Космическая биология и медицина

Основными объектами исследований по космической генетике были следующие: бактерии, низшие растения (хлорелла, хламидомонада), высшие растения (крепис, арабидопсис, ячмень, салат, горох), насекомые (дрозофила, хабробракон, триболиум), амфибии (ксенопус), рыбы (гуппи, данио рерио), мыши и крысы. Коренным образом изменилось техническое оснащение экспериментов, в частности, на советских спутниках было налажено термостатирование биологических объектов, что было обусловлено созданием приборов типа «Биотерм», «Биокат», «Термоконт». Были сконструированы приборы для культивирования микроорганизмов, разработана аппаратура, позволяющая проводить фиксацию развивающихся икринок рыб и прорастающих семян в условиях невесомости, создана бортовая оранжерея «Оазис».

В опытах на борту космических  кораблей используются искусственные  облучатели и центрифуги для изучения влияния невесомости и ее взаимодействия с ионизирующей радиацией.

Полетные эксперименты показали, что как отдельные факторы  космического полета, так и их комплексное  воздействие способны вызывать различные  изменения в строении и функционировании наследственного аппарата организмов разного уровня организации. Были , обнаружены следующие изменения: инактивация клеток; появление генных и хромосомных мутаций; возникновение потенциальных повреждений, которые лишь спустя некоторое время реализуются в мутации; нарушения протекания митоза. Все это указывает на то, что факторы космического полета способны вызывать весь объем генетических изменений в хромосомах.

Примечательной особенностью генетических поражений, возникающих  в условиях космоса, была их пространственная неравномерность. Среди живых объектов в полете на фоне общего сохранения нормальных со стояний были зарегистрированы высокие уровни поражений у отдельных  клеток или групп клеток. В данном случае, по-видимому, сквозь пространственное расположение материала локально пролетали  высокоэнергетические частицы космической  радиации. Это же было причиной появления  множественности повреждений хромосомного аппарата в пределах отдельных клеток. Существенным было и обнаружение  того, что невесомость может нарушать клеточное деление (механизм митоза), вызывая нерасхождение хромосом и другие эффекты. Кроме того, невесомость и динамические факторы оказались способными модифицировать мутагенные воздействия от ионизирующей радиации и алкилирующих соединений, вызывая при одних условиях усиление, при других – ослабление мутагенных эффектов.

Анализ полученных материалов показал, что влияние факторов космического полета на наследственные структуры  следует различать по характеру  их действия. Такое влияние может  быть и прямым и косвенным. Прямым действием обладали тяжелые ионы космической радиации – при инактивации клеток и при индукции мутаций хромосом и генов. То же можно сказать и о действии условий невесомости на протекание процессов клеточного деления. Косвенно факторы полета влияли на репарационные системы клеток, что оказывало модифицирующий эффект на процессы появления мутаций. Например, динамические факторы, по-видимому, подавляют дыхательные ферменты, а это снижает радиочувствительность клеток. При предварительном облучении семян креписа поражение репарационных систем создавало условия, при которых факторы полета усиливали радиационный эффект.

Особое значение следует  придать тому факту, что все типы генетических последствий, наблюдавшихся  в клетках и организмах в результате их пребывания в космосе, возникали  как редкие события (в количественном отношении они не воспроизводятся  от полета к полету). Это обстоятельство явилось причиной того, что в пределах различий, достигнутых в осуществленных космических экспериментах, генетические эффекты не показали корреляции ни с длительностью пребывания организмов в условиях невесомости, ни с дозой  ионизирующей радиации при различных  полетах.

Таким образом, на основании  данных о низком уровне, на котором  появлялись генетические изменения, можно  заключить, что пребывание космонавтов  на космических кораблях в течение времени совершаемых до сих пор полетов не представляет опасности для жизнедеятельности их организмов на клеточном уровне. Было установлено, в частности, что факторы полета на околоземной орбите ниже поясов радиации (при отсутствии вспышек на Солнце) длительностью до трех месяцев не вызывают ощутимых изменений в генетическом аппарате клеток.

Второй период исследований по космической генетике начался  в 1971 г. и продолжается по настоящее  время. Начало этому периоду положило создание долговременных орбитальных  станций: в 1971 г. была запущена советская  орбитальная станция «Салют», затем  последовали запуски других орбитальных  станций. Биологические эксперименты проводились на станциях «Салют-4, -5 и -6» и на американской орбитальной  станции «Скайлэб».

Для второго периода биологических  космических исследований характерны свои особенности проведения полетных опытов: возросли Г) длительность экспериментов, 2) габаритно-весовые возможности, 3) доля уча-!стия в проведении экспериментов со стороны космонавтов.

Активное участие космонавтов  позволяет по-иному осуществлять эксперименты в космосе. Примером успешной работы при участии космонавтов  на станции «Салют» являются исследования, проведенные на научных комплексах «Салют-6», «Союз-26», «Союз-27», «Прогресс-1». Биологические исследования для  этих полетов разрабатывались рядом  советских институтов и включали в себя две международные программы.

Институт общей генетики АН СССР при участии космонавтов  Ю. В. Романенко и Г. М. Гречко провел следующие эксперименты.

1. В ходе эксперимента  с плодовой мушкой (дрозофилой) предполагалось  исследовать состояние ее наследственного  аппарата после длительного пребывания В условиях космического полета. Длительность эксперимента составляла 91 сутки. На борту «Салюта-6» находился контейнер с личинками Дрозофилла Меланогастер линии Д-32 в возрасте около 48 ч, который размещался в термостате «Биотерм-2М», созданном ленинградскими учеными. После полутора месяцев пребывания космонавты провели пересадку их в новый контейнер со свежей питательной средой. Эти мухи дали хорошее потомство в невесомости – 38 самцов и 30 самок, которые и были доставлены на Землю для исследования.

2. Следующий эксперимент  проводился с проростками растения  Крепис Капиллярис с целью изучить влияние невесомости на клеточное деление и частоту перестроек хромосом. Сухие семена креписа после пребывания в условиях космического полета в течение 33 суток были пророщены, для чего космонавты в специальном приборе «Биофиксатор-1» смочили их водой. Через 35 ч после замачивания семян проростки были зафиксированы смесью уксусной кислоты со спиртом и после приземления доставлены в лабораторию. Операции проращивания и фиксации семян в невесомости позволяют вычленить этот фактор и изучить влияние невесомости на частоту перестроек хромосом. Опыт проводился в термостате «Биотерм-4».

3. На орбитальной станции  «Салют-6» в течение 49 суток  экспонировались воздушно-сухие  семена Крепис Капиллярис и Арабидопсис Талиана с целью изучить модифицирующее влияние экстремальных факторов полета на радиационный эффект. Для этого одна часть семян перед полетом, а другая – после полета были подвержены облучению: крепис – дозой 3 кР, арабидопсис – дозой 30 кР.

4. Совместно с Институтом  эволюционной физиологии и биохимии  им. Сеченова и МГУ проводился  эксперимент с амфибиями. Он  был посвящен изучению ранних  этапов онтогенеза позвоночных.  В эксперименте использовалась  развивающаяся икра африканской  лягушки Ксенопус Левис. В этом эксперименте основное внимание было сосредоточено на том, как формируется вестибулярный аппарат у личинок амфибий. Данный опыт явился логическим продолжением серии экспериментов, проведенных на орбитальных станциях «Са-лют-4» и «Салют-5». Тогда было показано, что невесомость влияет на формирование этого жизненно важного органа. В настоящем же, более продолжительном эксперименте зафиксированные личинки сейчас тщательно исследуются под электронным микроскопом. Предполагается выявить эффекты невесомости на уровне структур клеток вестибулярного аппарата.

С участием космонавтов В. Ремека и А. А. Губарева борту научного комплекса «Салют-6» – «Союз-27» – «Союз-28» был осуществлен совместный советско-чехословацкий эксперимент «Хлорелла-1». Этот эксперимент был разработан специалистами Института молекулярной биологии и генетики АН УССР, Института медико-биологических проблем МЗ СССР и Института микробиологии АН ЧССР. Одна из использованных в опыте линий хлореллы – ЛАРГ-1 – была создана в Институте общей генетики АН СССР. В этом опыте изучалось размножение этих одноклеточных водорослей в условиях космического полета, которое сравнивалось с параллельным модельным опытом по размножению хлореллы в контрольном наземном эксперименте.

Культура хлореллы представляет собой большую ценность для системы  жизнеобеспечения, так как ее клетки, обладая большой фотосинтетической  активностью, являются и регенераторами кислорода, и одновременно, обладая  большим количеством белка, могут  служить пищей. Было установлено, что  условия невесомости и другие, действовавшие на культуру хлореллы на борту орбитальной станции, не изменили темпа размножения клеток этих водорослей. Тот факт, что хлорелла не изменила темпа размножения в  космических условиях, позволяет  надеяться на ее устойчивость в качестве компоненты системы жизнеобеспечения для космических кораблей.

Вторым международным, советско-французским, экспериментом, проведенным на станции  «Салют-6», был эксперимент «Цитос». Цель этого опыта – изучение влияния факторов космического полета на кинетику клеточного деления у простейших организмов и бактерий. Представителем простейших была избрана инфузория – парамеция, туфелька, которая представляет собой объект, детально изученный как цитологами, так и генетиками. Это обеспечивало возможность тонко уловить изменения и размножения парамеций в космических условиях. Испытывался в эксперименте и протей – палочковидная грамотрицательная бактерия (в греческой мифологии Протей – божество, способное многообразно менять облик), клетки которой очень полиморфны. Они быстро реагируют на изменения условий, что и позволяет изучать влияние на них условий космического полета.

Парамеции и протей отдельно помещались в герметичные пакетики из двухслойного полиэтилена емкостью 1,5 мл. В 128 таких пакетиках были помещены клетки парамеций (французский материал), в 32 – клетки протея (советский материал). Для доставки этих биоматериалов  на космодром из Москвы использовался  прибор «Термоконт-2», сохраняющий температуру  в пределах 8 ± 1°С. На корабле «Союз» материал помещался в прибор «Биотерм-8», который сохранял ту же температуру (оба эти прибора были разработаны ленинградскими учеными).

На станции «Салют-6»  биоматериал переносился в прибор «Цитос», разработанный фирмой TEE в Тулузе. Этот прибор сохранял температуру в пределах 25 ± 1°С, что обеспечивало нормальные температурные условия для размножения парамеций и протея. Во время полета космонавты через каждые 12 ч производили фиксацию биоматериала на протяжении всего опыта, длившегося в течение 4 суток.

Предварительные данные, полученные при сравнении темпа деления  клеток в живых культурах во время  полета на корабле «Салют-6» с  темпом деления клеток в культурах  наземного синхронного модельного контрольного опыта, свидетельствуют  о наличии тенденции к стимуляции процесса клеточного деления как у парамеций, так и у протея под влиянием условий космического полета. Этот факт имеет принципиальное значение, так как он указывает на то, что в условиях невесомости процессы синтеза белков в клетках парамеций и протея идут с большей интенсивностью. Дальнейший анализ этого деления поможет выяснить особенности протекания жизненных явлений в условиях космоса.

Эксперимент «Цитос» был подготовлен учеными Института медико-биологических проблем МЗ СССР, Института молекулярной биологии и генетики АН УССР и Национального центра космических исследований Франции и Тулузского университета им. П. Сабатье.

Среди важнейших задач  космонавтики особое место занимает поиск внеземной жизни и в  случае ее обнаружения – изучение ее молекулярных, генетических и организменных  основ. Такие поиски уже начались. Так, изучение лунного грунта показало, что на Луне нет и никогда не было жизни. В свете данных, полученных помощью станций «Викинг» на поверхности Марса, можно сказать, что высокоорганизованной жизни, хотя бы в какой-то мере подобной аналогичной жизни на Земле, на этой планете нет. Результаты биологических экспериментов с марсианским грунтом не дают доказательств существования в нем живых микроорганизмов. Вместе с тем они и не исключают полностью возможность существования там живых организмов.

Вопрос о том, существует ли внеземная жизнь, имеет крупнейшее научное и философское значение. Для появления жизни необходимы условия, которые создаются химической эволюцией. Однако жизнь – это  не просто особое сочетание процессов, порознь идущих в неорганическом мире. В живой системе возникли такие особенности информативного взаимодействия веществ, которых нет  в неживой природе. Как осуществился этот скачок, в какой мере случайное  пересечение разных процессов, давшее новый тип их взаимодействия, привел к появлению качественно новой  системы, остается неизвестным.

Во всяком случае приходится признать, что в пределах Солнечной системы наличие жизни, по-видимому, свойственно только планете Земля. Никаких следов существования разумных существ за пределами Солнечной системы мы также не имеем. Эти факты необходимо учитывать как при построении теорий о происхождении жизни на Земле, так и для оценки столь важного явления, как жизнь, и затем возникшего на ее основе сознания. Следует считаться с возможностью того, что эти события являются уникальными.

Полезно отметить, что наряду с громадным значением исследований по космической генетике для развития фундаментальных проблем генетические исследования, проводившиеся вначале  только для целей космоплавания, сейчас находят выход в практику народного хозяйства. В качестве примера можно привести одно из направлений космической генетики – селекцию продуктивных форм водорослей, которую осуществляли с Целью создания форм с высокими способностями к фотосинтезу, необходимых для систем жизнеобеспечения космических кораблей. В частности, полученный в Институте общей генетики АН СССР высокопродуктивный штамм хлореллы ЛАРГ-3 и его модификация ЛАРГ-3М используются в ряде заводских и полупромышленных установок Узбекистана, Украины, Подмосковья при производстве кормовых добавок для сельскохозяйственных животных.

Изучение влияния факторов космических полетов т. е. специфических условий жизнедеятельности в космическом корабле, потребовало использования и разработки специальных тест-объектов, достаточно чувствительных, чтобы уловить изменения, возникающие в этих условиях. Один из таких объектов – одноклеточная водоросль хлорелла – в этом отношении нашла применение и на Земле, она введена в набор тест-систем, используемых при анализе мутагенных факторов среды. Предусматривается возможность использования некоторых организмов и тех приемов, которые применяются в системах жизнеобеспечения, для создания биологических методов очистки от загрязнителей, попадающих в среду, окружающую человека.

На современном этапе  перед исследованиями по космической  генетике стоят четыре главные проблемы. Биологическая индикация околоземных  трасс открыла человеку дорогу в  космос. Предстоят длительные полеты космонавтов и, в частности, полеты к планетам, которые могут продлиться многие месяцы. Таким образом, необходим  прогноз, нужны дополнительные эксперименты, которые позволили бы понять генетические последствия от сверхдлительных полетов как для космонавтов, так и для организмов-компонент системы жизнеобеспечения. Решение этой проблемы потребует фундаментальных исследований по генетическим и биологическим механизмам действия космических излучений и невесомости.