Доклады Российской академии наук. Науки о жизни, 2020, T. 490, № 1, стр. 105-108

БИОЛОГИЧЕСКАЯ УГРОЗА – УГРОЗА НАРУШЕНИЯ ПЛАНЕТАРНОГО КАРАНТИНА КАК РЕЗУЛЬТАТ ОСВОЕНИЯ ЧЕЛОВЕКОМ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

В. Н. Сычев 1*, Н. Д. Новикова 1, С. В. Поддубко 1, Е. А. Дешевая 1, академик РАН О. И. Орлов 1

1 Государственный научный центр Российской Федерации – Институт медико-биологических проблем Российской Академии наук
Москва, Россия

* E-mail: vnsychev@imbp.ru

Поступила в редакцию 15.10.2019
После доработки 15.10.2019
Принята к публикации 15.10.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлены результаты экспериментов, проводимых в рамках Российской научной программы на внешней стороне Международной космической станции, по оценке влияния условий космического пространства на споровые формы бактерий и микроскопических грибов. Установлено, что в этих экстремальных условиях микроорганизмы могут не только выживать, но и сохранять способность к репродукции. При этом у большинства микроорганизмов наблюдалась активизация биохимической активности, повышалась устойчивость к антимикробным препаратам, в частности к антибиотикам.

Ключевые слова: биологическая угроза, освоение космического пространства, биологические организмы, культуры микроорганизмов, межпланетные полёты, орбитальные станции, планетарный карантин

Рост народонаселения Земли, промышленное и сельскохозяйственное освоение природных ресурсов оказывают всё большее давление на экосистемы Земли, грозя их существованию. Человечество ищет пути выхода из создавшейся ситуации, однако решить все проблемы без освоения космического пространства, скорее всего, не удастся. Как во время промышленной революции потребовалось освоение новых земель, так и постиндустриальное развитие цивилизации потребует выхода за пределы Земли. Однако при этом появляются новые, ранее неизвестные риски и угрозы. К ним относятся и признаваемые мировым сообществом как вызовы, требующие повышенного внимания, космические угрозы, одна из которых биологическая угроза – угроза нарушения планетарного карантина.

Биологическая угроза связана не только с возможным проникновением в биосферу Земли инопланетной биологической материи, но и с возможной трансформацией собственно земной биологической материи, находящейся в состояния покоя, при её нахождении в условиях космического пространства и/или в активном состоянии на борту межпланетных космических аппаратов и на планетарных обитаемых базах.

Способностью к той или иной форме покоя, обеспечивающей способность выживать в условиях, несовместимых с активной жизнедеятельностью, обладает широкий спектр организмов от бактерий до позвоночных [15]. Наличие устойчивых форм жизни может стать причиной несанкционированного антропогенного распространения земных организмов на другие небесные тела и, наоборот, инфицирования Земли модифицированными формами неземных организмов.

В рамках Российской научной программы внутри и на внешней стороне Российского сегмента (РС) Международной космической станции (МКС) проводились и проводятся космические эксперименты (КЭ) “Растения-Семена”, “Биориск-МСВ”, “Аквариум”, “Биориск-МСН”, “Экспоуз-Р”, “Экспоуз-Р2” по экспозиции разной длительности покоящихся форм организмов. На внешней стороне РС МКС в рамках КЭ “Тест” с поверхности станции были отобраны пробы и проанализированы на наличие в них биологической материи.

Результаты КЭ “Биориск-МСН” впервые показано, что при длительном пребывании в экстремальных условиях космического пространства на внешней стороне РС МКС споры бактерий и грибов сохраняют свою жизнеспособность [4, 69].

Основными внешними факторами, которые оказывали воздействие на споры микроорганизмов, были вакуум, радиация и температура. Важно отметить, что даже после пребывания в течение 18 месяцев в таких, не самых “жестких” условиях, у большинства штаммов бактерий наблюдалась активизация биологической и биохимической активности, в частности возрастание ДНКазной и РНКазной активности, отмечены и существенные изменения в стабильности биохимических показателей, характеризующих их видовую принадлежность. Помимо изменений в стабильности биохимических показателей у штамма B. licheniformis-ВКМ-711Д после экспонирования в условиях космического пространства на околоземной орбите повысилась устойчивость к антибиотикам [8].

В КЭ “Биориск-МСН”, проводившемся в период с ноября 2008 по март 2011 года, одним из самых существенных факторов, повлиявших на выживаемость спор бактерий, была температура, которая достигала 90°С и более. Однако несмотря на это, после 31-го месяца экспозиции были обнаружены выжившие споры штамма Bacillus licheniformis-24 [9].

В период с 2008 по 2016 гг. совместно с Европейским космическим агентством (ЕКА) на внешней стороне РС МКС были реализованы КЭ “Экспоуз-Р” и “Экспоуз-Р2”. Оборудование, использованное КЭ “Экспоуз-Р” и “Экспоуз-Р2”, позволяло экспонировать споры микроорганизмов как в темноте, так и при воздействии на них солнечного излучения.

В КЭ “Экспоуз-Р” в результате проведенных исследований показано, что споры бактерий рода Bacillus, подвергшиеся 100%-му облучению солнечным ультрафиолетовым (УФ) излучением, погибли. Стократное уменьшение солнечного УФ-излучения позволило 1% спор бактерий Bacillus pumilus-25 и Bacillus subtilis-2335/105 сохранить жизнеспособность. У сохранивших жизнеспособность бактерий потеряна способность продуцировать фермент ДНК-азу, а РНК-азная активность в большинстве случаев снижалась в 1.5–4 раза. Сравнительный анализ чувствительности к антибиотикам у опытных и контрольных штаммов выявил у некоторых бактерий тенденцию к снижению резистентности к испытуемым препаратам, а у двух штаммов Bacillus. licheniformis-24 и Bacillus. pumilus-25 было отмечено увеличение резистентности к препарату канамицин [10].

Исследования грибной микрофлоры показали, что споры штаммов Aspergillus versicolor и Aspergillus sydowii выжили даже при 100%-м облучении солнечным УФ-излучением. Отмечено повышение чувствительности к антигрибковым препаратам по мере уменьшения дозы УФ-облучения у штаммов Aspergillus versicolor, Рenicillium expansum и Рenicillium aurantiogresium. Чувствительность к антигрибковым препаратам у штамма Aspergillus sydowi имела противоположную тенденцию [10].

Таким образом, у большинства культур была выявлена тенденция к устойчивости к антигрибковым препаратам по мере уменьшения воздействия УФ-излучения. Исключением являлся штамм Aspergillus sydowi, у которого отмечена обратная динамика.

В КЭ “Экспоуз-Р2” на всех “окнах”, через которые проникало солнечное излучение, были установлены фильтры, пропускавшие от 0.1 до 1.0% УФ-излучения. Результаты полетного эксперимента свидетельствуют о том, что выжили только споры штамма Bacillus licheniformis-24 в ячейках, где были установлены фильтры, пропускающие 0.1% солнечного УФ-излучения. Споры штаммов Bacillus pumilus-25 и Bacillus licheniformis-24 в ячейках, где были установлены фильтры, пропускающие 1% солнечного УФ-излучения, полностью погибли [11].

Помимо оценки выживаемости спор у штамма Bacillus licheniformis-24 исследовали антибиотикорезистентность. Выбранные антибиотики были показательными именно для бактерий рода Bacillus. Полученные результаты по оценке резистентности к антибиотикам, определяемой по величине зоны задержки роста культуры вокруг дисков, представлены на рис. 1 [11].

Рис. 1.

Диаметры зон задержки роста штамма Bacillus licheniformis-24.

Сравнительный анализ, как и в КЭ “Биориск-МСН”, выявил однонаправленную тенденцию к усилению устойчивости к испытуемым антибиотикам у бактерий, споры которых подвергались воздействию факторов космического пространства.

Споры грибов, прежде всего аспергиллов, оказались жизнеспособными после экспонирования в космическом пространстве. Все полётные штаммы грибов стойки к действию амфотерицина В, у штамма Aspergillus sydowi выявлена минимальная чувствительность к итраконазолу [11].

В результате проведения КЭ “Тест” было установлено, что на внешней поверхности РС МКС обнаруживаются микроорганизмы разных таксонов в местах, защищенных от космического излучения “космической пылью” [12, 13].

Исследование жизнеспособности и модификации микроорганизмов, присутствующих на/в космическом объекте, на трассе межпланетного полёта важно не только для разработки мер планетарного карантина, но и для обеспечения медико-биологической безопасности экипажа. Исследования на борту орбитального комплекса “Мир” и на борту РС МКС показали, что жизнедеятельность микроорганизмов в среде космического объекта сопровождается возникновением как медицинских, так и весьма серьёзных технических (технологических) рисков [14, 15].

Многолетние исследования микроорганизмов вне и внутри орбитальных станций показали, что возрастает их агрессивность и устойчивость к воздействию антибиотиков, а споры микроорганизмов сохраняют жизнеспособность после многомесячного пребывания в открытом космосе.

Однако условия при полётах на низких околоземных орбитах (НОО) значительно “мягче”, чем условия при полетах за пределами магнитосферы Земли. Программа Фундаментальных космических исследований ФКП предполагает проведение исследований с биологическими объектами, включая и микроорганизмы, не только на НОО. В частности, для этой цели поднята до 800 км орбита космического аппарата (КА) “Бион-М” № 2. Начаты работы по созданию КА серии “Возврат-МКА” для осуществления космического полета (КП) за пределами НОО и магнитосферы Земли; будут проводиться микробиологические исследования при пилотируемых полётах за пределами НОО и на Луну; исследования покоящихся форм биологической материи запланированы в проектах “Луна-Грунт” и “Экспедиция-М”.

Однако исследований в реальных КП явно недостаточно, чтобы исследовать в полном объёме имеющиеся риски, поэтому модельные эксперименты и исследования на Земле приобретают важную роль. В частности, для оценки рисков, связанных с возможной “модификацией” микроорганизмов при их нахождении за пределами магнитосферы Земли, необходимо проведение экспериментов по исследованию влияния на них повышенных доз радиации различной природы, гипомагнитной среды и исследование влияния “модифицированных” микроорганизмов на организм животных (мышей), что важно как для обеспечения здоровья экипажей КА за пределами НОО, так и для обеспечения планетарного карантина Земли.

Список литературы

  1. Alekseev V., Ravera O. Introduction to Workshop on diapause in Aquatic Invertebrates // J. Limnology. 2004. V. 63. P. 3–5.

  2. Alekseev V.R., Starobogatov Y.I. Types of Diapause in Crustacea: Definitions, Distributions, Evolution // Hydrobiologia. 1996. V. 320. P. 15–26.

  3. Seki K., Toyoshima M. Preserving Tardigrades Under Pressure // Nature. 1998. V. 395. P. 853–854.

  4. Alekseev V.R., Sychev V.N., Novikova N.D. Studying the phenomenon of dormancy: Why It Is Important for Space Exploration // Diapause in aquatic invertebrates: Theory and Human Use. Eds V. Alekseev, B. DeStasio, J. Gilbert. @ISBN 978-14020-5679-6, Dordrecht, the Netherland: Springer. 2007. P. 207–214.

  5. Rothschild L.J., Mancinelli R.L. Life in Extreme Environments // Nature. 2001. V. 409. P. 1092–1101.

  6. Новикова Н.Д., Поликарпов Н.А., Дешевая Е.А., Свистунова Ю.В., Григорьев А.И. Результаты исследований в эксперименте по длительному экспонированию микроорганизмов в условиях открытого космоса // Авиационная и эколог. медицина. 2007. Т 41. № 2. С. 14–20.

  7. Дешевая Е.А., Новикова Н.Д., Поликарпо Н.А., Свистунова Ю.В., Ермак А.Л., Самосадная Т.Е. Основные итоги космического эксперимента “Биориск” и его перспективы // Космонавтика и ракетостроение. 2007. № 4 (49). С 64–70.

  8. Баранов В.М., Новикова Н.Д., Поликарпов Н.А., Cычев В.Н., Левинских М.А., Алексеев В.Р., Окуда Т., Сугимото М., гусев О.А., Григорьев А.И. Эксперимент “Биориск”: 13-месячная экспозиция покоящихся форм организмов на внешней стороне российского сегмента международной космической станции (Предварительные результаты) // ДАН. 2009. т. 426. № 5. С. 706–709.

  9. Novikova N., Gusev O., Polikarpov N., Deshevaya E., Levinskikh M., Alekseev V., Okuda T., Sugimoto M., Sychev V., Grigoriev A. Survival of Dormant Organisms after Long-Term Exposure to the Space Environment // Acta Astronautica. 2011. V. 68. P. 1574–1580.

  10. Novikova N., Deshevaya E., Levinskikh M., Polikarpov N., Poddubko S., Gusev O., Sychev V. Study of Effects of the Outer Space Environment on Dormant Forms of Microorganisms, Fungi and Plants in the “Expose-R” Experiment // Int. J. Astrobiology. 2015. V. 14 № 1. P.137–142 https://doi.org/10.1017/S1473550414000731

  11. Novikova N., Poddubko S., Deshevaya E., Sychev V. Survival of Bacterial and Fungal Spores in the Expose-R2 Experiment // Int. J. Bioassays. 2018. V. 7. № 4. P. 5616–5622.

  12. Цыганков О.С., Гребенникова Т.В., Дешевая Е.А., Лапшин В.Б., Морозова М.А., Новикова Н.Д., Поликарпов Н.А., Сыроешкин А.В., Шубралова Е.В., Шувалов В.А. Исследование мелкодисперсной среды на внешней поверхности международной космической станции в эксперименте “Тест”: обнаружены жизнеспособные микробиологические объекты // Космич. техника и технологии. 2015. № 8 (1). С. 31–41.

  13. Дешевая Е.А., Печеркин В.Я., Василяк Л.М., Новикова Н.Д., Гуридов А.А., Цыганков О.С. Выживание микроорганизмов на тестовых объектах при вакуумировании // Авиакосмич. и эколог. медицина. 2018. Т. 52. № 2. С. 54–59.

  14. Новикова Н.Д. Концепция обеспечения микробиологической безопасности пилотируемой марсианской экспедиции // Авиакосмич. и экологическая медицина. 2003. Т. 37. № 5. С. 56–59.

  15. Novikova N.D. Review of the Knowledge of Microbial Contamination of the Russian Manned Spacecraft // Microbial Ecology. 2004. V. 47. P. 127–132.

Дополнительные материалы отсутствуют.