Внезапно разгоревшийся интерес космического агентств к микробиоте человеческого организма в целом и анаэробным кишечным бактериям в особенности начался с одного странного доклада, прочитанного перед аудиторией состоявшей из летчиков-испытателей и медиков НАСД* в конце апреля 1964 года.
Как будто главному врачу НАСД Чарльзу Берри и без того не хватало забот с предсказаниями, что глазные яблоки будут лопаться при нулевой гравитации (к счастью, опровергнутыми) или что после длительного пребывания в невесомости мышцы и кости будут превращаться в кашу! А теперь еще нашелся ученый утверждавший, что главной опасностью для астронавтов могут оказаться поцелуи их жен после возвращения мужей из изоляции в богатую микробами земную атмосферу. “Микробный шок” - вот как назвал это Дон Лаки в своем докладе на организованной НАСА конференции на тему “Питание в космосе”, проходившей в Университете Южной Флориды14. “Смертельный поцелуй Дона Лаки” - такие заголовки появились на следующий день в газетах.
Лаки, один из первопроходцев гнотобиологии, уже знал, что происходит, если изолировать небольшую группу выращенных обычным способом крыс в герметически закрытой камере, а затем поить их стерильной водой и кормить исключительно стерильной пищей (ситуация, не лишенная сходства с положением астронавтов, живших в течение всего полета на растворимых напитках марки Тапд и сублиованных продуктах). Через пару месяцев разнообразие митерий в кишечниках этих животных сокращалось с сотни лишним до всего лишь одного или двух видов.
“Наша нормальная микрофлора образована, очевидно, не столько коренным населением, сколько непрерывным потоком новых иммигрантов”, - объяснял Лаки. £6з их притока эта богатая и разнообразная экосистема градирует в направлении монокультуры. В зависимости оттого, кто при этом победит, уже сама по себе потеря разнообразия может оказаться смертельной. В качестве примера Лаки привел кишечную палочку. В благотворном присутствии каких-то других кишечных бактерий, сказал он, кишечная палочка остается безвредной. Но сама по себе она оказалась смертоносном 5. При этом даже если победителем окажется какой-нибудь безвредный микроорганизм, результатом такой победы может стать “обленившаяся” иммунная система. В своих экспериментах Лаки наблюдал, как легко животные с обедненной микрофлорой заболевали и умирали после того, как их возвращали обратно в нормальную крысиную колонию.
Отсюда и возникла идея “смертельного поцелуя”. Полет на Луну должен был продлиться около трех недель. Прибавьте к этому месячный карантин после возвращения (чтобы убедиться, что астронавты не подхватили какую-нибудь опасную лунную инфекцию). Они вернутся из изоляции с обедненной микрофлорой и нарушенной работой иммунной системы. А жены бросятся к ним в объятия с поцелуями. “У нас не может быть серьезных сомнений в том, что одной из проблем будущих астронавтов станет та или иная разновидность, или те или иные разновидности, микробного шока, - подытожил Лаки.
Некоторые из этих разновидностей могут оказаться настолько легкими, что будут представлять лишь чисто научный интерес. Другие могут вызывать болезни и смерть”.
Предсказания Лаки сделали “просто интересную” проблему микрофлоры человеческого организма вопросом жизни и смерти. Чарльз Берри быстро изыскал для Лаки средства на изучение микрофлоры приматов, которых в течение года содержали на диете из обезвоженной и облученной космической пищи. Заодно Лаки сумел провести исчерпывающий учет микроорганизмов в рамках запланированного ранее исследования физических и психологических последствий тридцатидневного пребывания шести летчиков-испытателей в условиях, приближенных к космическим. Этот учет включал десятикратное взятие мазков из горла, ротовой полости и с поверхности кожи, а также ежедневный анализ стула в течение всего периода изоляции. Все образцы передавались через туннель с двумя дверями, разделявший летчиков и микробиологов Лоррейн Голл и Филлис Райли. В ходе работы исследовательницы использовали более 150 тысяч чашек Петри и пробирок с питательной средой и изучили более ю тысяч микропрепаратов. Правда, их работа ограничивалась известными микроорганизмами, то есть поддающимися выращиванию в лабораторных культурах, в том числе и некоторыми анаэробами из числа наименее привиредливых.
Как и ожидалось, они обнаружили, что общая численность бактерий на коже астронавтов за время изоляции и ограниченной возможности мыться возрастала, причем некоторые потенциально опасные разновидности стафилококков и стрептококков стали доминировать. Ни одно из этих изменений не привело к развитию заболеваний. Однако существенный сдвиг в кишечной микрофлоре космонавтов породил в ограниченном пространстве испытательной камеры другую, более неотложную, проблему - вспышку метеоризма, столь неприятную, что специалисты НАСА по питанию получили срочное указание исследовать влияние диеты на выделяющих газы кишечных бактерий.
И всё же все шестеро астронавтов вышли из экспериментальной камеры здоровыми и оставались здоровыми Течение следующего месяца. Исследование оставило \ ответа вопрос о том, могут ли у астронавтов произойти кие-то более существенные изменения в результате более продолжительной изоляции, и если да, то какие.
В 1966 году Берри получил повышение: из “главного тора астронавтов” он стал руководителем отдела биомедицинских исследований НАСА. Помимо необходимости защитить астронавтов от микробного шока перед ним стояла задача сделать так, чтобы их собственные бактерии не помешали запланированным поискам жизни на Луне, ученые НАСА смогли бы отличить лунных микробов (если они существуют) от земных лишь в том случае, если у них в распоряжении будет полный перечень всех организмов, “загрязняющих” самих астронавтов, их скафандры, оборудование и вообще все, к чему они прикасаются. Берри положил начало исследованиям в этом направлении, возглавив подготовку систематического каталога микрофлоры кожи и ротовой полости астронавтов до и после двух предшествующих полетов кораблей серии “Джемини”. Он нанял микробиолога Джеральда Тейлора, чтобы тот возглавил подготовку более полного каталога микрофлоры команды для всех полетов “Аполлонов”.
Что касается опасных изменений в микрофлоре астронавтов, Тейлор выяснил, что у участников первых полетов “Аполлонов” наблюдались симптомы, соответствующие заражению грибком Candida, в изобилии отмеченном в ротовой полости и в образцах стула многих астронавтов, возвращавшихся из полетов на “Аполлонах”. Поэтому он предсказывал, что, за исключением легко излечимой молочницы полости рта, ничто более серьезное не должно случиться в результате более продолжительной изоляции, которую предполагал предстоящий полет “Аполлона-11” на Луну. В августе 1969 года, когда Базз Олдр Нил Армстронг и Майкл Коллинз прошли после возвращения с Луны трехнедельный карантин, никто не запрещал женам их целовать, хотя Берри и позаботился о том чтобы избавить астронавтов от обычной толпы репортёров и фотографов, выпустив их из карантина глубокой ночью.
Но микробиологи и врачи НАСА не забывали о возможности микробного шока в свете уже планировавшегося тогда запуска орбитальной станции “Скайлэб”, на которой астронавтам предстояло проводить до нескольких месяцев Наметившаяся разрядка в соревновании НАСА с советской космической программой усугубила эти страхи, потому что советская сторона сообщала о намного более серьезных и потенциально опасных изменениях в микрофлоре космонавтов, чем какие-либо изменения, выявленные в исследованиях НАСА. Самым загадочным был отмеченный советскими исследователями настоящий захват кишечного тракта горсткой устойчивых к медикаментам и производящих токсины бактериальных штаммов.
Берри изо всех сил добивался выделения средств на проведение подробнейшего пятидесятишестидневного исследования имитации полета на “Скайлэб” в испытательной камере для создания условий больших высот в Космическом центре имени Джонсона. Но после победы в лунной гонке конгресс урезал щедрый годовой бюджет НАСА на сотни миллионов долларов. Берри удалось добыть для Тейлора сумму, которой хватило лишь на проведение поверхностного анализа микробиоты команды и от которой осталось немного денег, позволивших поручить другой группе более глубокое исследование кишечных бактерий тех же астронавтов. И все же этих остатков хватило на то, чтобы дать толчок изучению анаэробной “темной материи” человеческого микрокосмоса.
Найденных на внешней обшивке Международной Космической Станции?
Вкратце - в рамках программы исследования жизнеспособности бактерий в условиях космического пространства (проводимой русскими космонавтами на МКС) с внешней поверхности станции регулярно берутся мазки, затем анализируемые на содержание биологических составляющих. Ранее (летом 2017 года) в таких пробах были уже обнаружены фрагменты ДНК земных микроорганизмов, предположительно, вынесенных в Космос из земной атмосферы.
И вот теперь космонавты обнаружили на внешней поверхности станции не просто фрагменты ДНК или бактериальные споры, но вполне себе живые бактерии, успешно поселившиеся и размножающиеся в условиях космического вакуума, регулярных экстремальных перепадов температур и жесткого ультрафиолетового облучения. При этом космонавты убеждены, что раньше этих бактерий на поверхности модулей станции не было.
Три основные версии:
* Бактерии были занесены случайно космонавтами - наиболее, следует честно признать, вероятный сценарий. И все же даже в этом случае, мы многое сможем узнать о способности микроорганизмов не только выживать в вакууме, но и успешно заселять новые площадки - в столь неблагоприятных условиях!
* Бактерии были занесены из Космоса но имеют земное происхождение - второй по вероятности сценарий. За последние годы, было предложено несколько возможных механизмов "выноса" вполне земных бактерий в ионосферу Земли, и фрагменты ДНК земных бактерий вполне себе наблюдались в космической пыли, собранной с обшивки МКС. Таким образом, открытие жизнеспособных бактерий на МКС вполне может перевернуть наши взгляды на возможность панспермии. Пусть даже и панспермии "от нас", т.е. переноса микрожизни с Земли к другим планетам.
* Ну, и наконец самый волнующий - и самый, надо признать, маловероятный сценарий - что бактерии на поверхности МКС действительно являются организмами внеземного происхождения. Трудно даже представить научные последствия такого открытия: на целый ряд ключевых вопросов биологии могут быть получены ответы просто за счет того, что мы наконец-то сможем узнать - насколько типичным было развитие жизни на Земле.
Вне зависимости от того, какой сценарий все же будет признан истинным - хотелось бы, разумеется, чтобы третий... :) - наше познание Вселенной и жизни на Земле продвинется значительно. И это - очередной важный аргумент в пользу именно человеческого освоения Космоса. Да, соответствующим образом спроектированные автоматы могут ставить эксперименты не хуже людей. Но могут ли автоматы подмечать случайности?...
Нередко можно услышать: мне понятно, почему ученые направляли в космос высокоорганизованных живых существ - собак. Это необходимо для обеспечения полной безопасности космического полета человека. Но зачем нужно было отправлять на кораблях-спутниках микроорганизмы и даже субмикроскопические существа - ? Вот на этот вопрос я и хочу кратко ответить в этой статье.
Использование одноклеточных организмов в космических экспериментах вызывалось целым рядом причин, и прежде всего, конечно, тем, что в межпланетном пространстве могли обнаруживаться излучения, способные вызывать серьезные клеточные повреждения у животных. Не исключено, что у собак и кроликов, побывавших в космосе, отклонения могли и не выявиться, так как целостный организм способен компенсировать скрытые клеточные повреждения. Вместе с тем возникает и другая, не менее важная в практическом и теоретическом отношении проблема - влияние космического излучения на наследственность.
Теперь легко объяснить, почему было решено использовать микроорганизмы. Они обладают большим диапазоном чувствительности к ионизирующей радиации, начиная от одного до нескольких тысяч рентген. Это позволяет изучить биологическое действие самых различных доз космического излучения, с которыми мог бы встретиться космонавт во время полетов по заданной орбите. В опытах на кораблях-спутниках в качестве биологических объектов, реагирующих только на очень большие дозы ионизирующей радиации, были использованы различные виды : Кишечная палочка, стафилококк, палочка маслянокислого брожения и другие.
Наследственные свойства бактерий, в частности кишечной палочки К-12, были детально изучены еще в лабораторных условиях с помощью тончайших методов микробиологии. Они позволяют выявить бактериальные клетки с патологически измененной наследственностью под влиянием больших доз ионизирующей радиации (порядка нескольких тысяч рентген и больше). Если даже в зонах орбит движения космических кораблей не будет такого мощного радиационного воздействия, биологи все равно должны учитывать возможности влияния энергии и проникающей способности отдельных компонентов космической радиации - протонов, альфа-частиц, а также ядер более тяжелых элементов, которые могут убить клетку или вызвать серьезные клеточные повреждения.
Явления мутации у бактерий (то есть патологического изменения наследственности) связаны с потерей способности клетки самостоятельно синтезировать аминокислоты или витамины, необходимые для роста и размножения микроорганизма. В случае обнаружения большого числа таких бактериальных клеток легко было бы определить (и предупредить) опасность, подстерегающую космонавта в полете.
Для изучения возможных изменений в структуре бактериальной клетки под влиянием факторов космического пространства были использованы новейшие методы, в частности техника ультратонких срезов бактерий и их электроноскопическое исследование. На спутниках находились и высокочувствительные бактерии - так называемые лизогенные, способные реагировать на малые дозы ионизирующей радиации (до 1 рентгена) путем образования и выделения бактериофагов. Под влиянием даже небольших доз рентгеновского или ультрафиолетового облучения лизогенные бактерии приобретают способность к повышенной продукции бактериофагов. С помощью специальных методов можно затем точно определить число пораженных бактерий, образующих эти фаги.
Так устанавливается наследственная реакция (повышенная лизогенность) бактерий в ответ на действие внешних факторов. Вот почему эта модель была использована в качестве биологического индикатора, по которому можно судить о вредности и генетических последствиях радиации в малых дозах во время пребывания живого существа в различных зонах космического пространства.
Как долго могут существовать клетки при космических полетах? Для ответа на этот вопрос были разработаны и сконструированы специальные малогабаритные автоматические приборы - биоэлементы. Они были установлены на космических кораблях и автоматически регистрировали основные функции жизнедеятельности бактерий и при необходимости передавали на Землю радиосигналы о состоянии этих мельчайших живых существ. В автоматических биоэлементах микробы могут находиться в космосе в течение практически любых сроков полета ракет - месяцы, годы, десятки и более лет. По истечении заданного срока можно включить приборы, и тотчас же будут переданы на Землю сведения, которые могут точно характеризовать биологическую активность микроорганизмов. Живые существа микроскопических размеров не требуют большого запаса питания и поэтому являются очень удобной моделью для космической биологии.
Большой интерес представляет сопоставление микробиологических данных с опытами на кораблях-спутниках по использованию культуры человеческих раковых клеток. По чувствительности эти занимают промежуточное положение между лизогенными и нелизогенными клетками кишечной палочки. Таким образом, перед нами гамма биологических индикаторов на различные уровни ионизирующего излучения. Культура раковых клеток привлекла внимание исследователей благодаря своей способности хорошо расти на синтетических питательных средах в виде отдельных колоний, что облегчает наблюдения за развитием клеток, характером клеточного повреждения. Наконец, этот метод позволяет точно учитывать количество сохранившихся поврежденных и отмерших клеток в культуре тканей, подвергшейся воздействию ускорения, вибрации, невесомости.
Так микробы, субмикроскопические организмы - бактериофаги и изолированные клетки человеческого тела помогали решать важную задачу биологического исследования трассы первого в мире космического полета человека. Вполне естественно, что применение методов космической биологии будет и в дальнейшем способствовать разработке эффективных мер защиты, обеспечивающих безопасность более длительных полетов космонавтов.
P. S. О чем еще думают британские ученные: о том, что как ни крути, а поездка в космос, пусть даже с микроорганизмами за компанию – вещь невероятно крутая. Также в такую поездку было бы полезным взять фото и видео аппаратуру, диктофон, дабы сразу же на него записывать свои впечатления, (к слову хороший диктофон zoom h4 можно купить в Portativ.ua/). Но увы такое явление как космический туризм только-только зарождается и для отправки себя любимого на орбиту необходимо выложить кругленькую суму, но мы верим, что с дальнейшем развитием науки и технического прогресса такие поездки станут доступны каждому.
Российские ученые обнаружили на внешней стороне МКС ДНК микроорганизмов. Ранее считалось, что космическая радиация и перепады температур убивают все живое. Эксперимент российских микробиологов опроверг этот факт. Российские ученые сравнили космические образцы с земными: оказалось, что на орбите — так называемые экстремальные бактерии, которые на Земле живут в горячих источниках и вулканической лаве. Сейчас задача выяснить, как микробы оказались на МКС. Откуда они — с Земли или из космоса?
В ближнем космосе есть жизнь! Это подтвердили исследования российских ученых. В 2010 году экипаж 25-й экспедиции вышел в открытый космос, чтобы взять образцы пыли с поверхности и проверить износ металла. Процедура обычная. Таковы правила эксплуатации. А вот результаты стали сенсацией. В космической пыли оказались микроорганизмы.
"Не ожидали, думали космическая радиация могла убить все живое. Почему мы считаем, что у нас есть надежда, что это все-таки живые организмы, потому что ДНК само по себе не может долго сохраняться, поэтому раз мы определили ДНК, значит там бактерии тоже есть", — говорит руководитель лаборатории молекулярной диагностики Института вирусологии имени Д.И.Ивановского Татьяна Гребенникова.
Эксперимент "Тест", а точнее — исследования, проводили пять раз. Специально разработали прибор, внутри - стерильные стержни. Все герметично. Попадание земных микробов исключено.
"Что делает экипаж, он выходит в открытый космос, выворачивает на резьбе стержень, берет мазок, вставляет стержень в полость обратно, герметично заворачивает, и в таком виде возвращается на Землю", — рассказывает главный научный сотрудник ОАО "РКК "Энергия" Олег Цыганков.
Образцы пыли космонавты брали в разных уголках станции. И там, где для бактерий должно быть комфортно, под теплоизоляционной обшивкой, и на открытой поверхности, где солнечные лучи, огромные температурные перепады. Парадокс, но именно в этой самой агрессивной среде и нашли признаки жизни.
"У этого эксперимента большое будущее. И мы, правда, на пороге новых открытий, выходим в космос, берем мазки с поверхности, люка, с поверхности станции, обращенной к Солнцу, к Земле, и получаем удивительные результаты", — считает первый заместитель генерального конструктора РКК "Энергия", руководитель полётов российского сегмента МКС Владимир Соловьев.
Эксперименты с бактериями в ближнем космосе ученые проводили не раз. Микробы жили на поверхности станции — и в закрытых, и в открытых контейнерах. Но это были земные микробы, специально доставленные на орбиту.
Поискать жизнь в местах загрязнений, где за 15 лет работы МКС, накопилась пыль, взяв обычные пробы, - мысли не возникало. Считалось, солнце и космическая радиация смертельны для любых земных организмов.
"В местах загрязнений, возле иллюминаторов, почему мы говорим в местах загрязнений, около клапанов мы видели загрязнения, …и когда мы доставляли пробники, мы видели, он черный, и это натолкнуло нас на мысль, что для того, чтобы микроорганизмам выжить, им нужны загрязнения, которое может их в какой-то степени укрывать их от УФ, а главное, обеспечивать сцепление с поверхностью, вот так у нас пошел эксперимент", — говорит главный научный сотрудник ЦНИИмаш Елена Шубралова.
"Тест" российских ученых показал: бактерии в космической пыли есть. Правда, немного. После молекулярной диагностики и сравнительного анализа нашли и земные аналоги.
"В первом эксперименте мы нашли экстремальные бактерии, затем мы определили, что там существуют ДНК микобактерий. Мы нашли некультивируемые бактерии, которые встречаются в почве Мадагаскара", — рассказала руководитель лаборатории молекулярной диагностики Института вирусологии им. Д.И.Ивановского Татьяна Гребенникова.
Это видео, снимали биологи. Когда привезли космические образцы, в институте был настоящий переполох. Съемка внутри запрещена, стерильность наивысшей степени, чтобы не занести земное.
В каком состоянии бактерии находятся в космосе, спящем или активном, и как они там оказались, еще предстоит выяснить. Одна из главных версий — долетели с Земли. На микрочастицах.
"Есть так называемая стратосферная электрическая цепь, не только воздух может переносить, а могут какие-то электрозаряды переносить эти элементы, если они такие устойчивые к условиям неблагоприятным, то они могут переноситься и другими средствами, на каких-то частицах. Вот как предполагается появление жизни на Земле, микроорганизмы могут путешествовать на каких-то материальных частицах", — предположил главный научный сотрудник ОАО "РКК "Энергия" Олег Цыганков.
Еще одна версия происхождения микробов на МКС. Микробы — из дальнего космоса. Разносчиками жизни по Вселенной вполне могут быть кометы, в составе которых есть лед.
"Из наблюдений и исследований Солнечной системы мы знаем, что довольно много органического вещества принесено астероидами и кометами. Мы знаем, где формировались астероиды и кометы…", — сообщил заведующий отделом исследований Солнечной системы Института астрономии РАН Валерий Шематович.
Недавно астрофизики обнаружили еще одно косвенное подтверждение космического биомира. На расстоянии 455 световых лет от Земли в протопланетном облаке нашли сложные органические соединения. Сформировались они не в области горячей молодой звезды, а на периферии, где низкие температуры. Кто знает, может, эта новая планетная система станет новым обитаемым миром.
"Увидели одну очень сложную молекулу — метилцианид. В этой молекуле есть связь СН, которая важна для формирования нуклеотидов и далее кислот, которые определяют ту форму жизни, которая есть у нас", — объясняет заведующий отделом исследований Солнечной системы Института астрономии Валерий Шематович.
До сих пор считалось, что биооболочка нашей планеты ограничивается высотой в 90 километров. После эксперимента "Тест", скорее всего, биограницы придется расширить до 400 километров — орбита Международной космической станции.
А может и вовсе границ никаких нет, и Вселенная едина, а жизнь так и кочует из одной системы в другую!
Некоторые виды бактерий, которым устроили дом в космосе, начали процветать. Один из видов, Bacillus safensis, чувствует себя лучше в условиях микрогравитации на Международной космической станции, чем на Земле. Исследование проводилось в рамках проекта MECCURI, обычные граждане и микробиологи собирали образцы микробов в окружающей среде и посылали их на МКС, чтобы посмотреть, как те будут расти.
На этой неделе в PeerJ были опубликованы результаты, которые не только вызвали дискуссию о влиянии созданных людьми космических условий на микробные сообщества, но и о том, как жизнь могла бы теоретически перемещаться между планетами во время космических путешествий.
Космические микробы
Примечательную устойчивость в космосе , когда микробы выжили после размещения за пределами космической станции.
Проект MECCURI изучал то, как образцы бактерий будут жить внутри самой космической станции.
«Теплая, влажная, богатая кислородом среда МКС не похожа на космический вакуум», говорит доктор Дэвид Койл из Калифорнийского университета, микробиолог и ведущий автор исследования.
Что примечательно, выяснилось, что подавляющее большинство 48 штаммов бактерий росли со скоростью, близкой к земной. Но Bacillus safensis росла на 60% лучше в космосе. B. safensis не привыкать к космическим путешествиям - она уже путешествовала автостопом с марсоходами «Оппортьюнити» и «Спирит».
Койл рассказал, что самым важным оказался факт того, что поведение большинства бактерий в космосе было чрезвычайно похожим на земное. А поведение микробов в условиях микрогравитации будет иметь решающее значение для долгосрочного планирования пилотируемых космических полетов.
«Этот проект увеличивает число видов, которые необходимо исследовать, и открывает перспективы», говорит Койл.
Проектирование околокосмических экспериментов
Проектирование экспериментов по изучению бактерий в космосе представляет микробиологам несколько проблем, от задержек ракетных запусков до изучения языка ракетных инженеров. Одной из проблем ученых стала их неспособность использовать традиционные методы выращивания микробов. Жидкая среда для роста представляет риск в микрогравитации, и ученым вместо этого нужно было разработать особу твердую среду на пластинках, чтобы сделать эксперимент удобным для космоса.
И хотя B. safensis действительно лучше росла в микрогравитации, остается загадкой, почему ее поведение отличалось от земного. Койл надеется, что секвенирование генома бактерии может обеспечить разгадку. Он бы хотел подключить еще кого-нибудь к изучению результатов эксперимента.
Важность гражданской науки
Доцент Джонти Хорнер, астроном Университета Южного Квинсленда, говорит, что это исследование имеет оттенки теории «панспермии», согласно которой жизнь может переноситься между планетами естественным путем, например, во время поездок на астероидах или кометах.
«Бактерии чрезвычайно стойкие, и не будет сюрпризом, если они смогут выживать в космосе. Что интересно, так это что происходит с ними внутри МКС, в человеческой среде», рассказал Хорнер. «Нам нужно понять это, чтобы убедиться, что мы случайно не загрязняем планеты вроде Марса, а также узнать, насколько живучи бактерии в космосе и могут ли они переживать межпланетные путешествия».
