Мікроорганізми в космосі
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Нерідко можна почути: мені зрозуміло, чому вчені направляли в космос високоорганізованих живих істот – собак. Це необхідно для забезпечення повної безпеки космічного польоту людини. Але навіщо потрібно було відправляти на кораблях-супутниках мікроорганізми і навіть субмікроскопічні істоти – бактеріофаги? Ось на це питання я і хочу коротко відповісти в цій статті.
Використання одноклітинних організмів у космічних експериментах викликалося цілим рядом причин, і насамперед, звичайно, тим, що в міжпланетному просторі могли виявлятися випромінювання, здатні викликати серйозні клітинні пошкодження у тварин. Не виключено, що у собак і кроликів, що побували в космосі, відхилення могли і не виявитися, так як цілісний організм здатний компенсувати приховані клітинні ушкодження. Разом з тим виникає й інша, не менш важлива в практичному і теоретичному відношенні проблема – вплив космічного випромінювання на спадковість.
Тепер легко пояснити, чому було вирішено використовувати мікроорганізми. Вони володіють великим діапазоном чутливості до іонізуючої радіації, починаючи від одного до декількох тисяч рентген. Це дозволяє вивчити біологічну дію самих різних доз космічного випромінювання, з якими міг би зустрітися космонавт під час польотів за заданою орбітою. У дослідах на кораблях-супутниках в якості біологічних об’єктів, що реагують тільки на дуже великі дози іонізуючої радіації, були використані різні види мікробів: Кишкова паличка, стафілокок, паличка маслянокислого бродіння та інші.
Спадкові властивості бактерій, зокрема кишкової палички К-12, були детально вивчені ще в лабораторних умовах за допомогою найтонших методів мікробіології. Вони дозволяють виявити бактеріальні клітини з патологічно зміненою спадковістю під впливом великих доз іонізуючої радіації (порядку декількох тисяч рентген і більше). Якщо навіть в зонах орбіт руху космічних кораблів не буде такого потужного радіаційного впливу, біологи все одно повинні враховувати можливості впливу енергії та проникаючої здатності окремих компонентів космічної радіації – протонів, альфа-частинок, а також ядер більш важких елементів, які можуть вбити клітину або викликати серйозні клітинні ушкодження.
Явища мутації у бактерій (тобто патологічної зміни спадковості) пов’язані з втратою здатності клітини самостійно синтезувати амінокислоти або вітаміни, необхідні для росту і розмноження мікроорганізму. У разі виявлення великого числа таких бактеріальних клітин легко було б визначити (і попередити) небезпеку, що чатує космонавта у польоті.
Для вивчення можливих змін у структурі бактеріальної клітини під впливом факторів космічного простору були використані новітні методи, зокрема техніка ультратонких зрізів бактерій і їх електроноскопічне дослідження. На супутниках знаходилися і високочутливі бактерії – так звані лізогени, здатні реагувати на малі дози іонізуючої радіації (до 1 рентгена) шляхом утворення і виділення бактеріофагів. Під впливом навіть невеликих доз рентгенівського або ультрафіолетового опромінення лізогенів бактерії набувають здатність до підвищеної продукції бактеріофагів. За допомогою спеціальних методів можна потім точно визначити число уражених бактерій, що утворюють ці фаги.
Так встановлюється спадкова реакція (підвищення лізогенів) бактерій у відповідь на дію зовнішніх чинників. Ось чому ця модель була використана як біологічний індикатор, за яким можна судити про шкідливість і генетичні наслідки радіації в малих дозах під час перебування живої істоти в різних зонах космічного простору.
Як довго можуть існувати клітини при космічних польотах? Для відповіді на це питання були розроблені і сконструйовані спеціальні малогабаритні автоматичні прилади – біоелементи. Вони були встановлені на космічних кораблях і автоматично реєстрували основні функції життєдіяльності бактерій і при необхідності передавали на Землю радіосигнали про стан цих найдрібніших живих істот. У автоматичних біоелементах мікроби можуть знаходитися в космосі протягом практично будь-яких термінів польоту ракет – місяці, роки, десятки і більше років. Після закінчення заданого терміну можна включити прилади, і негайно ж будуть передані на Землю відомості, які можуть точно характеризувати біологічну активність мікроорганізмів. Живі істоти мікроскопічних розмірів не вимагають великого запасу харчування і тому є дуже зручною моделлю для космічної біології.
Великий інтерес представляє зіставлення мікробіологічних даних з дослідами на кораблях-супутниках з використання культури людських ракових клітин. За чутливості ці клітини займають проміжне положення між лізогенними і нелізогенними клітинами кишкової палички. Таким чином, перед нами гамма біологічних індикаторів на різні рівні іонізуючого випромінювання. Культура ракових клітин привернула увагу дослідників завдяки своїй здатності добре рости на синтетичних живильних середовищах у вигляді окремих колоній, що полегшує спостереження за розвитком клітин, характером клітинного пошкодження. Нарешті, цей метод дозволяє точно враховувати кількість збережених пошкоджених і відмерлих клітин у культурі тканин, що зазнала впливу прискорення, вібрації, невагомості.
Так мікроби, субмікроскопічні організми – бактеріофаги і ізольовані клітини людського тіла допомагали вирішувати важливу задачу біологічного дослідження траси першого в світі космічного польоту людини. Цілком природно, що застосування методів космічної біології буде і надалі сприяти розробці ефективних заходів захисту, що забезпечують безпеку більш тривалих польотів космонавтів.
Автор: Н. І. Рибаков.