Урок біології в музеї історії космонавтики ім КЕ Ціолковського

Освітня завдання: поглибити знання учнів з біології за курс основної та повної середньої школи, ознайомити дітей з поняттями космічної медицини і біології, основи яких були закладені К.Е. Ціолковським.

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

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

Організація екскурсії

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

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

• список учнівських груп, які будуть працювати 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 у музеї.

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

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

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

Проведення екскурсії

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

У 30-ті роки у зв'язку з розвитком висотної авіації і оволодінням стратосферою 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 будівлі стратостатів перед вітчизняними фізіологами і гігієністами була поставлена ​​задача забезпечення життєдіяльності та працездатності трьох повітроплавців у герметичних гондолах. Необхідно було досліджувати перебіг фізіологічних процесів в герметично замкнутому об'ємі 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 та 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 стратонавтів при аварійній розгерметизації кабіни стратосферних літаків і запобігання вибухової декомпресії інженерами і авіаційними лікарями до 1940 р. 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 у ці роки відіграли велику роль у 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 тощо Одночасно були розроблені теоретичні та практичні принципи медичного 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 у космічному польоті повільніше, ніж у земних умовах. Цей експеримент дав цінний досвід як щодо відбору та тренування тварин для посилки в космос, так і щодо 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, здійснено 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 повною підставою 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 та 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 гомеостатичні функції різних органів і систем. Рішення знову виниклих завдань, спрямованих на збереження гомеостазу (постійності внутрішнього середовища) організму і високої працездатності космонавтів у 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 та інтенсивності роботи при виконанні будь-яких завдань і поліпшення функціональних здібностей організму в польоті.

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

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

В умовах екстремальних впливів немає повної відповідності між протікають в організмі метаболічними процесами і енергетичним балансом. При енергетичних рівнях однаковою значущості, 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. Отже, 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 у сукупності на всіх рівнях, починаючи від молекулярно-субклітинних і закінчуючи організмовому.

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 характеристикою 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 розсовує межі існування організму, призводить до зміщення зони оптимуму й до ослаблення залежності від зовнішніх умов. З'являється новий функціональний рівень життєдіяльності, зумовлює нові особливості реакцій організму як на безпосереднє екстремальний вплив, так і в період відновлення функцій до початкового рівня.

Слід підкреслити значення нових методів обробки біологічної інформації, зокрема кібернетичних і математичних. При обробці отриманих даних звичайними способами витягується тільки частину корисної інформації. Звертаючись з нових позицій до матеріалів, вдається знаходити все нові цікаві факти, які набувають особливу цінність при їх порівнянні з даними пізніших польотів. Наприклад, так звана космічна аритмія - феномен підвищеної колеблемости 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 було розпочато 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 ввідно-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 біологічних, біофізичних, біохімічних, фізико-хімічних, математичних, астрофізичних, геофізичних, інженерно-конструкторських та ін досліджень, спрямованих на вивчення та вирішення таких проблем, як походження, наявність, поширення, особливості еволюції живої матерії (можливо інопланетного походження) у Всесвіті; особливості життєдіяльності і 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 радіобіологія. 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. Сєченова, розробляли різні аспекти взаємодії організмів із зовнішнім середовищем і шляхи пристосування організмів до мінливих умов середовища. Велике також значення теоретичних і експериментальних даних з 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. Дуже 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 та 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 у 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 у герметичних кабінах (або спец. Скафандрах), а також дистанційні методи реєстрації поведінкових та фізіологічних реакцій тварин на умови польоту (демонстрація музейних експонатів: механізму передачі фізіологічних функцій тварин по радіо - схема; катапультованому візки для піддослідних тварин з реєструючої і фізіологічної апаратурою і парашутом).

Отримані експериментальні дані дозволили позитивно вирішити питання про переносимість високоорганізованими тваринами тривалої дії прискорень і невагомості.

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

У серії цих та інших експериментів було встановлено, що невагомість трохи знижує переносимість організмом фізичних напруг і утрудняє реадаптацію до нормальної гравітації, але не володіє мутагенною активністю, принаймні, щодо генних та хромосомних мутацій. Дослідження в галузі космічної біології і надалі будуть вкрай необхідні при біологічної розвідки нових космічних трас, розробці біотелеметріі, «стисненні» 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 співробітництво в дослідженні та використанні космічного простору в мирних цілях, а також у 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 буде жити і працювати 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 з 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 харчову 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 пари води, використовуючи як металу літій.

Завдання № 3.

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

2. Які особливості у структурі птахів і комах дозволили К.Е. Ціолковському використовувати їх для конструкції літальних апаратів?

3. Зробіть відповідні малюнки.

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

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

• Методи пошуку розумного життя у Всесвіті.

• Шляхи встановлення межкосміческіх контактів. Можливо чи порозуміються? 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 всі дані узагальнює, систематизує, і кожен учень самостійно оформляє індивідуальний звіт за планом, запропонованим у методичній 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 вирішення запропонованих завдань.

Після аналізу звітів, вчитель, керуючись думкою керівника групи, виставляє учням оцінки 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. О.М. Рубашова. Під ред. А.А. Космодем'янського. Посібник для студентів. - М.: Просвещение, 1969. - 301 с.

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