Космическая биология

Космическая биология, комплекс преимущественно биологических наук, изучающих: 1) особенности жизнедеятельности земных организмов в условиях космического пространства и при полётах на космических летательных аппаратах (космическая физиология, экофизиология и экобиология); 2) принципы построения биологических систем обеспечения жизнедеятельности членов экипажей космических кораблей и станций (замкнутых экологических систем); 3) внеземные формы жизни (экзобиология). Космическая биология — синтетическая наука, собравшая в единое целое достижения различных разделов биологии, авиационной медицины, астрономии, геофизики, радиоэлектроники и многих др. наук и создавшая на их основе собственные методы исследования. Работы по Космическая биология ведутся на различных видах живых организмов, начиная с вирусов и кончая млекопитающими. Для исследований в космическом пространстве в СССР уже использовано свыше 56, а в США свыше 36 видов биологических объектов.

  В формировании научных основ Космическая биология, как и космической медицины, большую роль в СССР сыграли исследования Л. А. Орбели, В. В. Стрельцова, Н. М. Добротворского, А. П. Аполлонова, Н. М. Сисакяна, А. В. Лебединского, В. В. Парина, В. Н. Черниговского, О. Г. Газенко и др.; в США — Х. Армстронга, Р. Лавлейса, Х. Штругхольда, Д. Фликинджера, П. Кэмпбелла, А. Грейбила и др.; во Франции — Р. Гранпьера; в Италии — Р. Маргарин; в ФРГ — Ю. Ашоффа, О. Гауэра. В проведении биологических исследований в космическом пространстве, помимо СССР и США, участвуют также Франция, Италия и ФРГ. Однако наиболее значительный вклад в развитие Космическая биология сделан трудами учёных СССР и США. Первые биологические эксперименты в верхних слоях атмосферы и в космосе с использованием воздушных шаров начались в СССР и США в 1930-х гг. Кульминационным пунктом того периода явились генетические эксперименты, проведённые в 1935 на стратостатах «СССР-1-бис» и «Эксплорер-2» — США. Это была попытка выявить влияние космической радиации на процессы мутагенеза.

  Первоочередная задача Космическая биология — изучение влияния факторов космического полёта (ускорение, вибрация, невесомость, измененная газовая среда, ограниченная подвижность и полная изоляция в замкнутых герметичных объёмах и др.) и космического пространства (вакуум, радиация, уменьшенная напряжённость магнитного поля и др.). Исследования по Космическая биология ведутся в лабораторных экспериментах, в той или иной мере воспроизводящих влияние отдельных факторов космического полёта и космического пространства. Однако наиболее существенное значение имеют лётные биологические эксперименты, в ходе которых можно изучить влияние на живой организм комплекса необычных факторов внешней среды.

  По мере подъёма на высоту прежде всего изменяются условия дыхательного газообмена. Так, уже на высоте 15 км при барометрическом давлении около 87 мм рт. ст. дыхание невозможно даже при вдыхании чистого кислорода. На высоте 19,2 км в организме теплокровных животных начинается «закипание» жидкостей, т. к. барометрическое давление становится равным давлению водяных паров в жидких средах организма при 37 °С. На высоте 36—40 км вышележащий слой атмосферы оказывается недостаточным для поглощения первичного космического излучения и начинает проявляться его биологическое поражающее действие, а также воздействие ультрафиолетовых (УФ) лучей с длиной волны 3000—2100 . Однако вследствие слабой проникающей способности УФ радиации герметичная кабина космического корабля достаточно надёжно защищает находящиеся в ней биологические объекты от её действия. На высоте 100—120 км и более от поверхности Земли возникает, хотя и незначительная, опасность встречи с метеоритами. Еще выше, в связи с практически полным отсутствием атмосферы, исключаются условия для распространения звуковых волн, исчезает явление рассеяния света и создаются резкие контрасты между освещенными и затенёнными поверхностями; затруднено восприятие пространства, его глубины. На искусственном спутнике Земли (ИСЗ) возникает состояние динамической невесомости, т. к. сила притяжения Земли уравновешивается равной ей центробежной силой, развивающейся при полёте по орбите.

  Первым этапом биологических исследований, проводимых в СССР и США в 40—50-х гг. 20 в. в условиях, близких к космическому полёту, явились многократные полёты собак, обезьян и др. животных в ракетах на высотах до 500 км. В ходе этих опытов изучались возможности создания необходимых условий для жизни животных при полётах в герметичных кабинах (или в специальных скафандрах в негерметичных кабинах), разрабатывались средства и методы, обеспечивающие безопасность полёта, катапультирования и парашютирования с больших высот, изучалось биологическое действие первичного космического излучения. Полученные данные позволили сделать вывод о переносимости высокоорганизованными животными режимов ускорений при ракетном полёте и состояния динамической невесомости длительностью до 20 минут. Следующим этапом биологических исследований в космических полётах явился длительный полёт собаки Лайки на советском ИСЗ-2. Третий этап был связан с созданием возвращаемых на Землю космических кораблей-спутников (ККС), позволивших резко расширить программу исследований за счёт включения в «экипаж» кораблей ряда новых биологических объектов, а также провести многомесячные исследования животных и растительных объектов после полёта. Лётные эксперименты ставились на собаках, крысах, мышах, морских свинках, лягушках, мухах-дрозофилах, высших растениях (традесканция, семена пшеницы, гороха, лука, кукурузы, нигеллы, проростки растений в разных стадиях развития), на икре улитки, одноклеточных водорослях (хлорелла), культуре тканей человека и животных, бактериальных культурах, вирусах, фагах, некоторых ферментах и др. Во время полёта в кабине поддерживались нормальные барометрическое давление (760±10 мм рт. ст.) и температура (18±3 °С); содержание кислорода колебалось от 20 до 24%, относительная влажность воздуха — от 35 до 50%. Культуры тканей и др. биологические объекты находились в термостате с автоматическим регулированием температуры. Собаки получали в автоматических кормушках желеобразную пищу; мелкие лабораторные животные имели свободный доступ к пище и воде. Некоторые биологические объекты для повышения их чувствительности к облучению содержались в атмосфере, обогащенной кислородом. У собак методом радиотелеметрии регистрировали электрокардиограмму (ЭКГ), артериальный пульс, пневмограмму, фонокардиограмму, электромиограмму, сейсмограмму, температуру тела, двигательную активность, поведение (по данным телевизионного наблюдения). Во всех опытах выделялись группы контрольных животных, подвергавшихся тем же воздействиям, что и подопытные, за исключением невесомости.

  На участке выведения на орбиту у всех собак обнаружены типичные для действия ускорений учащение пульса и дыхания, постепенно исчезавшие после перехода корабля на орбитальный полёт. Наиболее важный непосредственный эффект действия ускорений — изменения лёгочной вентиляции и перераспределение крови в сосудистой системе, в том числе в малом круге, а также изменения в рефлекторной регуляции кровообращения. Нормализация пульса после воздействия ускорений в невесомости происходит значительно медленнее, чем после испытаний на центрифуге в условиях Земли. Как средние, так и абсолютные значения частоты пульса в невесомости были ниже, чем в соответствующих моделирующих опытах на Земле, и характеризовались выраженными колебаниями. Анализ двигательной активности собак показал довольно быструю адаптацию к необычным условиям невесомости и восстановление способности к координированным движениям. Такие же результаты были получены и в экспериментах на обезьянах. Исследованиями условных рефлексов у крыс и морских свинок после возвращения их из космического полёта установлено отсутствие изменений по сравнению с предполётными опытами.

  Биохимическими исследованиями крови и мочи собак, крыс и мышей, возвратившихся из полёта, установлены некоторые преходящие изменения, соответствующие проявлению стресс-реакций (см. Адаптационный синдром). У двух собак, совершивших космический полёт на ККС-2, после полёта установлены волнообразные колебания иммунологической реактивности с периодами депрессии и активации. Подобные, но менее выраженные колебания найдены и у собак, летавших на ККС-4 и ККС-5. Цитологическими и гистологическими методами у мышей, летавших на ККС-2, обнаружено увеличение хромосомных перестроек в клетках костного мозга, появление юных форм, некоторое угнетение кроветворения. Важными для дальнейшего развития экофизиологического направления исследований явились эксперименты на советском биоспутнике «Космос-110» с двумя собаками на борту (1966) и на американском биоспутнике «Биос-3», на борту которого находилась обезьяна (1969). Во время 22-суточного полёта собаки впервые подвергались не только влиянию неизбежно присущих космическому рейсу факторов, но и ряду специальных воздействий (раздражение синусного нерва электрическим током, пережатие сонных артерий и т. д.), имевших целью выяснить особенности нервной регуляции кровообращения в условиях невесомости. Кровяное давление у животных регистрировалось прямым путём (катетеризация сосудов). Трасса спутника «Космос-110» на каждом витке входила во внутренний радиационный пояс Земли. Вследствие этого на борту проводились дозиметрические измерения. Послеполётные исследования и анализ полученной информации показали, что длительный космический полёт сопровождается у высокоорганизованных млекопитающих развитием детренированности сердечнососудистой системы, нарушением водно-солевого обмена, в частности значительным уменьшением содержания кальция в костях (декальцинация).

  Во время полёта обезьяны на биоспутнике « Биос-3», продолжавшегося 8,5 суток, были обнаружены серьёзные изменения циклов сна и бодрствования (фрагментация состояний сознания, быстрые переходы от сонливости к бодрствованию, заметное сокращение фаз сна, связанных со сновидениями и глубокой дремотой), а также нарушение суточной ритмики некоторых физиологических процессов. Последовавшая вскоре после досрочного окончания полёта смерть животного была, по мнению ряда специалистов, обусловлена влиянием невесомости, которая привела к перераспределению крови в организме, потере жидкости и нарушению обмена калия и натрия.

  Генетические исследования, проведённые в орбитальных космических полётах, показали, что пребывание в космическом пространстве оказывает стимулирующий эффект на сухие семена лука и нигеллы (более быстрое прорастание и развитие сеянцев). Ускорение деления клеток было обнаружено на проростках гороха, кукурузы, пшеницы. В культуре устойчивой к радиации расы актиномицетов оказалось в 6 раз больше выживших спор и развивавшихся колоний, чем в контроле, тогда как в чувствительном к радиации штамме произошло снижение соответствующих показателей в 12 раз.

  На дрозофилах после полёта было проведено сравнение с контролем частоты летальных мутаций в Х-хромосоме, ведущих к ранней смерти, а также частоты первичного нерасхождения хромосом. Анализ статистически достоверного увеличения частоты сцепленных с полом рецессивных летальных мутаций, проведённый с сопоставлением суммарной дозы облучения во время полётов и с оценкой результатов специально поставленных наземных опытов, показал, что установленные генетические изменения нельзя объяснить только действием радиации. Следует предполагать комбинированное действие всех факторов полёта, в частности динамических (ускорения, невесомость, вибрации). Возможно, что некоторые факторы сенсибилизируют организм к одновременному действию других. Так, при проведении биологических экспериментов на американском биоспутнике «Биос-2» (1967), на борту которого находился искусственный источник гамма-излучения, было установлено, что невесомость у одних биообъектов повышала радиочувствительность, у других — снижала.

  Следующим этапом в осуществлении программы биологических исследований в космосе явились эксперименты, проведённые на трассе Земля — Луна — Земля. Опыты на этой трассе сделали возможным изучение (при отсутствии экранирующего влияния магнитных полей и атмосферы Земли) биологических эффектов ионизирующих излучений радиационных поясов Земли, а также тяжёлой компоненты первичного космического излучения и протонов солнечных вспышек. Исследования осуществлялись при полётах советских автоматических станций серии «3онд» с сентября 1968 по октябрь 1970. На борту станций размещали черепах, дрозофил, лук репчатый, семена растений, разные штаммы хлореллы, кишечной палочки и др. биологические объекты. Суммарная доза облучения во всех полётах была примерно одинаковой. После возвращения на Землю черепахи были активны: много двигались и ели. Исследования некоторых показателей крови (количество лейкоцитов, эритроцитов, гемоглобина) и ЭКГ не выявили существенных отличий у животных, побывавших в космосе, по сравнению с контрольными. Полёт стимулировал рост и развитие семян пшеницы, ячменя, лука, появление в них хромосомных нарушений. Эти изменения, как правило, не отличались от сдвигов, зарегистрированных в биологических объектах, побывавших на низких околоземных орбитах. Относительно большое число перестроек хромосом отмечалось у семян сосны, ячменя, увеличение числа мутантов — у хлореллы.

  Комплекс экспериментов с различными биообъектами (семена, высшие растения, икра лягушек, микроорганизмы и т. д.) был проведён на советском ИСЗ «Космос-368» (1970), ККС «Союз» и первой в мире орбитальной станции «Салют» (1971); западногерманский эксперимент с медицинскими пиявками — на высотных ракетах США и Франции (1970), совместный итало-американский эксперимент с лягушками — на спутнике OFA (1970); микробиологический эксперимент на поверхности Луны был выполнен экипажем американского космического корабля «Аполлон-16» (1972).

  В результате проведённых биологических исследований на высотных и баллистических ракетах, ИСЗ, ККС и др. космических летательных аппаратах установлено, что человек может жить и работать в условиях космического полёта сравнительно продолжительное время. Показано, что невесомость снижает переносимость организмом физических нагрузок и затрудняет реадаптацию к условиям нормальной (земной) гравитации. Важный результат биологических исследований в космосе — установление того факта, что невесомость не обладает мутагенной активностью, по крайней мере в отношении генных и хромосомных мутаций. При подготовке и проведении дальнейших экофизиологических и экобиологических исследований в космических полётах основное внимание будет уделено изучению влияния невесомости на внутриклеточные процессы, биологическим эффектам тяжёлых частиц с большим зарядом, суточной ритмике физиологических и биологических процессов, комбинированным воздействиям ряда факторов космического полёта.

  Следующая важнейшая проблема Космическая биология (как и космической медицины) — разработка биологических основ и принципов обеспечения нормальной жизнедеятельности человека в условиях длительного пребывания в космосе. Лишь на этой основе может быть создана эффективная система жизнеобеспечения (см. Жизнеобеспечение в космическом полёте).

  Экспериментальное подтверждение отсутствия жизни на Луне (основано на изучении лунного грунта) — первый важный результат в области следующего раздела Космическая биология — экзобиологии.

  Исследования по Космическая биология позволили разработать ряд защитных мероприятий и подготовили возможность безопасного полёта в космос человека, что и было осуществлено полётами советских, а затем и американских кораблей с людьми на борту. Значение Космическая биология этим не исчерпывается. Исследования в области Космическая биология будут и впредь особенно нужны для решения ряда вопросов, в частности для биологической разведки новых космических трасс. Это потребует разработки новых методов биотелеметрии, создания вживляемых устройств для малой телеметрии (от объекта до бортового передатчика), превращения различных видов возникающей в организме энергии в необходимую для питания таких устройств электрическую энергию, новых методов «сжатия» информации и др. Чрезвычайно важную роль Космическая биология сыграет и в разработке необходимых для длительных полётов биокомплексов, или замкнутых экологических систем с автотрофными и гетеротрофными организмами.

  Первая публикация о результатах советских биологических экспериментов в космосе была сделана в 1956. Материалы по биологическим и медицинским исследованиям издаются в СССР в сборниках трудов института медико-биологических проблем министерства здравоохранения СССР, в журнале АН СССР «Космические исследования», в многотомном издании «Проблемы космической биологии», в журналах «Космическая биология и медицина», «Авиация и космонавтика» и др., за рубежом — в периодических изданиях «Aerospace Medicine», «Bioscience», «Rivista di Medicina Aeronauticae Spaziale», «Space Flight», «Space Life Sciences».

  Космос становится ареной международного сотрудничества. Это распространяется и на Космическая биология СССР проводит совместные исследования в области Космическая биология с социалистическими странами по программе «Интеркосмос». Ведётся работа по созданию совместного советско-американского труда «Основы космической биологии и медицины». В 1972 подписано соглашение между правительствами СССР и США о сотрудничестве в исследовании и использовании космического пространства в мирных целях, которое предусматривает, в частности, сотрудничество в области Космическая биология

 

  Лит.: Циолковский К. Э., Путь к звёздам, М., 1960; Газенко О. Г., Некоторые проблемы космической биологии, «Вестник АН СССР», 1962, №1; Сисакян Н. М., Газенко О. Г., Генин А. М., Проблемы космической биологии, в кн.: Проблемы космической биологии, т. 1, М., 1962; Ларин В. В., Баевский Р. М., Некоторые проблемы современной биологической телеметрии, «физиологический журнал СССР», 1964, т. 50, №8; Газенко О. Г., Космическая биология, в кн.: Развитие биологии в СССР, М., 1967; Газенко О. Г., Парфенов Г. П., Результаты и перспективы исследований в области космической генетики, «Космическая биология и медицина», 1967, т. 1, № 5; Adey W. R., Hahn P. М., Introduction — Biosatellite III results, «Aerospace Medicine», 1971, v. 42, № 3, p. 273—80; Grandpierre R., Space biology tests in March 1967. [Les experiences de biologic spatiale de Mars 1967], «Revue de medicine aéronautique et spatiale», 1968, t. 7, p. 217—219; Jenkins D. W., USSR and US bioscience, «Bioscience», 1968, v. 18, № 6, p. 543; Lotz R. G. A., Extraterrestrische Biologic, «Urnschau in Wissenschaft und Technik», 1972, Jg. 72, Н. 5, S. 154—57; Young R. S., Biological experiments in space, «Space Science Reviews», 1968, v. 8, № 5—6, p. 665—89.

  В. В. Ларин.