Урок біології в музеї історії космонавтики ім. К.Е. Ціолковського

Інститут природознавства КДПУ ім. К.Е. Ціолковського;

Урок біології в музеї історії космонавтики

ім. К.Е. Ціолковського

Авдєєва О.В., студентка IV курсу

Івченко Т.В., професор кафедри

ботаніки та екології КДПУ

ім. К.Е. Ціолковського.

Актуальність: в області світоглядних ідей фізичне обгрунтування процесів життєдіяльності сприяє виробленню у школярів переконань в тому, що матеріальне єдність природи поєднується з якісним своєрідністю структурних рівнів матерії, що фізичні процеси відбуваються в живих системах, але «переломлюються» крізь призму біологічної організації, доповнюються інформаційними, що методологічні принципи природничих наук частково перекриваються лише в сфері причинності. Цьому сприяє встановлення внутріпредметних і міжпредметних зв'язків з іншими дисциплінами природничо-наукового і гуманітарного циклу, розробка комплексних форм навчання. Матеріал екскурсії може бути включений в інваріантну і варіативну частини навчального плану в якості регіональної компоненти.

Рекомендації: урок можна проводити в навчальний час з учнями 8-х, 9-х, 10-х, 11-х класів при розгляді питань космічної біології і медицини, вивченні різних теорій походження життя (в тому числі самозародження, панспермії), еволюції поглядів на форми життя; а також з хлопцями, які відвідують факультативні і курси за вибором.

Мета: продовжити здійснення біологічної освіти школярів, доповнивши і розширивши їх знання відомостями з сучасних проблем біології з використанням краєзнавчого матеріалу.

Виховна задача: з метою патріотичного виховання розкрити учням значення робіт К.Е. Ціолковського для біології та медицини.

Розвиваюча завдання: з метою розвитку мотиваційної сфери учнів розкрити зміст в розумінні необхідності розвитку різних розділів біології для загального прогресу людства в освоєнні космічного простору; в інтелектуальному плані продовжити розвиток спостережливості, вміння порівнювати і переносити знання на інші ситуації, узагальнювати і аналізувати, робити висновки; з метою розвитку умінь практичного праці продовжити розвиток умінь щодо складання звіту про екскурсію.

організація екскурсії

Учитель заздалегідь домовляється з адміністрацією музею про майбутню екскурсії. За тиждень в класі (кабінеті біології) учитель вивішує оголошення, в якому зазначені:

- дата проведення екскурсії, час і місце збору, вартість екскурсійного квитка;

- список учнівських груп, які працюватимуть на екскурсії, із зазначенням завдань для груп та старшого по групі;

- форма звіту (індивідуальна).

Учнівські групи утворені за тією ознакою, який найбільш доцільний для даного класу.

план:

1. Вступна частина (інструктаж з правил роботи в музеї)

2. Проведення екскурсії в музеї з більш докладним описом тих експонатів, які, так чи інакше, зачіпають аспекти біологічної науки.

3. Виконання завдань групами учнів в музеї.

4. Відвідування планетарію, прослуховування лекції на тему «Проблема пошуку позаземних цивілізацій».

5. Виконання школярами письмового звіту, оформлення завдань (індивідуально).

6. Оцінка учителем робіт учнів, виставлення оцінок (в журналі і щоденниках).

проведення екскурсії

Питання біології в працях К.Е. Ціолковського (тезисно зі статті «Пророк у своїй Вітчизні»). Проблеми космічної медицини і біології, філософські проблеми освоєння космосу, самозародження життя, біомеханіка і ін.

У 30-і роки в зв'язку з розвитком висотної авіації і оволодінням стратосферой в СРСР почалися медико-біологічні дослідження, що мають безпосереднє відношення до питань космічної біології і медицини. Так, вже в ті роки були розроблені кабіни літальних апаратів, забезпечені системою регенерації повітря. При будівництві стратостатів перед вітчизняними фізіологами і гигиенистами була поставлена ​​задача забезпечення життєдіяльності та працездатності трьох повітроплавців в герметичних гондолах. Необхідно було дослідити перебіг фізіологічних процесів в герметично замкнутому просторі з тиском штучної атмосфери близько 500 мм. рт.ст. При цьому потрібно було встановити закономірності наростання концентрації вуглекислого газу і зниження вмісту кисню в повітрі герметичній гондоли, знайти способи видалення надлишкового вуглекислого газу і вологи з повітря, рекомендувати найбільш надійний і економічний спосіб відшкодування витраченого кисню, розробити харчовий раціон, аварійний харчової запас, доцільну одяг для екіпажу і вирішити питання видалення відходів життєдіяльності. Результати цих досліджень були використані при конструюванні герметичних кабін літаків і послужили основою для створення систем життєзабезпечення космічних кораблів. В якості резервного засобу захисту Стратонавта при аварійній розгерметизації кабіни стратосферних літаків і запобігання вибухової декомпресії інженерами і авіаційними лікарями до 1940 році був створений перший скафандр. У них можна було підтримувати тиск кисню в межах 110-260 мм рт.ст., і вони забезпечували достатню рухливість льотчиків.

Роботи авіаційних фізіологів, гігієністів, психологів в ці роки зіграли велику роль в розкритті механізмів регуляції фізіологічних функцій при впливі на організм людини різних факторів польоту: гіпоксії, прискорень, підвищеного і зниженого барометричного тиску, вибухової декомпресії, високих і низьких температур, малих і великих яркостей , електромагнітних коливань надвисокої частоти, ультрафіолетової та інфрачервоної радіації та ін. Одночасно були розроблені теоретичні та практичні принципи медіцінског про відбору льотного складу та їх спеціальної фізичної тренування.

Ці експерименти допомогли вирішити ряд медико-біологічних проблем, безпосередньо пов'язаних з проникненням людини в космічний простір.

Підготовка та здійснення першого біологічного експерименту в космосі при польоті другого штучного з собакою Лайкою на борту по орбіті навколо Землі дозволили встановити важливий факт: високоорганізовані тварини задовільно переносять умови космічного польоту. Були виявлені деякі особливості фізіологічного стану тварини в умовах невагомості. Було відзначено, наприклад, що частота серцевих скорочень знижується після закінчення дії перевантажень в космічному польоті повільніше, ніж в земних умовах. Цей експеримент дав цінний досвід як щодо відбору і тренування тварин для посилки в космос, так і по відношенню до обладнання кабін, створення систем життєзабезпечення і телеметричного контролю стану фізіологічних функцій тварини.

Таким чином, при моделюванні експериментів на космічних кораблях-супутниках, по-перше, були застосовані різні методи фізіологічних досліджень, по-друге, здійснений еволюційний підхід до дослідження біологічної дії факторів космічного польоту. У кабіну корабля містився ряд різних за складністю організації біологічних об'єктів - від собак до рослин, мікроорганізмів і фагів. Ці особливості дозволили з повним правом назвати другий і третій космічні кораблі-супутники «літаючими лабораторіями». І, по-третє, такі експерименти послужили своєрідною репетицією першого польоту людини в космос.

Новий етап розвитку космічної біології і медицини знаменує собою перехід від простого якісного встановлення відсутності шкідливих наслідків польоту до точного кількісного аналізу біологічних явищ, пов'язаних з впливом факторів космічного простору. Піддаючи організм певним дозованим впливів в умовах невагомості і порівнюючи його реакції з реакціями на подібні ж дії в лабораторних умовах, можна отримати досить повне уявлення про гомеостатической функції різних органів і систем. Рішення новопосталих завдань, спрямованих на збереження гомеостазу (сталості внутрішнього середовища) організму і високої працездатності космонавтів в тривалому космічному польоті і при виході у відкритий космос з космічного корабля, вже знаходить своє відображення в науковій пресі.

В даний час дослідники приділяють максимальну увагу таким проблемам космічної біології і медицини:

1) детальному вивченню механізмів дії факторів космічного польоту і розробці засобів усунення або ослаблення їх негативних впливів;

2) подальшого вдосконалення і створення замкнутих екологічних систем життєзабезпечення;

3) подальшого вивчення праці космонавтів з метою визначення оптимальних способів і інтенсивності роботи при виконанні будь-яких завдань і поліпшення функціональних здібностей організму в польоті.

Велике значення набувають також цитохимические і електронномікроскопіческіе дослідження, що дозволяють в значній мірі підкріпити фізіологічні та біохімічні висновки.

Проблема біологічних ритмів, їх роль у збереженні гомеостатических реакції організму в умовах тривалого польоту набувають в космічній фізіології певне значення.

В умовах екстремальних впливів немає повної відповідності між протікають в організмі метаболічними процесами і енергетичним балансом. При енергетичних рівнях однаковою значимістю, нерідко спостерігалися в умовах впливу різних за силою подразників і при якісно різному і рівному по калорійності харчування, не виключені виражені порушення в загальному, функціональному стані організму, його реактивності. Наприклад, було встановлено, що одна і та ж доза фармакологічного препарату в залежності від функціонального стану організму призводить до різного ефекту. Так, наприклад, після впливу прискорення замість звичайної реакції брадикардії (зниження частоти пульсу) на введення стрихніну можна було відзначити почастішання ритму серцевої діяльності. Стрихнін тут не викликав властивого йому впливу на центри блукаючого нерва, а приводив до посилення функції симпатичної нервової системи. Значить, важливо поглибити уявлення не тільки про вплив на організм окремих факторів польоту (прискорення, невагомість, гіпокінезія, тобто обмеження рухливості, шум, зміна температури та ін.), А й про вплив таких в сукупності на всіх рівнях, починаючи від молекулярно-субклітинних і закінчуючи организменного.

Вчення про реактивності організму, що базується на класичних положеннях творців цього вчення Н.Є. Введенського і А.А. Ухтомського, набуває в космічній фізіології провідне значення. Різні за влучним висловом подразники в залежності від вихідного функціонального стану можуть обумовлювати однаковий ефект, і навпаки, один і той же подразник може викликати різні ефекти.

Під впливом екстремальних впливів, сумісних з нормальною життєдіяльністю, виникає адаптивна перебудова функцій, яка розсуває кордони існування організму, призводить до зміщення зони оптимуму і до ослаблення залежності від зовнішніх умов. З'являється новий функціональний рівень життєдіяльності, що зумовлює нові особливості реакцій організму як на безпосереднє екстремальний вплив, так і в період відновлення функцій до вихідного рівня.

Слід підкреслити значення нових методів обробки біологічної інформації, зокрема кібернетичних і математичних.При обробці отриманих даних звичайними способами витягується тільки частина корисної інформації. Звертаючись з нових позицій до матеріалів, вдається знаходити все нові цікаві факти, які отримують особливу цінність при їх порівнянні з даними пізніших польотів. Наприклад, так звана космічна аритмія - феномен підвищеної коливання пульсу у тварин і людей в умовах невагомості. Цей феномен пов'язаний з відносним посиленням тонусу парасимпатичного відділу вегетативної нервової системи.

Новий етап фізіологічних досліджень в космосі був початий польотом корабля «Схід», пілотованого командиром корабля космонавтом В.М. Комаровим. У складі екіпажу був також лікар Б.Б. Єгоров, і це дозволило вперше застосувати функціонально і конструктивно самостійну систему медичних досліджень.

Крім того, новітні методики обстежень людини на борту корабля дозволили виявити окремі функціональні прояви після завершення польоту: ортостатична нестійкість (значна зміна судинного тонусу при переході тіла з горизонтального положення у вертикальне), зміни картини крові (зменшення маси еритроцитів, зменшення тривалості життя еритроцитів), зміни водно-мінерального обміну (балансу рідин і кальцію). Запобігання цих порушень - найважливіше завдання космічної медицини. Як показали дослідження, ефективними засобами підвищення стійкості організму до впливу екстремальних є, зокрема, високогірна тренування і фізична підготовка.

Отже, космічна біологія - комплексна наукова дисципліна, що охоплює сукупність общебиологических, біофізичних, біохімічних, фізико-хімічних, математичних, астрофізичних, геофізичних, інженерно-конструкторських та ін. Досліджень, спрямованих на вивчення і вирішення таких проблем, як походження, наявність, поширення, особливості еволюції живої матерії (можливо інопланетного походження) у Всесвіті; особливості життєдіяльності та поведінки земних організмів в умовах космічного простору, на інших небесних тілах або при польотах на космічних апаратах; побудова штучного середовища проживання на космічних кораблях (КК) і орбітальних станціях на основі використання різних біологічних об'єктів.

Космічна біологія тісно пов'язана з космічною медициною, її підрозділом є космічна біологія. Дослідження в космобіології базуються на класичних працях російських і радянських вчених К.А. Тімірязєва, В.І. Вернадського, В.В. Докучаєва, І.П. Павлова, І.М. Сеченова, які розробляли різні аспекти взаємодії організмів з зовнішнім середовищем і шляхи пристосування організмів до мінливих умов середовища. Велике також значення теоретичних і експериментальних даних по порівняльної фізіології (Л.А. Орбелі), кліматофізіологіі (К.М. Биков) і особливо авіаційної фізіології і гігієні. Основи цих досліджень були закладені ще під час Другої світової війни.

Космічний простір різко відрізняється від середовища, в якій мешкають живі організми в межах біосфери Землі: низька щільність речовини, відсутність молекулярного кисню, висока інтенсивність біологічно активного випромінювання, різкі коливання температури і метеорні потоки повністю виключають можливість життєдіяльності високоорганізованих представників живого світу в незахищеному стані. Вельми специфічні умови проживання в кабіні КК в результаті впливу вібрацій, шуму, прискорень, невагомості, ізоляції.

Таким чином, необхідно вирішувати завдання вдосконалення біотехнічних систем життєзабезпечення, розробляти засоби і методи підвищення стійкості організмів в космічних польотах, що вкрай важливо для забезпечення більш тривалих польотів людини і його земних супутників (рослини, тварини).

Першим етапом біологічних досліджень на ракетах в кінці 40-х і початку 50-х рр. в умовах, близьких до космічного польоту, з'явилися багаторазові польоти собак та інших тварин на ракетах на висоту до 450 км. Вперше були розроблені пристрої для життя тварин в герметичних кабінах (або спец. Скафандрах), а також дистанційні методи реєстрації поведінкових і фізіологічних реакцій тварин на умови польоту (демонстрація музейних експонатів: механізму передачі фізіологічних функцій тварин по радіо - схема; катапультируемое візки для піддослідних тварин з реєструє і фізіологічної апаратурою і парашутом).

Отримані експериментальні дані дозволили позитивно вирішити питання про переносимості високоорганізованим тваринами тривалої дії прискорень і невагомості.

Біологічні експерименти при польотах КК проводилися на собаках, щурах, мишах, морських свинках, жабах, мухах-дрозофилах, вищих рослинах (традесканція, насіння пшениці, гороху, цибулі, кукурудзи, проростки рослин на різних стадіях розвитку), на ікрі равлика, одноклітинних водоростях (хлорела), культурі тканин людини і тварин, бактеріальних культурах, віруси, фугах, деяких ферментах. Важливими для подальшого дослідження в області Екофізіологія з'явилися експерименти на радянському біологічному штучному супутнику Землі «Космос-110» з двома собаками на борту (1966) і на американському біосупутнику «Біос-3» з мавпою на борту (1969). За дослідженням впливу на біологічні об'єкти іонізуючого випромінювання радіаційного поясу Землі експерименти проводилися на черепах, кишкової палички, дрозофилах (1968-1970 рр.).

У серії цих та інших експериментів було встановлено, що невагомість кілька знижує переносимість організмом фізичних напруг і ускладнює реадаптацию до нормальної гравітації, але не володіє мутагенною активністю, по крайней мере, в відношенні генних і хромосомних мутацій. Дослідження в галузі космічної біології і надалі будуть вкрай необхідні при біологічної розвідки нових космічних трас, розробці біотелеметрії, «стисканні» біологічної інформації і особливо при виборі біологічних об'єктів (автотрофних і гетеротрофних) для замкнутих біотехнічних систем.

У 1972 р підписано угоду між СРСР і США про співпрацю в дослідженні і використанні космічного простору в мирних цілях, а також в галузі космічної біології і медицини.

У завдання космічної медицини входять: дослідження впливу на організм людини факторів космічного польоту, усунення їх несприятливих впливів, розробка відповідних профілактичних заходів і засобів; розробка фізіолого-гігієнічних вимог до систем життєзабезпечення і до засобів порятунку членів екіпажу при виникненні аварійних ситуацій; профілактика і лікування захворювань в космічному польоті; розробка клінічних і психофізіологічних методів відбору і підготовки космонавтів (демонстрація музейних стендів, присвячених тренувань космонавтів, креслень профілактичних навантажувальних костюмів, аварійно-рятувальних скафандрів, різних експонатів побутової техніки: система водозабезпечення, массметри, збірник конденсату, поглинач вуглекислого газу, бортовий підігрівач їжі, прилад «градус», холодильна камера, бігова доріжка; інших предметів побуту: продукти харчування, інструменти, ліки та ін.).

Можна бути впевненим, що досвід, накопичений космічної біологією і медициною, з'явиться достатньо надійною передумовою успіхів у цьому напрямку. Збувається пророцтво К.Е. Ціолковського: «Людина житиме і працюватиме в космосі».

Групам учнів (на чолі з учнем-керівником) пропонується попрацювати з експонатами музею, виконати ряд завдань. Завдання можуть бути різного характеру і рівня складності. Наведемо приклад декількох варіантів завдань.

Завдання №1.

1. Проаналізуйте інструкцію по раціону харчування космонавтів (музейний експонат). Переписати її.

2. Порівняйте раціон харчування людини і космонавта (порівняти добову калорійність двох раціонів за відповідними таблицями калорійності харчових продуктів).

3. Зробіть висновки про харчовому навантаженні «землян» і космонавтів.

Завдання №2.

1. Використовуючи експонати музею: збірник конденсату і поглинач вуглекислого газу складіть письмовий розповідь про можливий механізм процесу дихання космонавтів.

2. При складанні розповіді використовуйте наступну інформацію. При диханні кисень окисляє глюкозу в крові, і в результаті цієї реакції виділяється вода і вуглекислий газ. Ці продукти, змішані з невикористаним киснем, виділяються з організму. ... Кисень знаходиться в балонах під тиском. Вуглекислий газ може бути поглинений гідроксидом лужного металу. За допомогою оксиду металу можна видалити і воду.

3. Складіть рівняння реакції, що описують процес поглинання вуглекислого газу і водяної пари, використовуючи в якості металу літій.

Завдання №3.

1. Проаналізуйте креслення і малюнки, зроблені К.Е. Ціолковським в ході вивчення польотів комах і птахів (музейні експонати).

2. Які особливості в будові птахів і комах дозволили К.Е. Ціолковського використовувати їх для конструкції літальних апаратів?

3. Зробіть відповідні малюнки.

4. Лекція «Проблема пошуку позаземних цивілізацій». Основні питання:

· Проблема пошуку позаземних цивілізацій в сучасній науці. Життя земного типу. Інші форми життя. Поширення розумного життя у Всесвіті.

· Методи пошуку розумного життя у Всесвіті.

· Шляхи встановлення межкосміческіх контактів. Чи можливо взаєморозуміння? Штучний розум.

· Прибульці з космосу.

· Філософське значення проблеми позаземних цивілізацій.

Демонстрації: Зоряне небо. Сузір'я Кіта, Ерідана, Лебедя. Світанок над Калугою. Панорама міста.

Відеофрагменти: «10 хвилин про НЛО», «Що трапилося в Росуелле в 1947 році».

5. Після екскурсії кожна група під керівництвом учня-керівника все дані узагальнює, систематизує, і кожен учень самостійно оформляє індивідуальний звіт за планом, запропонованим в методичної карті.

6. Керівник групи збирає звіти і оцінює їх за такими критеріями: активність під час екскурсії, особистий внесок у роботу групи, правильність оформлення звіту, його повнота, правильність рішення запропонованих завдань.

Після аналізу звітів, учитель, керуючись думкою керівника групи, виставляє учням позначки за екскурсію.

література

1. Космонавтика. Енциклопедія. Під ред. В.П. Глушко. - М .: Радянська енциклопедія, 1985. - 528 с.

2. Парин В.В., Космолінська Ф.П., Душков Б.А. Космічна медицина і біологія. Посібник для вчителів. - М .: Просвещение, 1970. - 224 с.

3. Планетарій. Цикл навчальних лекцій з астрономії. Державний музей історії космонавтики ім. К.Е. Ціолковського, 2007.

4. Фертрегт М. Основи космонавтики. Пер. з англ. А.Н. Рубашова. Під ред. А.А. Космодемьянского. Посібник для студентів. - М .: Просвещение, 1969. - 301 с.

5. Ціолковський К.Е. Риси моєму житті. / Упоряд. І.С. Короченцев. - Тула: Приокское книжкове видавництво, 1983. - 158 с.