Микроскопические космонавты

Кто из живых существ первым пересёк границу космоса? Чаще всего вспоминают собак Белку и Стрелку. Они действительно совершили первый суточный орбитальный полёт 19 августа 1960 года и успешно вернулись на Землю. Но это далеко не первая экспедиция собак в космос, на тот момент осуществили уже около 30 пусков ракет с четвероногим экипажем.

Официально пионерами стали Дезик и Цыган 22 июля 1951 года, а вместе с ними «зайцами» пробрались в космос миллиарды бактерий, грибков и вирусов. Они путешествовали в основном на коже и в кишечнике собак, но некоторые расселились на деталях и даже обшивке ракеты.  



Дезик и Цыган

 

Продолжая эту логику, микроорганизмы и вовсе стали первыми космонавтами, ещё в 1944 году совершив суборбитальный полёт на немецкой ракете Фау-2. Именно она впервые преодолела условную границу космоса – линию Кармана (100 км над уровнем моря) и поднялась до 188 км.

Микроорганизмы не только первые, но и лучшие космонавты. Имея среди своих представителей виды, живущие у геотермальных источников при температуре более 100 °C, выживающие во льдах Антарктиды и не умирающие даже в контурах атомного реактора, можно отправляться на освоение космоса даже без скафандра. И сегодня мы проследим за их успехами.

 

В открытом космосе

Удивительно, но почти все космонавты летают в пределах атмосферы Земли. Основная масса газовой оболочки заключена в относительно тонких и плотных нижних слоях, но условная граница внешнего слоя (экзосферы) расположена значительно выше линии Кармана – простираясь не менее чем на 10.000 км над уровнем моря.

Пилотируемые полёты (за исключением лунной программы) не достигают экзосферы и остаются в более низком слое – термосфере на высотах 200-500 км над уровнем моря. Это не случайный диапазон: ниже 200 км сильно сопротивление воздуха, а выше 500 км расположен радиационный пояс, опасный для экипажа. Международная космическая станция (МКС), также расположенная в этих границах, маневрирует возле отметки чуть выше 400 км.

Условия для жизни здесь более чем необычные. Температура воздуха не менее 1000 °C, но получить ожог невозможно, так как молекул газа слишком мало, чтобы передать сколь-нибудь значимое тепло. Это не вакуум в привычном смысле «абсолютной пустоты», но что-то близкое к нему. Поэтому значительные колебания температуры поверхности станции связаны в основном с освещением - на солнечной стороне 121 °C и выше, а на тёмной стороне часто опускается ниже -157 °C. Значительно повышен радиационный фон, в том числе за счёт жёстких космических лучей. Зашкаливает уровень ультрафиолетового излучения, основную часть которого поглощает озоновый слой на высоте 50 км над морем. 

 

Международная космическая станция

 

С первыми двумя факторами бактерии справляются относительно успешно, в то время как ультрафиолет стал критическим препятствием на пути освоения внешних обшивок космических аппаратов.

Научной группой во главе с Рокко Маничелли в 2015 году опубликовано исследование культур бактерий H. chaoviator и S. nagelli. Их поместили на внешнюю платформу МКС и два года держали в открытом космосе. Микробы выжили в условиях вакуума и высокой радиации при условии защиты от ультрафиолетового излучения (например, в виде тени конструкций станции). В местах, где такой защиты не было, образцы погибли. Там, где защита была слабой, выжила только часть бактерий. Это доказывает, что бактерии способны перенести длительное космическое путешествие, если хотя бы частично защищены от ультрафиолетового излучения, например, находятся внутри метеоритов.

Эти данные согласуются с российским исследованием «Тест». В 2010 году экипаж 25-й экспедиции взял образцы пыли с разных мест поверхности МКС, в том числе с «участков загрязнений» возле иллюминаторов, клапанов и других областей скопления космической пыли. В образцах нашли ДНК бактерий, эта молекула не может долго сохраняться в свободном виде, а значит, присутствуют и сами бактерии.

Интересно, что изначальное их пребывание на обшивке ещё до запуска в космос с высокой степенью вероятности исключено. Среди образцов обнаружены бактерии, обитающие в экстремальных условиях Земли (экстремофилы), микобактерии (среди которых находятся возбудители туберкулеза) и даже обитатели почвы Мадагаскара. Так как все находки аналогичны земным видам, их инопланетное происхождение маловероятно. Придется на время забыть о гостях из космоса.

Группирование в областях скопления пыли не случайно, загрязнение даёт некоторую защиту от ультрафиолетового излучения и облегчает сцепление с поверхностью. Источник бактерий пока не ясен, не исключено попадание на обшивку в ходе ремонта и установки нового оборудования обсеменённого ещё на Земле. Но простое наличие микроорганизмов на поверхности МКС расширяет верхнюю границу биосферы Земли до высоты орбиты станции.

 

На МКС

Распространённый миф связывает затопление станции «Мир» с развитием жуткого микроба (грибка или вируса), который расплодился повсюду и стал поедать оборудование и корпус, а позже переключился и на экипаж. В таком виде история неправдоподобна и ложна, хотя у неё есть некоторые реальные основания.

Впервые с проблемой биологического загрязнения столкнулся 5-й экипаж станции «Салют-6». Члены экипажа заметили беловатый налёт на участках интерьера и тренажёрах. Источником проблемы стало разрастание плесневых грибков.

Подобная ситуация повторялась и в последующих экспедициях, в том числе на станции «Мир». Грибки не только образовывали видимый налёт, но также разъедали изоляцию, вызывая нарушение работы проводящей системы. МКС столкнулась со сходными проблемами.

Помимо плесени массу беспокойства доставляют бактерии. Высокий радиационный фон подстегивает появление мутаций, с их помощью микроскопические космонавты приспосабливаются почти к любым условиям и пище. Подтверждая принцип «микробной всеядности», бактерии на МКС расщепляют самые разнообразные соединения. В теории они способны окислить всё, что возможно окислить в принципе. В результате идёт биокоррозия металлов и снижается прочность полимерных материалов.

    

 

Плесень в месте сушки одежды после спортивных упражнений, МКС

 

Некоторые бактерии, например B. safensis в условиях МКС чувствуют себя даже лучше, чем на Земле. При исследовании роста групп микробов на станции только она показала прибавку к скорости размножения в 60 процентов, а остальные виды делились земными темпами. 

После таких открытий лучше понимаешь слова ведущего специалиста в области микроэкологии обитаемых замкнутых объектов Натальи Новиковой из Института медико-биологических проблем о том, что истинными хозяевами МКС становятся микробы, а люди лишь прилетают к ним в гости. Уже выявлено более 250 видов микроорганизмов, живущих внутри пилотируемых космических кораблей. Все микроорганизмы земного происхождения, но ведут себя более агрессивно. Это вынуждает космонавтов регулярно очищать космический корабль с использованием спецсредств, а учёных на Земле озаботиться созданием микробиологически устойчивых материалов и систем раннего выявления повреждений.

В целом космонавтам удаётся держать микроскопических соседей под контролем и сводить повреждения к минимуму.

 

Что их не убивает…

Исследования микроорганизмов в условиях как открытого космоса, так и станции, убедительно показали повышение устойчивости к различным повреждающим факторам. Также выяснилось, что космический полет влияет на поведение бактериальных сообществ, в том числе на взаимодействие с человеком.

Исследовательская группа под руководством Синтии Коллинз изучала бактерий вида P. aeruginosa (синегнойная палочка) на борту шаттла Atlantis. Выращенные во время полёта биопленки имели уникальную форму, показали большее количество живых клеток, увеличенную биомассу и стали толще, чем контрольные образцы на Земле. Образование биопленки - это типичная реакция бактерий на неблагоприятные условия среды. Изменение их свойств в космосе ведёт к росту сопротивляемости факторам среды, и что опасней - воздействию со стороны человека. Главная проблема - снижение эффективности антибиотиков и противомикробных средств. Они убивают бактерий верхних слоёв биопленки, и при её утолщении всё больше клеток укрываются от атаки за телами собратьев.

Группа под руководством астробиолога Луиса Зеа из университета Колорадо-Боулдер изучала причины появления антибиотикоустойчивости во время полёта на примере бактерии E. coli (кишечная палочка). Учёные отметили утолщение оболочки и клеточной мембраны бактерий. Также они часто собирались в плотные комки, жертвуя верхними слоями клеток ради общего выживания, как и бактерии из примера выше.

Но наиболее важным открытием стала активация межклеточного общения с помощью мембранных пузырьков. Они выполняют разнообразные функции, среди прочего участвуя в доставке токсинов во время инфекции. Исследователи считают, что увеличение числа мембранных пузырьков может облегчить заражение человека патогенными или условно патогенными штаммами, а последние сопровождают даже здоровых людей. Подобное открытие настораживает, так как известно, что у космонавтов во время полёта снижен иммунитет. Рост заразности бактерий в сочетании с остальными факторами может сильно затруднить длительные полёты и стать серьезным препятствием для освоения других планет.

    

 

Слева бактерии, культивируемые на Земле, справа образцы из космоса, у которых заметно появление множества мембранных пузырьков

 

Но космические бактерии опасны не только для членов экипажа. Учёные из Хьюстонского университета проверяли действие невесомости на колонии E. coli. Прибор, имитировавший условия космической станции, стал домом для 1000 поколений кишечной палочки. Затем бактерий помещали в исходные колонии, не подвергавшиеся испытаниям. «Космические» бактерии показали трехкратное увеличение плодовитости. При анализе генома выявили более десятка новых благоприятных мутаций, улучшающих цикл размножения. Приобретенные изменения не проходили с течением времени и вероятно стали постоянными. Это открытие предупреждает об опасности возвращения космических бактерий обратно на Землю.

 

Соседство с бактериями во время космических миссий создает массу проблем научного и прикладного характера. Микроскопические космонавты лучше человека адаптируются к условиям космического полёта. Они опасны и требуют строгого контроля. Но одновременно с этим приоткрывают тайны природы, указывая на новые возможности и перспективы.

В любом случае человек не способен полноценно функционировать без симбиоза с бактериями. Невидимые спутники постоянно сопровождают нас. Мы – суперорганизм, включающий в себя сотни миллиардов собственных клеток и ещё больше бактериальных. Влияние микробиоты (совокупности всех микроорганизмов в теле) огромно, поэтому идёт речь даже о выделении её в качестве отдельного органа. Для развития дальних пилотируемых космических полётов, хотя бы до Марса, нужно чёткое понимание, как этот орган себя поведёт в условиях космоса.

    

Даже в открытый космос мы идем не в одиночку, а в сопровождении миллиардов бактерий

 

Исследователи также убеждены, что изучение "космических" бактерий позволит лучше справляться с их опасными земными собратьями и найдет применение в медицине. Поиск новых подходов в этой области особенно важен на фоне развития множественной антибиотикорезистентности у возбудителей многих инфекционных заболеваний.

Изучение микроорганизмов, разъедающих изоляционные слои и иные материалы, способно привести к созданию штаммов для переработки промышленных отходов и пластика. Так космические вредители послужат на благо экологии.

Часть мутировавших микробов можно использовать при создании систем жизнеобеспечения человека с высокой степенью автономности. Такая технология перспективна для создания баз в труднодоступных регионах  Земли или внеземных на Луне и Марсе.

С помощью науки человечество научилось обращать природные вызовы себе на пользу и пока неплохо с этим справляется.


Автор Александр Шаров

Выберите вариант регистрации как:

Физическое лицо
Эксперт

Нажимая «Зарегистрироваться», я принимаю Политику конфиденциальности Портала и мобильного приложения.

Войдите в свой аккаунт

Забыли свой пароль? Регистрация

Войти с помощью:

Восстановление пароля

Ваш пароль успешно выслан вам на email

Форма авторизации на сайте
Регистрация
Забыли свой пароль?
Войти как пользователь:
Войти как пользователь
Вы можете войти на сайт, если вы зарегистрированы на одном из этих сервисов:

Регистрация на Портале с помощью электронной почты

Нажимая «Зарегистрироваться», я принимаю Политику конфиденциальности Портала и мобильного приложения.

Спасибо за регистрацию. Теперь можете войти на портал с помощью логина и пароля.

Зарегистрируйтесь на Портале.

Выберите удобный для Вас вариант регистрации.



или


Нажимая «Зарегистрироваться», я принимаю Политику конфиденциальности Портала и мобильного приложения.

Регистрация Эксперта на Портале







Нажимая «Зарегистрироваться», я принимаю Политику конфиденциальности Портала и мобильного приложения.

Спасибо за регистрацию. Теперь можете войти на портал с помощью логина и пароля.

Портал профессионального образования Хабаровского края создан по инициативе Краевого государственного автономного образовательного учреждения дополнительного профессионального образования «Хабаровский краевой институт развития системы профессионального образования» (КГАОУ ДПО ХКИРСПО). Вы так же можете скачать мобильное приложение профессионального образования Хабаровского края. Мобильное приложение разработано для iOS и Android.