Космос как внеземная лаборатория

Российский сегмент МКС также стал исследовательской площадкой для современной отечественной науки. Здесь проводятся важнейшие физико-химические, медико-биологические, экологические и другие эксперименты.

За последние 19 лет в российском сегменте МКС было реализовано в общей сложности 77 научно-прикладных программ. По словам исполнительного директора АО «Объединенная ракетно-космическая корпорация» Николая Бурдейного, экипаж станции провел за различными экспериментами, включая коммерческие, около 20 тысяч часов.

Опыты с бактериями для совершенствования медицины

Одно из последних исследований российских космонавтов МКС стартовало в сентябре 2020 года и заключалось в изучении реакции бактерии кишечной палочки на антибиотики в условиях космоса.

Сами бактерии были отпечатаны на 3D-биопринтере «Орган.Авт» производства компании 3D Bioprinting Solutions (входит в ООО «Инвитро», Москва). Все исследования проводились в герметичной кювете в специальном перчаточном боксе, благодаря чему исключалась угроза здоровью космонавтов.

В ходе исследования было установлено, что отпечатанные бактерии в условиях космоса собираются в биопленки, на Земле это соответствует картине течения таких заболеваний, как хронический бронхит. Традиционная терапия антибиотиками в подобных случаях не эффективна.

После того как в октябре 2020 года бактерии доставили на Землю, исследование продолжилось в НИИ им. Гамалеи. Ученые института подтвердили, что бактерии стали антибиотико-резистентными.

Конечная цель эксперимента – разработка методов борьбы с заболеваниями, возбудители которых приобрели устойчивость к традиционно применяемым препаратам. По словам представителей 3D Bioprinting Solutions, результаты исследования должны помочь в разработке более совершенных методик лечения антибиотикорезистентных хронических заболеваний на Земле и помочь при возникновении новых болезней в дальнем космосе.

От искусственной фермы до трансплантации органов

Печать бактерий является не единственным экспериментом с биопринтером, проведенным российскими космонавтами. Так, в декабре 2018 года Олег Кононенко первым в мире поставил эксперимент по выращиванию щитовидной железы мыши и хрящевой ткани человека в космосе.

На формирование органного конструкта ушли сутки, что превосходит временные затраты на Земле. Полученная щитовидная железа внешне не похожа на естественную. Но такая цель в ходе данного исследования и не ставилась, главным было достижение внутреннего структурного сходства, а его удалось добиться.

Главным результатом стал сам факт успешной работы устройства в космосе. После доставки напечатанных тканей на Землю исследователи убедились, что в клетках не произошло патологических изменений. Важность проведенных исследований заключается в том, что на Земле соединению клеток мешает сила тяжести, поэтому печать некоторых сложных структур легче осуществить именно на орбите.

– Создание 3D-биопринтера, разработка и проведение орбитального эксперимента стали для нас настоящим прорывом – мы доказали, что по-прежнему являемся лидерами в области самых передовых исследований в космосе, – отметил один из инициаторов проекта, основатель и гендиректор ООО «Инвитро» Александр Островский. – Мы видим очереди на трансплантацию органов, в которых люди стоят годами и часто умирают, так и не дождавшись.

Исследование продолжилось в 2019 году, когда с помощью биопринтера был напечатан фрагмент говядины, в планах – крольчатина и рыба. Речь идет о микроскопических образцах. Однако в перспективе искусственное мясо должно расширить рацион питания космонавтов.

– Длительные космические экспедиции неизбежно столкнутся с беспрецедентными проблемами в плане питания и повторного использования всех доступных органических ресурсов, – прокомментировал итоги эксперимента Александр Островский.

Стоимость образца говядины, произведенного на биопринтере, оказалась действительно «космической» – 10 тысяч USD за килограмм. Однако доставка грузов на станцию обходится еще дороже – около 40-50 тысяч USD за кило, причем основной вес составляют именно продукты питания.

Плазменный кристалл

Первые исследования плазмы в невесомости были начаты космонавтами Павлом Виноградовым и Анатолием Соловьевым еще в конце 1997 года на орбитальной станции «Мир». А после ее вынужденного затопления (в марте 2001-го) переместились на МКС и переросли в совместный российско-германский проект по исследованию пылевой плазмы в условиях микрогравитации – «Плазменный кристалл».

– Это именно та ситуация, когда без космоса, без невесомости обойтись нельзя, – говорит об эксперименте академик РАН Владимир Фортов. – Теперь мы наглядно, в реальном масштабе, можем изучать свойства кристаллов, их плавление, расширение, колебания – все то, что раньше исследовалось только косвенно. На «Мире» и МКС были проверены очень многие построения и законы физики твердого тела. И это фундаментальное направление науки у нас находится на мировом уровне.

В ходе эксперимента в камере создается плазма, а затем в плазменную среду вводятся мельчайшие пылевые частицы. Проведение подобного исследования возможно только в невесомости, поскольку на Земле гравитация сдавливает кристаллы, а в условиях орбиты они «взлетают», образуя объемную трехмерную структуру.

В ходе эксперимента подтвердилось, что плазма имеет кристаллическую решетку. Это полностью меняет прежние представления ученых о четвертом состоянии вещества. Полученные «завихрения» дублируют строение Галактики Млечный Путь, что поможет пролить свет на вопрос о ее зарождении. Для генетиков эксперимент тоже стал открытием: при охлаждении плазмы получается копия строения молекулы ДНК. Исследование также может помочь в борьбе с бактериями, не восприимчивыми к земным лекарствам.

Оранжерея в космосе

Еще Циолковский выдвинул идею об использовании растений как источника питания и кислорода на космических кораблях. Сегодня российские космонавты на борту МКС ставят эксперименты по выращиванию пшеницы, ячменя, гороха, редиса, салата и др. Возделываемые культуры не только служат исследовательским целям, но и используются в пищу.

В ходе экспериментов выяснилось, что растения в невесомости можно культивировать длительное время, что может быть использовано, скажем, при экспедиции на Марс. Благодаря применению специальных оранжерей, прежде всего «Лада», полезные культуры превосходно переносят отсутствие гравитации. А по вкусовым свойствам растения ничем не отличаются от выращенных на Земле.

Экстремальная среда

Институт медико-биологических проблем РАН курировал целый ряд экспериментов, доказывающих живучесть отдельных видов микроорганизмов в экстремальных условиях космоса. Споры микроскопических грибов (Chaetomium globosum, Penicillium chrysogenum и другие) и бактерий (Bacillus, Deinococcus radiodurans) более года находились в открытом космическом пространстве, испытывая действие космической радиации и многократные чередования высоких и низких температур (до -160 градусов). Микроорганизмы, за редким исключением, не только показали феноменальную выживаемость, но и сохранили высокую биологическую активность.

Во второй серии эксперимента выяснилось, что в условиях открытого космоса способны выживать и более развитые организмы. Исследованию подверглись яйца низших ракообразных, личинки африканского комара, семена высших растений. Представители земной биосферы находились на обшивке МКС 31 месяц и сохранили свою жизнеспособность. Что касается микроорганизмов, то под воздействием солнечной радиации их агрессивные свойства даже усилились – они стали более патогенными.

Результаты данного эксперимента имеют важное значение при организации межпланетных космических полетов. Поэтому исследования продолжатся. Так, на 2023 год запланирован запуск спутника «Бион-М2». Большая часть исследований на нем будет посвящена изучению воздействия космической радиации на различные организмы на высоте около 800 км над Землей, что почти в два раза выше, чем орбита МКС (419 км).

Космический аквариум

В рамках совместного русско-японского эксперимента «Аквариум-AQH» изучалось влияние факторов космического полета на устойчивость замкнутой экосистемы и входящих в нее звеньев в условиях микрогравитации.

Это одно из первых исследований, позволяющее оценить «чистый» эффект космического полета на работу генетического аппарата позвоночных и беспозвоночных водных организмов на примере рыб вида японская оризия и личинок африканских комаров-звонцов.

Более 90 суток космонавты наблюдали за поведением мальков, взрослых рыб, а также других жителей «аквариума» в условиях невесомости. В процессе эксперимента было зафиксировано комплексное изменение экспрессии генов рыб. Впервые открыта возможность восприятия и передачи в ряду поколений экологической информации сухими диапаузирующими эмбрионами, т.е. организмами в состоянии биологического покоя, который, по оценкам ученых, в космосе может длиться до нескольких сотен лет. Что в случае вредных организмов-паразитов создает проблему для организации межпланетного карантина и обеспечения биологической безопасности. В то же время у животных и растений, которые могут представлять пользу в дальних полетах, напротив, зафиксировано снижение жизнеспособности, что может стать препятствием для их перевозки и последующей культивации вне земной биосферы. Полученные результаты также важны и для изучения экологии земных сообществ, поскольку меняют представление о роли материнского эффекта в микроэволюционных процессах в водоемах.

Дистанционное наблюдение

Одно из главных направлений деятельности Госкорпорации «Роскосмос» – дистанционное зондирование Земли. В рамках российского эксперимента «Сценарий» ведется отработка методов оценки экологических проблем, развития потенциально опасных явлений. Целью программы «СВЧ-радиометрия» является измерение СВЧ-излучения, содержания углекислого газа и метана в атмосфере Земли, а также влажности почв, биомассы растительности, солености морей и т.п.

Космонавты ведут регулярную съемку земных объектов. При этом панорамные фотографии высокого разрешения вкупе с уникальным ракурсом съемки представляют не только исследовательскую и коммерческую, но и художественную ценность.

– Когда горит Дальний Восток, Забайкалье, видишь пожар – и ощущение, что природа кричит: помоги! Мы снимали Мексиканский залив, да, это красиво: нефтяная пленка дает многообразие цветов на поверхности. Но ты же понимаешь, насколько все это страшно, – делится опытом космонавт Федор Юрчихин. – Вот почему все мои фотовыставки называются «Наш дом – Земля». Каждый из нас, космонавтов, улетает патриотом своей страны, а возвращается патриотом Земли. Это не пустые слова, эта философия сама приходит.

Дмитрий Горбунов

В статье использованы информационные материалы и фотографии Госкорпорации «Роскосмос».