Горизонты космической биологии

ГОРИЗОНТЫ КОСМИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ

Борис Ихлов

Реферат

Краткая история

1935 г. – дата возникновения космической биологии, когда во время  полёта стратостата «СССР-бис» были проведены эксперименты с  дрозофилой и микроорганизмами.
Биологические исследования в космосе начались с 1957 года с полета собаки лайки на 2-м искусственном спутнике Земли. Они были продолжены 19.8.1960 во время полета собак Белка и Стрелка, исследовались мыши, мухи плесневые грибки, кишечные палочки, стафилококки, бактериофаги, традесканции, клетки злокачественных новообразований.
Изучались поведение собак, работа их нервной, эндокринной, сердечно-сосудистой систем, печени, других органов. По состоянию хромосом традесканции предполагалось определить критическую дозу  космического излучения. На борту корабля были также семена гороха, пшеницы, лука, кукурузы, а также культуры ДНК.  Физико-химические исследования раствора ДНК позволили определить степень опасности космической радиации для наследственности.
С полета Гагарина в 1961 г.  начался второй этап в развитии космической биологии - исследования на человеке. Исследовалась переносимость воздействий, характерных для старта, орбитального полета, спуска и посадки на Землю космических летательных аппаратов (КЛА), испытывалась работа биотелеметрической аппаратуры и систем обеспечения жизнедеятельности космонавтов, изучалось влияние на организм невесомости и космического излучения.
Третий этап начался 19.4.1971 с запуска первой долговременной орбитальной станции «Салют-1». На борту станции оказалось возможным разместить комплекс аппаратуры для медико-биологических исследований, средства профилактики неблагоприятного воздействия невесомости.

Цели и задачи

Космическая биология изучает возможности существования жизни в условиях космоса, при полётах на космических летательных аппаратах, на других планетах, принципы построения биологических систем обеспечения жизнедеятельности членов экипажей космических кораблей и станций, отсутствие влияния на организм силы тяжести, возможность существования организмов в вакууме, действия снижения напряженностей магнитного и электрического поля Земли на живые организмы и т.д.
В задачи космической биологии и медицины входит изучение биологических принципов и методов создания искусственной среды обитания на космических кораблях и станциях. Для этого отбирают живые организмы, перспективные для включения их в качестве звеньев в замкнутую экологическую систему, исследуют продуктивность и устойчивость популяций этих организмов, моделируют экспериментальные единые системы живых и неживых компонентов — биогеоценозы, определяют их функциональные характеристики и возможности практического использования в космических полетах.
Особой областью космической биологии является изучение существования организмов, бактерий и др., в условиях низких температур, отсутствия кислорода и наличия космического излучения.

Известны несколько программ по изучению поведения биологических систем  космосе: совместная программа «Интеркосмос», американская программа «Викинг» (изучение условий Марса). Советская программа БИОН включала в себя комплексные исследования на животных и растительных организмах в полетах специализированных биоспутников в интересах космической биологии, медицины и биотехнологии, с 1973 по 1996 г. было запущено в космос 11 биоспутников, в рамках продолжения программы запуски биоспутников состоялись в 2010-м, 2013-м и 2016 г. Для проведения эмбриологических исследований в содружестве с предприятиями Чехословакии был создан  комплекс «Инкубатор-2», с помощью которого в 1990 году на борту орбитальной станции «МИР» появились птенцы японского перепела.

Российский сегмент МКС занят такими программами, как:
«Дубрава» — наблюдение лесных экосистем;
«Аквариум» — исследование влияния условий космического полёта на эмбриогенез, онтогенез, органогенез и поведение гетеротрофных организмов (рыб), обитающих в водной среде;
«Альгометрия» — исследование болевой чувствительности у человека в условиях космического полёта;
«АРИЛ» — воздействие ФКП на экспрессию штаммов-продуцентов интерлейкинов 1;, 1;, АРИЛа;
«Бактериофаг» — исследование воздействия факторов космического полёта на бактериофаги;
«Биодеградация» — начальные этапы деградации и биоповреждения в условиях космоса;
«БИМС» — исследование процессов информационного обеспечения медицинского сопровождения полёта с использованием бортовой информационной медицинской системы, интегрированной в информационную управляющую систему Российского Сегмента (ИУС РС) МКС;
«Биокард» - исследование электрофизиологических свойств и особенностей перестройки работы сердца при функциональном воздействии с приложением ОДНТ с использованием ЭКГ в 12 отведениях;
«Биоплёнка» — исследование закономерностей формирования биоплёнок в условиях невесомости;
«Биориск» — исследование влияния факторов космического пространства на состояние систем «микроорганизмы-субстраты» применительно к проблеме экологической безопасности космической техники и планетарного карантина;
«Биоэмульсия» — исследование и отработка автономного реактора закрытого типа для получения биомассы микроорганизмов и биологически активных веществ без внесения дополнительных ингредиентов и удаления продуктов метаболизма;
«Виртуал» - пространственная ориентация и взаимодействие афферентных систем в невесомости;
«Иммуно» - исследование нейроэндокринных и иммунных ответов человека во время и после полёта;
Исследование грызунов;
«Кальций» — изучение влияния микро-гравитации на растворимость фосфатов кальция в воде;
«Кардиовектор» — изучение влияния факторов космического полёта на пространственное распределение энергии сердечных сокращений и роль правых и левых отделов сердца в приспособлении системы кровообращения к условиям длительной невесомости;
«Константа-2» — изучение влияния космоса на изолированные фермент-субстратные системы;
«Контент» — дистанционный мониторинг психофизиологического состояния экипажа, а также внутригруппового и межгруппового взаимодействия на основе содержательного анализа коммуникации между экипажем и ЦУП;
«Конъюгация» - отработка процесса передачи генетического материала методом конъюгации бактерий;
«Коррекция» — исследование эффективности фармакологической коррекции минерального обмена в условиях длительного воздействия невесомости;
«Космокард» — изучение влияния факторов космического полёта на электрофизиологические характеристики миокарда и на их связь с процессами вегетативной регуляции кровообращения при длительном действии невесомости;
«Микробиологический мониторинг». Изучение характера формирования и распространения микроорганизмов в обитаемых отсеках МКС;
«Мотокард» — механизмы сенсомоторной координации в невесомости;
«Нейроиммунитет» — исследование надёжности профессиональной деятельности космонавта в длительном космическом полёте;
«Пародонт2» — исследование состояния тканей пародонта в условиях космического полёта;
«Полиген» — выявление генотипических особенностей, определяющих индивидуальные различия в устойчивости биологических объектов к факторам длительного космического полёта (исследования на плодовой мушке Drosophila melanogaster);
«Регенерация-1» — исследование влияния различных факторов космического полёта на процессы регенерации у биообъектов по морфологическим и электрофизиологическим показателям;
«Сарколаб» — изучение взаимосвязи между мышечно-сухожильными и нервно-мышечными изменениями, определяющими или лимитирующими сократительные функции у человека в продолжительном космическом полёте;
«СПЛАНХ» — исследование особенностей структурно-функционального состояния различных отделов желудочно-кишечного тракта для выявления специфики изменений пищеварительной системы, возникающих в условиях космического полёта;
«Структура» — получение высококачественных кристаллов белков;
«УДОД» — изучение возможности коррекции гемодинамических изменений в невесомости с помощью отрицательного давления на вдохе;
«Фаген» — изучение мутационных сдвигов у терапевтических бактериофагов после пребывания в условиях космического полёта;
«Феникс» — исследование воздействия факторов космического пространства на состояние генетического аппарата и выживаемость высушенных лимфоцитов и клеток костного мозга;
«Хроматомасс-спектр-М» - оценка микробиологии статуса человека хроматомасс-спектрометрией;
«Электронный нос» - исследование развития бактериальной и грибной микрофлоры на поверхностях материалов в условиях космоса с помощью портативной газовой сенсорной системы Э-НОС;
«Fluid Shifts» - перемещение жидкостей до, после и во время длительного космического полёта и связь данного явления с внутричерепным давлением и нарушением зрения;
«OCULAR HEALTH» — исследование состояния зрения экипажей МКС;
«SLEEP MONITORING» - актиграфия сна и бодрствования, изучение воздействия света в полёте.
«Каскад» — исследование процессов культивирования клеток различных видов.

Космические факторы и установленные факты

В космическом полете на организм человека воздействует комплекс факторов, связанных с динамикой полета (ускорения, вибрация, шум, невесомость), пребыванием в герметичном помещении ограниченного объема (измененная газовая среда, гипокинезия, нервно-эмоциональное напряжение и т. д.), а также факторы космического пространства как среды обитания (космическое излучение, ультрафиолетовое излучение и др.).
В начале и конце космического полета на организм оказывают влияние линейные ускорения . Их величины, градиенты, время и направление действия в период запуска и выведения КЛА на околоземную орбиту зависят от особенностей ракетно-космического комплекса, а в период возвращения на Землю — от баллистических характеристик полета и типа КЛА. Выполнение маневров на орбите также сопровождается воздействием ускорений на организм, однако их величины при полетах современных КЛА незначительны.

В 2021 году впервые удалось вырастить перец чили на МКС.
Проведены эксперименты п выращиванию белковых кристаллов в условиях космоса. Такие  кристаллы способны вырастать до больших размеров, из-за чего анализ их структуры сделать становится гораздо проще. Протеиновые кристаллы, которые выращивают на МКС, применяются для разработки новых лекарств от таких болезней, как онкология и мышечная дистрофия.

Была экспериментально доказана принципиальная возможность осуществления полного цикла развития растений (от семени до семени) в условиях микрогравитации. Результаты космических экспериментов были настолько обнадеживающими, что позволили уже в начале 80-х годов сделать вывод о том, что разработка систем биологического жизнеобеспечения и создание на этой основе экологически замкнутой системы в ограниченном герметическом объеме является не столь уж сложной задачей. Однако с течением времени стало очевидно, что проблема не может быть решена окончательно, по крайней мере, до тех пор, пока не будут определены (расчетным или экспериментальным путем) основные параметры, позволяющие сбалансировать массо - и энергопотоки этой системы.

Было установлено, что человек в космосе теряет большую часть мышечной и костной массы.
При исследовании щитовидной и паращитовидных желез у человека в космическом полете выявлены увеличение концентрации трийодтиронина и тироксина в плазме крови и периодические колебания уровня паратгормона. У крыс сразу же после окончания полета уменьшалось, а через двое суток после окончания полета увеличивалось количество С-клеток, продуцирующих тиреокальцитонин. В паращитовидных железах в этот же период времени отмечались морфологические признаки повышения их функциональной активности (очаговая гиперплазия паратиреоцитов и увеличение размеров их ядер), что может служить показателем усиления продукции паратгормона.

Изменения внешнего дыхания в космических полетах в большинстве случаев проявляются возрастанием ряда его показателей. Механизмы этих изменений, особенно в длительных полетах, во многом еще остаются неясными. Увеличение потребления кислорода может быть связано с изменением вентиляционно-перфузионных отношений в легких, рефлекторным увеличением легочной вентиляции вследствие предполагаемого переполнения малого круга кровообращения и необходимости оксигенации большего, чем на Земле, объема венозной крови, поступающей в сосуды легких. В первые дни полета определенное влияние на газообмен оказывают выработка нового стереотипа движений, состояние эмоционального стресса, явление компенсированного ацидоза (вследствие отрицательного баланса калия) и другие факторы. На более поздних этапах полета, по-видимому, уменьшается степень сопряжения окисления с фосфорилированием. Однако это не согласуется с отсутствием в ряде случаев интенсификации газообмена при физической нагрузке в невесомости. Последнее, вероятно, связано с уменьшением затраты энергии при вращении педалей велоэргометра и эффектом тренированности при систематическом воздействии нагрузки на одни и те же мышечные группы.

Состояние иммунологической реактивности: в условиях длительного космического полета изменяются некоторые показатели естественного иммунитета (уменьшение содержания в крови Т-лимфоцитов, активности Т-помощников и естественных киллеров при неизменной супрессорной активности), что способствует повышению вероятности заболеваний как во время, так и после окончания полета. Иногда увеличивается микробная обсемененность кожи и слизистых оболочек, развиваются дисбактериотические сдвиги (в т. ч. кишечной флоры), повышается устойчивость к некоторым антибиотикам; у некоторых микроорганизмов появляются признаки патогенности. Сдвиги в системе человек-микроорганизмы не имеют четкой зависимости от длительности полета и определяются главным образом объемом профилактических мероприятий, особенностями питания, индивидуальными свойствами организма человека и изменчивостью самих микроорганизмов. Возможно, именно с этими причинами связано изменение ряда показателей естественного иммунитета у космонавтов.

В длительных космических полетах у человека наблюдается тенденция к увеличению частоты сердечных сокращений и. уменьшению ударного объема сердца в покое и при воздействии отрицательного давления на нижнюю часть тела, а также менее выраженный прирост ударного объема сердца при дозированной физической нагрузке. Перестройка фазовой структуры сердечного цикла в покое характеризуется развитием признаков усиления сердечного сокращения, которые при воздействии отрицательного давления на нижнюю часть тела трансформируются в фазовый синдром гиподинамии миокарда («недогрузка объемом»), а при дозированной физической нагрузке — в фазовый синдром гипердинамии миокарда. Однако формирование этих синдромов происходит за счет иного соотношения длительности фаз, чем в предполетном периоде, что свидетельствует об определенной роли перераспределения крови, происходящего в условиях невесомости. Артериальное давление во время длительных полетов несколько снижается (за исключением конечного систолического давления)*

Венозное давление в яремной вене во время полетов увеличивается в 2-4 раза, а в области сосудов голени снижается и приближается к венозному давлению в области предплечья. Растяжимость сосудов венозного резервуара голени увеличивается при одновременном уменьшении их сократимости.
Изменения функции кроветворения. В длительных полетах развивается так наз. синдром функциональной анемии, характеризующийся уменьшением объема плазмы крови, массы эритроцитов и гемоглобина, уровня эритропоэтинов, числа эритроцитов в периферической крови, уменьшением их размера, увеличением в некоторых случаях числа аномальных эритроцитов (эхиноцитов, сферических и куполообразных форм). Уменьшение числа эритроцитов и содержания гемоглобина в единице объема крови, а также нарастание ретикулоцитоза достигают максимальной выраженности на 2—3-й неделе полета. Уровень эритропоэтинов в плазме крови и моче на 7—10-е сутки полета увеличивается в несколько раз. Вероятно, снижение уровня физической активности, дегидратация организма и уменьшение объема плазмы, увеличение гематокрита, относительное увеличение массы эритроцитов тормозят эритропоэз. Эксперименты на крысах показали, что под влиянием невесомости происходит также некоторое сокращение продолжительности жизни эритроцитов.

Возможные новые эксперименты

1. В связи с ослаблением электрического и магнитного полей земли целесообразно исследование электромагнитной активности головного мозга в космосе, начиная с ЭЭГ и вживления электродов в различные участки мозга и заканчивая измерением электромагнитного излучения вблизи черепа.

Кроме того, целесообразно также измерить в условиях невесомости и ослабления электрического и магнитного полей изменение концентраций ионов калия внутри и вне клеток организма человека и, соответственно, разность потенциалов на клеточной мембране:

U = (RT/eA)ln(Ki+/Ke+) ; 86 мВ

где А – число Авогадро.

Любопытна была бы также дозиметрия электромагнитных полей у животных, способных генерировать электрические разряды.

2. Факторами, играющими, по-видимому, ведущую роль в изменении кровообращения в этих условиях, являются: перемещение жидких сред организма в краниальном направлении и возникающие при этом изменения соотношения между процессами фильтрации и абсорбции жидкости в капиллярах; уменьшение вследствие недогрузки и развития детренированности роли мышечной системы (периферических «мышечных сердец» и «мышечных помп») в движении крови и ее венозном возврате; первичные и опосредованные (за счет перераспределения крови) изменения афферентации с механорецепторов сосудов сердца и легких, опорно-двигательного аппарата и внутренних органов, что приводит к изменению состояния центральных регуляторных механизмов системы кровообращения.
Увеличение кровенаполнения верхних отделов туловища, вероятно, приводит к возникновению рефлекторных реакций (с рецепторов сосудов сердца и легких за счет их растяжения увеличенным объемом крови), направленных на уменьшение объема циркулирующей крови, ограничение ее притока в сердечно-легочную область и установление в итоге сбалансированного притока крови к сердцу. Одновременно частично компенсируются развивающиеся в условиях невесомости сдвиги в фазовой структуре сердечного цикла, снижается артериальное давление и периферическое сосудистое сопротивление.

Но есть и другая сторона дела. В связи с изменением илы тяжести интересными представляется дозиметрия состояния крови человека или лабораторных животных. Известно, что у человека скорость потока крови по сосудам такова, что число Рейнольдса превышает критическое. Движение крови не турбулизуется потому, что вследствие гладкой структуры стенок сосудов полностью отсутствуют вихри. Число Рейнольдса

Re = vD/;

где ; – кинематическая вязкость, v – скорость, D – гидравлический диаметр.
Вязкость жидкости зависит от рода жидкости, от температуры и от давления. Как известно, норма температуры космонавта в состоянии невесомости – 37,6 град.
Известно также, что систолическое артериальное давление по сравнению с предполетным уровнем в начальном периоде полета в большинстве случаев снижалось, а к концу полета увеличивалось.
Таким образом, число Рейнольдса в потоке крови космонавта снижается, что, разумеется, не турбулизует течение крови , но ведет к изменению его характера, что является предметом изучения.

3. В космосе нет сильного магнитного поля, как на Земле, поэтому там можно полноценно проанализировать последствия радиоактивного излучения и выявить эффективные меры по уменьшению неблагоприятных последствий.
В 2007 году участники международной экспедиции провели несколько опытов по выявлению поглощаемой дозы радиоактивного излучения. 
Дозиметрические и радиобиологические эксперименты позволили создать и внедрить в практику систему обеспечения радиационной безопасности космических полетов, которая включает средства дозиметрического контроля и локальной защиты, радиозащитные препараты (радиопротекторы).

Однако по сей день не решена проблема воздействия радиации на организм человека в условиях дальних перелетов, что резко ограничивает возможности освоения пригодных для жизни планет.
В этой связи предлагается использовать микродозы таких радиопротекторов, как тиоротилглицин и селеноротовая кислота, а также сочетание гиповитамина оротовой кислоты и селена (вместо традиционного сочетания Se + витамин Е), см.
1) Ихлов Б. Л. О новой стратегии защиты клетки от повреждений (геронтология). Сборник статей VIII международной научно-практической конференции «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии и медицине», 20-22 мая 2015 года, Санкт-Петербург, Россия, стр. 55-60. ISBN 978-5-7422-4882-8.
2) Ихлов Б. Л. Применение радиопротекторов в геронтологии. ВЕСТНИК НОВЫХ МЕДИЦИНСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ. 2018. Т. 25, №3. С. 2029-215.

4.  Поскольку в космосе хромосомы человека – вдали от системы сотовой связи, возможно, у космонавтов меняется скорость деления клеток – эритроцитов, кожной ткани, эпителия кишечника, а также клеток, не размножающихся в обычных условиях, но делящихся при процессах восстановительной регенерации или в культуре.

5.  Существует проблема не разрушающей дезинфекции приборов в условиях космоса. В этой связи предлагается использовать СВЧ ЭМП широкого спектра, которое деструктурируют ДНК бактерий, см.
Ихлов Б.Л. и др. Способ дезинфекции без нагрева. Патент на изобретение № 2675696 от 24.12.2018

22-23 .4.2023