"Техника-молодежи" 1978 г №6 с.12-13, 40
космос и мы
ГРАВИТАЦИЯ И ЖИЗНЬ
Биологические эксперименты на борту „Сапюта-6"
АЛЕКСАНДР КАМИН, кандидат биологических наук
Во время одного из сеансов телесвязи со станцией «Салют-6» «Таймыр-1» — таковы были позывные командира экипажа Юрия Романенко — сообщил:
— На днях, наблюдая Землю, мы вдруг обнаружили на иллюминаторе муху — маленькую, красивую, очень необычную, с золотыми крылышками. Вначале мы очень обрадовались, но потом, увидев вторую, удивились. А когда появилась третья, нам стало ясно, что это неспроста, что, по-видимому, возникла какая-то неполадка в системе, в которой проводился биологический эксперимент с дрозофилой...
Космонавты запросили Землю о возможных причинах неполадки и вскоре получили ответ: мухи вылетели через воздуховод.
— Надо сделать так, — сказал Георгий Гречко, — чтобы и волки были сыты, и мухи целы.
Несколько дней потратили «Таймыры» на отлавливание мух, но не остановили важного биологического эксперимента, одного из многих, проводившихся в декабре—марте этого года на станции «Салют-6»...
* * *
Находящийся в орбитальном полете космический корабль позволил ученым приступить к уникальным экспериментам, невозможным в земных условиях, — к исследованию влияния гравитации на эволюцию живой природы. Вот почему биологические опыты уже давно занимают большое место в программах полета многочисленных орбитальных станций.
Принято считать, что внутри такой станции царит полная невесомость. Но в действительности это не так. Аэродинамическое торможение в разреженных верхних слоях атмосферы, световое давление и другие силы оказывают пусть небольшое, но заметное действие. Кроме этих внешних сил, на аппарат действуют и внутренние, возмущающие силы: маневры и коррекции орбиты, толчки при стыковках, перемещения и тренировки экипажа, местная гравитация, создаваемая взаимным притяжением отдельных масс корабля.
Конечно, эти перегрузки невелики — всего 10-5 ÷ 2·10-2 g — направлены в разные стороны и разновременны, и тем не менее даже они влияют на развитие живых организмов. Например, вероятная пороговая величина для побегов растений составляет 1,4·10-3g, а для корней — 10-3 — 10-4g. Порог гравитационной чувствительности для мелких позвоночных и беспозвоночных организмов, по-видимому, составляет около 10-3 g. Таким образом, изучение влияния невесомости на организмы на борту орбитального аппарата требует создания приборов и устройств, в которых бы компенсировались даже такие небольшие перегрузки.
Вот почему на «Союзе-22», пилотируемом В. Быковским и В. Аксеновым, эксперимент с проростками кукурузы проводился в приборе «Биогравитат», с помощью которого удалось показать: при демпфировании перегрузок проростки развиваются гораздо медленнее. Такой результат, указывающий, что невесомость отрицательно влияет на рост высших растений, стал важным дополнением к первым опытам по физиологии растений, проведенным на советских и американских космических кораблях.
Эти опыты показали, что кратковременный космический полет не замедлил прорастания семян пшеницы и гороха и первоначального роста проростков. Форма основных органов, тканей и клеток существенно не изменялась, а уровни мутаций (изменений) и хромосомных аберраций не повышались. Однако некоторые изменения возникали; нарушилась пространственная ориентация проростков, листьев и корней. Изменялась активность некоторых ферментов и интенсивность дыхания. Клетки корешков пшеницы делились медленнее, зато растягивались они быстрее, чем у контрольных растений на Земле. В микроспорах традесканции в клетках зародышевого мешка и кончиков ее корней увеличивалось число ядер с нарушенным веретеном, а также число многоядерных клеток. У гороха увеличивалось число двухъядерных клеток и появились трехъядерные клетки. Все это свидетельствовало о нарушении процессов клеточного деления в условиях невесомости.
Почему стебли растут вверх, а корни тянутся вниз? Где, в каком месте растительной клетки спрятан гравирецепторный аппарат? Согласно одной из гипотез, секрет геотропизма скрыт в статолитах — гранулах крахмала, находящихся внутри клеток. Под действием гравитации статолиты как бы оседают на нижние мембраны клеток и становятся центрами биохимических реакций, в которых, в частности, синтезируются молекулы ростового вещества — индолилуксусной кислоты, определяющей направление роста.
В невесомости статолиты распределяются равномерно во всем объеме клеточной цитоплазмы, не давят на нижние мембраны, не способствуют выработке именно здесь ростового вещества. Возможно, именно поэтому возникает пространственная дезориентация и нарушение цитогенеза: по достижении определенной стадии развития растения гороха начинают погибать.
Можно даже представить, как это происходит. Уменьшение содержания индолилуксусной кислоты приводит к изменению ионного состава клетки. Ионы калия и кальция выделяются из клетки. А при уменьшении содержания этих ионов в клетках устьиц происходит их закрытие, в результате чего нарушаются процессы газо— и водообмена, и растение погибает.
Как же ведут себя другие организмы, активно развивающиеся в условиях космического полета? О водородных бактериях мы уже писали («ТМ», 1974, № 4). Их рост был даже лучше, чем на Земле: в условиях невесомости нет осаждения клеток, они все время во взвешенном состоянии, поэтому условия их газоминерального питания в невесомости лучше, чем на Земле.
Хлорелла не новичок на орбите: она уже экспонировалась на «Космосе-573», на космическом корабле «Союз-13» и на других космических объектах. Интерес ученых к этой микроскопической водоросли не случаен: хлорелла — один из лучших биологических объектов для исследований в космосе. Она легко выращивается; нетрудно получить из нее клеточную популяцию, находящуюся в одной стадии; наличие дифференцированного ядра приближает ее к высшим организмам.
На «Салюте-6» с помощью хлореллы было решено изучить протекание тонких процессов вне Земли с тем, чтобы установить «точку приложения» факторов, действующих в длительном полете. Для этих исследований разработали прибор, позволяющий выводить на орбиту микроорганизмы в состоянии анабиоза. Первые же результаты показали, что рост клеток хлореллы в невесомости был значительно интенсивнее, чем на Земле...
Советско-французский эксперимент «Цитос» проводился на оборудовании, разработанном французскими и советскими специалистами. Цель его — изучить кинетику клеточного деления у простейших и у микроорганизмов. Французы избрали для опытов инфузорию-туфельку — хорошо изученный и известный всем по школьным учебникам одноклеточный организм. Наши ученые остановили свой выбор на протее обыкновенном — микроорганизме, способном существовать в широком диапазоне температур.
Живые объекты в этом эксперименте были помещены в полиэтиленовые подушечки — берлинго — с питательной средой и ампулой с фиксатором. Берлинго собрали в 8 секций по 20 штук. Всю сборку поместили в контейнер-вкладыш, который в советском термостате «Биотерм» доставили с экспедицией посещения на борт научной станции «Салют-6» при температуре +8° С. При этой температуре не происходит активного роста организмов. Сразу после стыковки вкладыш с берлинго переместили во французский прибор «Цитос», расположенный на борту «Салюта-6». Внутри прибора температура была +25° С. Это температурный оптимум для обоих видов организмов. Через каждые 12 часов Г. Гречко запускал двигатель фиксации в приборе, и во всех берлинго одной секции разбивались ампулы с фиксатором. Всего за время экспедиции было проведено 8 фиксаций, после чего вкладыш с экспериментальным материалом был возвращен на Землю.
В конце эксперимента Георгий Гречко сделал подробный доклад о его проведении. Практически космонавты были творческими участниками всех биологических опытов на борту «Салюта-6». Они не только педантично докладывали о своих действиях, но и требовали от Земли обратной связи:
— Нам хочется знать о результатах экспериментов, — сообщали на землю «Таймыры», — тогда нам интереснее работать с установками и приборами.
Несмотря на то, что несколько мушек дрозофил ухитрились выбраться из прибора, опыты с ними были завершены успешно. Эта мушка распространена по всему земному шару и питается соком ягод и фруктов. Одна из ее важнейших для науки особенностей — быстрый темп размножения: весь цикл ее развития занимает 10—12 дней. Через сутки после того, как самка откладывает яйца, выходят личинки, через 5—6 дней они окукливаются, а на 10—12-й день появляются взрослые насекомые, способные к размножению.
У дрозофилы хорошо изучены закономерности возникновения и наследования разнообразных изменений, что позволяет изучать влияние различных факторов.
И еще один модельный объект находился на «Салюте-6» — икра земноводных. Если о геотропизме растений известно уже достаточно много, то значительно меньше известно о влиянии силы тяжести на процессы эмбрионального развития животных. Упорядоченность деления, приводящая к образованию организма, а не бесформенной массы клеток, возможно, регулируется силой тяжести.
 |  |
Прибор состоит из корпуса 2 с прозрачными гидрофильными стенками изнутри. Снаружи — ручка бойка, внутри — пружина 3 и предохранительный резиновый чехол 4. Боек заканчивается упорной головкой 5 для раздавливания ампул. На дне прибора закреплены колба 6 с хлореллой, колба 7 с фиксатором, колба 8 с физиологическим активным веществом, колба 9 — с «меткой», 10 — питательная среда. Бойком космонавт может разбить любую колбу в соответствии с программой эксперимента.
В корпусе прибора 1 размещаются два семядержателя. Семядержатель А жестко крепится через стойку 10 к корпусу прибора. Семядержатель Б эластичными пружинами демпфируется от внешних воздействий. Стопор 11 закрепляет семядержатель во время старта космического корабля. 3 — закрепленные на корпусе семена. 4 — шприц с водой для одноразового полива через отверстие 5. В приборе два шприца для каждого семядержателя. 6 — регистрирующее устройство. 7— цифровой индикатор перегрузок. 8 — кнопка уровня перегрузки. В приборе три уровня перегрузки: I —10-1 —10-2g; II — 10-2 — 10-3g, III — 10-3—10-5 g. На цифровом индикаторе высвечивается количество зарегистрированных возмущений по каждому уровню. 9 — кнопка сброса. 12 — питательный субстрат. 13 — сейсмодатчик перегрузок. На орбите искусственного спутника Земли производится увлажнение питательного субстрата, и семена начинают прорастать. После этого семядержатель Б разарретируется. Семядержатели закрыты светонепроницаемым чехлом.
В корпусе прибора 2 есть отверстие для воздуха 1, соединенное через капиллярные воздуховоды с камерами, в которых находится питательная среда 4. Корпус разделен на две камеры А и Б, которые могут соединяться между собой с помощью подвижных шторок 3. На Земле перед началом эксперимента в камеру А помещают самцов и самок дрозофил. Самки откладывают яички, после чего взрослых насекомых извлекают из камеры. Домик также устанавливается в термостат. В камере А яички становятся личинками 5, которые питаются питательной средой и окукливаются. Из куколок вылетают взрослые насекомые 8, которые через открытую шторку 9 перелетают на, свежую питательную среду в камеру Б и откладывают яички 7.
В корпус прибора 1 заливается вода 5 и помещается оплодотворенная икра 6. Прибор устанавливается в термостат. По программе эксперимента космонавт с помощью винта 3, сняв стопор 2, раскалывает колбу с фиксатором 4.
Для решения этих вопросов и был проведен эксперимент с оплодотворенной непосредственно перед стартом икрой лягушек, которая была помещена в контейнер «Эмкон-Т» (эмбриологический контейнер термостатируемый).
Изучение поведения организма в условиях невесомости дает ключ к пониманию роли гравитации в эволюции живой природы. Ведь на протяжении геологической истории сила тяготения на Земле не оставалась постоянной, а периодически менялась в зависимости от положения нашей планеты на галактической орбите.
Некоторые ученые связывают ключевые события эволюции с периодическими изменениями силы тяжести. Так, в эпоху снижения тяготения живые существа вышли из воды на сушу (конец девонского периода), поднялись в воздух (юрский период). Согласно одной из гипотез вымирание гигантских рептилий — ихтиозавров, динозавров, птеродактилей — совпадает с фазой возрастания гравитации. А сейчас самые крупные животные могут обитать только в океане...
Биологические эксперименты на орбите обещают дать ключ и к решению одной важной чисто физической проблемы. Они делают возможной проверку принципа эквивалентности сил, согласно которому сила инерционная в точности равна силе гравитационной. Именно благодаря принципу эквивалентности на космическом аппарате можно создать искусственную тяжесть с помощью устройств, создающих постоянное ускорение, действующих на испытуемый объект. Простейшее из таких устройств — центрифуга, где сила тяжести заменена центростремительной силой. Так вот, в эволюции живых микроорганизмов, помещенных в условиях искусственной тяжести на орбитальном аппарате, и находится заветное решающее испытание основного постулата общей теории относительности. Если эволюция таких микробов будет отлична от эволюции контрольных организмов на Земле, то применительно к биологическим объектам принцип эквивалентности несправедлив!