетах одним из эффективных средств поддержания оптимального функционального состояния организма человека будет искусственная сила тяжести (ИСТ). Можно полагать, что ее воздействие на различные системы организма человека в условиях невесомости будет неоднозначным. Вероятно, ИСТ будет способствовать предотвращению нарушений со стороны сердечно-сосудистой системы и опорно-двигательного аппарата.

Заключение.

Моя работа в рамках исследовательского проекта позволяет сделать вывод о том, что невесомость люди пытались открыть ни один десяток лет и благодаря её открытию смогли создать средство для излечения многих болезней, которые ранее лечились куда труднее. Из этого следует, что физика тесно связана с другими науками и помогает в самых в различных областях.

Также в ходе исследовательской работы мною были получены данные о здоровье людей в невесомости и благодаря этой информации я смело могу сделать вывод, что пребывание в космосе оказывает негативное влияние на человека и его организм, как и гласила теория, предположенная в начале проекта. Также я узнала, что негативные последствия можно избежать физическими нагрузками и средствами, принятием медикаментов, изменением среды обитания и специальным питанием.

Адаптация к невесомости

Изучение факторов, действующих на организм в условиях космического полета и изменений в различных системах организма. Особенности протекания физических процессов и бытовых действий на борту космического аппарата. Подготовка космонавтов к невесомости.

Рубрика	Астрономия и космонавтика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	23.10.2013
Размер файла	682,1 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ РФ

ГБОУ ВПО «КИРОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ»

Кафедра нормальной физиологии

Тема: «Адаптация к невесомости»

Выполнил: Микаилов Исмаил Джабир-оглы

Проверила: к.б.н., ст. пр. Патурова И. Г.

КИРОВ 2013

2. Адаптация организма к невесомости

3. Подготовка космонавтов к невесомости

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕВЕСОМОСТИ

Невесомость -- состояние, при котором сила взаимодействия тела с опорой (вес тела), возникающая в связи с гравитационным притяжением, действием других массовых сил, в частности силы инерции, возникающей при ускоренном движении тела, отсутствует. Иногда можно слышать другое название этого эффекта -- микрогравитация. Это название неверно для околоземного полета. Гравитация (сила притяжения) остаётся прежней. Но при полете на больших расстояниях от небесных тел, когда их гравитационное влияние пренебрежимо мало, действительно возникает микрогравитация. Довольно часто исчезновение веса путают с исчезновением гравитационного притяжения. Это не совсем так. В качестве примера можно привести ситуацию на Международной космической станции (МКС). На высоте 350 километров (высота нахождения станции) ускорение свободного падения имеет значение 8,8 м/с?, что всего лишь на 10 % меньше, чем на поверхности Земли. Состояние невесомости на МКС возникает не из-за «отсутствия гравитации», а за счёт движения по круговой орбите с первой космической скоростью, то есть действующая на космонавтов сила притяжения Земли компенсируется центробежной силой.

В условиях невесомости на борту космического аппарата многие физические процессы (конвекция, горение и т.д.) протекают иначе, чем на Земле. Отсутствие силы тяжести, в частности, требует специальной конструкции таких систем как душ, туалет, системы разогрева пищи, вентиляции и т.д. Во избежание образования застойных зон, где может скапливаться углекислый газ, и для обеспечения равномерного смешивания теплого и холодного воздуха, на МКС, например, установлено большое количество вентиляторов. Прием пищи и питьё, личная гигиена, работа с оборудованием и в целом обычные бытовые действия также имеют свои особенности и требуют от космонавта выработки нужных навыков.

2. АДАПТАЦИЯ К НЕВЕСОМОСТИ

Условия невесомости - это наиболее неадекватные для организма.

Человек рождается, растёт и развивается только под действием сил земного притяжения. Сила притяжения формирует топографию функций скелетной мускулатуры, и гравитационные рефлексы, а также координированную мышечную работу.

Вегетативное обеспечение мышечной активности также во многом зависит от силы гравитации. В частности, кровообращение построено на факторе силы притяжения. Сила притяжения способствует току крови по артериям, но препятствует току крови по венам, в связи с чем в организме развиваются механизмы, способствующие венозному кровотоку.

При изменении гравитации в организме наблюдаются различные изменения, определяемые устранением гидростатического давления и перераспределением жидких сред организма, устранением гравитационно-зависимой деформации и механического напряжения структур тела, а также снижением функциональной нагрузки на опорно-двигательный аппарат, устранением опоры, изменением биомеханики движений.

Когда при космическом полёте человек попадает в условия невесомости, это резко нарушает как соматическую деятельность, так и работу внутренних органов. Экстеро- и интерорецепторы начинают сигнализировать о необычном состоянии скелетной мускулатуры и всех внутренних органов.

Под влиянием такой необычной импульсации в фазу острой адаптации отмечается высокая степень дезорганизации двигательной активности и работы внутренних органов.

Дезорганизация функций глубока и имеет тенденцию прогрессировать. Она характеризуется изменением регионального статуса сосудистой системы. В результате в острый период адаптации отмечается прилив крови к голове. Целый ряд вестибулярных расстройств, изменение обмена веществ, которое проявляется в снижении уровня энергетического обмена.

В тяжелых условиях отмечают нарушение минерального, в том числе кальциевого обмена, что зависит от двигательной активности в условиях недогрузок костной системы конечностей, особенно нижних. По-видимому, отрицательный баланс ионов Са2+ в условиях космических полётов может быть связан и с эндокринными сдвигами (дезорганизация в соотношениях паратгормона и тиреокальцитонина, нарушение обмена витамина Д, эти изменения ведут к деструкции костей).

Изменяется не только координация движений, но даже почерк. В экспериментах были обнаружены нарушения структуры передних рогов серого вещества спинного мозга, показано также снижение устойчивости физиологических систем в условиях физических нагрузок. Адаптация в этих условиях возможна лишь при кардинальной перестройке управляющих механизмов центральной нервной системы, формировании функциональных систем при обязательном использовании комплекса технических и тренировочных защитных мероприятий. Необходимо применять различные искусственные способы жизнеобеспечения в такой необычной и неадекватной для организма ситуации.

В результате формируется гипогравитационный двигательный синдром, который включает изменения 1) сенсорных систем, 2) моторного контроля, 3) функции мышц, 4) гемодинамики.

1) Изменения работы сенсорных систем:

- снижение уровня опорной афферентации;

- снижение уровня проприоцептивной активности;

- изменение функции вестибулярного аппарата;

- изменение афферентного обеспечения двигательных реакций;

- расстройство всех форм зрительного слежения;

- функциональные изменения в деятельности отолитового аппарата при изменении положения головы и действии линейных ускорений.

2) Изменение моторного контроля:

- сенсорная и моторная атаксия;

- изменение стратегии управления движениями;

- повышение тонуса мышц-сгибателей.

3) Изменение функционирования мышц:

- снижение скоростно-силовых свойств;

- атрофия, изменение композиции мышечных волокон.

4) Гемодинамические нарушения:

- увеличение сердечного выброса;

- снижение секреции вазопрессина и ренина;

- увеличение секреции натрийуретического фактора;

- увеличение почечного кровотока;

- уменьшение объёма плазмы крови.

Возможность истинной адаптации к невесомости, при которой происходит перестройка системы регулирования, адекватная существованию на Земле, гипотетична и требует научного подтверждения.

космический полет невесомость физический

Для тренировки космонавтов в России и США применяется методика полёта самолёта по баллистической траектории.

Для понимания сути необходимо представить себе, что в кабине пилота на нитке подвешен грузик, который обычно натягивает нитку вниз (если самолет покоится, либо движется равномерно и прямолинейно). Когда нить, на которой висит шарик, не натянута, имеет место состояние невесомости. Таким образом, пилот должен управлять самолётом так, чтобы шарик висел в воздухе, а нить не была натянута. Для достижения этого эффекта самолёт должен иметь постоянное ускорение g, направленное вниз.

Другими словами, пилоты создают нулевую перегрузку. Длительно такую перегрузку (до 40 секунд) можно создать, если выполнить специальную фигуру пилотажа (которая не имеет названия, кроме как "провал в воздухе"). Пилоты резко подают на снижение высоты, при стандартной высоте полета 11 000 метров это и дает требуемые 40 секунд "невесомости". Внутри фюзеляжа имеется камера, в которой тренируются будущие космонавты, она имеет специальное мягкое покрытие на стенах, чтобы избежать травм при наборе и сбросе высоты.

Подобное невесомости чувство человек испытывает при полетах рейсами гражданской авиации при посадке. Однако в целях безопасности полета и большой нагрузки на конструкцию самолета, гражданская авиация сбрасывает высоту совершая несколько протяженных спиральных витков (с высоты полета в 11 км до высоты захода на посадку порядка 1-2 км). Т.е. спуск производится в несколько заходов, во время которых пассажир на несколько секунд ощущает, что его отрывает от кресла вверх. Такое же чувство знакомо и автомобилистам, знакомыми с трассами, проходящими по крутым холмам, когда машина начинает съезжать с верхушки вниз.

Утверждения, что самолет для создания кратковременной невесомости выполняет фигуры высшего пилотажа типа "петли Нестерова" - не более чем миф. Тренировки выполняются в слегка модифицированных серийных машинах пассажирского или грузового класса, для которых фигуры высшего пилотажа и подобные режимы полета являются закритическими и могут привести к разрушению машины в воздухе или быстрому усталостному разрушению несущих конструкций.

Список литературы

1. Григорьев А. И. Экология человека. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. - 240 с.

2. Агаджанян Н.А., Тель Л.З., Циркин В.И., Чеснокова С.А. Физиология человека. - М,: Медицинская книга, 2009. - 526 с., илл.

3. Н.А. Агаджанян, А. И. Воложин, Е.В. Евстафьева. Экология человека и концепция выживания. - М .: ГОУ ВУНМЦ МЗ РФ, 2001. - 240 стр., илл.

Подобные документы

Содержание программы полета космического аппарата. Стадия разработки рабочей документации и изготовления космического аппарата. Задачи управления эксплуатацией ЛК. Программа поддержания ЛК в готовности к применению, структура системы эксплуатации.

контрольная работа [179,5 K], добавлен 15.10.2010

Разработка современного космического скафандра. Особенности жизнеобеспечения в космосе. Клиника космического века. Применение экспериментального экзоскелетона для поднятия очень тяжелых грузов. Измерение давления и температуры с помощью эндорадиозонда.

презентация [244,9 K], добавлен 16.02.2010

Первый полёт человека в космос и гордость за отечественную науку. Покорение космического пространства. Подготовка космонавтов к первому полёту, предполётная подготовка Гагарина к выходу на орбиту. Развитие мировой космонавтики и полёты в космос.

презентация [1,7 M], добавлен 28.11.2011

Проведение совместного советско-американского космического полета. Испытание систем обеспечения встречи и андрогинных стыковочных узлов. Создание долговременных орбитальных станций со сменными экипажами. Разработка космического корабля 7К-ТМ "Союз-М".

курсовая работа [3,7 M], добавлен 27.08.2014

Невесомость как состояние, при котором сила взаимодействия тела с опорой, возникающая в связи с гравитационным притяжением, действием других массовых сил, возникающих при ускоренном движении тела, отсутствует. Горение свечи на Земле и в невесомости.

презентация [1,1 M], добавлен 01.04.2014

Изучение истории и хронологии полета в космос Юрия Гагарина. Запуск с помощью ракеты Р-7 первого искусственного спутника Земли. Судьбоносное решение Совета главных конструкторов СССР о проектировании космического корабля для полета человека в космос.

презентация [1,9 M], добавлен 30.04.2011

Выбор места посадки космического аппарата на Луну. Поиск точек либрации. Определение видимости КА без учета лунного рельефа. Расчет угла места КА над горизонтом. Реализация алгоритма на языке С++. Разработка программы для оптимального места посадки.

Читайте также: