Полеты в космос глазами биологии

Среди более или менее отдаленных перспектив освоения космического пространства на первом месте стоят, несомненно, полеты человека на Марс и другие ближайшие планеты. При этом возникнет ряд качественно новых трудностей, большинство из которых будет относиться не к технической стороне дела, а главным образом к нерешенным биологическим задачам. Особенна же интересной с биологической точки зрения явится проблема сверхдальних полетов, для которых нужны скорости, приближающиеся к световым.

Биологические условия полетов на ближайшие планеты

Задолго до полета Ю. А. Гагарина и Г. С. Титова с помощью специальной аппаратуры и особых методов исследования было доказано, что полеты вокруг Земли, измеряемые часами и днями, переносят не только достаточно стойкие биологические объекты — бактерии, не говоря об их спорах, но и такие нежные системы, как изолированные клетки человеческого тела, растущие в так называемых однослойных культурах. Во время таких полетов клетки выдерживают воздействующие на них вибрации, ускорения, состояние невесомости и действие тем относительно небольших доз ионизирующей радиации, которая имеет место в космическом пространстве. Можно утверждать, хотя это еще требует экспериментальной проверки, что они выдержат и более длительные полеты, например, до Марса и обратно.

Во всяком случае, при перемещении на ближайшие планеты вряд ли возникнет опасность гибели клеток. Об этом свидетельствуют опыты, проведенные на космических кораблях. Возвратившиеся из этих полетов клетки практически не претерпели никаких физиологических изменений по сравнению с теми, что оставались на Земле.

То же самое можно сказать и о генетических проблемах. Удалось показать, что пребывание в космосе самых чувствительных в генетическом отношении биологических объектов, так называемых лизогенных бактерий, не вызывает у них изменения наследственности. Нужно напомнить, что лизогенные бактерии, в частности лизогенные кишечные палочки, представляют собой клетки, внешне ничем на отличающиеся от обычных. Но среди других наследуемых признаков они несут в себе скрытую возможность продуцировать бактериофагов.

Фаги — мельчайшие живые существа — долгое время считались просто паразитами бактерий, попадающими на них извне. Однако постепенно зрела уверенность, что это не просто паразиты: они настолько тесно связаны с бактериальной клеткой, что способны, с одной стороны, влиять на ее биологию, а с другой стороны, и сами целиком зависят от физиологии клеток. В отличие от других живых существ бактериофаги не размножаются путем деления, а как бы вырабатываются бактериальной клеткой. Она отдельно производит нуклеиновые кислоты, из которых состоит ядро бактериофага, и отдельно «фабрикует» белок, из которого затем строится его протоплазма. То и другое соединяется в единый сверхмикроскопический организм только после того, как заканчивается биосинтез молекул, составляющих эти вещества. Следовательно, способность бактерий продуцировать бактериофаги представляет собой генетическую реакцию и тесно связана с изменением их наследственности.

Это изменение происходит главным образом под влиянием излучений, в частности космической радиации. В отличие от других живых существ, у которых наследственность меняется лишь под влиянием радиации в 100 и более рентген, на наследственность и связанную с нею способность кишечной палочки продуцировать бактериофагов действуют уже доли рентгена. Генетические изменения у лизогенных бактерий строго зависят от дозы излучений. Таким образом, они представляют биологический объект, обладающий наибольшей чувствительностью по отношению к ионизирующей радиации, в том числе и космическим лучам.

Располагая такой моделью и большим опытом ее использования в космосе, можно без труда определить, имеется ли генетическая опасность на таких трассах, как Земля — Марс — Земля, прежде чем по этим трассам полетит человек. Если окажется, что она существует, то будут разработаны (и для этого есть уже соответствующие предпосылки) эффективные методы защиты от генетического воздействия космической радиации и других факторов космического полета. Но есть другая, более сложная проблема, связанная с полетами на ближние планеты.

Планетные микроорганизмы и предотвращение проникновения их на Землю

До последнего времени специалисты мало задумывались над тем, какие формы жизни могут быть встречены человеком на других планетах. Но сегодня этот вопрос стал настолько важным, что на него следует обратить внимание.

Много пишут о необходимости предотвратить занос земных микробов на другие планеты. На первый взгляд кажется, что этого особенно опасаться не следует, так как там условия жизни отличаются от земных и земные микробы там, может быть, и не приживутся. Однако, как считает академик А. А. Имшенецкий, диапазон приспособительных способностей микроорганизмов очень велик, и нельзя дать гарантии, что земные микробы не найдут себе подходящей почвы для размножения на соседних с нами планетах.

Это положение следует распространить и на микроорганизмы (если таковые существуют), обитающие на других планетах. В самом деле, не занесут ли наши космические корабли, которые будут возвращаться с других планет на Землю, такие микроорганизмы, которые могут оказаться опасными для человека, животных, растений! Конечно, есть вероятность, что эти микроорганизмы могут быть и полезными для земного мира. Но в любом случае, как кажется нам, возможность занесения «инопланетных» микроорганизмов на Землю должна привлекать больше внимания биологов, чем возможность заселения других планет земными микробами. Ведь никакие теоретические соображения не могут дать гарантии того, что занос микроорганизмов на Землю невозможен или что они окажутся безвредными.

Считают в принципе, что паразитизм микробов, с которым связана их способность вызывать болезни, является результатом сложного и длительного биологического приспособления паразитов к организму хозяина, на котором они паразитируют. Мы знаем, что нас окружает множество безвредных микробов и что паразиты в общем составляют небольшую долю биосферы — того окружающего человека океана жизни, который состоит в основном из микроорганизмов. Паразитические микробы, несомненно, обладают специальными приспособлениями, выработавшимися в течение длительной эволюции. Они проникают в организм, преодолевая защитные воздействия со стороны животного или растения, и они же умеют выделяться из организма с тем, чтобы найти себе новую среду обитания, новую жертву. В свете этих теорий кажется, что планетные микроорганизмы, если они существуют, не смогут принести вреда человеку. Однако нельзя полагаться на одни теоретические положения и эксперименты, осуществленные в условиях Земли. Мы знаем примеры, когда микроорганизмы, никогда не встречавшиеся с данным видом животных и растений, оказываются способными вызвать инфекционные болезни или по крайней мере отравления микробными ядами.

В связи с этим обращает на себя особое внимание, что специализация, то есть узкое приспособление микроорганизмов к каким-либо видам животных, испытывает довольно сильные колебания в зависимости от вида микроорганизмов. Так, например, сыпнотифозный микроб поражает только два биологических вида — человека и способную паразитировать на нем вошь. А вот туляремийный микроб способен поражать огромнее число видов животных, особенно грызунов. То же самое относится к сибирской язве.

Вместе с тем есть микробы, которые выделяют исключительно сильные яды. Например, выделяемый одним микроорганизмом так называемый ботулинистический яд даже в микроскопически ничтожных дозах убивает крупных животных, если проникает в их организм с пищей или вдыхаемым воздухом. Таким образом, никаких гарантий того, что «инопланетные» микробы будут абсолютно безвредными, биолог в настоящее время дать не может.

Какие же меры можно принять для того, чтобы обезопасить Землю от заноса нежелательных форм планетных микроорганизмов! Для этого, прежде всего, необходимо исследовать поверхность других планет с тем, чтобы узнать, есть ли там микроорганизмы и каков их характер. Но как это сделать!

Откладывать такое исследование до того времени, когда нога человека впервые вступит на поверхность планеты, очень рискованно, Первое, с чем там столкнется космонавт, если говорить о различных формах жизни, будут, конечно, микроорганизмы, и, конечно, он не успеет их исследовать до возвращения на Землю. Таким образом, возникнет опасность заноса нежелательных микробов на нашу планету.

Поэтому рационально было бы попытаться сначала исследовать поверхность планет автоматическими биологическими приборами.

На одном из первых космических кораблей в космос летали так называемые биоэлементы АМН — приборы, способные автоматически регистрировать размножение находящихся в них микроорганизмов и передавать соответствующие сигналы на Землю. Биоэлемент АМН представляет собой сосуд (чаще металлический цилиндр), разделенный стеклянной перегородкой на две камеры. В одной из них помещаются споры микробов маслянокислого брожения, а во второй находится питательная среда. Автоматический механизм по сигналу с Земли или от программного устройства на борту ракеты разрушает стеклянную перегородку. Так осуществляется «посев» микробных спор на питательную среду. Размножение микробов сопровождается образованием газов. При этом растет давление, которое воздействует на соответствующий датчик и с его помощью через радиотелеметрическую аппаратуру посылает на Землю сигнал. Микробы почти в буквальном смысле нажимают на кнопку, чтобы известить о том, что они живы и здоровы.

Успешное использование этих приборов в космосе — первый шаг к разработке аппаратуры, которая могла бы провести первичное исследование поверхности планет и подтвердить наличие или отсутствие микроорганизмов в местах посадки космических кораблей.

Разработка вопросов, связанных с такими попытками, представляет собой сложнейшую, но исключительно увлекательную задачу. Ведь нужно составить такие питательные среды, которые бы оказались подходящими для размножения неведомых микроорганизмов, относительно которых неизвестно даже, состоят ли они из таких же белковых тел, как и их собратья на Земле. Однако значительная часть этих трудностей теоретически уже преодолена, и такого рода опыты могут быть обеспечены не только с технической, но и с биологической стороны.

Помимо непосредственных результатов — познания форм жизни вне Земли, — космические исследования дают также исключительно ценные косвенные. Экспериментальные работы, которые приходится проделывать для того, чтобы проложить дорогу человеку в космосе, вызовут к жизни новые методы исследований и откроют новые факты, которые, несомненно, будут способствовать прогрессу и чисто земных исследований.

Возвращаясь к вопросу о предохранении Земли от заражения извне, мы можем констатировать, что биологическая наука способна обеспечить безопасность и самих космонавтов и людей Земли, которые будут с нетерпением ждать их возвращения. Ведь, помимо предварительного микробиологического обследования планет и вне зависимости от этого, все возвращающиеся из космических полетов ракеты будут, несомненно, особым образом дезинфицироваться, а космонавты — выдерживаться в своего рода карантине.

Конечно, сказанным не исчерпываются задачи биологических исследований, связанных с первыми полетами на планеты. Однако затронутые здесь вопросы наряду с разрешением чисто медицинских задач, связанных с обеспечением питания и дыхания космонавтов, являются наиболее важными.

Для современной биологии исследования по обеспечению полетов человека на планеты не только посильны, но фактически в значительной мере уже обеспечены методикой и аппаратурой. Иначе обстоит дело с биологическим обеспечением дальних космических полетов со скоростями, приближающимися к световым.

Совсем еще недавно казалось, что дальние космические полеты со скоростями, приближающимися к световым,— дело столь далекого будущего, что биологу можно не спешить с обсуждением связанных с ними вопросов. Однако развитие космонавтики идет вперед так быстро, а задачи в области биологического обеспечения дальних полетов так сложны, что биология может опоздать, если уже сегодня не приступит к обсуждению соответствующих проблем.

Для того, чтобы космические аппараты достигли скоростей, сравнимых со световыми, понадобятся не только технические усовершенствования. Едва ли не основными станут при этом биологические проблемы. Они связаны главным образом с тем, что при резком увеличении скоростей вступят в свои права некоторые, физические явления, не встречающиеся при обычных скоростях. Период разгона ракеты, то есть время от старта до достижения постоянного равноускоренного движения, будет, несомненно, занимать много времени, и, таким образом, живые объекты в течение длительного времени будут находиться под влиянием ускорений. Правда, это будет происходить уже вне поля тяготения Земли.

По-видимому, не исключено, что при переходе известного порога скоростей может сказаться эффект увеличения массы атомов, составляющих гигантские молекулы живых клеток. Как это отразится на осуществлении такими молекулами обменных: процессов! Будут ли находиться в равномерно-ускоренном движении молекулы в целом, или же возникнут какие-либо условия, способствующие разьединению их на атомы в связи с воздействием необычных скоростей! Другими словами, возникает своеобразная биологическая проблема, которую можно сформулировать так: возможна ли жизнь, когда система находится под влиянием длительных повышенных ускорений, а также скоростей, приближающихся к световым!

Может быть, физики скажут нам, что этот фактор не будет влиять на конструкцию живых молекул и на взаимодействие атомов внутри них и, таким образом, эта проблема отпадет. Но нам кажется, что для этого нужны специальные доказательства.

Естественно, возникает вопрос о том, нельзя ли эту проблему решить экспериментально. Биологическая сторона таких экспериментов может быть обеспечена уже в настоящее время. Если бы уже сегодня можно было разгонять ракеты до околосветовых скоростей и получать на Земле радиосигналы с таких ракет, то для решений задачи можно было бы применять биоэлементы АМН или другие типы и конструкции их.

В период разгона микробы будут находиться в биоэлементе в виде спор, которые очень устойчивы, переносят любые перегрузки, которые можно создать на Земле, выдерживают кипячение, замораживание и радиационные воздействия в десятки тысяч рентген. Можно надеяться, что споры благополучно пройдут период ускорения и в соответствующий момент смогут быть посеяны на питательную среду.

Биоэлементы имеют размеры маленьких «пальчиковых» радиоламп и могут быть установлены на ракетах сотнями. Их можно включать один за другим также и в период разгона, чтобы установить, в какой момент увеличения ускорений вступают в действие силы, опасные для живых организмов, Таким образом, может быть обследован весь отрезок полета от старта до конца периода ускорений и получены точные данные о возможности существования живых тел при различных скоростях, в том числе таких, когда вступают в силу так называемые релятивистские эффекты.

При полетах ракет и космических кораблей, летающих со скоростями, приближающимися к световым, не менее интересным является вопрос об относительном повышении энергии космических частиц при возможном соударении с летательным аппаратом и влиянии их на биологические объекты. Здесь мы имеем в виду так называемые «первичные» и «вторичные» космические лучи. (Предполагают, что «первичные» космические лучи являются обломками ядер большого количества частиц — от протонов до тяжелых элементов, а «вторичные» космические лучи являются результатом столкновения тяжелых первичных частиц с высокими энергиями и частиц воздушной среды.)

При скорости полета 160 000 км/сек уровень радиационной дозы от бомбардировки корабля протонами и электронами будет колоссальным. Однако считается, что эта угроза может быть устранена соответствующим экранированием.

Возможность биологической проверки теории относительности

Известно утверждение эйнштейновой теории относительности о том, что для наблюдателя, движущегося со скоростью, сравнимой со скоростью света, время течет медленнее, чем для неподвижного. Это так называемый парадокс времени. Эксперименты с элементарными частицами доказали его математическую справедливость.

Но что будет с живым организмом, который полетит на межзвездном корабле с близкой к световой скоростью! Как будут протекать при этом биологические процессы! Авторы фантастических романов утверждают, что в замедленном темпе, замедленном в той же степени, что и течение времени. Их герои возвращаются из дальних космических полетов «ровесниками» своих внуков. Правы ли фантасты!

Может быть, чтобы ответить на этот вопрос, нужно дождаться времени, когда к звездам на корабле, летящем со скоростью, близкой к световой, отправится человек. Мы предполагаем, что еще до полета человека можно будет проверить на опыте справедливость парадокса времени для живых существ. Помогут в этом опять-таки биоэлементы, Микроорганизмы с их очень незначительной продолжительностью жизни — самый подходящий объект для подобного эксперимента.

В самом деле, собака, например, живет 10—12 лет. Чтобы проверить с ее помощью справедливость парадокса времени, нужно было бы из двух щенков одного помета — щенков-ровесников — одного оставить на Земле, а другого послать в космос на ракете, летящей со скоростью, близкой к световой. По возвращении четвероногого «космонавта» следовало бы сравнить возраст его и его «земного» брата. Но разница в возрасте, измеряемая в несколько дней или даже недель, малоуловима. Чтобы она была видимой для экспериментаторов, полет подопытной собаки должен длиться слишком долго. Иное дело микробы!

С помощью биоэлементов можно определить разницу во времени размножения микробов на Земле и на ракете. Нужно лишь одновременно осуществить в двух биоэлементах — контрольном «земном» и «космическом», что летит на ракете, — посев спор на питательную среду.

Исходя из предположения, что цикл размножения микробов в замкнутом объеме будет проходить за 24 часа, ракета с биоэлементом, по нашим подсчетам, должна достигнуть скорости около 160 тысяч километров в секунду. Разница в скорости размножения в космическом полете и на Земле за счет парадокса времени составит около 14 процентов. Она может быть замерена по разности во времени срабатывания (под действием давления газов, выделяемых при росте бактерий) «земного» и «космического» биоэлементов.

Автор: Копьев В. Я.