РЕФЕРАТ
на тему:
«Адаптація мікроорганізмів в екстремальних умовах космосу»
Зміст
Введення
Адаптація мікроорганізмів в космічних умовах
Список літератури
ВСТУП
Як відомо, мікроорганізми являють собою виключно своєрідну форму організації живої матерії. Їх відрізняє безпрецедентна численність, різноманітність форм, повсюдність поширення, обширність сфер взаємодії із середовищем проживання і масштабність впливу на останню.
Разюча життєздатність і пластичність мікроорганізмів. Вони зустрічаються в самих холодних, гарячих, солоних і глибоких місцях проживання на Землі. Вони зберігають життєздатність на висотах понад 80 км, межі їх розповсюдження в океані сягають глибин 11 км, де тиск складає 1000 атм і більше. Мікроорганізми виявлені в шахтах на глибині 4 км, в пустелях, в самому солоному з озер - Мертвому морі. Збереження їх життєздатності можливо в контурах ядерних реакторів, вони здатні витримувати дози радіації, летальні для інших форм життя. Існування мікробів можливо при дуже низьких концентраціях поживних речовин, при температурі нижче -10 º С і вище +90 º С. Деякі форми бактерій витримують температуру +150 º С протягом 30 хв. Вісім років тому вчені намагалися встановити рівень радіоактивного зараження в глибині ядерної звалища в Саванна-Рівер. Несподівано вони натрапили на дещо, що привело їх у стан шоку: на кінці металевого прута, за допомогою якого вони робили заміри, було виявлено слизьке прозора речовина.
Вони розмістили цю речовину в чашці Петрі і вивчили під мікроскопом. Виявилося, що в ньому живе ціла колонія дивних помаранчевих бактерій, адаптувалися до рівня радіації, який в 15 разів перевищує смертельну дозу для людини. Ці бактерії жили в "Відьмина котлі" токсичних відходів.
Виявлення цих бактерій стало проривом для міністерства енергетики США, яке вже давно займається пошуком мікробів-"екстремофілів", тобто мікроорганізмів, які можуть виживати в самій ворожому середовищі, прекрасно переносячи неймовірні дози радіації, процвітаючи при температурі вище точки кипіння і поїдаючи токсичні хімікати, які вбили б будь-яке інше істота.
Всі ці особливості роблять їх потенційно цінними інструментами в рамках зусиль міністерства з очищення величезних звалищ ядерних відходів, включаючи і ту, яка знаходиться в Саванна-Рівер, штат Джорджія. За даними міністерства, очищення звалищ традиційними методами, включаючи роботу роботів і обробку хімікатами, буде коштувати 260 млрд. доларів. Використання екстремофілів могло б значно урізувати ці витрати.
Екстремофіли знищують токсини, поїдаючи їх і розкладаючи таким шляхом на відносно нешкідливі компоненти. Ці мікроби можуть скорочувати загрозу, витікаючу від радіоактивних відходів, перетворюючи їх у нерозчинні форми, які вже не зможуть потрапити у водоносні шари і струмки. Залишає свою посаду міністр енергетики США Спенсер Абрахам передбачає в цьому році, що в не настільки віддаленому майбутньому екстремофіли очищатимуть ядерні звалища і знищувати забруднювачі, що виробляються енергетичними об'єктами, включаючи вуглекислий газ, одну з причин глобального потепління.
НАСА вважає, що якщо вдасться зрозуміти механізм адаптації бактерій до радіації, то ці мікроорганізми можна буде використовувати для захисту космічних екіпажів від радіації під час тривалих космічних подорожей. Національний інститут охорони здоров'я сподівається, що особливі здібності цих мікробів можуть допомогти пацієнтам, хворим на рак, переносити більш інтенсивну променеву терапію.
Вчені стверджують, що ті екстремофіли, яких вони виявили в природі, не небезпечні для людини. Однак з вирощеними в штучних умовах бактеріями не все так однозначно, адже ніхто не знає, якими можуть бути довгострокові наслідки.
Бактерії, виявлені в районі Саванна-Рівер, мають форму ягоди. Вчені дали їм назву радіотолерантние мікроби Kineococcus. Вже вивчено 95% їх генетичної структури. Вчені знають, чим ці бактерії займаються і що вони їдять, наприклад вони дуже люблять солодовий цукор, однак через 50 років після початку вивчення цього типу бактерій до цих пір не розкрито секрет їх живучості. Радіація руйнує генетичну структуру живих істот, проте на екстремофілів вона чомусь не діє. За словами мікробіолога Крістофера Багуелла, Kineococcus в стані руйнувати гербіциди, промислові розчинники, хлоровані речовини та інші токсини, і все це в радіоактивній середовищі, яка вбиває інших живих істот і робить скло коричневим.
Вченим відомо близько десяти видів екстремофілів. Перший був виявлений в 1956 році в штаті Орегон. Вчені дали йому назву Deinococcus, проте їх настільки захопила стійкість цієї бактерії, що її прозвали "Конан-бактерія". Тому що бактерії витримують радіацію більш високого рівня, ніж усі інші живі істоти, деякі вчені висувають гіпотезу, що вони, мабуть, прилетіли на Землю на кометах. Інші вважають, що ці бактерії були першими мешканцями планети після утворення Землі в результаті радіоактивного вибуху.
Не так давно екстремофілів виявили на пустельних гірських піках і в заморожених рослинах Антарктики. На думку д-ра Джона баллісти, мікробіолога Університету Луїзіани, це нешкідливі створення, які знайшли способи виживати у вкрай несприятливих умовах. "Вони просто чекають, поки не засохне, і тоді вітер перенесе їх ще куди-небудь", - говорить він. Перша виявлена бактерія, Конан, могла адаптуватися до радіації, однак не поглинала хімікати, які зазвичай присутні в ядерних відходах. Тому в 1997 році міністерство енергетики почало працювати над генетично модифікованою версією Конана, яку вчені назвали Суперконан.
Зараз Суперконан живе в чашці Петрі у Військово-медичному університеті США в штаті Меріленд. Ця бактерія справляється і з хімікатами, і з радіацією, проте, за словами одного з її творців, Майкла Дейлі, уряд боїться випускати її в природу, оскільки напевно невідомо, чого ще від цих мікробів можна чекати.
Міністерство впевнене, що зможе знайти еквівалент Суперконана в природі. За оцінкою Арі Патріноса, директора біологічних і екологічних досліджень міністерства енергетики, до даного моменту ідентифіковано не більше 1% бактерій Землі.
Ось де на допомогу може прийти Kineococcus. На звалищі в Саванна-Рівер, що з'явилася на початку 1950-х, коли США намагалися обігнати СРСР в ядерній гонці, є 49 підземних контейнерів, що містять 35 млн галонів радіоактивних відходів. Ще більше зберігається в Ханфорді, на збройовому заводі епохи Другої світової війни, де витік призвела до забруднення 80 кв. миль землі і підземних вод радіацією і токсичними хімікатами.
Оскільки нові помаранчеві бактерії живуть в ядерних відходах, повернути їх у цю середу буде цілком природним кроком. Вчені вважають, що зможуть виростити Kineococcus в пробірці, а потім ввести їх в контейнери і в грунт у місцях витоку.
Однак, на думку д-ра Багуелла, буде потрібно ще років п'ять вивчати генетичну структуру цієї бактерії, перш ніж стане можливий такий експеримент. На сьогоднішній день питання адаптації мікроорганізмів в умовах космосу залишається, затребуваний багатьма дослідниками в зв'язку з тим, що в космосі проявляється пристосовність бактерій не тільки до невагомості і перепадів температур, але і до різного роду випромінювань, які в космосі набагато інтенсивніше, ніж біля поверхні Землі . У Державному науковому центрі Російської Федерації - Інституті медико-біологічних проблем (ДНЦ РФ ІМБП) були проведені дослідження цієї проблеми.
ПРОБЛЕМИ МІКРОБІОЛОГІЧНОЇ БЕЗПЕКИ І АДАПТАЦІЯ МІКРООРГАНІЗМІВ У КОСМІЧНИХ УМОВАХ
Розвиток вітчизняної космонавтики за останні десятиліття ознаменувалося вельми істотними результатами. Одним з основних підсумків у цій галузі є створення і тривале функціонування орбітальних космічних станцій. Освоєння космічного простору ставить перед людством багато проблем. Одна з них, про яку мало відомо - це світ мікробів, що заселяють космічний корабель. Саме мікроорганізмам належить абсолютний рекорд тривалості перебування в космосі. Саме вони не просто живуть на орбітальній станції, а розвиваються, пристосовуючись до умов польоту, обзаводяться потомством. Чим більше часу функціонують космічні об'єкти, тим більше стає космічних довгожителів - бактерій і мікроскопічних грибів. В даний час, за даними російських вчених, їх налічується понад 250 видів.
В умовах відкритого космосу на мікроорганізми можуть діяти такі фактори, як температура в залежності від орієнтації об'єктів по відношенню до Сонця в межах від -150 до +150 º С, УФ-опромінення і космічний вакуум, і, тим не менш, живі клітини мікробів американські вчені виявили на телевізійній камері, яка протягом 2,5 років перебувала на поверхні Місяця
Великий інтерес до адаптації мікроорганізмів до екстремальних умов викликаний пошуками життя на інших планетах. Найбільш відповідна для існування на ній життя планета Марс вирізняється суворими умовами з земної точки зору: низькими температурами, які періодично піднімаються вище точки замерзання води і надзвичайної сухістю. Єдиними порівнянними з Марсом умовами на Землі є сухі долини Антарктики. І тут виявлено бактерії. Знання меж життя на Землі надзвичайно важливі, бо за ними можна скласти уявлення про фізичні і хімічні межах, в яких життя могло виникнути не тільки на нашій, а й на інших планетах.
Якщо ж говорити про можливість мікроорганізмів заселяти космічні орбітальні станції, то тут вона практично не має меж. Адже штучне середовище проживання, створювана і підтримувана в космічному об'єкті, є комфортною для людини і вже тим більше для більшості відомих мікроорганізмів, які не настільки вибагливі у виборі умов життя.
Джерелами надходження мікроорганізмів в середовище проживання космічного об'єкта є як космонавти, їх покривні тканини та слизові оболонки, так і різні вантажі - обладнання, необхідні матеріали, постійно доставляються на борт. Природно, неможливо повністю обмежити цей процес, тому що людина при розмові, кашлі, фізичному навантаженні, та й просто при диханні виділяє в навколишнє середовище значну кількість мікробів. Також неможливо забезпечити тотальну стерилізацію всіх вступників у космічний корабель вантажів, хоча в цьому напрямку робиться дуже багато чого.
На кожному етапі виготовлення космічного корабля, під час монтажу обладнання, перед стартом обов'язково проводиться дезинфекція. Монтажників допускають до роботи тільки після медогляду і в спеціальній замінної одязі. Підготовка матеріалів, що витрачаються і устаткування для комплектації космічних об'єктів проводиться в так званих чистих приміщеннях, де контролюється вміст мікроорганізмів не тільки в повітрі і на поверхнях, але і для ряду технологічних процесів - на руках виконавців.
І, незважаючи на це, мікроорганізми постійно потрапляють в середовище проживання космічних об'єктів і багато хто з них відчувають себе там дуже комфортно. Чим же загрожує цей процес для безпеки космічних польотів? Насправді становище дуже серйозне. По-перше, при зниженні імунітету людини деякі мікроорганізми, нешкідливі за інших обставин, можуть виступати в ролі агентів інфекції і алергенів. Але є ще один аспект цієї проблеми. Це - встановлена здатність багатьох бактерій і особливо цвілевих грибів викликати біоперешкоди в роботі різної апаратури, пошкоджувати конструкційні матеріали, в тому числі синтетичні полімери, провокувати корозію металів.
Знаменно, що мікроорганізми ведуть себе так, як, ніби у них є певна мета. Така поведінка характерна для всіх живих організмів і його називають доцільним чи телеономіческім поведінкою. Сукупність протікають в них процесів здається спрямованої на виконання визначеного плану. Мета цього плану, стосовно до світу мікробів - використовувати доступні для клітини зараз живильні речовини для утворення двох клітин з однієї з максимально можливою швидкістю.
У зв'язку з цим слід підкреслити ще одну важливу особливість, притаманну мікроорганізмам. Це - здатність розщеплювати самі різноманітні хімічні сполуки, яку англійський учений Гейл сформулював як принцип "мікробної всеїдності". Мається на увазі принципова можливість існування якогось мікроорганізму, здатного при відповідних умовах окислити будь-яка речовина, теоретично здатну до окислення. Такі, на наш погляд, общебиологические підстави розглядати потенційні можливості бактерій і мікроскопічних грибів викликати ушкодження в якості однієї з фундаментальних проблем населеності довготривалих космічних об'єктів.
Потрапляючи на різні матеріали, окремі види мікроорганізмів, найчастіше бактеріально-грибні асоціації, швидко пристосовуються до них і починають свою життєдіяльність. У результаті цього може змінюватися колір матеріалів, знижуватися механічна міцність, герметизуючі властивості, діелектричні та інші характеристики.
В даний час світовий збиток від мікробіологічних пошкоджень тільки полімерних матеріалів перевищує 2% від обсягу промислової продукції. Для космічних орбітальних станцій з урахуванням строків їх функціонування та вимог щодо забезпечення надійності та безпеки їх експлуатації ця проблема стоїть дуже гостро.
Становище ускладнюється ще й тим, що через відсутність наскрізної вентиляції в замкнутому об'ємі волога, що міститься в повітрі, може випадати в окремих місцях у вигляді роси, так званого конденсату, що містить велику кількість хімічних речовин, які мікроорганізми можуть використовувати як джерело живлення. Розвиток мікроорганізмів можуть стимулювати і фізичні фактори, властиві космічного польоту - періодичні зміни сонячної активності, радіаційні рівні, градієнти магнітних полів і т.д.
Досвід експлуатації російських орбітальних станцій і особливо станції "Мир" свідчить про те, що такі процеси, як розвиток мікробіологічних пошкоджень полімерних конструкційних матеріалів, виникнення біокорозії металів, формування біоплівок і "тромбів" у гідромагістралях систем регенерації води слід розглядати як постійно діючі фактори екологічного ризику .
Цілеспрямовані дослідження з проблеми мікробіологічних пошкоджень конструкційних матеріалів були розпочаті в Державному науковому центрі Російської Федерації - Інституті медико-біологічних проблем (ГНЦ РФ ІМБП) в період експлуатації орбітальної станції "Салют-6". П'ятий основний екіпаж цієї станції виявив наявність білого нальоту на окремих ділянках інтер'єру, тягах тренажера для фізичних вправ і в деяких інших зонах жилих відсіків. При дослідженні доставлених на Землю проб був виявлений зростання цвілевих грибів-пеніціллов, аспергиллов і фузаріуму.
У ході роботи 5-ої основної експедиції на орбітальній станції "Салют-7" було отримано повідомлення космонавтів про наявність видимого росту цвілі в окремих зонах інтер'єру, роз'ємах і кабелях в робочому відсіку. Фрагменти матеріалів були відібрані екіпажем і доставлені на Землю для проведення лабораторних досліджень. Візуальний огляд отриманих фрагментів показав, що міцелій цвілевих грибів покривав від 25 до 50% поверхні зразків. При огляді під мікроскопом були виявлені зміни структури зразків, а на окремих матеріалах, зокрема на ізоляційної стрічки, були виявлені наскрізні дефекти.
Особливий інтерес представляє ситуація, пов'язана з навігаційним ілюмінатором одного з транспортних кораблів "Союз", який протягом півроку експлуатувався в складі орбітальної станції "Мир". У ході роботи члени третього основного екіпажу відзначали прогресуюче погіршення оптичних характеристик ілюмінатора. Після повернення транспортного корабля на Землю були проведені дослідження, які виявили наступну картину. На центральному вікні і більшості периферичних вікон ілюмінатора, виконаних з надміцного кварцового скла, а також на емалевому покритті титанової оправи відзначалася наявність міцелію цвілевих грибів і в одному випадку виразно було видно зростаюча колонія гриба. По лініях росту міцелію скло було як би "протравлено". Візуально створювалося враження, що джерелом обростання грибами служила паронітові (гумова) прокладка, за допомогою якої скло фіксувалося в титановій оправі. Із зон ушкоджень була виявлена асоціація мікроорганізмів, що включає спороутворюючі бактерії і гриби.
Наочним прикладом мікробіологічного пошкодження обладнання є ситуація з виходом з ладу блоку управління приладу комутаційної зв'язку, доставленого на Землю при поверненні зі станції "Мир" 24-ої основної експедиції. Під металевим кожухом приладу був виявлений активне зростання цвілевих грибів на ізоляційних трубках, контактних колодках, на армованому поліуретані. Цей процес супроводжувався окисленням мідних проводів у місцях пошкодження ізоляції.
У ході експлуатації орбітальної станції "Мир" мали місце й інші випадки мікробіологічних пошкоджень обладнання. Так, в системі регенерації води з конденсату неодноразово відмічалися порушення в роботі, зумовлені утворенням гелеподобних "тромбів" у просвіті гідромагістралей, за якими конденсат надходить на регенерацію. У доставлених на Землю фрагментах металевих і полімерних трубопроводів на внутрішніх поверхнях був виявлений слизовий наліт та виявлено пристінковий зростання бактеріально-грибних асоціацій. Видимий зростання цвілевих грибів неодноразово фіксувався космонавтами, особливо на обладнанні, розташованому в запанельном просторі.
Розрізняють два основних типи агресії мікроорганізмів у відношенні конструкційних матеріалів: "пряму дію", тобто ферментативне розкладання матеріалів з використанням їх в якості джерела живлення і "опосередкований вплив" - зростання на забрудненнях, що потрапляють на поверхні матеріалів, з виділенням продуктів життєдіяльності, наприклад, органічних кислот. Яскравим прикладом "непрямого впливу" є пошкодження надміцного кварцового скла ілюмінатора. Мікроорганізми, звичайно ж, не використовували його в якості поживного субстрату, вони росли на його поверхні за рахунок ліпідної плівки, конденсату атмосферної вологи та інших забруднень, але при цьому, виділяючи продукти метаболізму, порушували його оптичні характеристики.
Суттєво важливим є те обставина, що окремі мікроорганізми проявляють здатність до резидентной заселенню конструкційних матеріалів середовища орбітального комплексу "Мир". Проведені в ГНЦ РФ ІМБП спільно з фахівцями МГУ ім. М.В. Ломоносова генетичні дослідження підтвердили наявність такої властивості у деяких культур виділених в умовах польоту. Так, було показано, що штами деяких грибів, виділені в 1995 р., були нащадками культур, виявлених у 1988 році.
І разом з тим, космічна орбітальна станція "Мир" успішно функціонує вже 15 років. І тут важливу роль відіграє використовувана система забезпечення мікробіологічної безпеки, розроблена в ГНЦ РФ - ІМБП РАН. Про ефективність зазначеної системи свідчить наступне:
- За весь період експлуатації не зареєстровано випадків занесення в орбітальний комплекс збудників гострозаразних інфекцій; у членів 28 основних екіпажів не відмічено випадків виникнення інфекційних захворювань, за винятком локалізованих запальних процесів (кілька випадків) у результаті мікротравм шкірних покривів;
- Рівні мікробної забрудненості газового середовища, поверхонь інтер'єру та обладнання та питної води в більшості випадків підтримувалися в межах встановлених нормативів.
У процесі польоту періодично відбирали проби мікрофлори повітря, конденсату атмосферної вологи, регенерованої води, поверхонь декоративно-оздоблювальних і конструкційних матеріалів. Проби аналізували на Землі і при необхідності екіпажу видавали рекомендації з проведення санітарно-гігієнічних заходів. Один раз на два тижні на борту проводили санітарне прибирання з використанням пилососа та спеціальних серветок, просочених антимікробними засобами. Для очищення газового середовища від мікроорганізмів періодично включалася установка "Потік-150 М", що забезпечує фільтрацію повітряних потоків. Проводилася ізоляція і видалення відходів за допомогою використаних вантажних транспортних кораблів.
Для запобігання мікробіологічних пошкоджень конструкційних матеріалів і устаткування космонавти за спеціальною методикою періодично проводили огляд поверхонь інтер'єру та обладнання станції, включаючи запанельное простір. При виявленні зон, підозрілих на наявність мікроорганізмів, відбирали проби мікрофлори і проводили обробку виявлених зон спеціальним засобом "Фунгістат".
Майбутній керований спуск станції "Мир" з орбіти і її затоплення в Тихому океані не приведуть до якої-небудь мікробіологічної катастрофи для жителів Землі. Цей висновок грунтується на тому, що, по-перше, космонавти до року і більше жили і працювали в сусідстві з мікроорганізмами, що населяють станцію. По-друге, на Землю зі станції "Мир" неодноразово доставляли різні вантажі (устаткування, прилади, мікробіологічні проби) і конструкції, пошкоджені бактеріями і мікроскопічними грибами, для проведення відповідних досліджень. По-третє, всі попередні пілотовані орбітальні станції - "Скайлеб" і "Салюти", - після закінчення їх експлуатації поверталися в задані райони Землі у вигляді фрагментів без будь-яких екологічних наслідків для біосфери нашої планети.
В даний час для підвищення ефективності існуючої системи забезпечення мікробіологічної безпеки пілотованих космічних польотів вчені ГНЦ РФ - ІМБП РАН вирішують ряд прикладних задач, найважливішими з яких є наступні: розробка адекватної методики і стандарту для атестації матеріалів на мікробіологічну стійкість; відпрацювання методів модифікації поверхні матеріалів, що забезпечують їх захист від впливу мікроорганізмів (надання гідрофобних і біоцидних властивостей); створення бортових інструментальних методів раннього виявлення та діагностики мікробіологічних пошкоджень. Вирішення цих завдань дозволить забезпечити сприятливу екологічну обстановку на Міжнародній космічній станції протягом тривалого терміну.
Як видно, питання адаптації мікроорганізмів в космосі на сьогоднішній день активно вивчається, і здатний, мабуть, привнести великий внесок не тільки в розвиток космонавтики та суміжних наук, але й у ряд областей мікробіології та генетики, так як, можливо, в умовах космосу протікання фізіологічних і спадкових процесів в мікроорганізмах, які неможливі або утруднені на Землі.
Список літератури:
1. Життя мікробів в екстремальних умовах, Д. Кашнер, Д. Баросса, Р. Моріта; Під ред. Д. Кашнер; М. 1981;
2. Огляд іноземної преси в Інтернеті: адреса статті http://www.inopressa.ru/print/wsj/2004/11/16/12:16:47/bacteriya;
3. Ю.А. Миколаїв, Позаклітинні фактори адаптації бактерій до несприятливих умов середовища / Журнал «Прикладна біохімія та мікробіологія», 2004, том 40, № 4, с. 387-397;
4. Н.Д. Новікова, Тривалі космічні польоти людини і проблеми мікробіологічної безпеки; ІМБП РАН (Адреса в Інтернеті: http://www.imbp.ru).