Все об экспериментах на «Бионе‑М»: зачем Россия отправляет животных в космос в 2025
Подвиг Белки и Стрелки преследовал четкую цель: понять, как космическая среда повлияет на людей. Сегодня космонавты летают на орбиту, как к себе домой, проводя долгие месяцы на МКС. Тогда зачем в космос продолжают отправлять животных? О важности биологических исследований для науки и космоса рассказали специалисты Института медико-биологических проблем (ИМБП) РАН.
20 августа с космодрома Байконур в космос отправится уникальный российский спутник — «Бион‑М» №2 с мышами, мухами, микроорганизмами, растениями и семенами на борту. Ожидается, что он проведет на орбите 30 суток, после чего, 19 сентября, приземлится в степях Оренбургской области. Этого запуска ждали многие, но с особым нетерпением — ученые, ведь «Бионы» не летали на орбиту целых 12 лет.
Как отмечают специалисты Института медико-биологических проблем (ИМБП) РАН — головной организации проекта, на новый биоспутник они возлагают большие надежды. Ведь он продолжает уникальную для мировой космонавтики научно-исследовательскую программу: только наша страна изучала поведение живых организмов на околоземной орбите в рамках столь комплексного подхода.
Первые «Бионы» помогли установить, что значительных ограничений для долгого пребывания человека в космосе с точки зрения биологии нет. Почему же мы продолжаем запускать животных в космос?
Чем уникален спутник «Бион-М» №2
Ответ на этот вопрос связан с дальнейшими планами России по развитию пилотируемой космонавтики. Давно понятно, что выжить в космосе возможно, если речь идет о низкой околоземной орбите, которая относительно хорошо изучена: здесь находятся МКС и китайская орбитальная станция «Тяньгун», а также проводятся разного рода туристические миссии.
Но «Бион-М» №2 отправится на совершенно новую орбиту: высокоширотную с полярным наклонением около 97° высотой 370-380 километров. По такой траектории живые организмы еще не летали. На полярной орбите уровень радиации на 30% выше, чем на среднеширотной с наклонением 50-60°, где находится МКС, — следовательно, больше риск подвергнуться воздействию высокоэнергетических частиц.
Особенности полярной орбиты и какие еще виды орбит бывают
Тем не менее с полярной орбиты можно увидеть всю поверхность Земли, так как она проходит через оба полюса. Поэтому не исключено, что в будущем туда полетят и люди. Точнее, они уже начинают осваивать ее окрестности.
В апреле текущего года на орбиту с полярным наклонением 90° высотой 400 километров отправилась частная миссия Fram2: четверо астронавтов на корабле Crew Dragon выполнили первый в истории пилотируемый полет над полюсами Земли. Нелегко экипажу дался только первый день в невесомости — в остальном люди стойко перенес нахождение на незнакомой орбите, выполнив 22 эксперимента.
Экипаж Fram2 показал вид на Антарктиду с полярной орбиты: видео
Однако длительность этой экспедиции составила всего четыре дня, тогда как «Бион-М» №2 пробудет на околополярной орбите 30 суток, что и делает его экспедицию уникальной. «Это очень длительная миссия, и длительная она с точки зрения продолжительности жизни животных. Средняя продолжительность жизни мышей — два года, а “Бион” будет летать месяц, что, по сути, сопоставимо [для них] с полетом на Марс. Еще более длительная, соответственно, для мух — практически полжизни», — заметила заведующая лабораторией биофизики клетки ИМБП РАН Ирина Огнева в беседе с Pro Космосом.
Основная задача «Биона-М» — проверить, насколько условия высокоширотной орбиты безопасны для живых существ. Пока ученым непонятно, что может происходить с живыми организмами в таких условиях. «В первую очередь в связи с измененным радиационным фоном. Орбита будет проходить несколько раз в день рядом с полюсами Земли, — констатировал заведующий лабораторией фенотипирования животных ИМБП РАН Александр Андреев-Андриевский. — По оценкам, там заметно повышен вклад галактических тяжелых частиц. Они имеют большое биологическое действие. Нужно понимать, как это скажется на благополучии животных, естественно, с прицелом на космонавтов».
Кто летит: мыши
Первые пассажиры «Биона-М» №2 — мыши, которые полетят в космос почти целой колонией — 75 особей. Такое количество обусловлено физическими ограничениями объема спутника и оборудованием. Мыши проживают в пяти блоках исследования и обеспечения содержания (БИОС), в каждом из которых — по пять трехместных «номеров».
Причем для грызунов создали почти санаторные условия. БИОСы напоминают мини-гостиницы, где в каждом номере есть системы кормления, утилизации отходов, освещения и вентиляции.
Подготовка к полету
Перед полетом на орбиту мыши прошли серьезную подготовку — прямо как космонавты. Сначала их ждала медицинская комиссия: ученые отбирали грызунов, свободных от видоспецифичных патогенов (то есть просто здоровых животных). Компания подобралась исключительно мужская — все самцы. Как пояснил Андреев-Андриевский, это проще с исследовательской точки зрения, так как нет нюансов, связанных с цикличностью половых стероидов.
Но мало отобрать здоровых самцов — важно, чтобы они уживались вместе, добавил ученый. «Мыши — территориальные и агрессивные животные, и нужно добиться того, чтобы они уживались в коллективе. Чем-то это похоже на то, что делают с людьми, — отметил собеседник Pro Космоса. — Находиться в замкнутом пространстве, в ограниченном коллективе — среднее удовольствие. А у мышей эта проблема стоит чуть более остро, потому что они не ссорятся, а прямо доводят дело до конца».
В рамках этой задачи ученые выполнили большой объем работ. Они отбирали еще совсем молодых животных и сажали их в клетки по трое, после чего долго наблюдали за тем, как они уживаются друг с другом.
«Они же в какой-то степени социальные животные. У них вся жизнь своего рода тренинг. Если они живут в коллективе, им нужно установить иерархию. И есть группы, в которых она устанавливается, а есть коллективы нестабильные, в которых это проявляется при малейших возмущениях. Самое простое возмущение — когда им поменяли клетку, вот их весь мирок порушен. Они очень огорчаются и могут начать драться. Таких в космонавты не берут, потому что, когда их отправят в космос, где все не так комфортно, как на Земле, они тоже огорчатся. Поэтому нужно брать более устойчивых мышей», — объясняет Андреев-Андриевский.
Задачи эксперимента
Из всех пассажиров «Биона» мыши — пожалуй, основной объект для получения данных, которые относительно легко, хотя и с некоторыми оговорками, можно перенести на человека. Их гены в высокой степени совпадают с генами человеческими. «Поэтому грызуны — некий такой компромисс, — рассуждает Андреев-Андриевский. — С крыс, кстати, и начались “Бионы”. Крысы в чем-то удобнее, потому что они крупнее. С другой стороны, сейчас мы можем решать практически все задачи с использованием маленького объема биоматериала, который можно получить от мышей. И мыши позволяют экспонировать больше животных, чем крысы».
Акцент экспериментов с мышами сделан на механизмах их адаптации к космосу в целом и высокоширотной орбите в частности, а также реадаптации после полета. Ученые хотят выяснить, повлияет ли невесомость и другие космические условия на гормональный фон и иммунитет, изменятся ли репродуктивные процессы, какой будет реакция разных систем организма и что произойдет с водно-солевым обменом.
Среди 75 особей есть небольшая группа мышей, более чувствительных к радиации. У них не работает один из генов, регулирующих защиту организма. Эффекты радиационного воздействия проявятся на них более ярко, что поможет дополнительно убедиться в опасности или безопасности орбиты.
В противовес им на биоспутнике находятся грызуны, которые будут получать некое фармакологическое воздействие. Предположительно, оно подействует на ту же систему, что и у животных без антирадиационного гена, и компенсирует негативное влияние радиации.
Помимо этого, ученые отработают новую методику питания животных на борту. В четырех БИОСах мыши будут кормиться традиционным для космоса пастообразным кормом, который лишает грызунов возможности стачивать зубы. А в пятом блоке — сухим кормом в брикетах и гелеобразной водой, которые решают эту проблему.
Широко мыши будут использоваться для молекулярных и физиологических исследований. У всех особей есть датчики для регистрации тех или иных физиологических показателей во время полета. «Программа подчинена общей цели — оценки безопасности орбиты, она собирается по научному сообществу, которое занимается гравитационной физиологией, и решает широкий круг задач, по сути, по всем физиологическим системам: нервной, мышечной, костной, иммунной. Все исследования носят иерархический характер. Их проводят и на целом организме, и на уровне ткани. Это морфологические исследования и подробные молекулярно-биологические исследования регуляции экспрессии генов, белков и так далее. Это очень комплексная большая работа», — констатировал Андреев-Андриевский.
Что будет с мышами после полета
По возвращении из космоса мыши пройдут через серию тестов. В особенности ученых интересует, как изменятся когнитивные функции животных: помнят ли они то, чему их обучили до полета, и способны ли выполнять новые задания. У особей возьмут образцы и исследуют их самыми разными методами.
Причем провести обследования нужно как можно скорее. Как только животные прилетят на Землю, процесс их восстановления начнется почти сразу же. И ученые в таком случае будут получать информацию уже не об эффектах полета, а о ходе реабилитации. Для этого задействуют автоматизированные системы сбора данных: набор датчиков, как вживляемых, так и внешних, прикрепленных к клетке, которые непрерывно собирают информацию, а самих животных при этом никто не трогает.
Во-первых, это минимизирует стресс для мышей, которые очень всего боятся. На малейшие изменения они реагируют так, будто этот миг в их жизни станет последним. Во-вторых, такие фабрики сбора данных позволяют одновременно обследовать сразу большое количество животных.
Какая аппаратура в составе «Биона-М» играет роль «глаз» ученых
После завершения полета «Биона-М» ученые оценят состояние 75 особей и сравнят его с контрольными группами на Земле, которых две: первая на протяжении миссии спутника живет в привычных условиях обитания, вторая — в наземной лаборатории в полетном оборудовании.
Кто летит: мухи
Компанию мышам на спутнике «Бион-М» №2 составят 1500 мух рода Дрозофила (drosophila melanogaster), которые живут в пластиковых пробирках с питательной средой. По словам Ирины Огневой, такое количество обусловлено большим объемом эксперимента и его разными задачами. Чем больше дрозофил, тем больше биологических повторов, что поможет получить достоверные результаты. Однако важно учитывать некоторые нюансы.
Мухи-дрозофилы отличаются высокой плодовитостью: так, самка откладывает до 100 яиц в сутки. Чтобы не допустить перенаселения мух во время полета, ученые вывели оптимальное количество особей. Особое внимание уделялось составу питательной среды — он обеспечивает контролируемое выживание личинок.
Подготовка к полету
Мухи прошли не менее серьезную подготовку перед полетом, чем мыши. Чтобы понять, как они перенесут стартовые и посадочные перегрузки, их поместили в центрифуги для моделирования соответствующих циклограмм. «Обычно мухи переносят [перегрузки] достаточно хорошо, по крайней мере, в том диапазоне значений, который мы ожидаем получить на биоспутнике», — пояснила Огнева.
Основная задача наземных испытаний — выбрать наиболее подходящую линию плодовой мушки, которая позволит ученым достичь целей исследования. Затем эту группу особей культивируют, чтобы поддержать чистую линию, свободную от какой-либо флоры, и получить необходимое количество мух для загрузки в спутник.
Задачи эксперимента
Как подчеркнула Ирина Огнева, мухи живут всего 60-80 дней — это позволит проследить изменения на нескольких поколениях. «Чтобы получить большое количество статистически достоверных данных, требуется очень продолжительное время, если мы используем млекопитающих. Поскольку средняя продолжительность жизни мыши около двух лет, соответственно, несколько поколений, и таким образом мы уже приближаемся практически к 10 годам. Но с мухами мы можем сделать это гораздо быстрее», — утверждает специалист. Так, мухи помогут изучить влияние высокоширотной орбиты на скорость старения, продолжительность жизни, эмбриогенез и репродуктивную систему, а также на передачу информации о факторах космического полета последующим поколениям.
Конечно, переносимость на человека результатов всех экспериментов, полученных на мухах и вообще любых животных, вызывает ряд вопросов. О прямой экстраполяции речи не идет — это скорее направления, в которых следует двигаться при изучении человека. Но строение нервной системы мух, закономерности функционирования нейронов, изменения в структуре клеток схожи с тем, как это происходит у человека.
Геном дрозофила более чем на 50% в кодирующей части совпадает с геномом человека. А в белках, которые формируют основную структуру клетки, гомология достигает 70-75%.
«Мы можем создавать у мух линии, которые на клеточном уровне показывают все те же самые изменения, наблюдающиеся у человека с нейродегенеративными заболеваниями, — отметила Ирина Огнева. — Например, болезнь Паркинсона прекрасно моделируется у мух. У них также имеются нарушения двигательной активности».
Что будет с мухами после полета
В отличие от мышей, информацию о которых ученые смогут получать в том числе в режиме реального времени, с мухами все основные действия начнутся после приземления «Биона-М». Сотрудники ИМБП будут работать на месте посадки спускаемого аппарата.
Они подсчитают количество мух, полученных в ходе экспериментов, связанных с оценкой поддержания популяции, и изучат их двигательную активность. Неврологические тесты выявят, есть ли нарушения в работе нервной системы дрозофил.
После этого начнется самый большой объем работы: клеточно-молекулярные исследования, оценки генома с определением содержания белков в разных органах. Часть мух оставят для получения следующих поколений, которые потом, возможно, отправят в повторный полет.
Кто летит: микроорганизмы
Целая серия экспериментов на борту «Биона-М» №2 запланирована с микроорганизмами. Их отправят в космос ассоциациями — сообществами из разных видов. Так, в числе «пассажиров» есть термофилы, приспособленные к обитанию в условиях постоянно высоких температур, мезофильные микробы, которые лучше всего размножаются при умеренной температуре, пробиотики, грибы ризосферы и многие другие.
Подготовка к полету
Критерии, по которым они отбирались, едины для всех. Главный из них — это способность выжить в суровых космических условиях. Резкие перепады температуры окажут влияние на биологические свойства микроорганизмов, и ученые хотят выяснить, как именно это будет происходить на высокоширотной орбите.
Куда еще предлагают отправить бактерии и зачем это нужно
Любопытно, что для пополнения коллекции микроорганизмов ученые ИМБП с коллегами из МГУ даже ездили в Оймякон — самое холодное место на Земле, где постоянно живут люди. Зимой температура в этом селе опускается до -50°C, а летом поднимается до +22°C. Фактически микроорганизмы были собраны на полюсе холода северного полушария.
Второй критерий — способность к спорообразованию, то есть механизму, помогающему микроорганизмам выживать в неблагоприятных условиях. «Микрогравитация для микроорганизмов — это вообще ерунда. Мы таракана бросаем с девятого этажа, он спокойно приземляется и идет своей дорогой — с микроорганизмами еще легче, — отметил заведующий лабораторией микробной экологии человека ИМБП РАН Вячеслав Ильин. — Так что микрогравитация здесь ни при чем. А что при чем? Магнитные составляющие, которые будут пересекаться несколько раз на приполярной орбите ( галактические и солнечные лучи проникают на приполярную орбиту напрямую, так как магнитное поле там слабее — прим. ред.), это может сказаться на биологических свойствах. Также мы ожидаем какие-то сюжеты, связанные с изменением радиационного излучения».
Зачем летят микроорганизмы
Одна из причин — решить проблему с мусором на борту космических аппаратов. На МКС этот вопрос стоит не так остро, но в полетах к Луне, Марсу и в дальний космос может стать критическим. Стирать белье на орбите негде, а загрузить весь мусор в «Прогресс» и утопить в Тихом океане тоже не получится. На помощь могут прийти микроорганизмы.
Для этого на «Бионе» есть биореактор с термофильными и мезофильными микробными ассоциациями и хлопковой тканью, замещающей использованные средства личной гигиены — салфетки, полотенца и т.д. Ученые хотят оценить, насколько микробы способны переработать эту ткань в условиях невесомости.
Могут ли проблему мусора в космосе решить съедобные упаковки
В рамках другого эксперимента, тоже биотехнологического, микроорганизмы используют для получения электроэнергии. Исследование проведут на основе микробных топливных элементов — технологии, которая позволяет получать электричество из энергии химических связей органических веществ.
«Микробный топливный элемент — надежнейшая альтернатива. Мы запитывали от него прибор во время эксперимента “Марс 500”. Он создавал 3,8 В, этого хватало для того, чтобы прибор работал без подзарядки в течение всего периода времени — 520 суток. И он работал бы дальше, просто эксперимент закончился, — отметил Ильин. — С культурами сложнее, они быстро выдыхаются. Я думаю, 30 суток хватит, но не более того. А возможности микробной ассоциации неисчерпаемые. Если она будет работать так, как должна была бы, то в условиях космического полета, лунной базы станет надежным альтернативным источником электричества».
Еще одна группа исследований связана с экспозицией бактериальных культур — процессом, при котором бактерии (на «Бионе-М» разместили пробиотики) подвергаются воздействию какого-либо фактора, химического или физического, в экспериментальных условиях. По словам Ильина, пробиотики — очень важная составляющая потенциальных бортовых аптечек. Так, например, лекарства на основе пробиотиков могут помочь в лечении дисбиоза — нарушении баланса микрофлоры в кишечнике.
Третье направление — экзобиологическое. По признанию Вячеслава Ильина, в их число входит его любимый эксперимент под названием «Метеорит». В термозащиту «Биона» вмонтировали небольшие базальтовые камни, в которых находятся определенные штаммы микроорганизмов.
Особое внимание на эти «ковчеги» направят при спуске и заходе спускаемого аппарата в атмосферу. Ученые проверят теорию панспермии — возможность занесения жизни из космоса на Землю.
«В каждом камне проделаны маленькие отверстия, до 25 отверстий глубиной примерно семь миллиметров. Это достаточно для того, чтобы туда положить микробы, которые прославились устойчивостью к среде обитания, главным образом к перегреву. Они изолируются из активного ила железистых источников на Камчатке и в других местах. Также у нас есть объекты с внешней оболочки МКС, которые тоже выживали в условиях прохождения через плотные слои атмосферы», — отметил Ильин.
Эксперимент «Метеорит» уже проводился ранее — на спутниках «Бион-М» №1 и «Фотон-М» №4. В первом случае все микроорганизмы погибли, а во втором — один из штаммов сохранил жизнеспособность. Выживут ли микробы на этот раз и если да, то какой процент? Покажет время.
Что будет с микроорганизмами после полета
По возвращении микроорганизмов с орбиты ученые оценят их биологические свойства. В случае с пробиотиками, например, акцент будет сделан на том, насколько хорошо они вырабатывают бактерициды и какова зона задержки роста при культивировании условно патогенных микроорганизмов. Если показатели будут хорошими, то в перспективе их можно использовать для медицинского обеспечения пилотируемых полетов, в том числе и на Луну. «Если они не поменяют своих свойств, то будут так же активно работать на лунных базах», — убежден Вячеслав Ильин.
Говоря о перспективах, ученый выразил надежду, что следующий спутник отправится на более высокую орбиту — 1000 километров. Предполагается, что на этой высоте в составе пылевых частиц или микрометеоритов могут быть биогенные субстанции или биологические объекты.
По мнению Ильина, для такого эксперимента нужно разработать установки, сорбирующие по пути следования эти пылевые частицы, чтобы потом можно было доставить их на Землю и проанализировать. «Они могут открыть очень много интересного и разобраться в астробиологических тенденциях, в том числе спекулятивных. И расставить некоторые точки над “i”», — резюмировал собеседник Pro Космоса.
19 августа исполнилось 65 лет историческому полету в космос Белки и Стрелки. Подготовили материал о том, как звали собак на самом деле и как они перенесли путешествие на орбиту.
