Польоти в космос очима біології

Серед більш-менш віддалених перспектив освоєння космічного простору на першому місці стоять, безсумнівно, польоти людини на Марс та інші найближчі планети. При цьому виникне ряд якісно нових труднощів, більшість з яких буде відноситися не до технічної сторони справи, а головним чином до невирішених біологічних завдань. Особлива ж цікавою з біологічної точки зору з’явиться проблема наддалеких польотів, для яких потрібні швидкості, що наближаються до світлових.

Біологічні умови польотів на найближчі планети

Задовго до польоту Ю. О. Гагаріна та Г. С. Титова за допомогою спеціальної апаратури і особливих методів дослідження було доведено, що польоти навколо Землі, вимірювані годинами і днями, переносять не тільки досить стійкі біологічні об’єкти – бактерії, не кажучи про їх спори, а й такі ніжні системи, як ізольовані клітини людського тіла, що ростуть в так званих одношарових культурах. Під час таких польотів клітини витримують впливаючі на них вібрації, прискорення, стан невагомості і дію тим відносно невеликих доз іонізуючої радіації, яка має місце в космічному просторі. Можна стверджувати, хоча це ще вимагає експериментальної перевірки, що вони витримають і більш тривалі польоти, наприклад, до Марса і назад.

У всякому разі, при переміщенні на найближчі планети навряд чи виникне небезпека загибелі клітин. Про це свідчать досліди, проведені на космічних кораблях. Клітини, що вернулися з цих польотів практично не зазнали жодних фізіологічних змін в порівнянні з тими, що залишалися на Землі.

Те ж саме можна сказати і про генетичні проблеми. Вдалося показати, що перебування в космосі найчутливіших в генетичному відношенні біологічних об’єктів, так званих лізогенних бактерій, не викликає у них зміни спадковості. Потрібно нагадати, що лізогені бактерії, зокрема лізогені кишкові палички, представляють собою клітини, зовні нічим не відміні від звичайних. Але серед інших успадкованих ознак вони несуть в собі приховану можливість продукувати бактеріофагів.

Фаги – найдрібніші живі істоти – довгий час вважалися просто паразитами бактерій, що потрапляють на них ззовні. Однак поступово зріла впевненість, що це не просто паразити: вони настільки тісно пов’язані з бактеріальною клітиною, що здатні, з одного боку, впливати на її біологію, а з іншого боку, і самі цілком залежать від фізіології клітин. На відміну від інших живих істот бактеріофаги не розмножуються шляхом поділу, а як би виробляються бактеріальною клітиною. Вона окремо виробляє нуклеїнові кислоти, з яких складається ядро бактеріофага, і окремо «фабрикує» білок, з якого потім будується його протоплазма. Те й інше з’єднується в єдиний надмікроскопічний організм тільки після того, як закінчується біосинтез молекул, що складають ці речовини. Отже, здатність бактерій продукувати бактеріофаги являє собою генетичну реакцію і тісно пов’язана із зміною їх спадковості.

Ця зміна відбувається головним чином під впливом випромінювань, зокрема космічної радіації. На відміну від інших живих істот, у яких спадковість змінюється лише під впливом радіації в 100 і більше рентген, на спадковість і пов’язану з нею здатність кишкової палички продукувати бактеріофагів діють вже частки рентгена. Генетичні зміни у лізогенних бактерій строго залежать від дози випромінювань. Таким чином, вони представляють біологічний об’єкт, що володіє найбільшою чутливістю по відношенню до іонізуючої радіації, в тому числі і космічних променів.

Володіючи в своєму розпорядженні такою моделлю і великим досвідом її використання в космосі, можна без зусиль визначити, чи є генетична небезпека на таких трасах, як Земля – Марс – Земля, перш ніж по цих трасах полетить людина. Якщо виявиться, що вона існує, то будуть розроблені (і для цього є вже відповідні передумови) ефективні методи захисту від генетичного впливу космічної радіації та інших факторів космічного польоту. Але є інша, більш складна проблема, пов’язана з польотами на ближні планети.

Планетні мікроорганізми і запобігання проникненню їх на Землю

До останнього часу фахівці мало замислювалися над тим, які форми життя можуть бути зустрінуті людиною на інших планетах. Але сьогодні це питання стало настільки важливим, що на нього слід звернути увагу.

Багато пишуть про необхідність запобігти заносу земних мікробів на інші планети. На перший погляд здається, що цього особливо побоюватися не слід, оскільки там умови життя відрізняються від земних і земні мікроби там, можливо, і не приживуться. Однак, як вважає академік А. А. Імшенецький, діапазон пристосувальних здібностей мікроорганізмів дуже великий, і не можна дати гарантії, що земні мікроби не знайдуть собі підходящого ґрунту для розмноження на сусідніх з нами планетах.

Це положення слід поширити і на мікроорганізми (якщо такі існують), що живуть на інших планетах. Справді, чи не занесуть наші космічні кораблі, які повертатимуться з інших планет на Землю, такі мікроорганізми, які можуть виявитися небезпечними для людини, тварин, рослин! Звичайно, є ймовірність, що ці мікроорганізми можуть бути і корисними для земного світу. Але в будь-якому випадку, як здається нам, можливість занесення «інопланетних» мікроорганізмів на Землю повинна привертати більше уваги біологів, ніж можливість заселення інших планет земними мікробами. Адже жодні теоретичні міркування не можуть дати гарантії того, що занесення мікроорганізмів на Землю неможливе або що вони виявляться нешкідливими.

Вважають в принципі, що паразитизм мікробів, з яким пов’язана їхня здатність викликати хвороби, є результатом складного і тривалого біологічного пристосування паразитів до організму господаря, на якому вони паразитують. Ми знаємо, що нас оточує безліч нешкідливих мікробів і що паразити загалом становлять невелику частку біосфери – того навколишнього океану життя, який складається в основному з мікроорганізмів. Паразитичні мікроби, безсумнівно, володіють спеціальними пристосуваннями, що склалися протягом тривалої еволюції. Вони проникають в організм, долаючи захисні впливи з боку тварини або рослини, і вони ж уміють виділятися з організму з тим, щоб знайти собі нове місце існування, нову жертву. У світлі цих теорій здається, що планетні мікроорганізми, якщо вони існують, не зможуть принести шкоди людині. Однак не можна покладатися на одні теоретичні положення й експерименти, здійснені в умовах Землі. Ми знаємо приклади, коли мікроорганізми, що ніколи не зустрічалися з даним видом тварин і рослин, виявляються здатними викликати інфекційні хвороби або принаймні отруєння мікробними отрутами.

У зв’язку з цим звертає на себе особливу увагу, що спеціалізація, тобто вузьке пристосування мікроорганізмів до певних видів тварин, відчуває досить сильні коливання в залежності від виду мікроорганізмів. Так, наприклад, висипнотифозний мікроб вражає тільки два біологічні види – людину і здатного паразитувати на ньому воша. А ось туляремійний мікроб здатний вражати велике число видів тварин, особливо гризунів. Те ж саме відноситься до сибірки.

Разом з тим є мікроби, які виділяють виключно сильні отрути. Наприклад, ботуліністістична отрута що виділяється одним мікроорганізмом навіть у мікроскопічно незначних дозах вбиває великих тварин, якщо проникає в їх організм з їжею або повітрям. Таким чином, жодних гарантій того, що «інопланетні» мікроби будуть абсолютно нешкідливими, біолог в даний час дати не може.

Які ж заходи можна вжити для того, щоб убезпечити Землю від занесення небажаних форм планетних мікроорганізмів! Для цього, насамперед, необхідно досліджувати поверхню інших планет з тим, щоб дізнатися, чи є там мікроорганізми і який їхній характер. Але як це зробити!

Відкладати таке дослідження до того часу, коли нога людини вперше вступить на поверхню планети, дуже ризиковано, Перше, з чим там зіткнеться космонавт, якщо говорити про різні форми життя, будуть, звичайно, мікроорганізми, і, звичайно, він не встигне їх досліджувати до повернення на Землю. Таким чином, виникне небезпека занесення небажаних мікробів на нашу планету.

Тому раціонально було б спробувати спочатку досліджувати поверхню планет автоматичними біологічними приладами.

На одному з перших космічних кораблів в космос літали так звані біоелементи АМН – прилади, здатні автоматично реєструвати розмноження наявних в них мікроорганізмів і передавати відповідні сигнали на Землю. Біоелемент АМН являє собою посудину (частіше металевий циліндр), розділений скляною перегородкою на дві камери. В одній з них поміщаються спори мікробів маслянокислого бродіння, а в другій знаходиться живильне середовище. Автоматичний механізм по сигналу із Землі або від програмного пристрою на борту ракети руйнує скляну перегородку. Так здійснюється «посів» мікробних спор на живильне середовище. Розмноження мікробів супроводжується утворенням газів. При цьому зростає тиск, який впливає на відповідний датчик і з його допомогою через радіотелеметричну апаратуру посилає на Землю сигнал. Мікроби майже в буквальному сенсі натискають на кнопку, щоб сповістити про те, що вони живі і здорові.

Успішне використання цих приладів в космосі – перший крок до розробки апаратури, яка могла б провести первинне дослідження поверхні планет і підтвердити наявність або відсутність мікроорганізмів в місцях посадки космічних кораблів.

Розробка питань, пов’язаних з такими спробами, являє собою складну, але виключно захоплюючу задачу. Адже потрібно скласти такі поживні середовища, які б виявилися придатними для розмноження невідомих мікроорганізмів, щодо яких невідомо навіть, чи вони складаються з таких же білкових тіл, як і їхні побратими на Землі. Однак значна частина цих труднощів теоретично вже подолана, і такого роду досліди можуть бути забезпечені не тільки з технічної, але і з біологічної сторони.

Крім безпосередніх результатів – пізнання форм життя поза Землею, – космічні дослідження дають також виключно цінні непрямі. Експериментальні роботи, які доводиться проробляти для того, щоб прокласти дорогу людині в космосі, викличуть до життя нові методи досліджень і відкриють нові факти, які, безсумнівно, будуть сприяти прогресу і чисто земних досліджень.

Повертаючись до питання про оберігання Землі від зараження ззовні, ми можемо констатувати, що біологічна наука здатна забезпечити безпеку і самих космонавтів і людей Землі, які будуть з нетерпінням чекати їх повернення. Адже, крім попереднього мікробіологічного обстеження планет і незалежно від цього, всі повернені з космічних польотів ракети будуть, безсумнівно, особливим чином дезинфікуватися, а космонавти – витримуватися в свого роду карантині.

Звичайно, сказаним не вичерпуються завдання біологічних досліджень, пов’язаних з першими польотами на планети. Однак порушені тут питання поряд з вирішенням суто медичних завдань, пов’язаних із забезпеченням харчування й дихання космонавтів, є найбільш важливими.

Для сучасної біології дослідження із забезпечення польотів людини на планети не тільки посильні, але фактично значною мірою вже забезпечені методикою і апаратурою. Інакше йде справа з біологічним забезпеченням далеких космічних польотів зі швидкостями, що наближаються до світлових.

Зовсім ще недавно здавалося, що далекі космічні польоти зі швидкостями, що наближаються до світлових, – справа настільки далекого майбутнього, що біологу можна не поспішати з обговоренням пов’язаних з ними питань. Однак розвиток космонавтики йде вперед так швидко, а завдання в галузі біологічного забезпечення дальніх польотів такі складні, що біологія може спізнитися, якщо вже сьогодні не приступить до обговорення відповідних проблем.

Для того, щоб космічні апарати досягли швидкостей, порівнянних зі світловими, знадобляться не тільки технічні вдосконалення. Чи не основними стануть при цьому біологічні проблеми. Вони пов’язані головним чином з тим, що при різкому збільшенні швидкостей вступлять у свої права деякі, фізичні явища, що не зустрічаються при звичайних швидкостях. Період розгону ракети, тобто час від старту до досягнення постійного рівноприскореного руху, буде, безсумнівно, займати багато часу, і, таким чином, живі об’єкти протягом тривалого часу будуть перебувати під впливом прискорень. Правда, це буде відбуватися вже поза полем тяжіння Землі.

Мабуть, не виключено, що при переході відомого порога швидкостей може позначитися ефект збільшення маси атомів, що складають гігантські молекули живих клітин. Як це відіб’ється на здійсненні такими молекулами обмінних: процесів! Чи будуть знаходитися в рівномірно-прискореному русі молекули в цілому, або ж виникнуть які-небудь умови, що сприяють розділенню їх на атоми у зв’язку з впливом незвичайних швидкостей! Іншими словами, виникає своєрідна біологічна проблема, яку можна сформулювати так: чи можливе життя, коли система знаходиться під впливом тривалих підвищених прискорень, а також швидкостей, що наближаються до світлових!

Може бути, фізики скажуть нам, що цей фактор не буде впливати на конструкцію живих молекул і на взаємодію атомів всередині них і, таким чином, ця проблема відпаде. Але нам здається, що для цього потрібні спеціальні докази.

Природно, виникає питання про те, чи не можна цю проблему вирішити експериментально. Біологічна сторона таких експериментів може бути забезпечена вже в даний час. Якби вже сьогодні можна було розганяти ракети до близькосвітлових швидкостей і отримувати на Землі радіосигнали з таких ракет, то для рішень задачі можна було б застосовувати біоелементи АМН або інші типи і конструкції їх.

У період розгону мікроби будуть знаходитися в біоелементі у вигляді спор, які дуже стійкі, переносять будь-які перевантаження, які можна створити на Землі, витримують кип’ятіння, заморожування і радіаційні впливи в десятки тисяч рентген. Можна сподіватися, що спори благополучно пройдуть період прискорення і у відповідний момент зможуть бути посіяні на живильне середовище.

Біоелементи мають розміри маленьких «пальчикових» радіоламп і можуть бути встановлені на ракетах сотнями. Їх можна включати один за іншим також і в період розгону, щоб встановити, в який момент збільшення прискорень вступають в дію сили, небезпечні для живих організмів, Таким чином, може бути обстежений весь відрізок польоту від старту до кінця періоду прискорень і отримані точні дані про можливості існування живих тіл при різних швидкостях, в тому числі таких, коли вступають в силу так звані релятивістські ефекти.

При польотах ракет і космічних кораблів, літаючих зі швидкостями, що наближаються до світлових, не менш цікавим є питання про відносне підвищення енергії космічних частинок при можливому зіткненні з літальним апаратом і вплив їх на біологічні об’єкти. Тут ми маємо на увазі так звані «первинні» і «вторинні» космічні промені. (Припускають, що «первинні» космічні промені є уламками ядер великої кількості частинок – від протонів до важких елементів, а «вторинні» космічні промені є результатом зіткнення важких первинних частинок з високими енергіями і частинок повітряного середовища.)

При швидкості польоту 160 000 км / сек рівень радіаційної дози від бомбардування корабля протонами і електронами буде колосальним. Проте вважається, що ця загроза може бути усунена відповідним екрануванням.

Можливості біологічної перевірки теорії відносності

Відоме твердження ейнштейнівської теорії відносності про те, що для спостерігача, який рухається зі швидкістю, порівнянною зі швидкістю світла, час тече повільніше, ніж для нерухомого. Це так званий парадокс часу. Експерименти з елементарними частинками довели його математичну справедливість.

Але що буде з живим організмом, який полетить на міжзоряному кораблі з близькою до світлової швидкістю! Як будуть протікати при цьому біологічні процеси! Автори фантастичних романів стверджують, що в уповільненому темпі, уповільненому в тій же мірі, що і течія часу. Їхні герої повертаються з далеких космічних польотів «ровесниками» своїх онуків. Чи праві фантасти!

Може бути, щоб відповісти на це питання, потрібно дочекатися часу, коли до зірок на кораблі, що летить зі швидкістю, близькою до світлової, відправиться чоловік. Ми припускаємо, що ще до польоту людини можна буде перевірити на досліді справедливість парадоксу часу для живих істот. Допоможуть у цьому знову-таки біоелементи, Мікроорганізми з їх дуже незначною тривалістю життя – самий підходящий об’єкт для подібного експерименту.

Справді, собака, наприклад, живе 10-12 років. Щоб перевірити з її допомогою справедливість парадоксу часу, потрібно було б з двох цуценят одного посліду – цуценят-ровесників – одного залишити на Землі, а іншого послати в космос на ракеті, що летить зі швидкістю, близькою до світлової. Після повернення чотириногого «космонавта» слід було б порівняти вік його і його «земного» брата. Але різниця у віці, вимірювана в кілька днів або навіть тижнів, маловловима. Щоб вона була видимою для експериментаторів, політ піддослідної собаки повинен тривати надто довго. Інша справа мікроби!

За допомогою біоелементів можна визначити різницю в часі розмноження мікробів на Землі і на ракеті. Потрібно лише одночасно здійснити в двох біоелементах – контрольному «земному» і «космічному», що летить на ракеті, – посів спор на живильне середовище.

Виходячи з припущення, що цикл розмноження мікробів в замкнутому об’ємі буде проходити за 24 години, ракета з біоелементом, за нашими підрахунками, повинна досягти швидкості близько 160 тисяч кілометрів на секунду. Різниця в швидкості розмноження в космічному польоті і на Землі за рахунок парадоксу часу складе близько 14 відсотків. Вона може бути заміряна по різниці в часі спрацьовування (під дією тиску газів, що виділяються при зростанні бактерій) «земного» і «космічного» біоелементів.

Автор: Копйов В. Я.