Биология в космосе - изучение микроорганизмов в условиях космоса
Бактерии относятся к примитивным формам жизни, в простом случае представляющем собою безъядерные клетки. Нет таких мест на планете, где нет бактерий, - это одна из древнейших форм жизни. На одном известном ресурсе приводят такие данные: количество клеток прокариот оценивается в (4—6)x10^30, их суммарная масса составляет 350-550 миллиардов тонн. Они являются важным элементом биосферы, но при этом часть из них может нанести вред человеку. Ввиду их простой организации они довольно быстро эволюционируют, и даже безвредные бактерии в отдельных случаях могут превращаться в патогенные штаммы. Вы наверняка слышали про повышение стойкости некоторых бактерий к антибиотикам. Это связано с тем, что можно уничтожить большую часть колонии, но устранить их полностью невозможно, всегда может встретиться устойчивая к тому или иному химическому веществу бактерия, которая выживет и даст жизнь новым колониям. И изучение влияния условий открытого космоса на микроорганизмы важно для космонавтики, ведь когда ищешь жизнь на других планетах, будет крайне непрофессионально допустить занесения Земных бактерий на исследуемую планету или наоборот - занести на планету патогенны без карантина.
Например, NASA содержит целый отдел клининг-менеджеров— Управление планетарной защиты — эти ребята понимают, что полностью избавить космические корабли от бактерий нельзя, как бы ты усердно тряпочкой со спиртом/хлоркой их не протирал. В своё время для американцев было большим открытием найти Земные бактерии на одном из своих марсоходов. Существуют правила, определяющие величину допустимого загрязнения в зависимости от миссии, но приемлемый уровень никогда не равен “нулю". Поэтому не удивительно, что на МКС «рос и благоухал» собственный микробиом, представляющий собой совокупность различных микроорганизмов, обитающих в определённой области. Любые оставшиеся в живых организмы способны размножаться и заселять всё пригодное для них пространство, включая и поверхность космических спутников на орбите Земли. Исследователи (космонавты) размещали наборы с микроорганизмами в 15 точках на МКС (на конец 2017 года), и в определённые сроки отправляли образцы на Землю, чтобы проанализировать бактериальную ДНК. По словам специалиста, занимающегося данной программой, за семь лет с внешней поверхности МКС были взяты девятнадцать проб, в которых были обнаружены бактерии.
В интервью ТАСС Антон Шкаплеров [1] рассказал про эти исследования. Во время выходов в открытый космос за бортом МКС устанавливаются специальные планшеты. В планшеты помещаются материалы, которые будут применяться при изготовлении космической техники, т.к. необходимо оценить влияние условий в открытом космосе. Планшеты могут находиться на обшивке МКС в течение нескольких лет. По истечению заданного срока их возвращают на Землю для детального изучения. Одним из подобных экспериментов был «Биориск» - это изучение влияния условий открытого космоса на бактериальные и грибковые формы жизни.
Подробнее о программе «Биориск»
Целью серии экспериментов "Биориск-МСВ" было изучение размещённых в космосе на орбите МКС материалов, содержащих тестовые микроорганизмы.
«Биориск –МСВ» - это эксперимент с модельными системами "микроорганизмы- субстраты", располагавшиеся во внутреннем объеме российского сегмента МКС. Образцы отправлялись на Землю для анализа раз в полгода.
комплекты "Биориск-КМ"; комплект "Биориск-МСН".
В серии «Биориск-КМ» исследовались "пассивные" образцы с конструкционными материалами, размещенные во внутреннем объеме российского сегмента МКС. На Землю образцы отправлялись раз в год.
В эксперименте «Биориск-МСН» с модельными системами "микроорганизмы-конструкционные материалы "(бактерии, грибы и пр.) изучалось влияние условий открытого космоса на российском сегменте МКС. Планшет Биориск -МСВ представляет собой плату с тремя съемными батареями с ячейками для модельных систем, образцы которой возвращали на Землю раз в полгода и более.
Отдельно отмечу, что планшеты «Биориск-МСВ» и «Биориск-МСН» находились в космосе в условиях широкого интервала температур [-100; + 100] градусов по Цельсию и при агрессивном радиационном воздействии.
Помимо изучения определённых типов бактерий в планшетах, с внешней поверхности обшивки МКС делали мазки, которые потом на Земле анализировались на микробиологический состав. Местами забора мазков выступали, например, ракетно-двигательная система и участки с различной степенью освещенности.
Давайте взглянем на результаты.
Первые результаты программы "Биориск" получили уже в середине двухтысячных. Эксперимент позволил узнать, что микробиом в планшете способен выживать в условиях космоса на МКС.
Исследование систем «микроорганизмы – конструкционные материалы» трех контейнеров «Биориск-МСН» показало, что бактерии и грибы могут выживать даже после 31 месячного пребывания в условиях Земной орбиты на высоте 450 км. Выжившие виды демонстрировали возросшую агрессивную (нуклеазную) активность и устойчивость к антимикробным препаратам. Штаммы бактерий вида Bacillus subtilis # 20 после полуторагодового нахождения в космосе демонстрируют появление ДНКазной активности. И в сравнении с остальной серией этого эксперимента выявлена возрастающая от времени пребывания в космосе активностью этого фермента. Отмечается рост устойчивости к шести антимикробным препаратам из восьми протестированных. На основании указанных результатов можно сделать вывод о том, что при воздействии на микроорганизмы ряда неблагоприятных факторов, присущих открытому космическому пространству, выживают наиболее резистентные штаммы, которые становятся агрессивнее.
А теперь посмотрим на результаты изучения микроорганизмов, найденных на обшивке МКС.
На Земле всегда существует свой микробиом, просто потому, что бактерии широко распространены на планете, и как только они колонизируют какую-либо область, они будут распространяться вокруг неё. Любая мебель, сантехника, холодильник, телефон, ваша дверная ручка может обладать своим микробиомом. В человеческом теле тоже можно выделить свой микробиом (я не специалист в области, пусть меня поправят, если я заблуждаюсь). При контакте в местах соприкосновений вашего тела с окружающими предметами вы оставляете на них характерный для вас микробиом. В связи с чем, не забывайте соблюдать гигиену, чтобы не столкнуться с потенциально опасными микроорганизмами, особенно перед новым годом.
МКС, на которой космонавты живут в течение относительно длительного периода времени, можно считать обитаемой средой. Было бы неправильно считать, что на МКС появятся точно такие же бактерии, как и в обычном человеческом жилье на Земле, ввиду особых требований к санитарии.
Когда специалисты по микробной геномике обнаружили, что в мазках, взятых с обшивки МКС, ДНК бактерий отличается от обычных бытовых бактерий, они изучили микробиомы человеческого организма. Наиболее вероятными источниками биологического загрязнения являются космонавты на борту космической станции, по причине того, что нельзя сделать человека абсолютно стерильным. Согласно первоначально выдвинутой гипотезе, МКС колонизируется бактериями, которые обычно живут в нашем организме. Но как оказалось, телесный набор бактерий еще больше отличается от микробов МКС, в том числе от бактерий на поверхности кожи. К сожалению, непосредственно у космонавтов мазки не были взяты, но удалось сравнить бактерии МКС с бактериями из человеческого организма, на основе данных других исследований.
Конечно нельзя однозначно утверждать, что бактерии на МКС не связаны с микробиомом человеческого организма. На самом деле, все микробы связаны с человеком, просто микробиомы на МКС не идентичны ни бытовым, ни телесным микробиомам. В пользу этой гипотезы говорит то, что наиболее распространенным типом бактерий микробиомов МКС являются Actinomycetales, средой обитания которых являются кожа или полость рта человека. Специалисты выдвигают несколько способов занесения бактерий: сборка модулей ракет, шлюзование, сброс микропримесей воздуха за внешнюю обшивку.
В мазках с поверхности обшивки 50 % биоматериала приходилось на споры бактерий. Жизнеспособность спор оценивают после их высеивания. В 75 % проб обнаруживаются только фрагменты ДНК. Метод, используемый для определения ДНК микроорганизмов, не исключает обнаружения в пробах фрагментов ДНК нежизнеспособных бактерий.
Полученная в этих исследованиях информация в дальнейшем будет полезна при разработке программ полётов человека на Марс. Здесь есть два момента: а) не хотелось бы внести земные бактерии на объекты исследований; б) невозможно создать условия абсолютно стерильной среды полета на Марс. В предыдущих исследованиях показано, что у космонавтов, живущих на МКС в течение длительного периода времени, по возвращении на Землю снижается иммунитет. При планировании многолетних миссий важно знать, как при этом будет работать иммунная система, и будет ли она способна бороться с болезнями после продолжительного полёта. Любые вредные патогенны, способные выдержать правила дезинфекции, могут убить космонавта с ослабленным иммунитетом.
И даже в отсутствие патогенов-убийц, важно понимать, какую бактериальную среду мы можем создать в космосе для планетарного карантина. Пока МКС является единственным способом изучить этот вопрос. Вполне возможно, что отдаленном будущем космические корабли могут стать долгосрочными обиталищами для людей. И было бы неплохо узнать что-то о видах микробов, которые мы принесём с собой в космических путешествиях.
Ещё раз отметим результаты исследований микроорганизмов в условиях открытого космоса:
1. На поверхности космических станций в питательных субстратах могут выживать бактерии и грибки. Но на поверхности станций чаще всего остаются споры бактерий.
2. Выжившие микроорганизмы обладают большей активностью по сравнению с исходными и демонстрируют резистентность к антимикробным препаратам.
Кому интересно, есть подробное исследование кишечной палочки в условиях микрогравитации есть в Натуре (https://www.nature.com/articles/s41526-017-0020-1)
Источники:
1 Интервью с Антоном Шкаплеровым
2 Результаты Биориск
3 [Результаты исследования возможности выживания различных биологических объектов в открытом космосе (Космический эксперимент «Биориск»)] (http://inno.imbp.info/publication.html#1)
4 РКК «Энергия»