CC BY
10
Исследовательские работ школьников
Авторы:
Сергеева
Валентина Викторовна,
ученица 9-го класса Университетской гимназии МГУ имени М. В. Ломоносова, г. Москва
e-mail: servalentine@ yandex.ru
Прокофьев Иван Дмитриевич,
ученик 11-го класса Университетской гимназии МГУ имени М. В. Ломоносова, г. Москва
e-mail: ivanprokoff@ school.msu.ru
Стратосферный спутник
Stratospheric Satellite
Аннотация: Целью нашего исследования являлось изучение регенерации планарий Dugesia tigrina и развития мальков Danio rerio под воздействием и после воздействия различных факторов стратосферы, а также создание стратосферного спутника как платформы для проведения экспериментов. Актуальность данного исследования обуславливается повышением значимости задачи транспортировки живых объектов с Земли на космические станции или другие планеты, а именно поиском оптимальных условий для обеспечения выживаемости различных видов живых организмов в космосе.
Ключевые слова: мальки Danio rerio, планарии, спутник, эксперимент в стратосфере
Abstract. The purpose of our research was to study regeneration of brown planaria (Dugesia tigrina) and development of Danio rerio lavrae under the various stratospheric factors and after the exposure. Also, the purpose was to study creation of a stratospheric satellite as a platform for experiments. The relevance of this study is due to the increasing importance of the transporting mission of living objects from Earth to space stations or other planets, namely, the search for optimal conditions to ensure the survival of various species of living organisms in space.
Keywords: Danio rerio lavrae, planaria, satellite, experiment in the stratosphere
Стратосфера — это слой атмосферы, расположенный на высоте от 11 до 50 километров. Ракеты пролетают через него за считанные секунды, самолеты очень редко добираются туда, а о людях и говорить нечего. Стратосфера очень опасна своими суровыми условиями, такими как низкое давление и температура, а также сильная солнечная радиация, поэтому ее часто называют ближним космосом. Но именно это и привлекает исследователей — в стратосфере можно провести большое количество экспериментов. Поэтому нашей целью было разработать стратосферный спутник в качестве платформы для научных исследований и непосредственно эти исследования провести.
Наши пассажиры
Первыми нашими пассажирами стали планарии Dugesia tigrina и мальки Danio rerio.
Стратосферный спутник
Сергеева Валентина, Прокофьев Иван
Danio rerio — вид пресноводных лучеперых рыб семейства карповых. Отличительной особенностью этого вида является быстрое развитие, что делает их крайне популярными для научных изысканий. В одном из исследований, проведенных с мальками Danio rerio, было выяснено следующее: «Взаимодействие между UV-B и температурой нарушало развитие эмбрионов рыбок Данио рерио и нарушало их метаболизм» [Aksakal, Ciltas, 2018].
Планарии Dugesia tigrina — вид плоских червей, регенерирующий клетки. Ученые, которые исследовали развитие и регенерацию планарий под воздействием различных температур и доз ультрафиолета UV-B выяснили, что «гипотеза об адаптивной ценности регенерации подвергается сомнению ввиду того факта, что несколько видов планарий фактически живут и размножаются при температурах значительно ниже предусмотренных для регенерации» [Br0ndsted, Br0ndsted, 1961].
Данные живые организмы имеют ряд интересных свойств, поэтому в ходе исследования было выдвинуто несколько гипотез:
• предположительно, мальки Danio rerio могут впасть в состояние анабиоза;
• облучение радиацией и ультрафиолетом негативно сказывается на регенерации клеток планарий Dugesia tigrina. Для успешного проведения эксперимента были изучены все
факторы, влияющие на живые объекты во время полета. Было рассчитано потребление кислорода на каждого живого объекта во избежание летального исхода из-за нехватки кислорода. Были найдены специальные пробирки, которые соответствовали всем требованиям для обеспечения комфортного полета. Пробирки были помещены как внутрь спутника, так и снаружи, чтобы обеспечить более высокие перепады температур.
Инженерная составляющая проекта
На основе собранных данных была спроектирована спутниковая платформа с набором необходимых для фиксирования и хранения параметров среды датчиков и инструментов. Перед инженерами стояло несколько задач — например, размещение пробирок с живыми организмами внутри и снаружи устройства (для этой цели были применены технологии SD-моделирования и SD-печати) или установка разного рода датчиков: газоанализаторов, УФ-датчика, барометра, термометров, счетчика Гейгера, датчика GPS. Для каждого модуля было необходимо разработать прошивку и обеспечить их совместную работу через головную плату. Были изучены различные библиотеки для работы с дополнительными модулями, проделана большая работа с микроконтроллерами. Также для наблюдения за запусками платформы была собрана (при сборке использовались металлические
Научные руководители:
Радченко Владимир Вячеславович,
кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией общего и специального практикума НИИЯФ МГУ имени М. В. Ломоносова
Ефремов Денис Иванович,
генеральный директор компании «Стратонав-тика»
Аuthors:
Valentina Sergeeva,
Student of the 9th grade of Lomonosov Moscow State University Gymnasium, Moscow
Ivan Prokofiev,
Student of the 11th grade of Lomonosov Moscow State University Gymnasium, Moscow
Research advisors:
Vladimir Radchenko,
Ph. D. in Physics and Mathematics, Head of the Laboratory of the General and Special Workshops, Lomonosov Moscow State University
Denis Efremov,
CEO of the Stratonautica company
Исследовательские работ школьников
конструкции и технологии SD-печати) и запрограммирована поворотная приемная станция, которая ориентируется на спутник в течение всего полета, исходя из его положения по GPS и значения высоты. Такой механизм станции помог увеличить качество сигнала и дальность передачи данных. Инженеры изучали зубчатые и ременные передачи, шаговые двигатели, основы небесной механики, чтобы получить формулы для вычисления азимута и высоты. Впоследствии было разработано веб-приложение с использованием Python, Java Script и CSS, которое визуализирует полученные со спутника данные. Приложение может работать как со статическими данными, так и со значениями, получаемыми прямо во время запуска.
Первый запуск
Наступило время первого запуска. На спутнике были запущены и получены 4 пробирки (2 сосуда внутри аппарата и 2 снаружи) с живыми объектами (1 малек и 2 планарии снаружи спутника, 2 малька и 3 планарии внутри спутника).
Мальки и планарии за время полета были подвержены:
• радиации (максимальный показатель составил
731,1 мкР/ч, обычный показатель на Земле — 15-20 мкР/ч);
• ультрафиолетовому излучению;
• перепадам температур (-14... +50 °С внутри спутника,
-45,7... +27,6 °С снаружи);
• механическим воздействиям.
К сожалению, не все биологические объекты пережили стратосферный полет. Планарии умерли от разрушения клеток из-за сильных механических ударов о стенки пробирок. По записям с камер было установлено, что малек, находящийся снаружи спутника, окончательно прекратил свою двигательную активность за высотой 15 км и при температуре -20 °С. Предположительной причиной является влияние экстремально низких температур. Малек впал в состояние анабиоза, но через 8 дней после полета умер, т. к. еще через 3 дня начался процесс разложения. Такой вывод был сделан из того, что обычно процесс разложения мальков начинается спустя 2-4 дня после смерти. Учеными было установлено: «Физиологические адаптации, необходимые этим животным и растениям для выживания в экстремальных условиях без заметной скорости метаболизма, как правило, сложны и специфичны» [Withers, Cooper, 2008]. Основываясь на этом, можно предположить, что мальки Danio rerio не только могут впадать в анабиоз, но и имеют особенности строения, позволяющие им выживать при низких температурах.
Один из мальков, находящихся внутри спутника, умер на высоте 20 км и при температуре -10 °С. Процесс разложения начался через 2 дня после запуска. Второй малек, находящийся
Стратосферный спутник_
I Сергеева Валентина, Прокофьев Иван
внутри спутника, успешно пережил весь полет, но очень сильно ударился при приземлении спутника. Удар был смертельным. Кроме того, все мальки потеряли черный пигмент в меланоци-тах, стали серыми и полупрозрачными (предположительная причина — облучение большой дозой радиации и ультрафиолетового излучения).
Спутник, приемная станция и приложение достойно показали себя на первом запуске. Все системы работали корректно и без критических перебоев. В ходе работы удалось создать полностью работающую приемную станцию для спутника и сам спутник, достичь высоты 25 километров 700 метров, получить все необходимые данные и разработать веб-приложение с полной телеметрией устройства.
Выводы
1. Для реализации подобных биологических экспериментов с меньшим процентом смертности необходима специальная капсула, защищающая живые объекты от механических повреждений и обеспечивающая их жизнедеятельность.
2. Мальки Danio rerio способны переживать перепады температур (-14... +50 °С) в небольших временных промежутках.
3. Подтверждена гипотеза о возможности мальков Danio rerio впадать в состояние анабиоза при низких температурах.
Планы
Наш проект планирует продолжить исследования в области воздействия условий стратосферы на живые организмы. Например, следующий запуск мы планируем сделать с перепелиными яйцами. Кроме того, перед инженерами встала задача обеспечения мягкой посадки аппарата на землю и сохранения целостности живых объектов на борту спутника. 1Ш
Литература:
Добровольский, 2012 — Добровольский П. В. Расчет зубчатых и червячных передач — Омск: Издательство ОмГТУ, 2012.
Серапинас, 2001 — Серапинас Б. Б. Геодезические основы карт — М.: МГУ, 2001. С. 133. Aksakal, Ciltas, 2018 — Aksakal, F. I., Ciltas, A. The impact of ultraviolet B (UV-B) radiation in combination with different temperatures in the early life stage of zebrafish (Danio rerio) // Photochemical & Photobiological Sciences, 2018. P. 35-41.
Br0ndsted, Br0ndsted, 1961 — Bmndsted, A., Bmndsted, H. V. Influence of Temperature on Rate of Regeneration in the Time-graded Regeneration Field in Planarians // Journal of Embryology and Experimental Morphology, 1961.
Pandas Documentation — Pandas Documentation // URL: https://pandas.pydata.org/docs/ (дата обращения: 17.10.2022)
Plotly Dash Documentation — Plotly Dash Documentation // URL: https://dash.plotly.com/ (дата обращения: 17.10.2022)
Withens, Cooper, 2008 — Withens, P. C., Cooper, C. E. Dormancy // Encyclopedia of Ecology 2008, P. 952-957
