Биологические исследования в космосе

Биологические исследования в космосе

Так или иначе, жизнь на нашей  планете обязана своим возникновением сочетанию космических и планетарных  условий, а теперь она в результате долгой эволюции и в лице своего представителя, человека, сама выходит  непосредственно во Вселенную. Такова, видимо, закономерность развития жизни, относящаяся уже не к прошлому, а к будущему. Космос, планета  и снова космос - вот вселенский цикл жизни, демонстрируемый ныне человечеством. Рожденная на Земле жизнь, выходя за пределы планеты, тем самым  обнаруживает свою космическую устремленность. Таково «эволюционное» значение переживаемого  нами космического века.

Земные микроорганизмы можно встретить  на высоте до 100 километров. Этот рубеж  обозначает предел естественной экспансии  земной жизни в сторону космического пространства. Однако человек с помощью  ракетно-космической техники, то есть «искусственно», не только сам выходит  в космос, но и берет с собой  животных и растения. Вначале (и это  совершается уже теперь) исследуется  воздействие условий космического полета на представителей земной жизни, а в перспективе предстоит  освоение нового жизненного пространства, его обживание.

Цели биологических опытов в  космосе многоплановы, они служат решению таких практических задач  космонавтики, как определение степени  опасности орбитального полета для  живого существа (включая, разумеется, и самого человека), определение  и создание возможности включать растения в систему жизнеобеспечения, использовать их в космических рейсах в качестве поглотителей углекислого  газа, поставщиков кислорода и  продуктов питания. Кроме того, космические  биоэксперименты имеют фундаментальное  научное значение. Они, например, помогают выяснить влияние радиации и невесомости  на один из таинственных механизмов живого - генетический код, на «запись» наследственных признаков, передаваемых от родителей  к детям, от одного живого организма  к другому.

Безусловно, важны и для практики, и для науки также исследования поведения организмов, находящихся  в длительном состоянии невесомости. В земных условиях такое состояние  можно лишь имитировать (скажем, тренировки космонавтов в скафандрах в водной среде) или частично создать всего  на несколько минут (тренировки в  круто снижающемся, «падающем» самолете). Ученые считают, что, познав реакцию  живого на невесомость, можно экспериментально выявить роль гравитации в зарождении и становлении жизни на Земле, то есть решить важнейшую научную  и мировоззренческую проблему - проверить  ту самую космологическую гипотезу о гравитации как определителе главных  этапов развития жизни, о которой  мы говорили.

Биологические эксперименты в космосе - дело тонкое и весьма специфическое. Начнем с того, что часто такие  опыты проводятся без непосредственного  участия исследователей, на автоматических спутниках. Для этого применяется  сложное и в то же время максимально  легкое и компактное оборудование –  таково непременное требование выведения  на орбиту полезного груза. Для высших животных, например, создаются автоматические системы, поставляющие кислород для  дыхания, пищу и питье, удаляющие  отходы жизнедеятельности. Первым живым  существом, покинувшим планету, была собака Лайка, запущенная в 1957 году на втором советском спутнике спустя месяц  после запуска знаменитого первого  Спутника. Собаки запускались и после, возвращаясь уже живыми и здоровыми. А в 1983 и 1985 годах в космос летали и тоже благополучно возвращались на Землю обезьяны.

В пилотируемые полеты космонавты пока не берут с собой высших животных. Сложны и очень трудны космические  эксперименты на живом материале. В  корабле, с его невесомостью, не разложишь  на столе инструменты, подопытных животных или даже растения, не расставишь баночки  с питательным, проращивающим и  фиксирующим растворами. Не успеешь  оглянуться, как все это окажется в воздухе, разлетится по отсеку. И  это не только срыв опыта, но и угроза всей программе полета, а может  быть, и здоровью членов экипажа. Взвешенные в воздухе мельчайшие капли жидкости могут попасть в дыхательные  пути человека, нарушить работу сложной  аппаратуры. Да и не все вещества здесь можно держать в открытых сосудах. Те, которые даже в малой  степени вредны человеку (а с такими веществами биологам нередко приходится иметь дело), требуют строгой герметизации. К этому надо добавить, что работа космонавтов даже в длительных, многомесячных  полетах расписана буквально  по минутам; помимо биологических, они  выполняют множество других программ. Отсюда - еще одно непременное требование ко всем экспериментам: максимальная простота операций.

О том, как ученые распутывают этот клубок противоречий между задачами исследования и жесткой ограничительностью условий его проведения, как ставят интересные опыты, мы расскажем на примере  экспериментов с плодовой мушкой -дрозофилой.

Эти насекомые, ветераны космобиологических исследований, стартовали в биоспутниках, в пилотируемых кораблях, совершали  путешествия к Луне и обратно  на автоматических аппаратах «Зонд». Содержание мушек в космосе особых хлопот не доставляет. Они не нуждаются  в специальных блоках с системой жизнеобеспечения. Достаточно хорошо чувствуют они себя в обыкновенной пробирке, на дно которой налито немного питательного бульона.

На станциях «Салют» эксперименты с дрозофилой проводились в специальных  термостатах при постоянной, строго контролируемой температуре. Биоконтейнер, предназначенный для опытов на развивающихся  личинках и куколках, состоит из четырех пластмассовых пробирок, вставленных в гнезда прямоугольной  подставки из пенопласта. Пробирки устанавливают в термостат, в  котором автоматически поддерживается температура +25 градусов. Прибор этот, летавший на «Союзах» И «Салютах», легок  и компактен, никаких особых действий и наблюдений в полете не требует. По завершении эксперимента, когда  выращено одно поколение мушек, биоконтейнер вынимается из термостата и пересылается в очередном транспортном корабле  на Землю.

Однако гораздо интереснее получить в невесомости несколько поколений  дрозофил: получились бы самые настоящие  «эфирные существа», если воспользоваться  терминологией Циолковского, которые  не только развиваются, но и рождаются  в космосе. Да и не в терминологии тут дело, а в экспериментальном  подтверждении одной из смелейших  гипотез калужского ученого.

Для экспериментов такого рода создан другой прибор. Представляет он собой  пластмассовый куб с гранью длиной около 10 сантиметров, собранный из секций с питательной средой и дверками между ними. В Полете космонавты вынимают в нужное время этот куб  из термостата и открывают насекомым, находящимся в первой секции, доступ во вторую. Мушки откладывают на новой «жилплощади» яички, давая  жизнь следующему поколению. Из таких  яичек выходят уже чисто космические  личинки. Они, в свою очередь, превращаются в куколок, затем в мух, которые  переводятся в следующий отсек  прибора и там выводят очередное  космическое потомство.

Именно так и происходило  в действительности. Живые существа, пусть пока только мухи-дрозофилы, способны жить и размножаться вне Земли. Этот важный и многообещающий вывод, сделанный  на основе космического эксперимента, доказывает, что жизнь и космос друг другу не противопоказаны.

Космические биология и медицина

Полеты человека в космос стали  возможны благодаря созданию ракетно-космической  техники и планомерным исследованиям  в областях космических биологии и медицины - новых областях естествознания, изучающих особенности жизнедеятельности  человека и других организмов при  действии на них факторов космического пространства. Биологические исследования в процессе полетов ракет и  первых искусственных спутников  Земли открыли путь человеку в  космос и во многом предопределили развитие пилотируемой космонавтики, а вместе с ней космических  биологии и медицины. Развитие этих областей науки в нашей стране осуществляется по следующим двум взаимосвязанным  направлениям: первому - сугубо прикладному, связанному с решением практических задач медицинского обеспечения  космических полетов, и второму - фундаментальному, задачей которого является изучение механизмов воздействия  невесомости, космической радиации, электромагнитных излучений, ультрафиолетовой радиации и других экстремальных  факторов на живые системы.

Результаты медико-биологических  исследований на борту космических  летательных аппаратов свидетельствуют  о том, что человек может достаточно хорошо приспосабливаться к жизни  в условиях космоса и эффективно работать в течение одного года. При этом закономерно развиваются  срочные и долговременные адаптивные реакции организма, сопровождающиеся процессами функциональной перестройки  гравитационно зависимых и регуляторных его систем. Существенные изменения  наблюдаются в опорно-двигательной, сердечно-сосудистой и сенсорной  системах, в нервно-психической сфере, в крови и иммунной системе, меняются функции почек, водносолевой баланс, метаболизм. В итоге проведенных  исследований была разработана система  медицинского обеспечения экипажей космических полетов, которая включает в себя отбор и подготовку экипажей, их медицинское обслуживание в ходе полетов (в том числе оказание неотложной медицинской помощи) и  послеполетную адаптацию к условиям земной гравитации и привычному образу жизни.

В ходе экспериментальных медико-биологических  исследований с использованием различных  биообъектов (в том числе и  на клеточном уровне) было показано,что  основным экологическим фактором наблюдаемых  в организме сдвигов в космических  полетах является невесомость. Однако она не вызывает генных и хромосомных  мутаций, механизм клеточного деления, как правило, не нарушается. Между  тем вопрос о принципиальной возможности  прямого, непосредственного действия невесомости на клеточном уровне по-прежнему остается открытым. Не исключено, что некоторые физиологические  реакции организма на отсутствие силы тяжести могут быть следствием измененного поведения клеток.

В будущем предстоит сосредоточить  внимание на клетке как механической конструкции в поле силы тяжести, оценить зависимость проявления эффекта невесомости от типа клеточной  дифференциации и степени функциональной нагрузки на организм. Целесообразно  изучить и роль генетического  аппарата в адаптации организма  к длительной невесомости. В целом  можно полагать, что отсутствие силы тяжести не препятствует прохождению  основных этапов его жизненного цикла. В связи с перспективой полетов  космических аппаратов на другие небесные тела все более актуальной становится задача изучения условий  возникновения и распространения  жизни во Вселенной также поиска жизни или ее предвестников на Луне, Марсе и в свободном космическом  пространстве. Попытка обнаружения  жизни на Марсе - одна из первоочередных задач планируемых исследований на автоматических станциях.

В последние годы быстрыми темпами  стало развиваться такое новое  направление исследований, как космическая  биотехнология, основной задачей которой  является разработка методов получения  в невесомости особо чистых лекарственных  препаратов и биологически активных веществ (гормонов, витаминов, ферментов). Несмотря на небольшой срок существования, космическая биология и космическая  медицина заняли прочные позиции  среди других медико-биологических  наук. Это объясняется бурными  темпами развития этих областей, новизной решаемых задач и впечатляющими  достижениями, которые привлекают внимание специалистов и широкой научной  общественности. Большой объем накопленных  знаний о жизнедеятельности организма  в условиях воздействия факторов космического пространства, динамических факторов полета и искусственной  среды обитания, а также достижения космической техники являются реальными  предпосылками для интенсивного освоения космического пространства в XXI в.

Рассмотренные направления космических  исследований получат в дальнейшем не только количественное, но и качественное развитие, глобально охватят все  стороны человеческой жизни. XXI в. станет веком становления человека, домом  которого станет Солнечная система.

Космическая биология

Перевод

Космическая биология

        комплекс преимущественно  биологических наук, изучающих: 1) особенности  жизнедеятельности земных организмов  в условиях космического пространства  и при полётах на космических  летательных аппаратах (Космическая  физиология, экофизиология и экобиология); 2) принципы построения биологических  систем обеспечения жизнедеятельности  членов экипажей космических  кораблей и станций (замкнутых  экологических систем); 3) внеземные  формы жизни (экзобиология). К.  б. — синтетическая наука, собравшая  в единое целое достижения  различных разделов биологии, авиационной  медицины, астрономии, геофизики, радиоэлектроники  и многих др. наук и создавшая  на их основе собственные методы  исследования. Работы по К. б.  ведутся на различных видах  живых организмов, начиная с вирусов  и кончая млекопитающими. Для  исследований в космическом пространстве  в СССР уже использовано свыше  56, а в США свыше 36 видов биологических  объектов.

         В формировании  научных основ К. б., как и  космической медицины (См. Космическая  медицина), большую роль в СССР  сыграли исследования Л. А.  Орбели, В. В. Стрельцова, Н. М.  Добротворского, А. П. Аполлонова, Н. М. Сисакяна, А. В. Лебединского, В. В. Парина, В. Н. Черниговского,  О. Г. Газенко и др.; в США  — Х. Армстронга, Р. Лавлейса, Х.  Штругхольда, Д. Фликинджера, П.  Кэмпбелла, А. Грейбила и др.; во Франции — Р. Гранпьера;  в Италии — Р. Маргарин; в  ФРГ — Ю. Ашоффа, О. Гауэра. В  проведении биологических исследований  в космическом пространстве, помимо  СССР и США, участвуют также  Франция, Италия и ФРГ. Однако  наиболее значительный вклад  в развитие К. б. сделан трудами  учёных СССР и США. Первые  биологические эксперименты в  верхних слоях атмосферы и  в космосе с использованием  воздушных шаров начались в  СССР и США в 1930-х гг. Кульминационным  пунктом того периода явились  генетические эксперименты, проведённые  в 1935 на стратостатах «СССР-1-бис»  и «Эксплорер-2» — США. Это  была попытка выявить влияние  космической радиации на процессы  Мутагенеза.