Глава 10. Космическая микробиология

Успехи советской науки по изучению космического пространства вызвали необходимость разработки совершенно новых научных проблем не только в математике, физике, химии и астрономии, но и в биологии, и в частности микробиологии. Уже накоплен фактический материал, составляющий предмет космической биологии и космической микробиологии.

В настоящее время предметом изучения космической микробиологии являются такие вопросы: 1) изучение условий жизни земных микроорганизмов в космическом пространстве; 2) исследование космических факторов, в первую очередь радиации, влияющих на наследственность организмов; 3) поиски форм жизни за пределами Земли на планетах и в космическом пространстве и 4) проблема заноса земных микроорганизмов на другие планеты и оттуда на Землю.

Разрешение первых двух вопросов - изучение жизнедеятельности земных микроорганизмов в условиях космического пространства и выяснение генетических последствий полетов - было необходимо для практических целей обеспечения безопасности полета человека в космическом пространстве. Эти исследования стали особенно необходимы, когда в СССР и США с помощью искусственных спутников и космических ракет был открыт мощный радиационный пояс Земли. Вокруг Земли имеются две зоны повышенного уровня радиации. Внешняя зона располагается на высоте от 14 до 55 тыс. км от Земли, внутренняя зона - на высоте от 600 до 5 тыс. км. Последняя зона представляет наибольшую опасность для человека.

Как известно, в космос первыми были посланы собаки Лайка, Белка и другие, которые благополучно возвратились на Землю. Было установлено, что пребывание их в космическом пространстве не вызвало заметных вредных изменений. Была доказана принципиальная возможность пребывания в космосе и орбитальном полете вокруг Земли живых объектов. Но вполне возможно, что у высокоорганизованных животных, в данном случае у собак и посылавших в космос американцами обезьян, могут возникнуть такие отклонения от нормы, которые долго не удастся выявить. Сложный организм животных способен компенсировать скрытые повреждения клеток и тканей организма, а эти отклонения могут в будущем вызвать серьезные нарушения и повлиять на потомство. Поэтому необходимо было проверить биологическое действие радиации на живых объектах, стоящих на разных уровнях организации - клеточном, субклеточном и молекулярном. Наиболее удобными для этих исследований являются микроорганизмы. Они имеют ничтожные размеры; культуры их, посылаемые в космос, также малы. Только на микроорганизмах можно проследить действие космических факторов (радиации, вибрации, невесомости и др.) на отдаленные поколения в короткий срок. Смена поколений наиболее часто происходит именно у микробов. У многих бактерий за сутки происходит смена 72 поколений. Время пребывания их в космическом пространстве, особенно споровых форм, может быть очень большим.

Поэтому на втором космическом корабле-спутнике впервые были посланы в космос различные микроорганизмы, клетки, ДНК и др. День полета этого корабля следует считать днем возникновения космической микробиологии (19 августа 1960 г.). На втором корабле-спутнике и на следующих возвратившихся спутниках, а также в кабинах космонавтов в числе других объектов были и многие микробиологические объекты. Они представляют собой взвеси микробных тел в физиологическом растворе хлористого натрия. Ампулы со взвесями, содержащие точно определенное количество микробных тел в 1 мл, уложенные в эбонитовые чехлы, помещались в особых контейнерах кабины. Точно такие же образцы микроорганизмов и клеток оставлялись на Земле в лаборатории, где они были изготовлены для контроля. По возвращении из полетов на Землю производилось тщательное исследование опытных и контрольных проб на жизнеспособность и другие свойства и устанавливалось сходство или различие опытных и контрольных проб. Жизнеспособность микробов проверялась посевом проб на питательные среды.

Для того чтобы выяснить, может ли происходить размножение бактерий непосредственно в период их пребывания на орбите, во время самого полета, когда на них действуют необычные факторы космического пространства, была использована масляно-кислая палочка (Cl. butyricum). Это анаэробная, образующая споры палочка. Она очень устойчива, переносит высушивание, кипячение, замораживание. При росте на питательной среде с некоторыми углеводами образует большое количество газа. Был сконструирован так называемый биоэлемент. Это металлический прибор цилиндрической формы, разделенный поперечной стеклянной перегородкой на две камеры. В первую, малую камеру помещаются споры масляно-кислой бактерии, во второй находится питательная среда. На первую камеру сверху навинчивается специальное автоматическое устройство, которое снабжено бойком для разбивания стеклянной перегородки. В заданное время по сигналу Земли боек пробивает перегородку и споры попадают в питательную среду, в то же время автоматически включается термостат. Так автоматически осуществляется посев микробов. Прибор со дна закрыт гибкой мембраной. Если в камере происходит размножение микробных тел, то оно сопровождается образованием газа. Газ прогибает мембрану, происходит замыкание электрической цепи, и на Землю телеметрически поступает сигнал о том, что микробы в биоэлементе размножаются. Биоэлемент очень мал, весит всего 80-100 г. В кабину их можно поставить несколько штук.

Посылались следующие представители мира микроорганизмов:

1. Стафилококки и кишечные палочки, выделенные из нормальной микрофлоры человека. Биологические свойства их были хорошо изучены. Эти безвредные представители нормальной микрофлоры могли под влиянием космической радиации и других летных условий превратиться в патогенные и вызвать какие-либо заболевания космонавтов.

2. Хорошо изученные в генетическом отношении и применяемые учеными всего мира для генетических исследований штаммы: кишечной палочки К-12 и кишечной палочки В. Штамм К-12 образует обычные мутации под воздействием очень больших доз радиации - более 10 000 рентгенов, но, будучи лизогенной, кишечная палочка индуцирует фаги при очень малой дозе радиации, порядка всего 1 ч. рентген. Так что этот штамм является наиболее чувствительным биологическим показателем наличия радиации.

3. Фаги тоже хорошо изученных типов Т2 и 1321. Фаги являются очень устойчивыми в отношении радиации (10-40 тыс. рентгенов).

4. Актиномицеты, продуцирующие антибиотики.

5. Дрожжи гаплоидные и диплоидные.

6. Одноклеточная водоросль хлорелла.

7. Раковые клетки Хела. Эти клетки гораздо чувствительнее, чем микроорганизмы. Они являются хорошей моделью для изучения действия радиации порядка 10-100 рентгенов.

А также: 1. Кожные лоскуты (ткани) человека, взятые у добровольцев.

2. Биохимическое соединение ДНК, полученное из зобной железы теленка. Как известно, ДНК определяет передачу наследственных признаков от родителей потомству.

Тщательное исследование всех этих объектов после их возвращения из орбитального полета в космическом пространстве не обнаружило существенного влияния на них радиации. Кусочки кожи, реимплантированные тем же донорам, вели себя аналогично контрольным, нелетавшим, клетки Хела в культуре тканей сохраняли жизнеспособность и способность к размножению, бактерии и фаги не изменили свои морфологические и функциональные свойства, опытные образцы ДНК не отличались от контрольных.

Только лизогенные культуры бактерий в одном из опытов обнаружили незначительные изменения, требующие дальнейшего изучения. Культура хлореллы также полностью сохранила жизнеспособность и не обнаружила необратимых изменений в процессе фотосинтеза, размножения, роста и развития.

Актиномицеты обнаружили определенную реакцию па условия полета. Радиочувствительные штаммы снизили, а радиоустойчивые повысили свою жизнеспособность. Однако у всех штаммов выжившие споры обнаружили явную стимуляцию роста, образования гиф и большой массы мицелия. Масляно-кислые бактерии в биоэлементе размножались нормально и ничем не отличались от контрольных.

Иммунологические исследования на собаках (Белка, Стрелка) показали, что бактерицидность кожи и плазмы крови, фагоцитоз после полета оказались пониженными, но затем были восстановлены.

Пребывание бактерий и фагов в космическом пространстве не привело к изменению их наследственных свойств. Нужно отметить, что для изучения генетической опасности полетов в космическом пространстве должны занять ведущее место лизогенные бактерии, кок самые чувствительные показатели (до 0,3 ч.). Оказалось, они дают более точные результаты на мутации, чем мухи дрозофилы.

Орбитальные полеты совершались ниже околоземных радиационных поясов. Перигей орбит полетов был 178-187 км и апогей орбит 233-409 км. Но, вероятно, в недалеком будущем космонавтам предстоят полеты по другим, более высоким трассам. Эти трассы также должны быть предварительно обследованы по уже разработанной и дополненной программе.

Ученых давно занимали вопросы о том, есть ли жизнь и органическое вещество на других небесных телах и в космическом пространстве, каковы особенности внеземных форм жизни, может ли жизнь переноситься с одних небесных тел на другие. Логика научного мышления, все накапливающиеся знания о жизни на Земле заставляют ответить на эти вопросы утвердительно. Но только теперь от умозрительных предположений представляется возможность перейти к конкретным исследованиям.

При поисках жизни вне Земли, конечно, нужно думать только о микроорганизмах. Микроорганизмы - это наиболее вероятные живые существа, которых можно встретить за пределами Земли. Все процессы круговорота веществ связаны с жизнедеятельностью тех или иных микробов. Они живут на Земле всюду и там, где не могут жить никакие другие организмы. Трудно представить жизнь в любых условиях без присутствия микроорганизмов. А. А. Имшенецкий считает, что, учитывая исключительную пластичность одноклеточных организмов, легче допустить приспособление их к весьма необычным, с нашей точки зрения, условиям жизни, чем искать принципиально новые формы жизни, например не содержащие углерода или воды. Споры микроорганизмов чрезвычайно устойчивы. Они не гибнут в условиях вакуума, высушивания, довольно длительного кипячения. Если на Земле, где имеется мало условий для развития термофилов, возникли столь устойчивые формы термофильных бактерий, выдерживающих кипячение в течение 4-5 дней, то нет основания отрицать приспособление микроорганизмов на других планетах к более высоким температурам, например 140-150°. На Земле имеются микроорганизмы, которые выдерживают, не погибая, даже более высокие дозы ионизирующего излучения, чем имеющиеся в космическом пространстве. Эту устойчивость их можно еще усилить.

Ультрафиолетовая радиация, как известно, губительна для микроорганизмов. Но нужно учитывать, что споры микробов могут находиться на частицах космической пыли, которая способна полностью защитить их от бактерицидного действия ультрафиолетовых лучей. В лаборатории А. А. Имшенецкого распыляли споры, смешанные с мельчайшими минеральными частицами. Оказалось что эти частицы могут играть защитную роль от солнечных лучей. Свободный кислород не обязателен для анаэробов. В общем трудно переоценить широкие возможности приспособления микроорганизмов к условиям, которые с земной точки зрения исключают жизнь. Все же некоторые ученые считают, что в основе жизни в других мирах могут быть не углеродистые соединения, а соединения, например, кремния, который также способен образовывать гигантские полимеры, как углерод. Наряду с поисками спор микроорганизмов необходимо производить исследования на наличие органических соединений или химических предшественников этих соединений.

Поскольку теперь найдено, что элементы углерод, кислород, железо имеются в космосе в достаточном количестве, считают возможным признать рабочую гипотезу, что органохимическая эволюция на других планетах была аналогична земной.

В настоящее время можно считать вполне вероятным, что благодаря давлению света жизнеспособные микроорганизмы, очень пластичные и устойчивые, могут перемещаться в космическом пространстве на большие расстояния вплоть до другой планеты. Полагают, что наиболее подходящие условия для жизни имеются на Марсе. Большой интерес представляют исследования поверхностного слоя Луны.

В связи с развитием космонавтики встает проблема заноса земных микроорганизмов на другие небесные тела. Если наши космические корабли принесут с собой на другую планету земных микробов, тс это очень затруднит обнаружить микроорганизмы на этой планете. Мы совсем не знаем, к каким результатам может привести размножение земных микробов на другой планете и неземных микробов на нашей планете. Возможно полное нарушение биохимических процессов и вытеснение обычных форм жизни занесенными извне. По этим соображениям необходима тщательная стерилизация космических кораблей, покидающих Землю и направляющихся к другим небесным телам. Это и было сделано при запуске второй космической ракеты, доставившей вымпел Государственного герба СССР на Луну.

В будущем космическая микробиология будет заниматься изучением микроорганизмов, населяющих другие планеты, о которых мы ничего не знаем. Очевидно, будут посылаться автоматические приборы. Таким прибором может быть реконструированный биоэлемент. Соединение биоэлемента со специальным заборным устройством позволит производить посев разных образцов планетного грунта, воздуха и пр. в питательную среду биоэлемента. О выполнении приборами задания информации будут передаваться телеметрически.

При продолжительных и далеких полетах космонавтов к планетам будет невозможно обеспечить их готовыми продуктами питания, водой. Чтобы человек мог добраться до Марса, побыть на нем в ожидании времени, удобного для возвращения, и вернуться на Землю, нужно года три. Поэтому перед биологами стоит проблема создания в кабине космического корабля "земной обстановки" - замкнутой системы круговорота веществ, подобной круговороту веществ, существующему на Земле и описанному подробно в третьей главе. Благодаря такому круговороту возможна будет также биологическая регенерация воздуха кабины и выделений космонавтов (моча, фекалии). Для этого нужно, чтобы продукты выделения человека воспринимались другими организмами (растениями) и выделялись последними в иной форме, пригодной для нового использования человеком.

Такая замкнутая экологическая система наряду с человеком должна включить микроорганизмы, растения, может быть, и животных. Предлагается много различных замкнутых систем.

Водоросли обеспечивают наибольшую скорость процесса фотосинтеза по сравнению с другими группами растений. Из водорослей наибольшее внимание привлекает хлорелла. Она не только разлагает углекислоту с образованием кислорода, но и представляет собой полноценный продукт, покрывающий почти все потребности человека в пище, ибо содержит все аминокислоты (кроме содержащих серу), липиды, углеводы, витамины, минеральные соли. За сутки ее масса увеличивается во много раз. С одного квадратного метра можно снять урожай в 4 кг. Двух с половиной килограммов сырой массы хлореллы достаточно для снабжения кислородом в сутки одного человека. Но при питании одной хлореллой человеку достаточно 4 кг в день, что едва ли практически возможно. В настоящее время идут большие работы по увеличению ее продуктивности, особенно по повышению ее фотосинтеза. Замкнутая экологическая система весьма сложна, она состоит из многих звеньев. Небольшое отклонение в работе одного звена может привести к катастрофическим последствиям. Поэтому необходим сложный комплекс средств тонкой саморегуляции всех частей. Пока имеются только схемы. Предстоит сложная работа тщательного изучения на практике безотказного цикла замкнутой экологической системы. Некоторые ученые считают необходимым внести в замкнутую систему еще животных, так как животная пища для человека является необходимой (слизняки, дафнии, кролик, коза и пр.). Это создает, конечно, еще большие трудности. Успехи в создании совершенной замкнутой экологической системы в космическом корабле в значительной мере определят возможность достижения и освоения человеком других планет.