ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2009, том 426, № 5, с. 706-709
^ ОБЩАЯ
БИОЛОГИЯ
УДК 574.2
ЭКСПЕРИМЕНТ "БИОРИСК": 13-МЕСЯЧНАЯ ЭКСПОЗИЦИЯ ПОКОЯЩИХСЯ ФОРМ ОРГАНИЗМОВ НА ВНЕШНЕЙ СТОРОНЕ РОССИЙСКОГО СЕГМЕНТА МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ (ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ)
© 2009 г. В. М. Баранов, Н. Д. Новикова, Н. А. Поликарпов, В. Н. Сычёв, М. А. Ленинских, В. Р. Алексеев, Т. Окуда, М. Сугимото, О. А. Гусев, академик А. И. Григорьев
Поступило 17.02.2009 г.
Планетарная защита - одна из ключевых проблем при освоении дальнего космоса. Оценка рисков, связанных с возможным переносом биологической материи в межпланетном пространстве, является приоритетной задачей космических исследований [1, 3, 4, 9, 10, 15].
Для решения данных вопросов в ИМБП РАН создана аппаратура Биориск-МСН для проведения космических экспериментов по длительному экспонированию покоящихся стадий различных организмов на внешней стороне Российского сегмента (РС) Международной космической станции (МКС) [2]. Аппаратура Биориск-МСН (рис. 1) состоит из трех контейнеров, содержащих внутри по 24 пластиковые чашки Петри диаметром 65 мм, в которых размещаются исследуемые организмы. Каждая чашка снабжена фильтром, пропускающим воздух и не пропускающим микроорганизмы. Контейнеры закрепляются на специальной платформе на внешней оболочке стыковочного узла "Пирс" (рис. 1). Перед закреплением у каждого контейнера открывается крышка. Циклограмма эксперимента предполагает экспозицию контейнеров на внешней стороне РС МКС в течение 6, 12 и 18 мес.
В первом эксперименте Биориск-МСН, начатом в январе 2005 г., в качестве биологических тест-объектов были использованы представители прокариотных (Bacillus) и эукариотных (грибы
Институт медико-биологических проблем Российской Академии наук, Москва Зоологический институт Российской Академии наук, Санкт-Петербург Национальный агробиологический институт, Цукуба, Япония
Институт биоресурсов Университета Окаямы, Япония
родов Pénicillium, Aspergillus и Cladosporium) организмов. Длительность экспозиции контейнеров в открытом космосе составила 7, 12 и 18 мес. В этом эксперименте впервые в процессе длительного (в течение полутора лет) экспонирования систем "микроорганизмы-искусственные субстраты" на внешней поверхности PC МКС была показана возможность сохранения жизнеспособности споровых форм бактерий и микроскопических грибов в условиях космического пространства [2, 11].
Во втором эксперименте по программе Биориск-МСН в качестве биологических тест-объектов были использованы покоящиеся формы организмов, принадлежащих к различным таксономическим группам от бактерий до позвоночных животных и высших растений (табл. 1).
16.02.2007 г. в ИМБП было произведено снаряжение тест-объектами трех контейнеров аппаратуры Биориск-МСН (в каждом из трех контейнеров количество и перечень тест-объектов одинаковы). Споры бактерий и плесневых грибов наносились на металлические пластины, изготовленные из материалов, аналогичных тем, из которых состоит внешняя оболочка PC МКС. Семена растений, покоящиеся яйца низших ракообразных, личинки хирономиды и сухая икра карпозу-бой рыбы размещались в пакетах, изготовленных из хлопчатобумажной ткани, которые затем помещали в пластиковые чашки Петри (рис. 2). После снаряжения оборудование Биориск-МСН было передано в РКК "Энергия" и доставлено на борт РС МКС 15.04.2007 г. на космическом корабле "Союз-ТМА-10". 06.06.2007 г. во время внекорабельной деятельности (ВКД) российские космонавты Ф.Н. Юрчишин и О.В. Котов установили аппаратуру Биориск-МСН на внешней стороне МКС. В связи с изменением графика ВКД на РС МКС съем первого контейнера был осуществ-
Рис. 1. Аппаратура Биориск-МСН (а) и ее расположение на стыковочном узле "Пирс" (б).
лен не через 6, а через 13 мес 15.07.2008 г. космонавтами 17-й основной экспедиции С.А. Волковым и О.Д. Кононенко. На Землю первый контейнер был спущен 24.10.2008 г. В ИМПБ контейнер был доставлен 24.10.2008 г. в 17 ч. Сразу после получения в лаборатории были произведены работы по извлечению чашек Петри с тест-объектами из металлического контейнера. Визуальный осмотр показал, что пластиковые чашки Петри значительно деформировались. При вскрытии чашек Петри установлено, что металлические пластины, на которых находились споры бактерий и грибов, вплавились в пластик, тогда как пакеты, изготовленные из хлопчатобумажной ткани, не имели никаких видимых изменений.
Первым тест-объектом, который был проверен на жизнеспособность, были личинки хироно-миды [6, 12]. Показано, что личинки хирономид выживают и полностью восстанавливают метаболизм, что свидетельствует о том, что и многоклеточные земные организмы, находящиеся в состоянии криптобиоза, способны длительное время существовать в космическом пространстве.
Дальнейший анализ жизнеспособности личинок, проводившийся в Национальном агробиологическом институте (Тсукуба, Япония), показал, что реактивация личинок после 13-месячной экспозиции в открытом космосе составляет более 80%. Более половины личинок оказались механически поврежденными. Учитывая то, что личинки хирономиды являются самыми большими по размеру [6] и хрупкими криптобионтами, можно предположить, что механические повреждения могли являться следствием воздействия вибрации и перегрузок на этапах вывода и спуска оборудования Биориск-МСН. Тем не менее даже фрагменты тел личинок были способны восстанавливать жизнедеятельность и сохранять ее на протяжении про-
должительного времени в физиологическом растворе.
Исследования покоящихся яиц низших ракообразных проводили в Зоологическом институте РАН. Показано, что покоящиеся яйца листоногих раков сохранили жизнеспособность, хотя уровень реактивации у яиц из опыта, как видно на примере A. salina, существенно (примерно в 5 раз) отста-
/ ^ ' 19
Рис. 2. Чашки Петри и пакеты с тест-объектами из хлопчатобумажной ткани (а), сборка из 24 чашек Петри (б), контейнер Биориск-МСН в сборе (в). Числа - номера тест-объектов.
708 БАРАНОВ и др.
Таблица 1. Перечень тест-объектов, используемых в эксперименте Биориск-МСН-2 (экспозицию первого контейнера на внешней стороне РС МКС проводили в период с 06.07.2007 по 15.08.2008 г.)
Таксон Состояние Русское название Вид Штамм, линия, сорт
Высшие растения Суховоздушные Горчица Brassica rapa Improved Basic
семена Горчица Brassica rapa High Anthocyanin
Горчица Brassica rapa Anthocyaninless
Горчица Brassica rapa Rosette
Горчица Brassica rapa Somatic Variegation
Горчица Brassica rapa AstroPlants
Горчица Brassica juncea Red Giant
Арабидопсис Arabidopsis thaliana K-310
Арабидопсис Arabidopsis thaliana Columbia
Никандра Nicandra physaloides Black Pod
Томат Lycopersicum exculentum Micro-Tom
Редис Raphanus sativus Cherry Bomb
Ячмень Hordeum vulgare K-305
Ячмень Hordeum vulgare Haruna nijo
Рис Oryza sativa Kasalath
Рис Oryza sativa Murasaki mai
Позвоночные животные Сухая икра Карпозубая рыба Nothobranchius guenteri -
Насекомые Криптобиотические личинки Хирономида Polypedilum vanderplankii -
Низшие ракообразные Покоящиеся яйца Дафния Дафния Артемия Триопс Жаброног Остракода Daphnia magna Daphnia pullicaria Artemia salina Trips cancriformis Streptocephalus torvicornis Eucypris ornata —
Плесневые грибы Споры Аспергилл Aspergillus sedowii # 9-6
Аспергилл Aspergillus versicolor # 4-3-4
Пеницилл Penicillium aurantiogresium # 9-9
Пеницилл Penicillium expansum $ 4-3-3
Бактерии Споры Бацилла Bacillus subtilis Bacillus licheniformis Bacillus subtilis Bacillus subtilis # 20 # 24 # 25 # 2335/105
вал от показателей в контроле (рис. 3). Выживаемость покоящихся яиц щитня Т. сапсйЮгшз составила приблизительно 5-8%. Несмотря на то, что реактивировалась лишь небольшая часть яиц, развитие вылупившихся щитней не отличалось от развития щитней контрольной группы. К настоящему моменту получено подтверждение сохране-
ния жизнеспособности и успешного размножения у остракоды E. ornata. Реактивация яиц D. magna началась с существенной задержкой (25.11.2008 г.) по сравнению с реактивацией яиц листоногих раков и остракод, среди реактивированных D. magna из полетной выборки было выделено три группы особей, равных по численности, различающихся
по степени повреждения: погибшие сразу после рождения (1), дожившие до половозрелости, но не размножавшиеся (2), успешно воспроизведшие несколько жизнеспособных генераций молоди (3).
25.10.2008 г. были замочены 6 семян растений горчицы B. rapa линии Anthocyaninless и 3 семени редиса R. sativus сорта Cherry bomb. 28.10 все семена проросли.
По информации коллег из Университета Ока-яма, 82% семян ячменя сорта Haruna nijo, 98% семян ячменя K-305 и 44% семян риса проросли. Планируется проведение исследований роста, развития и семенной продуктивности растений, выросших из опытных семян, а также проведение углубленных генетических исследований биологического материала.
Анализируя условия экспонирования на внешней стороне PC МКС, следует констатировать, что в отличие от первого эксперимента Биориск-МСН нагрев контейнеров во время экспозиции в этом эксперименте был значительно выше. К сожалению, в данном оборудовании в настоящее время отсутствует температурный датчик, но на основании косвенных данных можно предположить, что нагрев пластиковых чашек достигал 95°С, так как именно при этой температуре в модельном эксперименте отмечена их деформация. В вакууме передача тепла осуществлялась при контакте материалов, которые обладали различной теплопроводностью. В данном случае можно предположить, что пакеты из хлопчатобумажной ткани оказались хорошим теплоизолятором и нагрев тест-объектов, находящихся внутри пакетов, не был столь высоким.
Нагрев спор бактерий и грибов в отличие от других тест-объектов был, по всей видимости, сопоставим с нагревом чашек Петри, так как споры находились на металлических пластинках, имеющих непосредственный контакт с пластиком, из которого изготовлены чашки. Вследствие этого выживаемость спор бактерий в этом эксперименте была значительно ниже (для спор бактерий вида B. subtilis она составила от 0.002 до 0.02% от фонового уровня), а
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.