Космическая биология и медицина

В условиях длительных полетов  необходима устойчиво работающая система  жизнеобеспечения. Для решения этой задачи важны генетические подходы. Требуется генетико-селекционная работа с организмами, которые будут  компонентами этой системы. Необходимо, кроме того, изучение влияния космических  условий не только на отдельные клетки и их группы, как это делалось до сих пор. Встают проблемы генетики популяций организмов и анализа  взаимосвязей особей разных видов в  сообществах, на которые будут длительно  влиять условия космоса. Это качественно  новая задача, требующая новых  методических подходов.

Длительные полеты могут  быть связаны с накоплением поражений  в генетическом аппарате космонавтов  и других организмов-компонентов  системы обеспечения корабля. Поэтому  необходимо разработать методы защиты и охраны генетических программ на уровне клеток и организмов.

Проблема «Генетика и  космос» еще находится в колыбели, у истоков своего развития. 12 апреля 1961 г., когда Ю. А. Гагарин послал свои позывные на Землю, пролетая над ней  на советском космическом корабле, многое было еще не ясно. По-прежнему впереди необъятные задачи освоения Вселенной, и чтобы успешно их решить, необходимо знать, в чем же выражается взаимодействие землян и  земных организмов с космическими условиями.

Исследования  на биоспутниках серии «Космос»

Е. А. ИЛЬИН

кандидат медицинских  наук

Г. П. ПАРФЕНОВ,

кандидат биологических  наук

В течение длительного  периода времени методы, которыми владела биология, позволяли изучать  явления жизни в строго ограниченных пространственных пределах биосферы Земли  и в несколько менее ограниченных, чем сейчас, временных пределах. Создание космических летательных  аппаратов, способных превысить  первую и вторую космические скорости и покинуть пределы Земли, дали возможность  изучать природу и свойства живых  организмов новыми, ранее недоступными методами и в несколько иных измерениях пространства и времени.

Пока, к сожалению, нельзя искусственно воспроизвести на Земле  такие существенно важные и новые для биологов факторы среды обитания в космических полетах, как длительное состояние невесомости, совокупное воздействие невесомости и ионизирующих излучений, отсутствие привычной циркадной ритмики и т. д.

Эти факторы имеют и  другие особенности, благодаря которым  их изучение представляет исключительный биологический интерес. Во-первых, действие этих факторов во время космических  полетов является непрерывным и  практически неизменным. Во-вторых, земные организмы за всю историю  своего существования и эволюции не сталкивались с ними. Наконец, экспозиция к их воздействию не вызывает ни немедленной гибели, ни острой патологии, в связи с чем можно проводить  точные и разнообразные биологические  эксперименты.

Следовательно, специфика  основных факторов, характерных для  космических полетов, открывает  уникальные возможности для изучения на борту космических летательных  аппаратов таких кардинальных вопросов биологической науки, как роль силы тяжести в возникновении жизни  и реализации жизненных процессов, детерминированность индивидуального  развития, уникальность биологической  эволюции на Земле и т. д. Помимо возможности  изучения указанных теоретических  вопросов биологические эксперименты в космических полетах внесли и продолжают вносить существенный вклад в решение практических проблем, связанных с освоением человеком космического пространства. Так, на организмах самых разных уровней организации на этапе подготовки первого полета человека в космос была проверена переносимость воздействий, возникающих при старте, орбитальном полете, спуске и посадке на Землю космических летательных аппаратов, а также испытана работа биотелеметрических систем и систем обеспечения жизнедеятельности космонавта. Большое внимание при этом уделялось выяснению биологической эффективности первичной космической радиации.

Анализ результатов, полученных при проведении исследований во время  полетов второго советского спутника Земли (1957 г.) и возвращаемых космических  кораблей-спутников (1960 – 1961 гг.), показал  возможность безопасного космического полета человека и вместе с тем  выявил некоторые функциональные изменения  в процессах жизнедеятельности, возникающие под влиянием тех  или иных факторов полета.

На данном этапе развития космонавтики основной задачей биологических  экспериментов в космических  полетах является познание закономерностей  адаптации земных организмов к воздействию комплекса факторов полета с целью постоянного усовершенствования принципов и методов медико-биологического обеспечения пилотируемых космических полетов, разработки рекомендаций по биологическим системам обеспечения жизнедеятельности, а также с целью решения некоторых вопросов теоретической биологии.

Биологические эксперименты в космосе проводятся как на пилотируемых, так и на беспилотных летательных  аппаратах. Среди последних следует  особо выделить биологические спутники (биоспутники) – искусственные спутники Земли, специально предназначенные для проведения в космических полетах экспериментов с разнообразными представителями животного и растительного мира, а также с изолированными клетками и тканями животных и растений. Такими биоспутниками были советские «Космос-110» (1966 г.), «Космос-368» (1970 г.), «Космос-605» (1973 г.), «Космос-690» (1974 г ) «Космос-782» (1975 г.), «Космос-936» (1977 г.), а также американские «Биос-1» (1966 г.), «Биос-2» (1967 г) «ОФО-1» (1970 г.), «Биос-3» (1969 г.).

Особенностью программы  научных исследований, выполненных  в результате успешных запусков биоспутников серии «Космос» в 1973 – 1977 гг., явился ее комплексный характер, сочетающий в себе разнообразные виды исследований, использование большого числа организмов самых разных таксономических рангов и, наконец, непрерывная внутренняя эволюция программы, характеризующаяся постепенным усложнением решаемых задач и повышением научно-методического уровня исследований. Отличительной особенностью программы научных исследований на биоспутниках «Космос» явился также ее международный характер. В подготовке и проведении экспериментов и исследований на биоспутниках «Космос-782» и «Космос-936», а также в анализе полученных результатов участвовали специалисты из НРБ, ВНР, ГДР, ПНР, СРР, ЧССР, США и Франции.

В полетах биоспутников «Космос» были проведены эксперименты на самых разнообразных представителях животного и растительного мира, начиная от одноклеточных организмов и кончая такими млекопитающими, как белые лабораторные крысы. Для содержания экспериментальных объектов на борту биоспутников инженерами в тесном сотрудничестве с биологами была разработана соответствующая аппаратура, включающая контейнеры различных объемов и форм, термостаты, культиваторы растений, полностью автоматизированные системы жизнеобеспечения крыс, центрифуги для создания искусственной силы тяжести (ИСТ), облучатель с искусственным источником гамма-излучения, дозиметры и т. д.

Каждому полетному эксперименту на биоспутнике сопутствовал ряд наземных контрольных экспериментов, в том числе в наземном макете биоспутника, где полностью воспроизводились все условия космического полета за исключением невесомости. Это дало экспериментаторам возможность выделить из всего комплекса воздействующих на организм факторов полета наиболее интересный и не воспроизводимый в земных условиях фактор, а именно невесомость.

Всестороннее обследование млекопитающих (крыс) после полетов  на биоспутниках «Космос» не выявило каких-либо патологических изменений, обусловленных влиянием невесомости. Вместе с тем в ряде органов и тканей крыс были обнаружены обратимые структурно-функциональные перестройки, которые условно можно разделить на неспецифические и специфические.

К первым из них следует  отнести признаки умеренно выраженного  повышения функциональной активности ряда эндокринных органов (гипоталамус, гипофиз, кора надпочечников), участвующих  в адаптации организма к необычным  факторам среды обитания, и связанные  с этим изменения в селезенке, вилочковой железе и в системе  кроветворения. Эти изменения свидетельствуют  в пользу того, что адаптация организма  к условиям длительной невесомости  подчиняется общебиологическим  закономерностям, установленным применительно  к воздействию необычных раздражителей  внешней среды, т. е. сопровождается развитием в организме комплекса  неспецифических реакций, объединяемых в понятие общий адаптационный  синдром, или стресс. Стресс, обусловленный  воздействием невесомости, носил умеренно выраженный характер и был обратимым.

К специфическим изменениям, обусловленным воздействием длительной невесомости, следует отнести в  первую очередь изменения в опорно-двигательном аппарате. Так, изменения в мышечной системе крыс под влиянием невесомости  длительностью до 22 суток проявились в атрофии мышц, уменьшении их силы и эластичности, увеличении скорости сокращения, разрастании соединительной ткани, распаде сократительных белков и других изменениях обменных процессов  и тонкой структуры мышечных волокон. Исследования показали, что перечисленные  изменения выражены тем значительнее, чем больше в той или иной мышце  представлено так называемых медленных  мышечных волокон, приспособленных  по характеру своих обменных процессов  к развитию и поддержанию длительных напряжений. Такими мышцами, в которых  изменения оказались наибольшими, явились мышцы – разгибатели  конечностей, выполняющие на Земле  антигравитационную функцию, т. е. противодействующие силе тяжести и удерживающие вес  тела.

В костях конечностей крыс были обнаружены разрежение, декальцинация, замедление скорости роста в длину  и снижение механической прочности  до 30%.

Изменения в опорно-двигательном аппарате животных носили обратимый  характер и на 25-е сутки послеполетного периода не выявлялись.

В полете биоспутника «Космос-782» впервые в практике космонавтики были начаты экспериментальные исследования с искусственной силой тяжести. Для этой цели на борту биоспутника была установлена центрифуга с такими биологическими объектами, как насекомые, растения, рыбы, микроорганизмы, Экспериментальные исследования, проведенные на бортовой центрифуге в полете биоспутника «Космос-782», позволили установить, что биологическое воздействие искусственной силы тяжести величиной 1 g в условиях космического полета имеет в принципе такой же характер, как и воздействие естественной (земной) силы тяжести. Тем самым была впервые экспериментально показана возможность эффективного использования вращений на центрифуге на борту космического летательного аппарата для профилактики нежелательных эффектов длительной невесомости.

Исследования по проблеме искусственной силы тяжести были продолжены и в полете биоспутника «Космос-936». Этот эксперимент бы проведен уже на крысах, размещенных в двух центрифугах по 5 крыс на каждой. Предварительные результаты послеполетного обследования крыс свидетельствуют о более благоприятной переносимости факторов космического полета животными, находившимися в условиях искусственной силы тяжести.

В исследованиях на биоспутниках большое внимание было уделено также решению вопросов, связанных с обеспечением радиационной безопасности космических полетов. Особый интерес представляло изучение комбинированного воздействия длительной невесомости и ионизирующей радиации. Обследование двух групп животных (крыс), облученных на 10-е сутки полета биоспутника «Космос-690» с помощью искусственного источника гамма-излучения цезий-137 в дозах 800 ± 85 и 220 ± 25 рад соответственно, показало, что относительная биологическая эффективность гамма-облучения в условиях длительной невесомости практически такая же, как на Земле.

Это означает, что при  обосновании допустимых и критических  доз облучения членов экипажей в  космических полетах и при  расчетах толщин противорадиационной  защиты космических кораблей следует  исходить из данных соответствующих  наземных исследований и наблюдений. При этом практически нет необходимости  вносить какую-либо поправку в эти  данные, обусловленную условиями  космического полета.

Обследование разнообразных  биообъектов, находившихся на борту  биоспутников «Космос» в полетах длительностью до 22 суток, показало, что невесомость не является препятствием для нормального осуществления основных этапов жизнедеятельности организма и протекания большинства биологических процессов. Исключение представляют лишь те биологические процессы, для формирования которых необходимо наличие градиента плотности, реагирующего на силу тяжести, и присутствия чувствительных к ней рецепторов. Например, дезориентация роста растений в невесомости происходит, по-видимому, из-за того, что перестают функционировать клеточные рецепторы силы тяжести – амилопласты – и происходит сдвиг концентрационного градиента в цитоплазме.

Изучение эмбриогенеза животных в экспериментах на биоспутниках «Космос» показало, что нарушения эмбрионального развития в условиях невесомости могут возникать лишь в яйцеклетках тех типов, для эмбрионального развития которых необходимо конвекционное перемещение желточного материала. Конвекция же, как известно, в невесомости невозможна.

В проведенных экспериментах  не обнаружено влияния невесомости  и на процессы передачи наследственной информации. Однако нерешенным остается вопрос о направленности эволюционного  процесса в невесомости. Есть основания  считать, что невесомость будет  создавать специфические условия  отбора для некоторых мутаций, т. е. менять адаптивную ценность генотипа.

При проведении исследований на биоспутниках большое внимание уделяется выяснению влияния невесомости на индивидуальные клетки. Математические расчеты показали, что невесомость не может существенно влиять на молекулярные процессы в индивидуальных клетках. Это следует из того, что тепловая энергия их хромосом, например хромосом кишечной палочки, обусловливаемая броуновским движением молекул в клетке превышает на два порядка величины потенциальную энергию, которую они имеют благодаря действию силы земного притяжения. Следовательно, процессы деления и все другие процессы в хромосомах должны относиться к гравитационно независимым. Действительно, проведенные на биоспутниках опыты с животными и растительными клетками, а также опыты с микроорганизмами в основном подтвердили теоретические расчеты.