Умблик
9 класс · углублённый
Биология · 9 класс · углублённый уровень
Биология · углублённый уровень · 9 класс · Урок 81

Организм в невесомости: мышцы, кости, кровь и противодействие изменениям

На орбите гравитация не исчезает: космический корабль и люди находятся в почти непрерывном свободном падении. Из-за отсутствия обычной опоры меняются нагрузка на ткани и распределение жидкостей.

Адаптации организма человека

Федеральная программа · углублённый уровень · 9 класс

Адаптации организма человека

Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:

  • Микрогравитация и свободное падение
  • Механическая нагрузка на кости
  • Ремоделирование костной ткани
  • Мышечная атрофия
  • Сдвиг жидкостей к верхней части тела
  • Сердечно-сосудистая перестройка
  • Клеточный обмен и регуляция
  • Силовые и аэробные упражнения на орбите
  • Питание и медицинское наблюдение
  • Ограничения земных моделей невесомости
Скелет человека: осевая и добавочная частиОсевой скелетДобавочный скелетчереп · позвоночникрёбра · грудинапояса конечностейсвободные конечностиЭто классификация костей по положению; реальные соединения и размеры здесь не показаны.
Опорные кости и скелетные мышцы меняются в ответ на механическую нагрузку; изображение земного скелета служит опорой для анализа микрогравитации.

Как это устроено

Международная космическая станция не находится вне земной гравитации. Она движется по орбите, постоянно падая вокруг Земли; станция, люди и предметы ускоряются почти одинаково. Поэтому исчезает привычное давление опоры, а слово «невесомость» означает отсутствие обычного ощущения веса, не отсутствие притяжения. Это различие нужно для причинного объяснения: ткани получают меньше механической нагрузки, хотя гравитационное поле остаётся.

Кость — живая ткань, где образование и разрушение матрикса продолжаются в течение жизни. При меньшей нагрузке баланс может сместиться к потере минеральной плотности, особенно в костях, несущих вес на Земле. Мышцы, поддерживающие позу и движение, могут уменьшаться в объёме и силе. Это не одно явление: костное ремоделирование и мышечная атрофия имеют разные клетки и временные характеристики, хотя обе связаны с отсутствием привычной нагрузки. Не вся костная ткань и не каждая мышца меняются одинаково.

В невесомости жидкости перераспределяются к верхней части тела, а сосудистая и сердечная системы постепенно приспосабливаются к новым условиям. После возвращения к земной опоре способность удерживать давление при вставании может быть снижена. Клеточный обмен и регуляция тоже меняются, но говорить об одном «метаболизме невесомости» слишком грубо: измеряют разные показатели в мышцах, костях, крови и почках. Земные модели, например длительный постельный режим, воспроизводят часть эффектов разгрузки, но не радиацию, все особенности движения и жизнь на орбите.

NASA использует аэробные и резистивные тренировки, питание и регулярный контроль состояния экипажа как контрмеры. Такие меры уменьшают риски, но не гарантируют полного отсутствия изменений. Силовое устройство создаёт сопротивление без тяжёлых земных гирь, а велотренажёр и беговая дорожка с удерживающими ремнями помогают поддерживать выносливость. Данные небольших групп подготовленных астронавтов нельзя автоматически переносить на всех школьников или пациентов. На уроке безопасно разбирать опубликованные результаты и сравнивать, что изменилось с контрмерой и без неё.

Словарь урока

Каждое понятие — с примером

Микрогравитация

Состояние очень малой кажущейся нагрузки в орбитальном полёте при свободном падении, а не полное отсутствие земного притяжения.

Пример: Астронавт и станция падают вокруг Земли вместе и поэтому кажутся невесомыми внутри станции.

Механическая нагрузка

Силовое воздействие на ткани при опоре, движении или сопротивлении, влияющее на функции мышц и ремоделирование кости.

Пример: На Земле мышцы ног и кости таза регулярно получают нагрузку при ходьбе.

Остеобласт

Клетка костной ткани, участвующая в образовании нового костного матрикса и его последующей минерализации.

Пример: Баланс работы остеобластов и клеток резорбции влияет на состояние кости.

Остеокласт

Многоядерная клетка, разрушающая минерализованный костный матрикс в ходе нормального ремоделирования или при его нарушении.

Пример: Если резорбция устойчиво превышает образование ткани, кость может терять минеральную плотность.

Ремоделирование кости

Постоянное обновление костной ткани через согласованную резорбцию старого матрикса и образование нового.

Пример: Изменение механической нагрузки способно сдвигать баланс этих процессов.

Мышечная атрофия

Уменьшение массы и функциональной способности мышцы при снижении использования, заболевании или иных воздействиях.

Пример: В микрогравитации мышцы, обычно удерживающие тело против силы тяжести, получают меньше привычной нагрузки.

Сдвиг жидкостей

Изменение распределения крови и других жидкостей между частями тела при изменении условий гравитации.

Пример: На орбите часть жидкости перемещается к верхней части тела, что может менять работу сосудистой системы.

Ортостатическая устойчивость

Способность кровообращения поддерживать достаточное снабжение мозга кровью при переходе в вертикальное положение.

Пример: После возвращения на Землю у части астронавтов возникают трудности при вставании из-за перестройки регуляции сосудов.

Контрмера

Специально разработанное действие или устройство, уменьшающее неблагоприятное физиологическое изменение в определённых условиях.

Пример: Силовой тренажёр на станции создаёт сопротивление для мышц и костей, хотя обычного веса там нет.

Резистивная тренировка

Упражнения, при которых мышцы работают против специально создаваемого сопротивления, поддерживая силу и механическую нагрузку тканей.

Пример: На орбите устройство с сопротивлением заменяет часть нагрузки, которую на Земле создают веса и опора.

Модель постельного режима

Наземный исследовательский подход с длительным ограничением обычной опоры и движения, применяемый для изучения отдельных эффектов полёта.

Пример: Постельный режим показывает некоторые изменения мышц и сосудов, но не воспроизводит все факторы космоса.

Пример по шагам

На станции космонавт может поднимать предмет одним пальцем. Почему это не означает, что его мышцы становятся сильнее?

  1. Предмет почти не давит на руку привычным весом, потому что вместе со станцией находится в свободном падении.
  2. Для поддержания мышц нужна нагрузка сопротивления; лёгкость предмета её уменьшает.
  3. Длительная разгрузка без упражнений способствует потере силы и массы мышц.

Вывод: Малая кажущаяся тяжесть предмета и сила мышцы — разные величины.

Практическая работа

Сравнение результатов до и после космического полёта

  1. Используйте опубликованный набор данных о силе мышцы или минеральной плотности кости до и после полёта.
  2. Подпишите, какие контрмеры применяли и как долго длился полёт; сравните направления изменений.
  3. Укажите ограничения: малое число людей, индивидуальные различия и невозможность изолировать только один фактор.

Что можно заключить: Микрогравитация меняет нагрузку и физиологию, а контрмеры оценивают по измеримым исходам, а не по обещанию полной защиты.

Безопасность: Не создавайте школьные опыты с длительным обездвиживанием, подвешиванием или ограничением питания; используйте только опубликованные данные.

Попробуйте сами

Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.

Открываем задания…

Сверка содержания

Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.