Unele specii de bacterii care și-au făcut o casă în spațiu au început să prospere. O specie, Bacillus safensis, se descurcă mai bine în microgravitație la International stația spațială decât pe Pământ. Studiul a fost realizat în cadrul proiectului MECCURI, cetățenii obișnuiți și microbiologii au colectat probe microbiene în mediuși i-a trimis la ISS pentru a vedea cum vor crește.
Descoperirile, publicate săptămâna aceasta în PeerJ, nu numai că au stârnit dezbateri despre impactul mediilor spațiale create de om asupra comunităților microbiene, ci și despre modul în care viața s-ar putea muta teoretic între planete în timpul călătoriilor în spațiu.
Microbii spațiali
Persistență remarcabilă în spațiu, microbii supraviețuind după plasarea în afara stației spațiale.
Proiectul MECCURI a studiat modul în care probele bacteriene ar trăi în interiorul stației spațiale însăși.
„Mediul cald, umed și bogat în oxigen al ISS nu este ca vidul din spațiu”, spune dr. David Coyle de la Universitatea din California, microbiolog și autor principal al studiului.
În mod remarcabil, s-a dovedit că marea majoritate a celor 48 de tulpini de bacterii au crescut cu o viteză apropiată de cea de pe Pământ. Dar Bacillus safensis a crescut cu 60% mai bine în spațiu. B. safensis nu este străin de călătorie în spațiu- A făcut deja autostopul cu roverele Opportunity și Spirit.
Coyle a spus că cel mai important fapt a fost că comportamentul majorității bacteriilor din spațiu este extrem de similar cu cel de pe Pământ. Și comportamentul microbilor în microgravitație va avea crucial pentru planificarea pe termen lung a zborurilor spațiale cu echipaj.
„Acest proiect crește numărul de specii care trebuie studiate și deschide noi perspective”, spune Coyle.
Proiectarea experimentelor în spațiul apropiat
Proiectarea experimentelor pentru a studia bacteriile în spațiu prezintă microbiologilor mai multe provocări, de la întârzieri la lansarea rachetelor până la învățarea limbajului inginerilor de rachete. Una dintre problemele oamenilor de știință a fost incapacitatea lor de a folosi metode tradiționale de creștere a microbilor. Un mediu de creștere lichid prezintă un risc în microgravitație, iar oamenii de știință au trebuit în schimb să dezvolte un mediu solid special pe plăci pentru a face experimentul prietenos cu spațiul.
Și deși B. safensis a crescut mai bine în microgravitație, rămâne un mister de ce comportamentul său a fost diferit de cel de pe Pământ. Coyle speră că secvențierea genomului bacteriei poate oferi indicii. El ar dori să implice pe altcineva în studierea rezultatelor experimentului.
Importanța științei cetățenești
Profesorul asociat Jonty Horner, astronom la Universitatea din Queensland de Sud, spune că cercetările au nuanțe ale teoriei „panspermiei”, care sugerează că viața poate fi transferată între planete în mod natural, cum ar fi călărind pe asteroizi sau comete.
„Bacteriile sunt extrem de rezistente și nu ar fi o surpriză dacă ar putea supraviețui în spațiu. Ceea ce este interesant este ceea ce li se întâmplă în interiorul ISS, în mediul uman”, a spus Horner. „Trebuie să înțelegem acest lucru pentru a ne asigura că nu poluăm accidental planete precum Marte și, de asemenea, pentru a afla cât de rezistente sunt bacteriile în spațiu și dacă pot supraviețui călătoriilor interplanetare”.
Puteți auzi adesea: înțeleg de ce oamenii de știință au trimis ființe vii foarte organizate - câini - în spațiu. Acest lucru este necesar pentru a asigura siguranța completă a zborului spațial uman. Dar de ce a fost necesar să se trimită microorganisme și chiar creaturi submicroscopice pe navele satelit? Aceasta este întrebarea la care vreau să răspund pe scurt în acest articol.
Utilizarea organismelor unicelulare în experimente spațiale a fost cauzată de o serie de motive și, în primul rând, desigur, de faptul că în spațiul interplanetar ar putea fi detectate radiații care ar putea provoca leziuni celulare grave la animale. Este posibil ca la câinii și iepurii care au fost în spațiu, abaterile să nu fi fost detectate, deoarece întregul organism este capabil să compenseze daunele celulare ascunse. În același timp, apare o altă problemă, nu mai puțin importantă în termeni practici și teoretici - influența radiațiilor cosmice asupra eredității.
Acum este ușor de explicat de ce s-a decis folosirea microorganismelor. Au o gamă largă de sensibilitate la radiațiile ionizante, variind de la unu la câteva mii de roentgens. Acest lucru face posibilă studierea efectelor biologice ale unei game largi de doze de radiații cosmice pe care le-ar putea întâlni un astronaut în timpul zborurilor pe o anumită orbită. În experimentele pe nave satelit, acestea au fost folosite ca obiecte biologice care reacționează doar la doze foarte mari de radiații ionizante. diverse tipuri: Escherichia coli, stafilococ, bacil de fermentare a acidului butiric și altele.
Proprietățile ereditare ale bacteriilor, în special Escherichia coli K-12, au fost studiate în detaliu în laborator folosind cele mai bune metode microbiologice. Ele fac posibilă identificarea celulelor bacteriene cu ereditate alterată patologic sub influența unor doze mari de radiații ionizante (de ordinul a câteva mii de roentgens sau mai mult). Chiar dacă nu există o expunere atât de puternică la radiații în zonele orbitale ale navelor spațiale, biologii trebuie să ia în considerare posibilitatea influenței energiei și puterea de penetrare a componentelor individuale. radiații cosmice- protoni, particule alfa, precum și nuclee mai mult elemente grele, care poate ucide celula sau poate provoca leziuni celulare grave.
Fenomenul de mutație în bacterii (adică o schimbare patologică a eredității) este asociat cu pierderea capacității celulei de a sintetiza independent aminoacizii sau vitaminele necesare creșterii și reproducerii microorganismului. Dacă este găsit număr mare Ar fi ușor să identificăm (și să prevenim) astfel de celule bacteriene de pericolul care îl așteaptă pe un astronaut în timpul zborului.
Pentru a studia posibilele modificări ale structurii unei celule bacteriene sub influența factorilor din spațiul cosmic, am folosit cele mai recente metode, în special tehnica secțiunilor ultrasubțiri de bacterii și examinarea lor electronoscopică. Pe sateliți au existat și bacterii foarte sensibile – așa-numitele lizogenice, capabile să răspundă la doze mici de radiații ionizante (până la 1 roentgen) prin formarea și eliberarea bacteriofagelor. Sub influența chiar și a dozelor mici de iradiere cu raze X sau ultraviolete, bacteriile lizogenice dobândesc capacitatea de a crește producția de bacteriofagi. Prin utilizarea metode speciale numărul bacteriilor afectate care formează acești fagi poate fi determinat apoi cu precizie.
Așa se stabilește o reacție ereditară (lizogenitate crescută) a bacteriilor ca răspuns la acțiune. factori externi. Acesta este motivul pentru care acest model a fost folosit ca un indicator biologic prin care să se judece nocivitatea și efectele genetice ale radiațiilor în doze mici în timp ce o ființă vie este expusă la zone diferite spațiul cosmic.
Cât timp pot supraviețui celulele zboruri spațiale? Pentru a răspunde la această întrebare, au fost dezvoltate și construite dispozitive automate speciale de dimensiuni mici - bioelemente. Au fost instalate pe nave spațialeși a înregistrat automat funcțiile vitale de bază ale bacteriilor și, dacă este necesar, a transmis semnale radio către Pământ despre starea acestor cele mai mici creaturi vii. În bioelementele automate, microbii pot rămâne în spațiu aproape orice perioadă de zbor al rachetei - luni, ani, zeci sau mai mulți ani. După o anumită perioadă, dispozitivele pot fi pornite, iar pe Pământ vor fi imediat transmise informații care pot caracteriza cu exactitate activitatea biologică a microorganismelor. Creaturile vii de dimensiuni microscopice nu necesită o cantitate mare de hrană și, prin urmare, sunt un model foarte convenabil pentru biologia spațiului.
De mare interes este compararea datelor microbiologice cu experimentele pe sateliți privind utilizarea culturilor de celule canceroase umane. Din punct de vedere al sensibilității, acestea ocupă o poziție intermediară între celulele de Escherichia coli lizogene și nelizogenice. Astfel, avem o serie de indicatori biologici la diferite niveluri radiatii ionizante. Cultura celulelor canceroase a atras atenția cercetătorilor datorită capacității sale de a crește bine pe medii nutritive sintetice sub formă de colonii individuale, ceea ce facilitează observarea dezvoltării celulelor și a naturii leziunilor celulare. În cele din urmă, această metodă face posibilă luarea în considerare cu exactitate a numărului de celule supraviețuitoare deteriorate și moarte din cultura de țesut expuse la accelerare, vibrație și imponderabilitate.
Deci microbii, organismele submicroscopice - bacteriofagi și celulele izolate ale corpului uman au ajutat la rezolvarea unei probleme importante cercetare biologică rutele primului zbor spațial uman din lume. Este destul de firesc ca aplicarea metodelor de biologie spațială să contribuie în continuare la dezvoltarea unor măsuri de protecție eficiente pentru a asigura siguranța zborurilor mai lungi ale astronauților.
P.S. La ce se mai gândesc oamenii de știință britanici: că indiferent de cum privești, o călătorie în spațiu, chiar și cu microorganisme pentru companie, este un lucru incredibil de cool. De asemenea, într-o astfel de călătorie ar fi util să faci echipamente foto și video, un reportofon, pentru a-ți înregistra imediat impresiile asupra acestuia (apropo, un reportofon zoom h4 bun poate fi cumpărat de pe Portativ.ua/) . Dar, din păcate, un astfel de fenomen precum turismul spațial este abia în curs de dezvoltare și pentru a vă trimite pe o persoană dragă pe orbită trebuie să plătiți o sumă ordonată, dar credem că, odată cu dezvoltarea ulterioară a științei și a progresului tehnologic, astfel de călătorii vor deveni disponibile tuturor.
Găsit pe pielea exterioară a Stației Spațiale Internaționale?
Pe scurt, ca parte a unui program de studiere a viabilității bacteriilor în spațiul cosmic (realizat de cosmonauții ruși pe ISS), tampoanele sunt prelevate în mod regulat de pe suprafața exterioară a stației și apoi analizate pentru conținutul componentelor biologice. Mai devreme (în vara lui 2017), fragmente de ADN ale microorganismelor terestre, probabil transportate în spațiu din atmosfera pământului, au fost deja găsite în astfel de probe.
Și acum cosmonauții au descoperit pe suprafața exterioară a stației nu doar fragmente de ADN sau spori bacterieni, ci bacterii destul de vii care s-au instalat și s-au înmulțit cu succes în condițiile vidului spațiului, schimbări regulate de temperatură extreme și iradiere ultravioletă severă. În același timp, astronauții sunt convinși că aceste bacterii nu se aflau anterior pe suprafața modulelor stației.
Trei versiuni principale:
* Bacteriile au fost introduse întâmplător de către astronauți – cel mai probabil scenariu, să fiu sincer. Și totuși, chiar și în acest caz, putem învăța multe despre capacitatea microorganismelor nu numai de a supraviețui în vid, ci și de a coloniza cu succes noi zone - în condiții atât de nefavorabile!
* Bacteriile au fost aduse din Spațiu, dar sunt de origine terestră - al doilea cel mai probabil scenariu. Pentru ultimii ani, au fost propuse mai multe mecanisme posibile pentru „eliminarea” bacteriilor complet terestre în ionosfera Pământului, iar fragmentele de ADN ale bacteriilor terestre au fost destul de observate în praful cosmic colectat de pe pielea ISS. Astfel, descoperirea unor bacterii viabile pe ISS ne poate schimba opiniile cu privire la posibilitatea panspermiei. Chiar dacă panspermia este „de la noi”, adică. transfer de microvie de pe Pământ pe alte planete.
* Ei bine, și în cele din urmă cel mai incitant - și, desigur, cel mai improbabil scenariu - că bacteria de pe suprafața ISS într-adevăr sunt organisme de origine extraterestră. Este dificil să ne imaginăm consecințele științifice ale unei astfel de descoperiri: o serie intreaga La întrebările cheie din biologie se poate răspunde pur și simplu știind în sfârșit cât de tipică a fost dezvoltarea vieții pe Pământ.
Indiferent care scenariu este încă recunoscut ca adevărat - aș dori, desigur, pentru al treilea... :) - cunoștințele noastre despre Univers și despre viața de pe Pământ vor avansa semnificativ. Și acesta este un alt argument important în favoarea explorării umane a spațiului. Da, automatele proiectate corespunzător pot efectua experimente fără mai rău decât oamenii. Dar pot mașinile să observe aleator?...
Interesul brusc al agenției spațiale pentru microbiota umană în general și pentru bacteriile intestinale anaerobe în special, a început cu un raport ciudat dat unui public de piloți de testare și medici NASD la sfârșitul lui aprilie 1964.
Ca și cum directorul medical al NASD, Charles Berry, nu ar fi avut deja destule griji cu predicțiile că globii oculari vor izbucni în gravitate zero (din fericire infirmate) sau că mușchii și oasele se vor transforma în ciuperci după perioade prelungite de gravitate zero! Și acum există un om de știință care susține că principalul pericol pentru astronauți ar putea fi săruturile soțiilor lor după ce soții lor se întorc din izolare într-un mediu bogat în germeni. atmosfera pământului. „Șocul microbian” este ceea ce l-a numit Don Luckey în prezentarea sa la o conferință sponsorizată de NASA despre „Nutriția în spațiu” de la Universitatea din Florida de Sud. „Sărutul morții al lui Don Lucky” - acestea au fost titlurile care au apărut în ziare a doua zi.
Lucky, unul dintre pionierii gnotobiologiei, știa deja ce se întâmplă când te izolezi grup micșobolani crescuți în mod obișnuit într-o cameră închisă ermetic, apoi le-au dat apă sterilă și au hrănit exclusiv cu alimente sterile (o situație nu lipsită de asemănări cu situația astronauților care au trăit pe tot parcursul zborului cu băuturi instant marca Tapd și liofilizate). alimente). După câteva luni, varietatea de myterie din intestinele acestor animale a fost redusă de la peste o sută la doar una sau două specii.
„Microflora noastră normală este, evident, formată nu atât de populația indigenă, cât de un flux continuu de noi imigranți”, a explicat Luckey. Odată cu afluxul lor, acest ecosistem bogat și divers se îndreaptă spre monocultură. În funcție de cine câștigă, pierderea diversității în sine ar putea fi mortală. Lucky a citat ca exemplu E. coli. În prezența benefică a altor bacterii intestinale, a spus el, E. coli rămâne inofensivă. Dar în sine s-a dovedit a fi mortal 5. În plus, chiar dacă câștigătorul se dovedește a fi un microorganism inofensiv, rezultatul unei astfel de victorii poate fi un sistem imunitar „leneș”. În experimentele sale, Luckey a observat cât de ușor s-au îmbolnăvit animalele sărace de microfloră și au murit după ce au fost returnate într-o colonie normală de șobolani.
De aici a venit ideea „sărutului morții”. Zborul spre Lună trebuia să dureze aproximativ trei săptămâni. Adăugați la aceasta o carantină de o lună după întoarcere (pentru a vă asigura că astronauții nu au prins o infecție lunară periculoasă). Se vor întoarce din izolare cu o microfloră epuizată și un sistem imunitar compromis. Și soțiile lor se vor repezi în brațe cu sărutări. „Nu putem avea nicio îndoială serioasă că una dintre problemele viitorilor astronauți va fi unul sau altul tip sau tipuri de șoc microbian”, a concluzionat Luckey.
Unele dintre aceste soiuri pot fi atât de ușoare încât vor prezenta un interes pur științific. Alții pot provoca boli și moarte.”
Predicțiile lui Lucky au făcut ca problema „pur și simplu interesantă” a microflorei corpului uman să fie o problemă de viață și de moarte. Charles Berry a asigurat rapid fonduri pentru Lucky pentru a studia microflora primatelor, care au fost ținute timp de un an cu o dietă deshidratată și iradiată. hrana spatiala. În același timp, Luckey a reușit să efectueze o numărătoare exhaustivă a microorganismelor ca parte a unui studiu planificat anterior asupra consecințelor fizice și psihologice ale unei șederi de treizeci de zile a șase piloți de testare în condiții apropiate de spațiu. Acest număr a inclus luarea a zece tampoane în gât, cavitatea bucalăși de la suprafața pielii, precum și analiza zilnică a scaunului pe toată perioada de izolare. Toate probele au fost transferate printr-un tunel cu două uși care separa piloții și microbiologii Lorraine Goll și Phyllis Riley. În timpul lucrărilor, cercetătorii au folosit peste 150 de mii de vase Petri și eprubete cu mediu nutritivși a studiat mai mult de 10.000 de microlame. Adevărat, munca lor s-a limitat la microorganisme cunoscute, adică cele care pot fi cultivate în culturi de laborator, inclusiv unii dintre cei mai puțin pretențioși anaerobi.
După cum era de așteptat, au descoperit că numărul total de bacterii de pe pielea astronauților în timpul izolării și oportunitate limitată ratele de spălare au crescut, anumite specii potențial periculoase de stafilococi și streptococi devenind dominante. Niciuna dintre aceste schimbări nu a dus la dezvoltarea bolilor. Cu toate acestea, o schimbare semnificativă a microflorei intestinale a astronauților a creat o altă problemă, mai presantă, în spațiul restrâns al camerei de testare - un focar de flatulență atât de neplăcut încât nutriționiștii de la NASA li s-a ordonat urgent să studieze efectul dietei asupra bacteriilor intestinale producătoare de gaze. .
Și totuși, toți cei șase astronauți au ieșit sănătoși din camera experimentală și au rămas sănătoși pentru luna următoare. Studiul a lăsat fără răspuns întrebarea dacă și ce fel de schimbări mai semnificative ar putea apărea la astronauți ca urmare a izolării mai lungi.
În 1966, Berry a fost promovat de la „astronaut șef” la șef al diviziei de cercetare biomedicală a NASA. Pe lângă nevoia de a proteja astronauții de șocul microbian, el s-a confruntat cu sarcina de a se asigura că propriile bacterii nu interferează cu căutarea planificată a vieții pe Lună, oamenii de știință de la NASA ar fi capabili să distingă microbii lunari (dacă aceștia există) dintre cei de pe Pământ doar dacă au avut la dispoziție va exista o listă completă a tuturor organismelor care „contaminează” astronauții înșiși, costumele lor spațiale, echipamentele și, în general, tot ceea ce ating. Berry a inițiat cercetări în această direcție, conducând pregătirea unui catalog sistematic al microflorei pielii și cavității bucale a astronauților înainte și după două zboruri anterioare ale navei spațiale din seria Gemini. L-a angajat pe microbiologul Gerald Taylor să conducă pregătirea unui catalog mai complet al microflorei echipajului pentru toate zborurile Apollo.
În ceea ce privește modificările periculoase ale microflorei astronauților, Taylor a descoperit că participanții la primele zboruri Apollo au experimentat simptome în concordanță cu infecția cu ciuperca Candida, care a fost observată din abundență în cavitatea bucală și probele de scaun ale multor astronauți care se întorceau de la zborurile Apollo. Prin urmare, el a prezis că, cu excepția aftelor bucale ușor de vindecat, nimic mai grav nu ar trebui să se întâmple ca urmare a izolării mai lungi pe care o va implica viitorul zbor Apollo 11 către Lună. În august 1969, când Buzz Aldre Neil Armstrong și Michael Collins au trecut în carantină de trei săptămâni după ce s-au întors de pe Lună, nimeni nu și-a oprit soțiile să-i sărute, deși Berry a avut grijă să-i scutească pe astronauți de mulțimea obișnuită de reporteri și fotografi prin eliberându-i din carantină în toiul nopții.
Însă microbiologii și medicii de la NASA nu au uitat de posibilitatea unui șoc microbian în lumina lansării planificate atunci a stației orbitale Skylab, pe care astronauții urmau să petreacă până la câteva luni programul a agravat aceste temeri, deoarece partea sovietică au raportat modificări mult mai grave și potențial periculoase în microflora astronauților decât orice modificări identificate în cercetările NASA. Cel mai derutant a fost preluarea efectivă a tractului intestinal de către o mână de tulpini bacteriene rezistente la medicamente, producătoare de toxine, observate de cercetătorii sovietici.
Berry a făcut lobby pentru finanțare pentru a efectua un studiu detaliat de cincizeci și șase de zile al simularii zborului Skylab în camera de testare la mare altitudine a Centrului spațial Johnson. Dar, după ce a câștigat cursa lunii, Congresul a redus bugetul anual generos al NASA cu sute de milioane de dolari. Berry a reușit să obțină pentru Taylor o sumă care a fost suficientă doar pentru a efectua o analiză superficială a microbiotei echipei și din care au mai rămas puțini bani, ceea ce a permis unui alt grup să comandă un studiu mai aprofundat al bacteriilor intestinale ale aceleiași. astronautii. Și totuși aceste rămășițe au fost suficiente pentru a da un impuls studiului „materiei întunecate” anaerobe a microcosmosului uman.