CC BY
61УДК 629.784.016(100):57.083
исследования мелкодисперсной среды на внешней поверхности международной космической станции в эксперименте «тест»: обнаружены жизнеспособные микробиологические объекты
© 2015 г. Дыганков О.С.1, гребенникова т.в.4, дешевая Е.А.3, Лапшин в.Б.5, морозова м.А.6, новикова н.д.3, поликарпов н.А.3, Сыроешкин А.в.5, Шубралова Е.в.2, Шувалов в.А.2
1 Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070,
e-mail: post@rsce.ru
2 Центральный научно-исследовательский институт машиностроения (ЦНИИмаш) Ул. Пионерская, 4, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070,
e-mail: corp@tsniimash.ru
3 Институт медико-биологических проблем РАН (ИМБП) Хорошевское шоссе, 76 А, г. Москва, Российская Федерация, 123007, e-mail: info@imbp.ru
4 Научно-исследовательский институт вирусологии имени Д.И. Ивановского (НИИ вирусологии) Ул. Гамалеи, 16, г. Москва, Российская Федерация, 123098, e-mail: info@virology.com
5 Институт прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова (ИПГ) Ул. Ростокинская, 9, г. Москва, Российская Федерация, 129128, e-mail: syroeshkin@ipg.geospace.ru
6 Российский университет дружбы народов (РУДН) Ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Российская Федерация, 117198, e-mail: med.dekanat@pfur.ru
Рассматриваются результаты выполненного в 2010-2013 гг. космического эксперимента «Тест», направленного на изучение состояния внешней поверхности модулей Российского сегмента Международной космической станции (МКС). Цель эксперимента — определение предпосылок и возможных механизмов возникновения и развития деструктивных процессов на поверхности МКС. Космический эксперимент «Тест» включал две фазы исследований: орбитальную и наземную. Задача орбитальной — отбор проб газопылевых осадков, выпавших на поверхность станции из окружающей среды, и мелкодисперсных продуктов деградации конструкционных материалов, вызванной воздействием космических излучений, процессов коррозии, бомбардировкой частицами космического мусора и др. Впервые в исследованиях космического пространства космонавтом-оператором в процессе внекорабельной деятельности произведен отбор проб в контейнер-моноблок с пробоотборником. Такие контейнеры поддерживаются стерилизованными и гермоизолированными в течение всего эксперимента, включая доставку на Землю. Задача наземной фазы — проведение токсикологического, физико-химического, микробиологического и молекулярного анализов проб. Уникальные результаты анализа — обнаружение жизнеспособных микроорганизмов в открытом космосе на внешней поверхности МКС — определяют целесообразность продолжения и расширения исследований экологического состояния космических объектов, позволяют ставить вопрос о границе распространения биосферы Земли, а также обсуждать на основе экспериментальных предпосылок как гипотезу панспермии, так и идею рассеивания живого вещества из биосферы Земли в межпланетное пространство.
Ключевые слова: Международная космическая станция, газопылевые осадки, мелко -дисперсная среда, продукты деградации материалов, пробы, пробоотборник, жизнеспособные организмы, биосфера Земли.
STUDY OF THE ENVIRONMENT FINELY DISPERSED ON THE OUTER SURFACE OF THE INTERNATIONAL SPACE STATION AND DETECTION OF MICROBIOLOGICAL OBJECTS IN SPACE EXPERIMENT «TEST» Tsygankov O.S.1, Grebennikova T.V.4, Deshevaya E.A.3, Lapshin V.B.5, Morozova M.A.6, Novikova N.D.3, Polikarpov N.A.3, Syroeshkin A.V.5, Shubralova E.V.2, Shuvalov V.A.2
1S.P. Korolev Rocket and Space Public Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin Street, Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail:post@rsce.ru
2Central Research Institute of Machine Building (TsNIImash) 4 Pionerskaya str., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail: vashuvalov@tsniimash.ru
3Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences (IMBP) 76A Khoroshovskoe shosse, Moscow, 123007, Russian Federation, e-mail: info@imbp.ru
4D. I. Ivanovsky Virology Research Institute (VRI) 16 Gamaley str., Moscow, 123098, Russian Federation, e-mail: info@virology.com
5 Academician E. K. Fedorov Institute of Applied Geophysics (IAG) 9 Rostokinskaya str., Moscow, 129128, Russian Federation, e-mail: syroeshkin@ipg.geospace.ru
6 Peoples' Friendship University of Russia (PFUR) 6 Miklukho-Maklaya str., Moscow, 117198, Russian Federation, e-mail: med.dekanat@pfur.ru
Results of space experiment «Test», aimed at studying the state of the outer surface of the modules of the Russian Segment of the International Space Station (ISS), functioning in an aggressive external environment are considered in the work. The space experiment, which aims — identify prerequisites and possible mechanisms of the emergence and development of destructive processes on the surface of the ISS is described. Space experiment «Test» consists of two phases of research: the orbital and ground. Task of orbital phase is accompanying sampling of gas and dust precipitation on the surface of the station from the environment and degradation products of fine material of structural elements caused by exposure to cosmic radiation, corrosion processes, particle bombardment and other debris. For the first time in the world samples have been collected by astronaut-operator during operation «extravehicular Activities» («EVA») in a container-monoblok (sampler), which is supported by sterilized and hermetic throughout the experiment, including delivery to Earth. Task of ground phase is conducting physic-chemical, toxicological, microbiological and molecular analysis. The analysis showed the presence of viable microorganisms on the outer surface of the ISS, which allows you to put the question of the boundaries of the spread of the Earth's biosphere and continue more in-depth study of the ecological state of isolated inhabited space objects.
Key words: International Space Station, dust and gas deposits, the fine environment degradation products of matrices, sampling viable organisms, Earth's biosphere.
ЦЫГАНКОВ О.С. ГРЕБЕННИКОВА T.B. ДЕШЕВАЯ E.A. ЛАПШИН В.Б.
МОРОЗОВА М.А.
НОВИКОВА н.д.
ПОЛИКАРПОВ Н.А.
СЫРОЕШКИН А.В.
ШУБРАЛОВА Е.В.
ШУВАЛОВ В.А.
ЦЫГАНКОВ Олег Семенович — доктор технических наук, главный научный сотрудник РКК «Энергия», e-mail: oleg.tsygankov@rsce
TSYGANKOV Oleg Semyonovich — Doctor of Science (Engineering), Chief Research Scientist at RSC Energia, e-mail: oleg.tsygankov@rsce
ГРЕБЕННИКОВА Татьяна Владимировна — доктор биологических наук, профессор, заведующая лабораторией НИИ Вирусологии, e-mail: grebennikova@narvac.com
GREBENNIKOVA Tatiana Vladimirovna — Doctor of Science (Biology), Professor, Head of Laboratory at VRI, e-mail: grebennikova@narvac.com
ДЕШЕВАЯ Елена Андреевна — кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник ИМБП, e-mail: deshevaya@imbp.ru
DESHEVAYA Elena Andreevna — Candidate of Science (Biology), Lead Research Scientist at IMBP, e-mail: deshevaya@imbp.ru
ЛАПШИН Владимир Борисович — доктор физико-математических наук, профессор, директор ИПГ, e-mail: lapshin@ipg.geospace.ru
LAPSHIN Vladimir Borisovich — Doctor of Science (Physics and Mathematics), Professor, Director at ^G, e-mail: lapshin@ipg.geospace.ru
МОРОЗОВА Мария Андреевна — кандидат химических наук, доцент, заместитель декана медицинского института РУДН, e-mail: morozova_ma@pfur.ru
MOROZOVA Maria Andreevna — Candidate of Science (Chemistry), Assistant professor, Deputy Dean of the Medical Institute at PFUR, e-mail: morozova_ma@pfur.ru
НОВИКОВА Наталья Дмитриевна — доктор биологических наук, заведующая лабораторией ИМБП, e-mail: novikova@imbp.ru
NOVIKOVA Nataliya Dmitrievna — Doctor of Science (Biology), Head of Laboratory at IMBP, e-mail: novikova@imbp.ru
ПОЛИКАРПОВ Николай Александрович — кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник ИМБП, e-mail: polikarpov@imbp.ru
POLIKARPOV Nikolay Aleksandrovich — Candidate of Science (Biology), Lead Research Scientist at IMBP, e-mail: polikarpov@imbp.ru
СЫРОЕШКИН Антон Владимирович — доктор биологических наук, профессор, заместитель директора ИПГ, e-mail: syroeshkin@ipg.geospace.ru
SYROESHKIN Anton Vladimirovich — Doctor of Science (Biology), Professor, Deputy Director at MG, e-mail: syroeshkin@ipg.geospace.ru
ШУБРАЛОВА Елена Владимировна — главный специалист ЦНИИмаш, e-mail: eshubralova@tsniimash.ru
SHUBRALOVA Elena Vladimirovna — Chief Specialist at TsNIImash, e-mail: eshubralova@tsniimash.ru
ШУВАЛОВ Вячеслав Александрович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, начальник лаборатории ЦНИИмаш, e-mail: vashuvalov@tsniimash.ru SHUVALOV Vyacheslav Aleksandrovich — Candidate of Science (Engineering), Senior Research Scientist, Head of Laboratory at TsNIImash, e-mail: vashuvalov@tsniimash.ru
Введение
Международная космическая станция (МКС) является уникальной научной лабораторией для постановки и реализации экспериментальных исследований в условиях околоземного космического пространства [1]. Станция представляет собой сложную пространственно-распределенную конструкцию, оснащенную системой электропитания, жизнеобеспечения, теплоотвода, энергообмена с окружающей средой [2]. Пилотирование и обслуживание этого искусственного космического объекта выполняет экипаж из шести космонавтов-операторов, которые работают в течение нескольких месяцев. Шлюзовая камера и поручни обеспечивают экипажу выход в открытый космос и перемещение по поверхности МКС. Таким образом, орбитальная станция (ОС) представляет собой достаточно изолированный обитаемый островок, функционирующий в космосе в агрессивной околоземной среде. Более того, при функционировании систем ОС внешние поверхности непосредственно взаимодействуют с собственной внешней атмосферой (СВА), которая формируется под воздействием продуктов сгорания топлива двигателей ориентации и коррекции МКС, двигателей транспортных космических аппаратов (КА), газообразных и пылевых выбросов из гермоотсеков (которые могут включать и микроорганизмы), утечки газов и пыли в процессе внекорабель-ной деятельности (ВКД), а также набегающего потока внешней среды. Взаимодействие СВА с конструкционными материалами ОС приводит к осаждению компонентов окружающей среды от перечисленных источников на поверхности станции, где образуется устойчивая осадочная среда, покрывающая и загрязняющая корпус МКС. Компоненты СВА попадают под экранно-вакуумную теплоизоляцию (ЭВТИ) в виде пыли, газа, ионизированных частиц. Это ведет к развитию цепочки микродеструктивных процессов (физико-химических, биохимических,
микробиологических), снижающих ресурсные характеристики ОС. Радиационные воздействия (особенно на микробиологические составляющие внешней среды) могут вызывать мутации и формирование вредных веществ, а возможно и патогенных форм микроорганизмов, попадание которых в гермоотсек опасно. Следовательно, состояние, структура и состав мелкодисперсной осадочной среды внешней поверхности МКС являются важными факторами безопасности и надежности эксплуатации орбитального космического объекта и требуют углубленного исследования, что и предполагалось выполнить в космическом эксперименте (КЭ) «Тест».
Постановка и задачи космического эксперимента «Тест»
В рамках Программы научно-прикладных исследований на МКС, как известно, выполнена серия экспериментов по изучению состава СВА (КЭ «Среда-МКС», «Атмосфера» и др.) и взаимодействия ее с конструктивными элементами ОС (КЭ «Плазма-МКС»), образования на поверхности пленки в окрестности двигателей (КЭ «Кромка»). В целях оценки выживаемости микроорганизмов выполнен КЭ «Биориск» [3]. Однако, указанный эксперимент носит узконаправленный характер по отношению к проблеме исследования высокодисперсной среды. Тест-микроорганизмы доставлялись на МКС в жизнеспособном состоянии и экспонировались ограниченное время, будучи помещенными в твердотельные оболочки, которые выполняли определенную защитную функцию.
Постановка КЭ «Тест» определена реальной возможностью проведения исследований состава и состояния накопленной за время длительного функционирования МКС микродисперсной среды на внешней поверхности с помощью инструмента, обеспечивающего стерильность и гермоизоляцию отобранных в ходе операции на внешней поверхности Российского сегмента (РС) МКС и возвращаемых на Землю образцов.
Цели КЭ «Тест» формулируются следующим образом:
• выявление признаков и причин развития микродеструкции гермокорпусов (в т. ч. под ЭВТИ) при взаимодействии с компонентами СВА, продуктами неполного сгорания топлива, летучими органическими соединениями (ЛОС), молекулами воды, а также при возникновении на внешней поверхности ОС агрессивных веществ и очагов коррозии, снижающих ресурсные характеристики модулей МКС;
• выявление возможных очагов существования жизнеспособных микробиологических объектов на внешней поверхности ОС и определение их роли в деструктивных процессах на МКС;
• исследование мелкодисперсного осадочного материала с поверхностей сложных элементов, из-под ЭВТИ, мест сопряжений различных форм, резиновых и пластиковых уплотнений, внешней поверхности модулей МКС для проведения многопараметрического анализа.
Каждая серия КЭ включает две фазы исследований: орбитальную и наземную. Задачи орбитальной фазы — отбор космонавтом-оператором в процессе ВКД проб-мазков осадочной среды с поверхности конструктивных элементов РС МКС, их полная гермоизоляция и доставка на Землю. Для реализации этой фазы используется специально разработанная и стерилизованная научная аппаратура (НА), характеристика которой будет приведена ниже.
Задача наземной фазы — проведение токсикологического, физико-химического, микробиологического и молекулярно-биологического анализов доставленных образцов осадочной среды с внешней поверхности МКС по верифицированным методикам профильных лабораторий в стерильных условиях.
Научная аппаратура космического эксперимента «Тест»
Для достижения поставленных целей необходимо использовать НА, отвечающую основным требованиям: стерильности прибора, полному исключению контаминации проб-мазков после отбора, их гермоизоляции и возможности их доставки в наземные лаборатории.
В КЭ «Тест» применяется специально созданная НА, выполненная в виде моноблока, имеющего две глухие цилиндрические полости, которые герметизируются при установке цилиндрических пробоотборников, снабженных закрепленными тампонами, обработанными консервантом. Прибор отвечает следующим техническим требованиям:
• соответствие функциональным возможностям космонавта-оператора в скафандре;
• сохранение работоспособности в условиях выведения, доставки на МКС и возвращения на Землю, а также воздействия вакуума, знакопеременных температур, микрогравитации;
• обеспечение стерильности и гермоизо-ляции полостей на всех этапах эксперимента.
На рис. 1 показано два общих вида НА в форме моноблоков, причем один изображен с выведенным пробозаборником. НА выполнена из отечественного высокотехнологичного материала «фторопласт-4» (ОСТ В 6-05-810-88) с рабочим диапазоном температур -269...+260 °С, обладающего тепло-, морозо- и химической устойчивостью, высокими диэлектрическими и антифрикционными свойствами, стойкостью к воздействию верхней атмосферы и солнечной радиации. «Фто-ропласт-4» не смачивается водой, не подвержен воздействию грибков, не поддерживает горение и непроницаем для жидкости. Этот материал обладает ключевым для КЭ «Тест» свойством — он не поглощает гамма-излучение, что позволяет стерилизовать устройство в собранном виде и, следовательно, исключить его контаминацию живыми организмами на поверхности Земли.
Рис. 1. Приборы «Тест» для отбора проб-мазков: 1 — моноблок в собранном виде; 2 — моноблок с выкрученным пробоотборником
Изготовленные устройства были верифицированы в процессе термовакуумных испытаний с нагревом и охлаждением до эксплуатационных температур и последующей проверкой на герметичность после каждого термоцикла, а также в процессе эргономических испытаний (рис. 2).
Рис. 2. Эргономическая оценка прибора «Тест» испытателем в скафандре
Реализация КЭ «Тест» и предварительные результаты анализа
Реализация КЭ начинается с выхода космонавта-оператора из шлюзового отсека в зону отбора пробы, где он:
• извлекает пробоотборник, при этом происходит естественное вакуумирование полости;
• осуществляет контакт тампона с намеченной точкой поверхности;
• аккуратно, не касаясь тампоном окружающих объектов и перчаток, вводит пробоотборник в полость и завинчивает его в открытом космосе до плотного касания конических поверхностей.
С завершением ВКД космонавт с моноблоком возвращается в шлюзовой отсек. Тампон остается в вакууме до вскрытия прибора в наземной лаборатории, что является важным моментом для исключения контаминации. При наддуве в процессе обратного шлюзования и возрастании давления в отсеке до 105 Па происходит дополнительное уплотнение конического стыка пробоотборник/моноблок атмосферой отсека. Моноблок укладывается в г1р1оск (пакет с замком) и находится в режиме хранения до возвращения на Землю.
Первая серия КЭ «Тест». 15 ноября 2010 г. член экипажа 25-й экспедиции на РС МКС Ф. Юрчихин в процессе внекорабельной деятельности произвел отбор проб-мазков в запланированных зонах (рис. 3): с гермообо-лочки модуля «Пирс» под откидным клапаном ЭВТИ; с пятен на поверхности ЭВТИ в зоне дренажных клапанов служебного модуля «Звезда». Два моноблока «Тест», содержащие четыре взятые пробы, были подготовлены к возвращению на Землю.
Рис.3. Расположение зон отбора проб-мазков на внешней поверхности РС МКС в космическом эксперименте «Тест»:
1 — функционально-грузовой блок «Заря»; 2 — исследовательский модуль «Пирс»; 3 — транспортный корабль «Союз ТМА-08М» (29.03.13 г.); 4 — малый исследовательский модуль «Поиск» (МИМ-2); 5 — служебный модуль «Звезда»; 6 — грузовой корабль «Прогресс М-17М» (31.10.12 г.); 7 — места отбора проб из-под ЭВТИ (2 этап КЭ «Тест»); 8 — места отбора проб (1 этап КЭ «Тест»); 9 — место отбора проб с иллюминатора (3 этап КЭ «Тест»)
Наземная фаза КЭ — лабораторные исследования отобранных проб — носила многоаспектный характер, а именно:
• анализ проб на гептил;
• химический анализ на легколетучие вещества;
• микробиологический анализ [4].
Анализ проб на гептил. Тампоны с мазками
погружались в 10 мл ацетона и выдерживались в течение одного часа. Затем тампоны изымались, а в раствор помещали ~1 г безводного СаС2 для осушивания и выдерживали в течение суток. Далее раствор упаривался до 100 мкл и анализировался на хроматографе «А^йв^СС 5973 МШ». Гептила и его производных не обнаружено во всех четырех пробах.
Анализ состава летучих органических соединений. Определение качественного и количественного состава летучих органических соединений проводилось методами термоде-сорбционной газовой хроматографии с масс-спектрометрическим анализом.
Анализ пробы, отобранной в зоне расположения дренажного клапана, показал наличие всех ЛОС, идентифицированных в атмосфере РС МКС, в концентрациях, в сотни и тысячи раз превышающих концентрации тех же соединений в атмосфере станции, в частности, бензола и стирола более 9,6±0,05 мг/м3 и 4,2±0,0 мг/м3 соответственно. Большинство ЛОС присутствуют и во всех остальных пробах, но в концентрациях на 2-3 порядка ниже. Все обнаруженные соединения не оказывают химического воздействия на металлическую поверхность корпуса, но могут служить питательной средой для микроорганизмов, способных вызывать биоповреждения неметаллических и металлических материалов, в частности, материала ЭВТИ.
При анализе экстрактов проб идентифицированы малолетучие поликонденсированные полиядерные гетероароматические соединения, что согласуется с результатами, полученными при моделировании эксплуатации МКС в ходе наземных испытаний с применением комплекса аналитических методов, включающих газовую хроматографию и масс-спектрометрию.
Микробиологический анализ. В рамках микробиологического анализа, выполненного с соблюдением правил асептики, проводился посев на поверхности плотных питательных сред. Для этого были использованы: трипказо-соевый агар (ТСА) и «голодный агар» — для бактерий; картофельно-декстрозный агар, среда Чапека с 30 и 15% содержанием сахарозы — для грибов.
Посевы термостатировались для бактерий — при температуре 37 °С в течение 1 сут на ТСА и 7 сут на «голодном агаре», а для грибов — при температуре 28 °С в течение 5-7 сут.
Жизнеспособных спор грибов во всех четырех пробах не выявлено. В пробе, взятой с поверхности ЭВТИ в зоне расположения дренажного клапана, были обнаружены жизнеспособные бактерии вида Bacillus Licheniformis. Данные микроорганизмы, за счет образования спор, высокоустойчивы ко многим неблагоприятным факторам внешней среды (высоким и низким температурам, воздействию ультрафиолета, изменению рН среды и др.). Они могут быть патогенными для человека и являться потенциальными биодеструкторами материалов различного химического строения, в т. ч. и материалов, используемых в космической технике. Локально создавшиеся зоны оптимального роста и развития микроорганизмов (температура, влажность, электромагнитная и радиационная обстановка, антропогенное загрязнение и др.) могут привести к быстрому размножению микроорганизмов данного вида и повреждению конструкции.
Вторая серия КЭ «Тест» была проведена 16 февраля 2012 г., когда бортинженер экспедиции МКС-30 О. Кононенко выполнил отбор проб-мазков с металлооболочки корпуса под ЭВТИ на модуле «Звезда». В целях исследования процессов возможного возникновения коррозии на внешней поверхности гермокорпуса станции было установлено содержание металла в доставленных пробах. Для анализа проб на наличие следов металлов, входящих в состав материала оболочки гермокорпуса, был использован метод масс-спектрометрии. Результаты проведенного анализа свидетельствуют о значительном (в 4,5 раза) превышении магния (Mg) в пробе по сравнению с алюминием. Это может свидетельствовать о возможном начале коррозионного процесса на внешней поверхности оболочки гермокорпуса, поскольку Mg в процессе развития коррозии первым выделяется из алюминий-магниевых сплавов.
Третья серия КЭ «Тест» включала отбор проб на поверхности модуля «Пирс» с оправы иллюминатора и в зоне границы стекло-оправа. Ее выполнил 22 августа 2013 г. космонавт А. Мисуркин (рис. 4).
шш
Рис. 4. Отбор проб с иллюминатора ВЛ2 модуля «Пирс»
Доставленные на Землю приборы были вскрыты в лаборатории молекулярной диагностики в ламинарном шкафу II степени биологической защиты (рис. 5). Манипуляции проводили в перчатках, оператор был оснащен маской и одноразовой одеждой для исключения контаминации.
Рис. 5. Вскрытие прибора «Тест» в ламинарном шкафу II степени биологической защиты в лаборатории молекулярной диагностики
Исследования смывов включали микробиологический анализ методом посева, моле-кулярно-биологический анализ на наличие нуклеиновых компонентов (ДНК и РНК) как маркеров присутствия микроорганизмов, исследования дисперсного состава проб с помощью метода динамического рассеяния. В табл. 1 представлены характеристики дисперсного состава смывов.
Таблица 1
дисперсный состав смывов с тампона и полости пробоотборника «тЕСт»
Смыв Положение максимума распределения по числу частиц (мкм)/доля фракции (%)
1 фракция 2 фракция 3 фракция 4 фракция
Тампон № 1 0,04/0,1 — 0,69/98 5,3/1,9
Полость № 1 0,17/22 0,33/75 — 4,8/3
Тампон № 2 0,11/32 0,44/36 0,84/20 5,5/12
Полость № 2 0,10/38 0,26/59 — 5,0/3
В результате исследований выяснилось следующее:
• в пробах с оправы иллюминатора и в пробах с границы стекло-оправа обнаружены спорообразующие бактерии вида Bacillus subtilis и Bacillus sphaericus;
• в процессе анализа в двух пробах (в образце смыва полости и в образце тампона) была обнаружена ДНК, кодирующая 165-рибосомальную бактериальную РНК;
• в обоих образцах были обнаружены ДНК экстремофильной бактерии рода Delfia sp. и ДНК бактерии рода Mycobacteria sp., морского гетеротрофного бактериопланктона.
Молекулярные исследования в наземной фазе КЭ «Тест» проводились по следующей методической схеме:
• пробоотборник вскрывался в лаборатории в ламинарном шкафу II степени защиты (полная изоляция воздушной среды и рабочей зоны);
• пробы концентрировались с использованием концентрирующих пробирок и мембраны (Amicon Ultra-5);
• концентрированные пробы (а также измельченная мембрана) использовались для образования суспендированного раствора доставленных в лабораторию проб космической пыли и суммарного выделения нуклеиновых кислот с применением неорганического носителя;
• подготовленные таким образом образцы кислот включали в процесс проведения поли-меразной цепной реакции (ПЦР) для размножения бактериологического материала, определения рода бактерий и генетической структуры.
В статье [5] приводится более подробное описание методической последовательности операций подготовки и проведения ПЦР с образцами космической пыли, секвенирования фрагментов ПЦР, анализ полученных нуклео-тидных последовательностей и построение филогенетической дендрограммы фрагментов.
Результаты филогенетического анализа последовательностей нуклеотидов (выполненного с помощью известных компьютерных программ) сравнивались с более чем 20 млн ДНК-последовательностей базы данных NCBI GenBank® и показали 100 %-ное совпадение материала проб с родом Delftia. Этот род обитает в различных земных природных условиях (донные отложения, активные илы, природные воды, морские экосистемы). Кроме того, в образцах космической пыли была обнаружена ДНК рода Mycobacteria, различные виды которого составляют до 40% биомассы гетеротрофного бактериопланктона. Полученная нуклео-тидная последовательность ПЦР-фрагмента образца пробы сравнивалась с последовательностью ДНК Mycobacteria, обнаруженной при исследовании образцов микрослоя прибрежной морской зоны российской Западной Арктики (Баренцево море, заповедник «Семь островов»). Сравнение результатов филогенетического анализа последовательности
нуклеотидов из космической пыли с базой данных ЫСБ1 СвиБаик® показало 99 %-ное сходство с микробактериями, присутствующими в природных водах.
В мировой практике до эксперимента «Тест» образцы с поверхности ОС не исследовались на наличие нуклеиновых компонентов (ДНК и РНК) как маркеров присутствия микроорганизмов. Результаты исследования проб-мазков на молекулярном уровне позволяют определить специфичность обнаруженных микроорганизмов, происхождение которых может быть связано:
• с контаминацией при создании и выведении ОС;
• с функционированием систем;
• с выносом наземных аэрозолей;
• с диспергированием поверхности;
• с космической пылью.
Наличие ДНК различных бактерий в пробах космической пыли с иллюминатора ВЛ2 модуля МИМ2 представлено в табл. 2.
Таблица 2
Наличие ДНК различных бактерий в пробах космической пыли с иллюминатора ВЛ2 модуля МИМ2
Место сбора Метка пробы Род
пыли Delfia sp. Mycobacteria sp.
Оправа Тампон № 1 + —
иллюминатора Полость № 1 + —
Граница Тампон № 2 + —
стекло-оправа Панель № 2 + +
Обнаруженные осадки микро- и наночас-тиц, пленочные образования (результат адгезионных процессов), а также жизнеспособные споры бактерий на внешней поверхности МКС подтверждают наличие физико-химических и биохимических предпосылок для развития деструктивных процессов. Бактерии выявлены только в зонах загрязнений поверхности, возможно служащих питательной средой для микроорганизмов или обеспечивающих «сцепление» с поверхностью.
Необходимо обратить внимание, что близкая по цели проблема изучалась NASA и японскими специалистами. Исследователи отбирали пробы-мазки на Земле перед пуском модуля с фермой [6] и в полете сравнивали данные с целью определения вероятности занесения биообъектов на другие космические тела (например, на Марс). Пробы в орбитальной фазе отбирались космонавтом в процессе ВКД с поручней фермы (доставленной КА Space Shuttle Discovery в марте 2009 г.)
ладонью перчатки скафандра, смывались дистиллированной водой, раствор помещался в патрон LOCAD PTS' Exploration и анализировался в полете. Сравнение анализов проб на Земле и в космосе показало более чем 50%-ное снижение количества эндоксинов glucan в космическом пространстве. Этот эксперимент носил поверхностный характер, подтвердил санитарное значение воздействия космических условий и не имел продолжения [7].
Итоги экспериментальных исследований и выводы
Реализованные к настоящему времени серии экспериментальных исследований в КЭ «Тест» обозначили экологическую проблему, связанную с функционированием изолированного автономного орбитального космического объекта и определением взаимодействия СВА с конструктивными элементами МКС. Обнаруженные осадки микро- и наночастиц, пленочные образования, а также жизнеспособные бактерии на внешней поверхности МКС позволяют говорить о наличии физико-химических и биохимических предпосылок для развития деструктивных процессов. При этом осадочный материал может оказаться питательной средой для обнаруженных живых бактерий, а также условием для размножения и образования плотных очагов коррозийных процессов. В результате взаимодействия внешней среды и конструктивных элементов МКС возникает основа для появления опасных (или просто ядовитых) веществ живой и неживой материи, которая может переноситься космонавтом в гермоотсек, что может представлять опасность.
Выполненные в процессе КЭ «Тест» исследования на внешней поверхности РС МКС обнаружили в составе собранных образцов ряд веществ, указывающих на существование предпосылок к развитию деструктивных процессов, а, следовательно, необходимости экологического мониторинга внешних конструктивных элементов станции.
Физико-химический анализ отобранных проб обнаружил на металлических поверхностях модулей следы кислот и повышенное содержание металлов, входящих в состав материала оболочки гермокорпуса. Повышенное содержание Mg в пробах указывает на возможное начало коррозийных процессов.
В результате микробиологических исследований проб-мазков с поверхности РС МКС впервые обнаружено наличие жизнеспособных бактерий семейства Bacillus Licheniformis, родов Delftia и Mycobacteria.
Взаимодействие микробиологических объектов на внешней поверхности станции с факторами окружающей среды (воздействие заряженных частиц, потоков гамма-, рентгеновского, УФ-излучений и т. д.) может привести к мутациям в их геномах. Такие явления представляют опасность для пилотируемых КА в долговременных автономных полетах. Устойчивость выявленных живых форм к воздействию внешней агрессивной среды позволяет говорить о биохимических предпосылках развития биокоррозии. Возникновение местных условий (например, под ЭВТИ) для размножения организмов может привести к ослаблению или даже повреждению конструкции гермоотсеков. Анализ космических проб на присутствие бактериальных ДНК, выполненный методом гнездовой ПЦР, показал присутствие наземных и морских родов микрофлоры на поверхности МКС. Это обстоятельство указывает на возможность существования каналов переноса обнаруженных организмов из стратосферы в ионосферу и далее на поверхность ОС, например, с восходящей ветвью глобальной электрической цепи. Этот неожиданный результат позволяет поставить вопрос о границе распространения биосферы Земли и сосредоточить усилия по развитию экспериментальных исследований в этом направлении на МКС. Для этого имеются необходимые предпосылки, поскольку станция, как автономный пилотируемый космический объект, является уникальным научным инструментом, обладающим значительной апертурой и, следовательно, именно поверхность конструктивных элементов МКС при взаимодействии с набегающим потоком будет с большей вероятностью аккумулировать следы этого взаимодействия, в т. ч. объекты микробиологического характера.
Простота конструкции прибора и процедуры отбора проб, малое время, затрачиваемое на операцию, позволяют поставить задачу проведения тотального мониторинга внешней поверхности всех модулей станции, включая транспортные корабли, которые изготавливались и выводились на орбиту из разных регионов Земли.
В реализации отбора проб перспективным представляется использование манипуляторов, имеющихся на борту МКС, в частности, «Стрела», ERA, DEXTER и Canadianarm 2, что может обеспечить отбор проб в зонах поверхности станции, труднодоступных для космонавтов при ВКД. Вопросы, решаемые в КЭ «Тест», имеют в настоящее время огромное теоретическое и практическое значение. Распространение обследования внешней поверхности на
все модули МКС и привлечение международных партнеров к решению поставленных в КЭ «Тест» задач значительно повысит уровень и значимость исследований.
заключение
Космический эксперимент «Тест» показал, что МКС, функционирующая в космосе более 15 лет в агрессивной околоземной среде, является уникальным объектом для экспериментальных исследований.
1. Осадки микро- и наночастиц, пленочные образования, а также жизнеспособные бактерии на внешней поверхности МКС подтверждают наличие физико-химических и биохимических предпосылок для развития деструктивных процессов.
2. МКС является научной площадкой (натурным образцом) для получения материаловедами достоверной информации о влиянии космических условий на различные конструкционные материалы. Эта информация является необходимой базой для разработки изделий с длительным сроком существования и высокой автономностью — например, для марсианского экспедиционного комплекса, лунной или марсианской, орбитальной или напланетной станций.
3. Внешняя поверхность модулей МКС является идеальной экспериментальной базой для исследования сохранения и выживаемости земных микроорганизмов в условиях открытого космического пространства и обеспечения планетарного карантина для экспедиционных комплексов.
4. Проведение эксперимента «Тест» на поверхности МКС позволило получить уникальные экспериментальные данные для решения проблемы определения верхней границы биосферы Земли и даже исследования механизма рассеивания биокосмозоля из биосферы Земли в космическое пространство (что является важнейшим вопросом современного естествознания).
5. Теоретические и практические следствия, которые возможно получить из результатов реализации и продолжения программы «Тест», могут привести к принципиально новым для земной цивилизации фундаментальным знаниям и должны рассматриваться как пролог и веха эмпирической экзобиологии.
Список литературы
1. Легостаев В.П., Марков А.В., Сорокин И.В. Целевое использование российского сегмента МКС: значимые научные результаты и перспективы // Космическая техника и технологии. 2013. № 2. С. 3-18.
2. Российский сегмент МКС. Справочник пользователя. Режим доступа: http://knts. tsniimash.ru/ru/src/CenterInfRes/iss_rs_guide. pdf (дата обращения 29.12.2014 г.)
3. Новикова Н.Д., Поликарпов Н.А., Сычев В.Н., Дешевая Е.А., Левинских М.А. Основные итоги и перспективы космического эксперимента «Биориск». Международная космическая станция. М: ИМБП РАН, 2011. Т. 2. С. 273-307.
4. Цыганков О.С., Афанасьев А.В., Шубра-лова Е.В., Новикова Н.Д., Дешевая Е.А., Поликарпов Н.А., Мухамедиева Л.Н. Микробиологические объекты на поверхности Международной космической станции // Полет. 2013. № 10. С. 50-56.
5. Сыроешкин А.В. Гребенникова Т.В., Лапшин В.Б., Южаков А.Г., Садыкова Г.К., Цыганков О.С, Шубралова Е.В., Шувалов В.А., Морозова М.А., Чичаева М.А., Головко А.В. Бактерии мирового океана и суши Земли в космической пыли на Международной космической станции: панспермия или ионосферный «лифт»?// Ге-лиогеофизические исследования. 2013. Вып. 5. С. 124-132.
6. Berger T., Hajek M., Bilski P., Korner C., Vanhavere F., Reitz G. Cosmic radiation exposure of biological test systems during the EXPOSE-E mission // Astrobiology. 2012. V. 12. №9 5. P. 387-392.
7. Kawaguchi Y., Yang Y., Kawashiri N., Shiraishi K., Takasu M., Narumi I., Satoh K., Hashimoto H., Nakagawa K., Tanigawa Y., Momoki Y.H., Tanabe M., Sugino T., Takahashi Y., Shimizu Y., Yoshida S., Kobayashi K., Yokobori S.I., Yamagishi A. The possible interplanetary transfer of microbes: assessing the viability of Deinococcus spp. under the ISS Environmental conditions for performing exposure experiments of microbes in the Tanpopo mission.// Orig. Life Evol. Biosph. 2013. Oct. 43(4-5). P. 411-428.
Статья поступила в редакцию 05.12.2014 г.
References
1. Legostaev V.P., Markov AV., Sorokin I.V. Tselevoe ispol'zovanie rossiiskogo segmenta MKS: znachimye nauchnye rezul'taty i perspektivy [The ISS Russian Segment utilization: research accomplishments and prospects]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2013, no. 2, pp. 3-18.
2. Rossiiskii segment MKS. Spravochnik pol'zovatelya [The ISS Russian Segment. User Manual]. Available at: http://knts.tsniimash.ru/ru/src/CenterlnfRes/iss_rs_guide.pdf (accessed 29.12.2014).
3. Novikova N.D., Polikarpov N.A., Sychev V.N., Deshevaya E.A., Levinskikh M.A. Osnovnye itogi i perspektivy kosmicheskogo eksperimenta «Biorisk». Mezhdunarodnaya kosmicheskaya stantsiya [The main results and prospects of space experiment Biorisk. International Space Station]. Moscow, IMBPRASpubl., 2011. Vol. 2, pp. 273-307.
4. Tsygankov O.S., Afanas'ev A.V., Shubralova E.V., Novikova N.D., Deshevaya E.A., Polikarpov N.A., Mukhamedieva L.N. Mikrobiologicheskie ob"ekty na poverkhnosti Mezhdunarodnoi kosmicheskoi stantsii [Microbiological objects on the International Space Station surface]. Polet, 2013, no. 10, pp. 50-56.
5. Syroeshkin A.V. Grebennikova T.V., Lapshin V.B., Yuzhakov A.G, Sadykova G.K., Tsygankov O.S., Shubralova E.V., Shuvalov V.A., Morozova M.A., Chichaeva M.A., Golovko A.V. Bakterii mirovogo okeana i sushi Zemli v kosmicheskoipyli na Mezhdunarodnoi kosmicheskoi stantsii:panspermiya ili ionosfernyi «lift»? [The world ocean and Earth land bacteria in cosmic dust on the International Space Station: panspermia or ionospheric «lift»?]. Geliogeofizicheskie issledovaniya, 2013, issue 5,pp. 124-132.
6. Berger T, Hajek M., Bilski P., Korner C, Vanhavere F, Reitz G. Cosmic radiation exposure of biological test systems during the EXPOSE-E mission. Astrobiology, 2012, vol. 12, no. 5, pp. 387-392.
7. Kawaguchi Y., Yang Y., Kawashiri N., Shiraishi K., Takasu M., Narumi I., Satoh K., Hashimoto H., Nakagawa K., Tanigawa Y., Momoki Y.H., Tanabe M., Sugino T., Takahashi Y., Shimizu Y, Yoshida S., Kobayashi K., Yokobori S.I., Yamagishi A. The possible interplanetary transfer of microbes: assessing the viability of Deinococcus spp. under the ISS Environmental conditions for performing exposure experiments of microbes in the Tanpopo mission. Orig. Life Evol. Biosph., 2013, oct., 43(4-5), pp. 411-428.
