„Pająki w Kosmosie” – współpraca pomiędzy edukacją i badaniami naukowymi

Tłumaczenie Magdalena Droszcz, Rafał Jakubowski

Australijski pająk-astronauta, Slayer, podczas treningu do misji

Ambitny australijski szkolny projekt polegał na wysłaniu pająków w kosmos, aby doświadczyły mikrograwitacji. „Pająki w kosmosie” stworzą podstawę przyszłego projektu, w którym weźmie udział więcej szkół na całym świecie. Lachlan Thompson i Naomi Mathers z RMIT Uniwersytetu w Melbourne, Australia, tłumaczą jak to się zaczęło.

16 stycznia 2003 r. osiem australijskich pająków rozpoczęło na pokładzie wahadłowca Columbia STS-107 szesnastodniową misję w kosmosie

Eksperyment był punktem kulminacyjnym trzyletniego wspólnego projektu uczniów ze szkoły średniej Glen Waverley, Uniwersytetu RMIT i Królewskiego Zoo z Melbourne (Thompson et al., 2000). Uczniowie byli w bezpośrednim kontakcie z NASA, BioServe oraz SPACEHAB (przyp. modułem logistycznym wykorzystywanym jako dodatkowe pomieszczenie na eksperymenty naukowe podczas lotu wahadłowca), jak i z międzynarodowymi badaczami.

Ponadto, włączeni zostali we wszystkie aspekty projektowania eksperymentu, jak również w badanie takich kwestii jak zezwolenie na lot czy symulacja lotu.

Pomimo tragicznej straty wahadłowca Columbia i jego załogi podczas misji STS-107, projekt ten podkreślił edukacyjne korzyści dla uczniów płynące z bycia częścią prawdziwego naukowego projektu.

Wstęp

Jedną z największych społecznych korzyści wynikających z programu wahadłowca NASA jest edukacja. Analizując poprzednie misje, w wahadłowcu była zawsze nadmierna ładowność ciężaru użytecznego, który mógłby zostać użyty dla małych eksperymentów edukacyjnych. Inicjatywa NASA, aby zrobić użytek z tej ładowności umożliwiła szkołom w USA odegranie aktywnej roli w badaniu kosmosu.

W późnych latach 90-tych XX wieku NASA zleciła swoje dochodowe badanie kosmosu modułowi logistycznemu SPACEHAB. Stanowiło to okazję dla SPACEHAB do zaoferowania dochodowych eksperymentalnych programów edukacyjnych i zakończyło się programem STARS, dotyczącym technologii kosmosu oraz badaniami prowadzonymi przez studentów.

Eksperymenty STARS przeprowadzane na STS-107 pochodziły z różnych szkół w USA, Australii, Japonii, Chin oraz Izraela (Goulart et al., 2005).

Przy poparciu naukowców i innych profesjonalistów każda klasa była odpowiedzialna za rozwój jej własnego eksperymentu oraz pozostawanie w stałym kontakcie z modułem logistycznym SPACEHAB, szkołami publicznymi i innymi.

Tematem, który został wybrany dla australijskiego projektu był „PAJAKI W KOSMOSIE: wpływ mikrograwitacji na zachowania pająków i budowę pajęczyny”. Pająki poleciały wcześniej w kosmos w 1973 r. na SKYLAB 3, ale zmarły zanim ukończono eksperyment (Witt et al., 1977). Naukowcy z Uniwersytetu RMIT wybrali ten temat ze względu na jego dostępność i fakt, że spodobał się on studentom w różnym wieku i o różnych zdolnościach.

Eksperyment miał na celu poszerzyć wiedzę na temat biologicznych wpływów mikrograwitacji na żywe organizmy, ze szczególnym naciskiem na budowanie pajęczyny i jej mikrostrukturę w mikrograwitacji. Uważa się, że grawitacja ma silny wpływ na zachowanie pająków, szczególnie na sposób, w jaki się ruszają oraz budują swoje pajęczyny. Ponadto, sadzi się również, że grawitacja oddziałuje na grubość pajęczyny i północno-południową asymetrię jej sieci i pomaga pająkom przystosować się, szczególnie gdy przebudowują swoje wcześniej uszkodzone pajęczyny.

Cała klasa przedstawiła hipotezę, że pająk zbuduje inną sieć w mikrograwitacji niż na ziemi. Zostało to zbadane poprzez obserwację różnic w kształcie, wzorze i grubości pajęczyny. Klasa 9 licząca 26 uczniów (w wieku od 14 do 15 lat) stworzyła grupy mające na celu zbadać podstawowe obszary projektu: hodowlę zwierząt, rozwój środowiska naturalnego, protokoły z misji, trenowanie pająków – astronautów, oprzyrządowanie, media oraz łączność. Następnie każda grupa badawcza rozpoczęła przeprowadzanie serii eksperymentów, aby rozwinąć wymogi misji. Wymagało to dobrania odpowiednich gatunków pająków, ich rozmiaru i wieku, oświetlenia, jedzenia i mechanizmów karmiących oraz właściwości środowiska naturalnego, aby zachęcić je do budowania sieci. Istota eksperymentu zachęciła uczniów do przewidywania i planowania komplikacji, takich jak redukcja pająków, awaria mechanizmu karmiącego i celowość użycia mechanicznych lub biologicznych techniki karmiących. Wymagano od uczniów komunikowania się ze SPACEHAB w USA poprzez protokoły, definiowanie sprzętu komputerowego, listy materiałów, zgody na lot i symulacje misji.

Studenci przygotowujący środowisko naturalne pająków w instytucie Astrotech w Titusville, FL, USA Spotkanie drużyny w celu wybrania najlepszych pająków-astronautów

„Pająki w Kosmosie” w szkolnym programie nauczania

W celu umożliwienia wprowadzenia głównego projektu do klas, program nauczania przedstawił kluczowe tematy tego projektu badawczego oraz zadania uczniów ukazujące edukacyjne i naukowe cele przedmiotów ścisłych w klasie 9. Większość programów nauczania przedmiotów ścisłych mogłaby być włączona w projekt (Board of Studies, 1999), który został przeprowadzony z tymi samymi uczniami przez trzy lata, od 2000 r. do czerwca 2003 r. Gdy uczniowie rozpoczęli naukę w klasie 10 i 11, projekt dotyczący pająków kończono poza lekcjami, jako dodatek do ich normalnej nauki.

W czasie trwania projektu uniwersytet RMIT i zoo dostarczali każdego dnia po jednym naukowym mentorze. Grupy spotykały się co tydzień na 30 minut, aby przeanalizować całkowity postęp.

Naszywka misji STS107

Projekt z pająkami pozostawił szeroki zakres efektów ubocznych powstałych podczas eksperymentów i czynności wykonanych przed odlotem takich jak: Hodowla pająków; Trenowanie pająków do warunków podczas lotu; Rozwój środowiska naturalnego; Rozwój właściwego oświetlenia dla oglądania i fotografowania pajęczyn; Przedstawianie doświadczeń kontrolnych i eksperymentów z lotami; designing and testing automated feeding mechanisms; Projektowanie i testowanie automatycznych mechanizmów karmiących. Aby zaangażować szerszą społeczność szkolną, klasa zamówiła pudełka z klas technicznych stanowiące środowisko naturalne pająków oraz dostała kamery video i oświetlenie z klas elektronicznych.

Rezultaty Pracy na STS-107 Columbia

Pająki z gatunku Eriophora transmarina były obserwowane cały dzień i noc poprzez kamerę video. Nocne zdjęcie było najbardziej użyteczne, ponieważ pająki prowadzą nocny tryb życia. Uzyskanie wspaniałych zdjęć pająka robiącego pajęczynę pozwoliło klasie na zbadanie tych wybitnych zdolności pająków. Podczas gdy osiem pająków poleciało na wahadłowcu Columbia, drugi zespół został poddany eksperymentom w identycznym schowku na ziemi. W obu środowiskach pająki – astronauci miały zapewnione jedzenie (larwy muszek owocowych zanurzone w żelu agar na bazie ich środowiska naturalnego). Muchy zostały nagrane na filmie video jak rodziły się z poczwarek zarówno w wahadłowcu, jak i na ziemi. Ten biologiczny proces karmienia to rokujący powodzenie mechanizm podtrzymujący przy życiu pająki.

Wahadłowiec Columbia podczas startu

Porównując zachowania dwóch prowadzących pająków pokazało, że Wako w mikrograwitacji był zdolny do konstruowania sieci o połowę szybciej niż jego „kolega” Cadbury na ziemi (Witt et al., 1977).

Pierwszy izraelski astronauta, Ilan Ramon, specjalista ds. ciężaru użytecznego, przygotowuje się do pobrania próbek pajęczyny w dniu misji Columbii Photo courtesy of NASA

Podczas misji dane z doświadczeń zostały przesłane do centrum kontroli lotów i udostępnione dla zespołów badawczych. Załoga wahadłowca Columbia blisko współpracowała z uczniami. Pierwszy izraelski astronauta, Ilan Ramon, uwolnił zapasowe pająki i wziął próbki pajęczyn. Jego obserwacje, komentarze oraz spostrzeżenia przekazane podczas misji, wyrażały jego zadowolenie z pracy nad eksperymentem i stworzyły silną więź pomiędzy drużyną pracująca nas „Pająkami w kosmosie” oraz załogą Columbii.

Dalsza analiza została udaremniona na skutek straty Columbii, jej załogi oraz ważnych danych, włączając obrazy sieci pajęczych, pająków i próbek pajęczyn.

Badania i Rezulataty Naukowe

Wyniki eksperymentu maja szerokie zastosowanie. Badanie i rozwój i systemów podtrzymujących życie pająków i podobnych form życia w kosmosie wpływają na wiedzę potrzebną do wsparcia ekosystemów w kosmosie.

Obserwując jak pająki uczą się ruszać bez pomocy grawitacji i jak rozwijają nowe techniki budowania sieci dostarczają spostrzeżeń na temat technik budowania struktur w warunkach mikrograwitacji. Na przykład, dwuwymiarowy rodzaj pajęczyny jest współmierny do dużych struktur używanych do wspierania promieni słonecznych. W rozwoju tej hipotezy i projektowaniu eksperymentu, uczniowie spostrzegli, jaką rolę odgrywa nauka w naszej społeczności. Rozwinęli indywidualne ekspertyzy i rozumienie odpowiedzialności naukowców w rozpowszechnianiu ich odkryć wśród naukowych i szerszych społeczności.

Uczniowie napotkali na następujące pojęcia podczas realizacji projektu:

• Związek pomiędzy wagą a strukturą i mikrostrukturą pajęczyny;
• Rola grawitacji w kierunkowości i budowaniu sieci;
• Przystosowanie i poruszanie się w warunkach mikrograwitacji;
• Aspekty zdrowia w kosmosie;
• Zachowanie pająków;
• Eksperymentalne techniki i uzasadnienie;
• Budowanie małych ekosystemów;
• Misje wahadłowca: procedury, terminy ostateczne, symulacje;
• Obiektywna analiza rezultatów;
• Wymiana wyników pomiędzy badaczami;
• Praca z profesjonalnymi naukowcami, astronautami i technikami, w celu rozwiązania problemów naukowych;
• Przekazywanie wyników eksperymentów profesjonalnej naukowej społecznoc.

Epilog

Tragiczna strata Columbii i jej załogi 1 lutego 2003 r. zaszokowała świat, gdy szczątki zostały porozrzucane na południu USA. Wraz ze śmiercią załogi nauki ścisłe zostały osobistą załogą „pająków w kosmosie”. Zamiast radosnego powrotu wahadłowca był szok, horror i żal. Była to trudna lekcja, w której nauki ścisłe mobilizowały granice ludzkich osiągnięć i napędzały drużyny i indywidualne osoby do działania. Jednak ta pogoń za wiedzą nie odbywa się bez ryzyka.

Świt 245km nad Ziemią

Jak powiedział Greg Carstairs, „Nasza drużyna, na skutek straty Columbii została zmuszona do wytężonej pracy nad ukończeniem i opublikowaniem wyników eksperymentu jako hołdu dla siedmiu astronautów.”

Materialy zródlowe

Board of Studies (1999) Curriculum and Standards Framework II. East Melbourne, Vic, Australia: Victorian Curriculum and Assessment Authority

Goulart CV, Woodard S, Campbell K (2005) STARS™ (Science Technology and Research Students): A Hands-On, Interactive, Scientific and Cultural Exchange Lesson. SAE Technical Paper 2005-01-3102. Warrendale, PA, USA: SAE International

NASA (1999) Proceedings of the 1999 Shuttle Small Payloads Symposium. CP-1999-209476. Washington, DC, USA: National Aeronautics and Space Administration

Thompson LA, Rudov-Clark S, Diadematus AS (2000) ‘Spiders in Space’ – Space Science in Australian Schools. 6th Australian Space Development Conference; 19 July; Adelaide, SA, Australia

Witt PN et al. (1977) Spider web-building in outer space: evaluation of records from the Skylab spider experiment. Journal of Arachnology 4: 115-124