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, спускe 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 (гипотоламус, 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.
- Как известно, клетки в культурах ткани животных и растений свободны от влияния систем, объединяющих организм в единое целое, лишены внутриорганных, а нередко и внутритканевых связей. Это позволило успешно использовать данные модели во многих областях биологии и медицины для изучения реакций клеток на внешние воздействия, реакций, не замаскированных воздействием нервной системы и желез внутренней секреции. Исследования с клетками млекопитающих в условиях космического полета показали, что невесомость не вызывает существенных изменений изучавшихся параметров клетки. Можно определенно утверждать, что невесомость не приводит к развитию генетических сдвигов, обнаруживаемых на хромосомном уровне. При послеполетном культивировании клеток не обнаружено изменений параметров митотического цикла, митоза и структурной организации клеток.
- Аналогичные результаты были получены в экспериментах с культурами клеток моркови, обладающих потенциальной способностью образовывать любую ткань. В невесомости из этих клеток были получены эмбриоиды, а затем уже на Земле из эмбриоидов выросли цветущие и плодоносящие растения, ни в каком отношении не отличавшиеся от обычных. Этот опыт показал, что невесомость не затрагивает не только способность хромосом к инвариантной редупликации, необходимую для нормального деления клеток, она не влияет также на специфический синтез транспортной РНК и белков, лежащих в основе дифференцировки тканей и органов.
- В экспериментах с микроорганизмами на биоспутниках изучали в первую очередь выживаемость, наследственную изменчивость, а также способность генетических структур самостоятельно упразднять случайно возникающие ошибки строения. Эти процессы в совокупности характеризуют стабильность ДНК в клетке.
- Результаты показали, что споры всех четырех генетических штаммов после пребывания в течение 20 суток и невесомости не отличались от спор контрольных серий ни по количеству жизнеспособных бактерий, ни по количеству наследственных изменений, связанных с неспособностью синтезировать три важнейших аминокислоты — триптофан, гистидин и метионин. Это является указанием на то, что невесомость не повлияла ни на жизнеспособность, ни на мутабельность спор, находящихся во время полета в физиологически активном состоянии.
- Отсутствие различий в выживаемости и возникновениях наследственных изменений между нормальными штаммами бактерий (Рес+ и Роl+) и их мутантами с нарушенными системами репарации (Pol) и рекомбинации (Рес) показывает также, что невесомость не влияет на эффективность репарационных и рекомбинационных процессов, которые играют важную роль в определении жизнеспособности бактерий и при контроле их мутабельности.
- На основании этих данных можно предсказать, что простые формы жизни и протекание фундаментальных биологических процессов в клетках совместимы с невесомостью неограниченно долгое время.