Микробы в космосе: как бактерии могут помочь в обеспечении дальних космических

microportal — 08.02.2025

До сих пор микроорганизмы были объектами исследований или контаминантами на космических станциях, но могут ли они помочь в более длительных полетах?

Микроорганизмы поднялись с мыса Канаверал 25 июля 2019 года и направились к Международной космической станции, расположенной на высоте около 400 километров. Их миссия: отважно заняться разработкой базальта на низкой околоземной орбите, где до этого не добывали живые организмы. Через пять дней после взлета астронавт Лука Пармитано распаковал картриджи с микробами и установил их в инкубатор. Бактерии получили жидкую среду для роста плюс исландский базальт из которого, как надеялись земные экспериментаторы, они смогут извлечь ценные редкоземельные элементы.

Когда Пармитано, астронавт Европейского космического агентства, думает о микробах, он в основном беспокоится о том, как они могут навредить ему и как предотвратить загрязнение ими безжизненных сред, таких как Луна. Но по мере того как космические агентства выходят за пределы низкой околоземной орбиты космической станции, ученые говорят, что микробы могут взять на себя новые полезные функции, включая добычу полезных элементов, производство продуктов питания и лекарств, а также создание строительных блоков для среды обитания.

«Микроорганизмы могут выполнять множество различных задач», - рассказывает космический микробиолог Роза Сантомартино, содиректор британского Центра астробиологии при Эдинбургском университете и один из организаторов исследования в рамках которого микробы были отправлены на орбиту в 2019 году. «Особенно микроорганизмы будут важны в долгосрочных и дальних космических экспериментах, - добавляет она. Это связано с тем, что чем дальше путешествуют космонавты, тем сложнее и дороже становится доставлять все необходимые им припасы. Международная космическая станция закроется в 2030 году, но космическая станция «Лунные врата», которая будет вращаться вокруг Луны, откроется в 2028 году или около того; Марс и, возможно, астероиды также не за горами. Поэтому проектировщики ищут способы производить все необходимое из того, что уже имеется в пункте назначения и перерабатывать отходы.

Микробы, которые эволюционировали на Земле, чтобы выполнять всевозможные химические превращения, могут стать большим подспорьем в такой работе. Но еще многое неизвестно о том, как микробы будут реагировать на условия в космосе и даже базовые эксперименты могут оказаться сложными для проведения. «Нам предстоит еще многое сделать, чтобы понять, что микробы будут делать там, чего они не будут делать, и как мы можем заставить их делать то, что нам нужно» - говорит Шерил Никерсон, микробиолог из Университета штата Аризона.

Многофункциональные микроорганизмы

Исследователи предсказывают множество задач для микробов в космосе, включая производство кислорода для дыхания, очистку воды для питья и снабжение питательными веществами сельскохозяйственных растений. В Исследовательском центре NASA, биолог-синтетик Линн Ротшильд работает с почвенными бактериями Bacillus subtilis. Выносливый микроб, способный образовывать долгоживущие споры, B. subtilis уже доказал, что может выжить в экстремальных условиях космического путешествия. Ротшильд надеется использовать его для восстановления токсичных соединений называемых перхлоратами, которые естественным образом присутствуют в марсианских источниках воды, и для производства лекарств.

Во время полета на Марс, который может занять около трех лет, включая 18 месяцев в пути и время на поверхности планеты, астронавтам может потребоваться некоторое количество лекарств, чтобы работать и ждать, когда планеты выровняются для обратного путешествия. Например, могут пригодиться лекарства, которые будут противостоять повреждению костей от солнечной радиации. «Вы не можете взять с собой целую аптеку», - поясняет Ротшильд. «И даже если бы вы могли, они испортятся». Она и другие ученые надеются сконструировать бактерии, которые будут производить все необходимые лекарства по требованию и в пути.

В то время как Ротшильд представляет себе библиотеку высохших спор B. subtilis, готовых к оживлению и выделению лекарств, ученые из Калифорнийского университета рассматривают другую группу микробов, называемых цианобактериями. Эти организмы обладают фотосинтезом, поэтому они будут использовать солнечный свет и углекислый газ, уже присутствующий в марсианской атмосфере. В качестве бонуса фотосинтез производит то, что еще понадобится астронавтам - кислород.

Биоинженер Адам Аркин и его коллеги создали с помощью цианобактерий Arthrospira platensis, широко известных как спирулина, синтез болеутоляющего парацетамола (ацетаминофена). Чтобы заставить спирулину превращать аминокислоту тирозин в лекарство, нужно добавить всего два гена - один от бактерии, а другой от грибка. Аркин предполагает, что если удастся заставить микробы производить достаточное количество препарата, то астронавты смогут отказаться от химической очистки и употреблять микробы прямо в пищу - в виде смузи, - чтобы снять головную боль. Но, признает он, есть одно существенное гастрономическое препятствие: «Вам придется съесть много спирулины. А я вам гарантирую, что никто не захочет съесть много спирулины. По вкусу она напоминает подмышки».

Лунный цемент

Микробы также могут производить строительные материалы и даже среду обитания. Для строительства жилья Ротшильд использует грибки или то, что ее сотрудники называют микоархитектурой. Грибки могут превращать сырье, например древесную стружку или, возможно, какой-нибудь питательный гидрогель, в длинные нити, называемые гифами. Такой материал будет обладать множеством преимуществ, в том числе блокировать излучение и звук, а также быть относительно огнестойким. Ротшильд говорит, что он даже выглядит «уютно», как ДСП - более по-домашнему, чем, скажем, стальные стены. Она и ее коллеги представляют себе, как они отправляют надувные формы для обитания, предварительно засеянные грибками и их пищей; просто добавьте воду и кислород, а грибки сделают все остальное.

В Индийском научном институте инженер-механик Алок Кумар думает о более традиционном строительном материале - кирпичах. Реголит, рыхлая горная порода и пыль, покрывающая коренные породы Марса и Луны, - это скорее песок, чем глина, а на Луне глины вообще нет, - поэтому песку нужна помощь, чтобы склеиться. Кумар предлагает использовать Sporosarcina pasteurii. Обнаруженные в сточных водах и почве, S. pasteurii превращают почвенную мочевину в карбонат-ионы. Инженеры на Земле использовали этот организм для восстановления почв и производства известняка для биоцемента, соединяя карбонат с ионами кальция.

Группа Кумара попробовала смешать микробы и соль кальция с имитацией лунного или марсианского реголита, которые можно приобрести у государственных космических агентств и коммерческих поставщиков. Через пять дней микробы сделали кирпичи, хотя и не очень хорошие. «Я мог бы раздавить эти кирпичи своими руками», - делится Кумар. Возможно, размышляет он, поможет натуральная добавка. Специалисты остановились на гуаровой камеди - связующем и загущающем веществе, используемом в текстиле и косметике. Добавление 1% гуаровой камеди позволило получить более прочные «космические кирпичи», как их называет исследовательская группа. Кумар считает, что это делает песчаный реголит более пригодным для жизни микробов и что они, вероятно, смогут питаться им.

Сантомартино и ее коллеги надеются не только на структурное применение, но и на добычу реголита. Микробы уже используются на Земле для выщелачивания из руды таких металлов, как медь и золото, и исследователи оценивают их потенциал для сбора редкоземельных металлов, которые необходимы для современных технологий, таких как мобильные телефоны и ветряные турбины. Ключевой вопрос эксперимента на Международной космической станции в 2019 году, известного как BioRock, заключался в том, повлияет ли микрогравитация на способность почвенного микроба Sphingomonas desiccabilis выщелачивать редкоземельные элементы и ванадий из горной породы. Они сравнили культуры, выращенные на космической станции в условиях низкой гравитации, с контрольными культурами на Земле. Пармитано также использовал центрифуги для имитации земной гравитации и гравитации Марса, которая составляет примерно три восьмых от земной.

За три недели культивирования микробы извлекли из породы небольшое количество редкоземельных элементов - достаточно, чтобы доказать принцип. Но, к удивлению исследователей, гравитация оказалась практически неважной для S. desiccabilis. Они предполагали, что в условиях микрогравитации микробы будут меньше перемешиваться со средой, что приведет к недостаточному питанию, но, похоже, потребности микробов были удовлетворены. Однако исследователи предупреждают, что они использовали всего пять миллилитров культуры; при расширении масштаба эксперимента ситуация может быть иной.

Микробы могли бы даже производить сырье для изготовления инструментов. Бенджамин Ленер, директор Голландского центра морской энергии в Гааге (Нидерланды), использовал микроорганизмы для извлечения железа из смоделированного реголита. Его рабочей лошадкой стала Shewanella oneidensis - обитающий в почве и на глубине микроб, не нуждающийся в кислороде и обладающий природной способностью восстанавливать ионы металлов, чтобы получить чистый металл. После того как микробы переработали железо в реголите, Лехнер собрал металл с помощью магнитов. Затем он отправил его в 3D-принтер, чтобы изготовить цилиндры, которые, по его словам, были в четыре раза прочнее тех, что были сделаны без помощи микробов, - возможно, потому, что добытый микробами материал содержал больше железа и меньше кремния.

Еще многому предстоит научиться

Аркин и другие астро-микробные инженеры предлагают соединить биореакторы и создать системы «замкнутого цикла», в которых отходы одного биореактора поступают в другой, чтобы выращивать пищу, производить пригодный для дыхания воздух и выполнять другие задачи по принципу «все в одном». Но прежде ученым предстоит многое узнать о росте и деятельности микроорганизмов за пределами Земли. Хотя Международная космическая станция будет выведена из эксплуатации, коммерческие компании, такие как Voyager Space, Airbus и Axiom Space, предложат воспользоваться возможностями низкой околоземной орбиты - области, заполненной спутниками, на высоте от 160 до 1600 километров над поверхностью Земли. Но даже в такой близости от дома исследователи сталкиваются с множеством проблем.

«Микробиология в космосе на 100% не похожа на то, что вы делали в своей лаборатории», - говорит Никерсон. «Даже близко не похожа».

Основной проблемой на низкой околоземной орбите является отсутствие гравитации, поэтому исследователи обычно ставят свои космические эксперименты в паре с земными. Микрогравитация может повлиять на микробы неожиданным образом. Например, в ранних экспериментах Никерсона Salmonella typhimurium, побывавшая на космической станции, вызывала у мышей более серьезные заболевания, чем культуры, оставшиеся на Земле. По словам Никерсона, микробы, вероятно, не ощущают отсутствие гравитации как таковой, но они испытывают меньшее перемешивание в жидкой среде. Никерсон обнаружил, что сила жидкости, окружающая космические микробы, похоже, имитирует условия внутри кишечника животных, в которых виды Salmonella естественным образом активизируют свои инфекционные способности.

Сам запуск также является огромным стрессовым фактором, отмечает Николь Каплин, ученый по исследованию дальнего космоса из Европейского центра космических исследований и технологий. Она рекомендует доставлять культуры в обезвоженном состоянии, чтобы они не реагировали на запуск; в качестве альтернативы ученые могут использовать центрифуги или вибропластины, чтобы имитировать воздействие запуска на наземные элементы управления.

При планировании космических экспериментов безопасность экипажа имеет первостепенное значение, отмечает Сара Уоллес, микробиолог из Космического центра имени Джонсона (США). Хотя эксперименты с некоторыми инфекционными микробами возможны, для этого требуется многослойная защита, например, бокс. Реактивы также должны быть безопасными для внеземной среды. Например, спирт, используемый для очистки ДНК на Земле, не годится: он не только легко воспламеняется, но и может испариться и нарушить работу оборудования жизнеобеспечения. Уоллес и ее коллеги заменили его высокосолевым полиэтиленгликолевым буфером.

«Разработать эксперимент для космической станции довольно сложно и долго», - отмечает микробиолог Чарльз Кокелл, содиректор Центра астробиологии в Эдинбурге, предложивший исследование BioRock. По его оценкам, на Земле он смог бы поставить и провести эксперименты примерно за четыре дня. Но на разработку и создание оборудования для космоса ушло десятилетие.
«Самым сложным было найти компромисс между инженерными ограничениями и биологическими вопросами, сохранив при этом исключительно высокие научные результаты», - говорит Сантомартино. Например, группе нужно было выбрать химический фиксатор, который мог бы безопасно остановить эксперимент, не причинив вреда экипажу, а также исключить перекрестную контаминацию образцов.

Пармитано советует «сделать все как можно проще» - большинство астронавтов не являются квалифицированными учеными, отмечает он. Самой сложной частью работы над BioRock, по его словам, было фотографирование картриджей в начале и в конце эксперимента. Без микроскопа не было видно, когда культуры находятся в фокусе, и нужно было следить, чтобы свет не отражался от прозрачных стенок картриджей. Он пристегнул все оборудование, чтобы оно не уплыло, и запускал затвор камеры дистанционно, потому что даже нажатие кнопки могло нарушить фокусировку.
К счастью, Кокелл и его коллеги продумали все до мелочей и подсказали с какого объектива и фокусного расстояния следует начать. «Дизайн эксперимента может стать решающим фактором для успеха и неудачи», - говорит Пармитано.

Гравитационный микробиолог Луис Зеа, основатель консалтинговой фирмы Jaguar Space, использует свой опыт в аэрокосмической инженерии, чтобы помочь ученым получить доступ в космос, и у него тоже есть несколько советов. Во-первых, минимизируйте потребность в экипаже. Согласно данным, опубликованным NASA в 2019 году, каждый час пребывания астронавта обходится примерно в 130 000 долларов США. Это не то, за что ученые должны платить, но это говорит о том, что им повезло выкроить несколько минут для своих экспериментов. И, как отмечает Никерсон, пока неясно, как эти расходы будут регулироваться для экспериментов в коммерческом секторе. Поэтому автоматизация и механизмы с низким уровнем взаимодействия, работающие по нажатию кнопок, - это путь к успеху. Еще один фактор, который следует учитывать, по мнению Зеа, - нужно ли культурам возвращаться с космической станции. Обратный путь обойдется дороже, чем если бы они сгорели в отходах, поэтому наилучшим вариантом будет получение данных, которые можно транслировать на Землю.

При разработке экспериментов для Луны или Марса возникают дополнительные сложности. Космическая станция расположена ниже поясов Ван Аллена, в которых задерживаются космические частицы, поэтому радиация там не представляет особой проблемы, но она станет проблемой, когда эксперименты будут проводиться на более дальних расстояниях. Каплин добавляет, что для исследований в «Лунных вратах» идеальные эксперименты вообще не предполагают нажатия кнопок, поскольку база может быть необитаемой. А на Марсе исследователям придется подумать, перевешивают ли преимущества культивирования земных микробов риск загрязнения окружающей среды, что может свести на нет усилия по выявлению местной жизни на красной планете.

Для исследователей, которые не могут забронировать место в космосе, существуют земные альтернативы для некоторых экспериментов. Но ни один из них не сравнится с реальностью. Параболический полет на самолете, также известный как «рвотная комета», может имитировать микрогравитацию, но только на несколько секунд, что обычно не достаточно для того, чтобы микробы успели отреагировать. В качестве альтернативы можно использовать машину случайного позиционирования, которая постоянно вращает образцы, создавая для них среднюю невесомость. Но хотя такое оборудование может помочь ученым в планировании космических полетов, говорит Зеа, оно ни в коем случае не создает настоящую микрогравитацию. А микробы реагируют на случайное позиционирование иначе, чем на микрогравитацию, говорит Каплин. Например, по ее словам, микроскопические животные, называемые коловратками, принимают странную форму крючка в аппарате случайного позиционирования, которую они не формируют на Международной космической станции.

Ученые также могут бомбардировать образцы радиоактивными частицами на Земле, чтобы имитировать то, что происходит за поясом Ван Аллена. Но это опять же несовершенная имитация, полагает Кокелл, - солнечный ветер и космические лучи, падающие на лунную поверхность, создают вторичные ионы и сложную радиационную среду, которую трудно имитировать. «Я думаю, нам просто нужно отправиться туда и провести эксперименты», - говорит он. «Единственный способ узнать, что произойдет на Луне, - это отправиться на Луну».

Источник: Nature 638, 282-284 (2025)

Оставить комментарий

Популярные посты:

cardemua

Шрифты для видео в социальных сетях: как выбрать лучший для Instagram и TikTok

big_blue_heron

Family Day Long weekend, February 15-17, 2025

luchshe_molchi

Без названия

anatolij_921

Фраза дня

zihuatanexo

Ивант Кучер, сын Василия Кучера.

padolski

Сейчас в американских СМИ: РФК-младший, новое лицо здравоохранения в Америке.

masterok

Зачем в СССР в 1940 году сделали образование платным?

nefer

Алексей Орлов рассказывает, что пили в Москве и где это делали

dymontiger

Виктория Боня на фото из Instagram

• Архив