Часть 2. Биологические исследования на микроорганизмах и растениях

За почти 40-летний период исследований про- и эукариот по программе «Бион» были достаточно детально изучены изменения их биологических свойств, происходящие под влиянием факторов космического полета. В последние годы основное внимание уделяется исследованию механизмов происходящих под действием факторов космического полета структурно-функциональных изменений на клеточном и молекулярном уровнях. Интенсификации таких исследований способствует появление современных методов молекулярной биологии, позволяющих идентифицировать гены в различных клетках и изучать модификацию их экспрессии в результате влияния факторов полета. Поэтому разработанная программа предусматривает проведение экспериментов с культурами микроорганизмов и микробными ассоциациями, а также с высшими растениями на генетическом и молекулярном уровнях для решения задач планетарного карантина, астробиологии, космической биотехнологии, регенеративных систем жизнеобеспечения и физиологии.

Программа имеет пять различных направлений фундаментального и прикладного характера:

1. Проведение исследований в интересах астробиологии (исследование возможности сохранения жизненной активности термофильных микроорганизмов и лишайников в минералах при экспозиции в открытом космосе), а также стабильности микробных ассоциаций в естественных локусах.
2. Получение данных о биологических свойствах микроорганизмов, экспонирующихся в условиях открытого космоса, получение данных о возможности сохранения жизнеспособности термофильных культур при прохождении их минерального носителя через плотные слои атмосферы.
3. Оценка влияния факторов космического полета на биологические свойства некоторых биотехнологически ценных культур
4. Оценка эффективности микробной декомпозиции органических субстратов в условиях космического полета.
5. Исследование влияния факторов космического пролета на свойства высших растений.

Микробиологические эксперименты представляют важность с точки зрения экзобиологии и планетарного карантина. Экзогенная микробиота, а также земная микробиота, контаминирующая внешние объекты космического корабля может носить плазмиды, детерминирующие различные свойства. Под влиянием космического полета эти свойства могут изменяться, что может повлиять на эпидемиологическую обстановку.

Предполагается выполнить следующие задачи:

• Оценить особенности рекомбинции генов стрептомицет и частоту передачи экстрахромосомных факторов наследственности.
• Изучить продукцию антибиотиков культурами стрептомицет.
• Изучить лизогенные свойства стрептомицет.
• Изучить влияние факторов космического полета на биологические свойства микроорганизмов.

Особую группу микробиологических исследований составляют исследования свойств бактерий-хищников в условиях космического полета. Естественные компоненты экосистемы грамотрицательные бактерии-хищники, относимые к роду Bdellovibrio, паразитируют на других грамотрицательных бактериях, включая патогенов, вызывая их гибель. Их особенностью является способность инфицировать и размножаться внутри других бактерий.

По данным ЮНЕСКО около 500 млн. человек ежегодно заболевают инфекционными болезнями, заражаясь из загрязненных водных источников, следовательно, возрастающий в последние годы уровень экологически опасных бактерий в природе стимулирует проведение исследований эффекта бделловибрионов на устранение микробного загрязнения. Патогенные бактерии, загрязняя воду, представляют опасность распространения инфекционных заболеваний, а бделловибрионы, как постоянные обитатели водоемов, могут размножаться на микробных патогенах, уменьшая при этом их численность и снижая риск появления инфекции. Хищные бактерии имеют широкий потенциал для использования: проведение экотоксикологического мониторинга, деконтаминация сточных вод, очистка загрязненных открытых водоемов, в медицине, лечении растений и животных, сохранении качества пищевых продуктов, а также в решении проблемы антибиотерроризма. В настоящее время нами проводятся исследования хищных бактерий, имеющие конечную цель - их применение.

Эксперименты, посвященные исследованиям почв, преследуют следующие цели:

• Статистическое подтверждение ранее полученных результатов о влиянии условий полета на численность жизнеспособных гетеротрофных микроорганизмов.
• Проведение модельных экспериментов по изучению влияния ионизирующих излучений низкой интенсивности на микроорганизмы в составе исследуемых образцов почв.
• Проведение комплексных экспериментов для оценки воздействия групп факторов на микрофлору исследуемых образцов почв.
• Оценку чувствительности микроорганизмов к различным факторам (группам факторов) в зависимости от возраста образца мерзлоты.
• Количественное описание функционирование почвенной биоты в естественных условиях (для чернозема типичного);
• Оценку состояния и функций биогеноза (выделение углекислого газа и пр.) в естественных условиях при адсорбции микроорганизмов почвенными частицами и в условиях отсутствия силы тяжести;
• Оценку влияния перераспределения влажности в почвенном монолите, изменения доступности почвенной влаги для почвенной биоты в условиях отсутствия силы тяжести.

Большой интерес представляют исследования абиогенного (в отсутствие живых организмов) синтеза сложных соединений, в том числе природных полипептидов и нуклеотидов. В числе наиболее важных результатов ожидается идентификация в реакционной смеси ряда новых, более сложных соединений: полипептидов из двух и более мономеров после облучения аминокислот и нуклеотидов после облучения нуклеозида и фосфата. Усложнение исходных соединений и полимеризация свидетельствуют о положительном воздействии космических источников энергии на биоорганические молекулы. Ожидается, что наличие минеральных подложек окажет положительное воздействие на ход эксперимента в результате механического и автокаталитического защитного эффекта. Это воздействие выражается в увеличении количества синтезированных соединений по сравнению с контролем и в большем количестве оставшихся исходных веществ в реакционной смеси по сравнению с полётными контролями – образцами, не содержащими минеральных включений.

Большую группу составляют исследования влияния факторов космического полета на свойства высших растений. Предусмотрены следующие исследования:

• Исследование ростовых и морфогенетических процессов гравичувствительных культур протонемы зеленых мхов в условиях космического полета на поверхности плотной среды в темноте.
• Исследование характеристики распределения амилопластов в апикальных клетках протонем мхов.
• Экспериментальное обоснование условий наземного моделирования микрограви-тации для протонем мхов на вертикальном клиностате.

В качестве биологического экспериментального материала для полетного эксперимента будут использованы культуры протонем мхов Physcomitrella patens (Hedw.) B.S.G. и Ceratodon purpureus (Hedw.) Brid., которые являются новейшими растительными модельными системами для космических экспериментов, в которых будут исследованы ростовые клеточные реакции высших растений в условиях микрогравитации.

В процессе проведения космического эксперимента будут установлены клеточные механизмы формирования новых ростовых паттернов клеток высших растений, вызываемых существенной элиминацией вектора гравитации. Полученные результаты внесут вклад в решение одной из центральных проблем биологии и землеведения, связанной с гравитропизмом высших растений. Предполагается получение новых данных о роли цитоскелета в распределении грависенсорных органелл и генерации ростовых реакций высших растений.

Результаты могут объяснить роль гравитации в организации и функционировании биогеоценоза, значение этого фактора в пространственном расположении микроорганизмов и других представителей почвенной биоты в связи с перераспределением разных форм почвенной влаги (сорбированной, капиллярной, гравитационной и др.).

Кроме исследований мхов предполагается исследовать свойства лекарственных растений на примере на примере плодов расторопши пятнистой, семян мелиссы лекарственной, семян лимонника китайского.

В настоящее время, не смотря на очевидные успехи космических исследований в области биологии растительных организмов, представляется не до конца изученным вопрос по детальному исследованию химического состава лекарственных растений, особенно в плане содержания биологически активных соединений (БАС), имеющих медицинское значение. Проблема представляется актуальной не только с фундаментальных позиций (углубленное фитохимическое изучение по аналоги с детализацией исследований на субклеточном уровне живых организмов), но и в прикладном отношении: лекарственные растения как источник БАС (в частности с антимикробной активностью) в условиях космических полетов, возможность влияния факторов космического полета на процессы онтогенеза растений в части морфолого-анатомических признаков и сохранения нативного комплекса БАС или его изменения (желательного, нежелательного), включая появление сверхпродуцентов в последующих поколениях и некоторые другие аспекты.

Отдельная группа исследований сформирована биотехнологическими исследованиями. Исследования двух звеньев декомпозиции органических веществ in vitro в условиях полета на КА «Бион-М №1» позволит разработать технологии утилизации отходов на пилотируемых космических кораблях.