Научно-исследовательская работа по теме Еда космонавтов и проблемы их рационального питания

Государственное учреждение ЛНР

Центр поддержки и развития воспитательной работы и дополнительного образования детей и учащейся молодежи

Еда космонавтов и проблемы их рационального питания.

Выполнили: учащийся 8-А класса

Костенко Дмитрий

учащийся 5-А класса

Никульников Алексей

Научный руководитель Никульникова Т.Ю.

г. Стаханов

2016 год

Содержание

Введение 3

Глава 1.Зелёные водоросли и цианобактерии в космосе.

1. Первое меню космонавтов 4

2. Хлорелла - первое растение в космосе. 5

3. Спирулина - зеленое чудо природы. 6

4. Бактерии кандидаты на покорение Марса. 7

Глава 2. Употребление воды в космосе 9

Глава 3. Новое поколение космического продовольствия 10

Заключение 10

Список использованной литературы 12

Приложение 13

Введение.

Еще до того, как началась эра космических полетов, ученые стали задумываться, как человек мог бы питаться в космосе. Это был один из самых важных вопросов, связанных с нахождением человека в космосе.

Поводом исследований в данной работе послужило развитие космонавтики и подготовка человека к межпланетным перелётам. Запустить человека в Космос - дело сложное. Особенно, если учесть, что это живое существо, которому нужно есть, спать и справлять свои естественные нужды. Жизнеобеспечение нужно перевести на автономный режим.

И сегодня лучшие ученые, инженеры и повара из разных стран работают над проблемой питания космонавтов, обеспечение их воздухом и утилизации отходов .

Выбранная тема является актуальной, значимой и перспективной. Объектом исследования является пища, используемая для питания космонавтов. Предметом исследования - физические, химические и биологические процессы, применяемые при создании космической еды.

Средствами реализации задач послужило изучение статей о первых космонавтах из печатных изданий, научная литература, а так же интернет-ресурсы.

Цель работы: исследование возможности и продуктивности определенных видов и сортов растений к обеспечению космонавтов необходимым белково-витаминным и жироуглеводным запасом на длительное время, изучить проблему организации и рационального питания космонавтов.

Задачи:

- Изучить возможности определенных видов и сортов растений к обеспечению космонавтов продуктами питания.

- Найти и изучить объекты исследования - сине-зеленые водоросли, цианобактерии.

- Употребление воды в космосе

- Новое поколение космического продовольствия

- Использовать тему исследования в образовательных целях.

Методы:

• Поисковый.

• Сравнительный.

• Аналитический.

Юрий Гагарин перед стартом. Источник фото: ria.ru

Глава 1. Употребление водорослей и цианобактерий в космосе.

1.1.Первое меню космонавтов.

Если первые полёты человека в космос занимали несколько часов, а потом несколько суток, то для их жизнеобеспечения необходимо было взять необходимый запас продуктов, воздуха на несколько месяцев. Гагарин первым получил космическую еду - всего девять гомогенизированных (однородных) продуктов, упакованных в тубы. Правда, говорят, что он так ничего и не съел, так как пробыл в космосе 108 минут. Этот обед был потом съеден другим советским космонавтом, Германом Титовым: он пообедал в космосе овощным супом-пюре, печеночным паштетом и соком из черной смородины. Но по возвращению на Землю он все равно пожаловался на головокружение от голода. Так что в дальнейшем специалисты по космическому питанию занялись разработкой специальных продуктов, которые будут максимально питательными, эффективными и хорошо впитывающимися организмом.

Источник: www.novate.ru/blogs/030414/25931/

Для достижения поставленной цели были выбраны следующие объекты исследования: Зелёные водоросли - хлорелла, спирулина, цианобактерии.

Более сложной проблемой является организация питания человека в продолжительных полетах, когда невозможно взять необходимые на всю дорогу запасы пищи и воды с Земли. В этих случаях приходится искать другой выход. И заключается он в том, чтобы необходимую космонавтам пищу создавать на самом космическом корабле.

Научная разработка такой серьезнейшей проблемы может идти по нескольким направлениям. Наиболее эффективными надо считать пути, предложенные нашим замечательным соотечественником К. Э. Циолковским: использовать в космических полетах некоторые земные растения, обладающие большой производительностью.

1.2. Первое растение в космосе - хлорелла.

Очень перспективно использование некоторых водорослей, особенно хлореллы.Оказывается, одним из первых растений, побывавшем в космосе, является одноклеточная водоросль ХЛОРЕЛЛА.

Хлорелла - это водоросль. Одноклеточное низшее растение. Оно великолепно синтезирует свет (то есть усваивает его и перерабатывает в «вещества»). Не только солнечный свет, но и электрический. Водоросль эта может усваивать до 50 процентов солнечной энергии. Высшие растения усваивают максимум 13 процентов. Хлорелла - своеобразная солнечная батарея.

Синтезируя свет, хлорелла создает белки: при хороших условиях - до 50 процентов (лучшие сорта бобовых - лишь до 30 процентов, пшеница - 18 - 24 процента).

Поскольку хлорелла почти на 60% состоит из белка и способна воспроизводить его в 50 раз быстрее, чем другие белковые злаковые растения, эта водоросль может служить ценным источником белка.

Благодаря способности хлореллы создавать большое количество органического вещества ее используют для получения кормов.

(www.ecosystema.ru/07referats/01/zelvodoros.htm

Хлорелла синтезирует жиры, углеводы. В ней содержится весь комплекс витаминов. В ста граммах сухого вещества - примерно суточная норма человека.

Синтезируя свет, хлорелла дышит, выделяя кислород.

Итак, хлорелла, используя свет, создает пищу и кислород.

А темп роста хлореллы! Масса ее за сутки увеличивается в 8-10 раза с одного квадратного метра поверхности - 70 граммов сухого вещества, то есть пищи. С одного гектара - 700 килограммов. А наземные растения с одного гектара дают нам максимум 110 килограммов.

Но в космическом корабле не так много места, чтобы отдавать квадратные метры хлорелле.

Но для хлореллы и место не проблема! В сосуде густая взвесь хлореллы и… золотые рыбки.

К хвостам их прикреплены маленькие баллончики, покрытые светящимися веществами - люминофорами. Рыбки плавают. Питаются хлореллой.

Перемешивают ее. Свет от баллончиков падает почти на каждую клетку хлореллы. Она не притязательна. Ей этого света вполне достаточно.

Такие плантации придумал японский ученый Накамура.

Но… Проблема еще полностью не решена. Во-первых, по некоторым данным, водоросли могут выделять и вредные вещества. Во-вторых, неясно, как на водоросли будут действовать космические излучения. И, наконец, остается переменным психологический фактор питания. Трехразовое питание из одних и тех же водорослей в течение длительного времени. И как ни разнообразь и ни изощряйся в приготовлении хлореллы, все равно: окрошка из хлореллы, шашлык по-хлорелльски, гарнир - хлорелльное пюре, натуральный кофе «Космос» из хлореллы и т. д. Хлорелла останется хлореллой, хоть ты окончил высшие космокулинарные курсы!..

Может быть, добавить к водорослям зоопланктон? Он годится в пищу и помогает уничтожать клетчатку, не переваренную человеком. Но космонавтам захочется и мяса. Может быть, куры?

Для кур водоросли - великолепный корм. А кроме того, они едят и яичную скорлупу и толченые кости…

Как видите, проблема питания в космических полетах очень важна, но в ее решении сделаны лишь первые шаги.

1.3.Спирулина - зелёное чудо природы.

Для питания полноценной пищей космонавты используют другую простейшую водоросль спирулину. Более того, они выращивают её в космосе, и сразу употребляют в пищу. Сине-зеленая водоросль, сохранившаяся до наших дней - одна из первых форм растительной жизни на Земле.

Во всем мире пищевая микроводоросль СПИРУЛИНА названа - "зеленым чудом природы", за тот уникальный биохимический состав, которым она обладает, один из самых популярных продуктов на земле

Биомасса спирулины содержит абсолютно все вещества, которые необходимы человеку для нормальной жизнедеятельности.

Ряд биопротекторов, биокорректоров и биостимуляторов не содержится больше ни в одном натуральном продукте !

Всего в состав спирулины входит около 2000 витаминов, минералов, аминокислот, полиненасыщенных жирных кислот и ферментов.

Белки. Содержание белка в спирулине достигает 70%.Это в десятки, сотни раз превышает наличие белка (легко усвояемого) в мясе.

Содержание Бета- каротина в спирулине столько, сколько в 10 кг сухой моркови - одном, из самых богатейших источников этого вещества.

Усвояемость белка 87%.

Спирулина - единственный растительный продукт, белки которого содержат полный набор аминокислот в необходимых пропорциях, включая 8 незаменимых.

Коэффициент усвояемости 95%.

Водоросли необычайно выносливы и очень быстро размножаются. Некоторые из них при благоприятных условиях могут за сутки увеличить свой вес в 7-12 раз.

Это объясняется тем, что в составе спирулины находятся:

- глютаминовая кислота - стабилизирующая умственные способности, основная пища для клеток мозга.

- тирозин - эликсир молодости, замедляет процессы старения.

- тиамин - укрепляет нервную систему, снижает утомляемость,

нормализует сон, сердечный ритм, устраняет одышку.

- цистин - обеспечивает нормальную работу поджелудочной железы,

- аргинин - способствует очищению крови.

- фолиевая кислота - необходима для образования гемоглобина.

- инозитол - поддерживает в здоровом состоянии печень, способствует выведению канцерогенов, нормализует уровень холестерина .

- спирулина содержит фикоцианин, не найденный больше ни в одном продукте!

Исследования ученых показывают, что это основной пигмент, укрепляющий иммунную систему, способствующий нормальной работе лимфосистемы - поддерживать здоровыми органы, защищать от рака инфекционных заболеваний!

- Хелатные агенты (сидерохромы) - обеспечивают защиту организма от действия радиации, выводят из организма тяжелые металлы, в том числе радиоактивные ( плутоний, стронций, др.).

Спирулина, она необходима в тяжелых и экстремальных состояниях, и условиях.

Витамины, минеральные вещества: важнейшие витамины, практически весь набор необходимых организму человека минеральных веществ находится в спирулине.

Также на водорослях проводятся и эксперименты по генной инженерии. Где с помощью изменений в генетическом материале можно «научить» водоросли перерабатывать мусор или синтезировать новые органические вещества: аминокислоты, углеводы, жиры. Но эта отрасль находиться в состоянии разработки. Эксперименты, которые сейчас проходят в космических лабораториях на околоземных орбитах.

1.4. Цианобактерии - кандидаты на покорение марса.

Но сфера применения водорослей не ограничивается стенами космических станций. Человек планирует поселиться и на других планетах и одна из этих планет станет Марс. И здесь человек не может обойтись без простейших водорослей.

Покорение Марса - как же! - немыслимо без подспорья микробов. Без них не озеленить Марс. Имена будущих астронавтов, быть может, пока на устах лишь их матерей, ведь НАСА планирует запуск пилотируемого корабля на Марс лишь на 20 июля 2019 года, к полувековому юбилею высадки человека на Луну. Имена же бактерий, отправляемых на Красную планету, известны уже сейчас.

По сообщению Имре Фридмана из Института астробиологических исследований при НАСА, среди них:

Matteia

specifica

- сине-зеленая водоросль, или цианобактерия, то есть бактерия со свойствами растений; она может превращать солнечный свет в энергию. Она питается минералами, выделяя азот; может подолгу существовать в условиях крайне низкой влажности.

Chroococcidiopsis

specifica

- еще одна цианобактерия, которая прекрасно чувствует себя в сухой и соленой, жаркой и холодной среде.

С помощью генетических манипуляций можно заранее, еще при подготовке к полету, изменить ДНК этих микроорганизмов, приспособив их к марсианскому образу жизни. Со временем, когда климат на Марсе удастся изменить, а бактерии взрыхлят его почву и насытят ее питательными веществами, можно будет выселять на Марс высшие растения. Постепенно атмосфера планеты заполнится кислородом.

… Но это уже - тема других разговоров, окрашенных только в радужные тона.

Для решения этой проблемы понадобятся специально сконструированные организмы с измененными генами, способные питаться светом, отходами и простыми веществами. Например, большие современные цеха по производству пищевой водоросли хлореллы могут производить до 40 т суспензии в сутки. Один полностью автономный биореактор весом несколько тонн может производить до 300 л суспензии хлореллы в сутки, чего достаточно для питания экипажа в несколько десятков человек. Генетически модифицированная хлорелла могла бы не только удовлетворять потребности экипажа в питательных веществах, но и перерабатывать отходы, включая углекислый газ. Сегодня процесс генетического инжиниринга микроводорослей стал обычным делом, и существуют многочисленные образцы, разработанные для очистки сточных вод, выработки биотоплива и т.д.

Кроме того, лётные. эксперименты ставились на собаках, крысах, мышах, морских свинках, лягушках, мухах-дрозофилах, высших растениях (традесканция, семена пшеницы, гороха, лука, кукурузы, нигеллы, проростки растений в разных стадиях развития) , на икре улитки, культуре тканей человека и животных, бактериальных культурах, вирусах, фагах, некоторых ферментах и др. (www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/065/124.htm)

Но водоросли поглощают солнечную энергию лучше других растений. Для увеличения своего веса водоросли используют не менее 7 процентов солнечной энергии, в то время как большинство земных растений - меньше процента. Есть еще одна, чрезвычайно важная особенность некоторых водорослей: в процессе жизнедеятельности они создают, синтезируют в большом количестве белки, жиры, углеводы и витамины.

Но главное свойство водорослей состоит в том, что они могут достаточно полно использовать вещества, выделяемые человеком и животными. Следовательно, в космическом корабле одновременно происходят очищение продуктов выделения, и создание необходимой человеку пищи

Глава 2. Употребление воды в космосе

В условиях космического полета проблема обеспечения человека водой является также очень сложной. Известно, что «водный голод» в течение недели уже представляет опасность для жизни, так как не восполненная потеря организмом 10-11 процентов содержащейся в нем воды может привести к смерти.

Вода необходима в равной степени и человеку, и животным, и растениям. Она является не только растворителем важнейших химических веществ, циркулирующих с кровью по клеткам организма, не только растворителем выделяемых из организма отработанных продуктов, но и важнейшим пластическим веществом, входящим в структуру каждой живой клетки.

При этом в живом организме непрерывно осуществляется регулирование водного обмена, благодаря чему количество воды в организме всегда остается относительно постоянным.

Суточная потребность человека в питьевой воде составляет около 2 литров, кроме того, она входит в состав пищи, а также используется для гигиенических целей. Таким образом, даже по самым скромным подсчетам, человеку в сутки необходимо около 4 литров воды.

С целью рационального использования воды на космической орбите, разработаны специальные правила ее экономии. В космосе не стирают одежду, а используют свежие комплекты. Гигиенические потребности удовлетворяют специальными влажными салфетками.

Из 8000 литров пресной воды в год, требуемых для обеспечения жизнедеятельности на космической станции, 80% из них могут быть воспроизведены непосредственно на самой станции из отходов жизнедеятельности человека и других систем космической станции.

Так, например, американские ученые создали во многом уникальную систему очистки мочи. Как утверждают разработчики этой системы, моча и конденсат, очищенные с помощью их аппарата практически ничем не отличается от стандартной бутилированной воды. Эти системы очистки воды способны перерабатывать до 6000 литров в год.

Источники воспроизводства воды на орбитальных станциях:

• конденсат;

• моча астронавтов;

• отходы работы кислородно-водородных топливных элементов - для технических нужд.

Глава 3. Новое поколение космического продовольствия

Сегодня Российское авиационно-космическое агентство работает над научно-технической программой по созданию космического продовольствия нового поколения. Проблема назрела.

Сейчас на МКС астронавты и космонавты питаются исключительно консервированными продуктами. Взять запас продуктов на долгие годы не удается, поэтому пришло время выращивать еду прямо на борту корабля. Выращиванием разных растений космонавты занимались ещё на станции «Мир». Продолжаются такие работы и сейчас на борту МКС. В орбитальной лаборатории в миниатюрном сельхоз-модуле с неофициальным названием «салатная машина» выращен экспериментальный урожай бобов. Причем эти бобы прошли полный цикл роста. В 2002 году на станцию в специальной камере прибыли семена бобов. За ними ухаживала и следила за их ростом американская космонавтка Пеги Уитсон. Бобы сначала дали ростки, потом эти ростки превратились в стебли и листья, затем появились цветки, а потом и стручки с бобами. Круг замкнулся.

Однако «голодным» астронавтам съесть бобы не удалось. «Шаттл» Atlantis доставил контейнер с выращенным урожаем на Землю, где бобы были тщательно исследованы на предмет того, какие именно изменения произошли в них вплоть до молекулярного уровня в условиях невесомости.

Российские ученые собираются организовывать на борту марсианского корабля автономную хлебопекарню. Срок хранения хлеба, поставляемого на МКС - только один год. Технологию выпечки хлеба из специальных мучных смесей разрабатывают в ходе эксперимента «500 дней», имитирующего полет на Марс. «Рацион «космонавтов» разнообразят и продуктами, обладающими радиопротекторными свойствами и богатыми пектином, который выводит из организма токсины».

В длительном полете происходят функциональные изменения в иммунной системе и желудочно-кишечном тракте человека, поэтому на МКС уже отправляются продукты с добавками, помогающими организму справиться с воздействиями экстремальных факторов окружающей среды.

Заключение

Целью проведенных экспериментов является получение максимального урожая с минимальной площади, что особо важно в условиях малых площадей космического корабля. Короткий вегетационный цикл который позволял бы получать быстрый урожай и полноценный набор питательных веществ необходимых человеку накопленных в растении в условиях космического коробля.

Впереди ещё много рабты. Необходимо изучить зависимость роста и продуктивности растений от освещенности, воздействия на растения слабого источника электромагнитного излучения (мобильного телефона), использование гидропоники и стимуляторов роста для повышения урожайности и ускорение созревания плодов и многое другое.

Разработка продуктов - сложная задача, требующая привлечения широкого круга специалистов. На сегодняшний день официальное меню российских космонавтов насчитывает 250 наименований.

Изучая этот вопрос я пришел к весьма интересной аналогии с алхимией. В поисках философского камня, превращающего любой металл в золото, средневековые ученые сделали немало важных открытий, которыми пользуется современная промышленность и медицина. Далекие космические цели начинают оправдывать огромные средства, вложенные в них, возвращаясь уникальными технологиями массового производства.

В заключении хочу сказать, что приобретая опыт самостоятельной работы с разными источниками, я получил не только ценные знания, но и расширил кругозор по пониманию физических, химических и биологических явлений.

А теперь немного из области фантастики… По мнению ученых в будущем еду брать в космос с Земли не будут. Экологическая среда в кабинах межпланетных кораблей даст человеку абсолютно все, что нужно для нормальной жизни. Белки, жиры, углеводы, микро- и макроэлементы, витамины доставит водоросль хлорелла. Будет и свой «скотный двор». Обитателями его станут кролики, утки и куры. Недостаток углеродов восполнят батат и картофель, выращенные на искусственной среде из отходов. Овощи так же будут вырабатывать воздух, поглощая углекислый газ.

Институт возрастной физиологии РАО изучил показатели работы сердца и дыхания школьников во время уроков. Оказалось, что организм школьника в момент занятий можно сравнить с организмом космонавта, находящимся в невесомости, по степени напряжения. Ученик сидит за партой, но при этом его эмоциональная и интеллектуальная нагрузка настолько велика, что он тратит огромное количество калорий. Мозг школьника расходует почти 25% полученной с пищей энергии, в то время как «голова» взрослого - лишь 3-4%. Поэтому дети в возрасте 7-10 лет вместе с едой должны получать около 2000 ккал в сутки, в 11-14 - уже 2400-2600 ккал, а в 16 лет - примерно 3000 ккал (их родители - 2000-2200 ккал, а бабушки и дедушки - всего 1500 ккал). Но это вовсе не значит, что ученики могут набивать свои животики сосисками, гамбургерами, жареной картошкой и шоколадными батончиками и успокаивать себя тем, что все это «сгорит». Во-первых, не «сгорит» - недаром уже 10% отечественных школьников страдают от ожирения. Во-вторых, настоящим отличникам нужны совсем другие продукты. Детские диетологи не устают повторять - утром ребёнок должен съесть что-нибудь тёпленькое, не слишком жирное и не очень сладкое. Поэтому настоящей царицей здорового завтрака во все времена являлась молочная каша.

Ешьте качественные продукты и будьте здоровы!

Список использованной литературы:

• «АиФ»,№10 ОТ 29.10.2004 «Полетели в космос русский и американец»

• Андреев В.В., Трофимук Н.А. Высотное питание // Воен.-сан. дело. - 193 - № 1-
  
  - С. 74-79.

• Попов И.Г. Питание и водоснабжение // Основы космической биологии и медицины: Совместное советско-американское издание. - М.: Наука, 197 - Т. - С. 35-70.

• Пыхова Н. «Космические» продукты: не пережевать!. www.reakcia.ru/article/?507

• combat-tour.ru. Космическое питание. www.combat-tour.ru/activetours/space_food.shtml

• Источник:www.novate.ru/blogs/030414/25931/

• (www.ecosystema.ru/07referats/01/zelvodoros.htm

• (www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/065/124.htm</)
  
  
  
  

Хлорелла

Спирулина

Цианобактерии

18