Ради чего погибли в космосе гекконы?

Вслед за Белкой и Стрелкой космос посетили не только люди, но и множество других живых организмов, от бактерий до кошек. Что они забыли на орбите?

В самом конце августа на орбите погиб отряд космонавтов. Причины катастрофы пока до конца не известны: вероятно, произошло резкое падение температуры или скачок давления. Так или иначе, мадагаскарским гекконам, участвовавшим в научном эксперименте на космическом аппарате "Фотон-М", на Землю вернуться уже не суждено.

Научный обозреватель Радио Свобода встретился с Владимиром Сычевым, заместителем директора Медико-биологических проблем РАН, курирующим орбитальные биологические исследования, и расспросил его о гибели подопечных и о том, какие живые организмы мы запускаем в космос и зачем.

– Итак, что же делают животные в космосе?

– Космическая эра в принципе начиналась с полетов собак, обезьян, крыс, французы кошек даже запускали. У нас сделали набор рюмок "Первые космонавты" – с портретами шимпанзе, Белки, Стрелки и других зверей. Животных запускали, чтобы в принципе понять, можно ли летать в космос, как в условиях космического полета функционирует организм. Потом началась пилотируемая космонавтика, но сначала полеты были короткими, потому что никто не знал, как долго может человек пребывать в космосе. Нужно было выяснять, эксперименты с животными

продолжались. Потом выявилась новая проблема: после длительного пребывания в невесомости человек не может нормально вернуться на Землю, у него атрофируется мышечная система, истончаются кости. Чтобы понять физиологические механизмы этого процесса, нужно было опять же запускать животных. В конце 60-х в СССР было принято постановление о создании целой программы полетов биоспутников, первый из них был запущен в 1973 году. И во многом благодаря этим экспериментам и созданы системы профилактики, позволяющие людям сейчас находиться на орбите по полгода, или даже полтора, как космонавт Валерий Поляков.

– Какие факторы в космическом полете влияют на организм больше всего?

– Самый заметный фактор, конечно, невесомость. Перегрузки оказались не так существенны, как изначально предполагалось, хотя их тоже надо учитывать, особенно при посадке. Перегрузки можно смоделировать и на Земле, впрочем, не получится смоделировать состояние организма, который провел полгода в космосе и уже потом попал под действие перегрузок. Потом радиация. На Земле мы не можем ее повторить, как и перегрузки. Здесь мы можем подвергать организм воздействию каких-то отдельных видов радиации, а в космосе все они действуют одновременно, начиная от излучения и заканчивая бомбардировкой тяжелыми атомами, которые летят из галактики. Биологический ответ на эти воздействия не одинаков. Кроме того, есть фактор гипомагнитной среды. Словом, факторов много, а главное, все они действуют на организм в совокупности.

– Насколько хорошо мы разобрались с этим комплексным воздействием?

– На самом деле, исследований было проведено довольно мало. В СССР было запущено 10 биоспутников, каждый – уникальный по продолжительности полета, по условиям. Можно сказать, что каждый полет – один отдельный эксперимент, состоящий из многих частей. А один эксперимент не может дать достоверного результата. Невозможно учесть посторонние факторы – недостатки аппаратуры, какие-то особые условия, например, предполетной подготовки. Даже по научным публикациям видно, что авторы экспериментов часто боятся дать однозначную интерпретацию своим результатам: изменения в организме есть, но космос виноват или просто слишком холодно было?

– То есть нужно набирать статистику?

– Да, нужна серийность. И хороших серий было сделано немного, хотя они и есть. Например, эксперименты с высшими растениями. Они начались на станции "Мир" в 90-м году, а завершились в 2012-м на МКС. Это было больше 20 экспериментов с различными видами, в том числе с несколькими поколениями растений, выращенными уже в космосе. И вот тут мы можем быть уверенными в достоверности результата.

– Какой это результат?

– Если дать растению все необходимое, оно прекрасно может расти в условиях невесомости. Если есть минеральное питание, вода, свет, то гравитация уже не нужна. Растение растет так же, как и на Земле.

– А в какую сторону оно растет?

– К свету. А корни – к воде. Даже на Земле в горах растения могут расти

горизонтально или вообще вниз. Мы доказали, что растение может обойтись без гравитационного стимула, и это удивительно, потому что эволюционировали они все-таки в условиях гравитации.

– Какие еще были большие серии?

– C микроорганизмами, причем любопытно, что кроме собственно экспериментов были просто наблюдения: микроорганизмы существуют на орбитальных станциях сами по себе – в основном это плесневые грибы, есть и бактериальная микрофлора. Это свойство любого гермообъема – не важно, на Земле или в космосе, как только есть влага, начинают развиваться микроорганизмы. На орбите одновременно с ними борются и их изучают.

– Надо полагать, изучение влияния космоса на бактерии и на обезьян опирается на разные методы.

– Конечно, научные методы развиваются. После советской серии из 10 биоспутников – "Бионов", прошло 16 лет, за это время методическая база сильно продвинулась. Сегодня нас интересуют уже не столько процессы на уровне физиологии (хотя и это важно), сколько процессы на уровне клетки, на уровне генома. Хочется на этом уровне, начиная с экспрессии белков и генов понять, что происходит с организмом в космосе. Если мы это сделаем, сможем намного глубже разобраться с негативными реакциями организма и купировать их. Это сегодня главная задача, ради этого мы много лет добивались возобновления проекта "Бионов". И вот в 2013 году состоялся полет "Биона М-1", это был абсолютно новый аппарат, сильно отличающийся от советских биоспутников, и отлетал он рекордные 30 суток. До этого самый длительный полет был 22 дня – это из всех в мире беспилотных аппаратов, которые проводили биологические исследования. Было проведено более 30 экспериментов – как внутри, так и снаружи аппарата.

– Какие, например?

– Например, мы отправили на орбиту 45 мышей. Это был очень сложный проект. Сначала надо было создать оборудование, чтобы содержать животных в условиях невесомости. Систему жизнеобеспечения – корм, вода, кислород, CO2, примеси – фактически, как для космонавтов. Если вы хотите понять, как животное страдает от космоса, нужно сделать так, чтобы оно не страдало от быта. Потом отрабатывалась схема эксперимента. У нас были мыши-самцы, и это уникальный подход – в основном все работают с самками, потому что самки в группе

неагрессивны. Но гормональный фон самок сильно нивелирует интересные для исследования процессы, самки более защищены, чем самцы, поэтому самцов использовать интереснее. Но дело в том, что сделать аппаратуру, чтобы содержать 45 самцов в боксах по одному, очень сложно. Мы решили содержать вместе по три мыши, и долго, кстати, подбирали эти группы. Следующая проблема – питание. Самое сложное здесь, особенно если речь о беспилотном аппарате, – организовать обеспечение водой. Все поилки, которые пробовали, работали безобразно. В итоге было решено использовать пастообразные корма с высоким содержанием воды. Опять же, создать такие корма – тоже задача непростая. И только когда все это готово, аппаратура поставляется на борт, и в течение 2-3 суток до старта она снаряжается.

– Животных тоже специально готовят к полету?

– Мышей мы готовили целых 4 месяца, отбирали, вывезли на Байконур две группы и там снова отбирали. Понятно, что животные должны быть здоровые, но для нас еще было важно, чтобы сформированные команды по три самца смогли существовать вместе длительное время без особых эксцессов. Хотя эксцессы в итоге все равно были.

– Вы рассказали про подготовку, а в чем был сам эксперимент?

– Полет и есть эксперимент. Когда мыши возвращаются, на них набрасываются порядка 70 специалистов и драконят их до последней косточки – каждый берет себе часть для исследования. И можно обнаружить очень важные вещи. Например, известно, что в условиях невесомости у человека резко повышается внутричерепное давление. Гравитации нет, кровь идет вверх. Очень серьезная проблема. Но у человека достаточно высокий гидростатический столб, а мышь – животное маленькое, голова у нее практически параллельна туловищу. Как ни странно, у мышей с давлением та же история. Благодаря нашему эксперименту выяснилось, что церебральная артерия теряет свою эластичность и перестает сокращаться – в итоге почти полностью выключается регуляция кровоснабжения головного мозга. Это подозревали и раньше, но на человеке не проверишь, ему голову не отрежешь и артерию не вытащишь. А вот теперь, благодаря мышам, мы это узнали точно. Или еще одна проблема: оказалось, что после возвращения мыши прекрасно помнят, чему их обучали до полета. А если их пытаться чему-то новому научить – они это воспринимают с большим

трудом. Происходят изменения в мозге, в тех системах, которые отвечают за формирование памяти. И с этим тоже надо разбираться, потому что если человек после долгого перелета приземлится на другой планете, он просто не сможет там работать. Сейчас обсуждается, какой может быть профилактика влияния невесомости, особенно при длительных перелетах. Идут разговоры, что на борту необходимо иметь короткорадиусную центрифугу, но пока это все на уровне экспериментов.

– А что еще мы узнали благодаря экспериментам с животными?

– Например, на МКС проходил российско-польский эксперимент: на борту был установлен специальный аквариум с рыбками. Они чувствовали себя прекрасно, в основном плавали к свету спиной, хотя некоторые плавали и кверху брюхом, если говорить с точки зрения наблюдателя, рыбки-то, конечно, считали, что они плавают правильно. Оказалось, что без гравитации рыбам вполне комфортно, питаются прекрасно, поведение почти не меняется. Но при этом у них начинаются те же проблемы, что и у человека: снижение мышечной и костной массы. Казалось бы, рыбы и на Земле, в естественной среде обитания практически находятся в невесомости, так с чего бы им терять массу в космосе? Стали исследовать экспрессию генов в спинном мозге, выяснилось, что там начинается снижение экспрессии мышечных белков. Вероятно, есть механизм, который целостно реагирует на отсутствие гравитации вне зависимости от того, к чему организм привык изначально. Пока это все на уровне домыслов – получены лишь единичные факты. Но ясно, что проблема намного глубже, чем мы предполагали, что нужно в этом направлении вести подробные исследования. Понимаете, хоть мы в космос летаем уже 50 лет, это все пока штрихи, целостной картины у нас нет.

– Состояние самих космонавтов мы тоже изучаем?

– Да, но проблема в том, что люди все разные. С животными мы можем работать на однородной, хорошо изученной популяции, а люди очень индивидуальны, свести результаты воедино практически невозможно. Еще одно преимущество работы с теми же мышами: для них 30 суток на орбите – это как для человека годы, если экстраполировать по продолжительности жизни. То есть видны долгосрочные эффекты. Поэтому животных изучают все, сейчас у американцев началась большая программа исследования мышей на МКС, такую же программу подготовили японцы, они сейчас ведут переговоры с Роскосмосом, чтобы мы им помогли.

– Если есть МКС, зачем нужны еще и беспилотные программы, вроде "Биона" или "Фотона"?

– У каждого проекта есть свои плюсы и минусы. Минусы "Биона" понятны: перегорел какой-нибудь предохранитель, и мы потеряли сразу 15 животных, на МКС его заменили бы и все. На беспилотниках довольно высоки потери животных из-за неисправности аппаратуры.

– Сколько мышей вернулось живыми из тех 45?

– Я предполагал, что вернется половина, но вернулась треть – как раз из-за отказа аппаратуры. Вообще животные гибнут по разным причинам: во-первых, не все выдерживают условия космического полета. Во-вторых, в нашем случае, в группах мышей были конфликты, они друг друга перегрызли. Еще один фактор – не очень хорошая конструкция кормушек, причем проблемы выявились только в невесомости. Но если бы не было неполадок – половина мышей вернулись бы на Землю живыми.

Нам в любом случае хватило – мы специально запустили много мышей. На МКС столько животных не пошлешь: американцы отправляют 20 мышей, японцы пошлют 12.

– А в чем еще преимущества беспилотных проектов?

– После спуска биоматериал оказывается в лаборатории уже через 11-12 часов, и это очень хорошо. Лучше бы даже раньше, в идеале хотелось бы начать работать сразу после приземления. Мы даже думали о таком варианте: препарировать часть мышей прямо на месте посадки в районе Оренбурга, у нас для этого есть специальное оборудование и палатка. Можно было бы начать работать уже через 2-3 часа после посадки. Но мышей вернулось недостаточно, так что мы всех повезли в Москву. А вот с МКС сложнее: капсула с мышами падает в океан, биоматериал оказывается в лаборатории только через трое суток, это уже не годится. Поэтому в NASA решили препарировать животных прямо на борту МКС. Делать это будут сами астронавты. Тонкую препарацию в невесомости в перчаточном боксе, конечно, не сделаешь. Скорее всего, это будет какая-то простая диссекция, потом части заморозят и спустят на Землю. Много информации будет потеряно.

– Итак, с помощью орбитальных биологических экспериментов мы выясняем, как факторы космического полета могут повлиять на человека. А что еще?

– Есть ряд чисто научных экспериментов. Например, проверка теории панспермии, что жизнь на Землю попала вместе с метеоритами. Для этого на спускаемую капсулу ставятся специальные базальтовые круги с микроорганизмами, которые нагреваются при входе в атмосферу почти до 2000 градусов. Вроде микроорганизмы выживают. Но я этой теорией не очень интересуюсь: ну хорошо, прилетела на Землю жизнь из космоса, но где она взялась там, откуда прилетела? На главный вопрос ответа все равно нет.

Еще один тип экспериментов – когда проверяют выживаемость разных организмов в условиях открытого космоса. Например, фрагменты вечной мерзлоты с соответствующими микроорганизмами, споры бактерий, сухие семена – все это помещают снаружи аппарата. В эксперименте BioExpose на МКС образцы проводят в открытом космосе по несколько лет. И многое выживает.

Наконец, эксперименты необходимо производить не только ради выживания человека, но и ради его обеспечения. Если мы задумываемся о колонизации космоса, мы должны говорить о колонизации не просто человеком, а биосферой как таковой.

– Как когда-то брали с собой в дальние плавания коз?

– Да, но здесь придется брать с собой не коз, а целую экосистему. Еще Циолковский писал, что за счет фотосинтеза растений человек может существовать в космосе. Легко сказать, но трудно сделать. Еще при Королеве начались работы по созданию систем жизнеобеспечения на основе биологического круговорота веществ, в которых человек существует как часть, как мы существуем в биосфере на Земле. Работы велись очень интенсивно до конца 80-х годов. В нашем институте было поставлено шесть экспериментов, когда люди жили в изолированной системе

Придется брать с собой не коз, а целую экосистему

за счет фотосинтеза водорослей и растений. Аналогичные эксперименты проводились в Институте биофизики Сибирского отделения наук в Красноярске. Там эксперимент длился пол года. Американцы тоже начинали эту программу, а потом ее прекратили, потом снова начали, сейчас опять прекратили. Джон Аллен, Марк Нельсон и другие в 80-е годы затеяли проект автономной системы "Биосфера-2". У них ничего и не вышло. Система не работала.

– А в чем проблема?

– Не было баланса. Падал кислород. Они не смогли себе обеспечить питание, хотя по расчетам все выходило нормально. Но им приходилось снаружи добавлять пищу. Система не была замкнутой. В принципе, эти работы необходимы. Сейчас китайцы очень активно экспериментируют. У европейцев действует большая программа "Мелисса". Но это все на Земле. Воплотить такие системы в космосе намного сложнее. Пусть даже не в невесомости, а в условиях гравитации на другой планете. Ну, например. У вас полет на Марс. Сублимированная пища почти без витаминов. Надо давать людям витамины. Технари говорят: ну что же, таблетки с собой возьмут да и все. А вы посмотрите срок годности витаминов, даже на Земле. А какой у них будет срок годности в условиях космического полета? Никто это не изучал. А как решить эту проблему? Выращивать растения. Благодаря нашим экспериментам я могу сказать: да, растения вырастут, проблему можно решить.

– А как поддерживать фертильность почвы?

– Там скорее не почва, а гидропоника. Нейтральный субстрат с удобрениями. Но вообще это отдельная технологическая задача, которую еще предстоит решить. Пока мы только выяснили в принципе: растения растут. Это главное. Дальнейших проблем много. Как лучше организовать

оранжерею? Это может быть конвейерный посев, в одном месте сажаешь, в другом – снимаешь? Но удобно ли это будет космонавтам или колонистам? Что им вообще будет удобно? Вот мы делали эксперименты в рамках программы "Марс-500" [российский эксперимент имитации полета на Марс, проводился с 2007 по 2011 год. – Прим. С.Д]. Выяснилось, что людям в интерьере очень важно иметь цветы. Мы поставили оранжерею и сказали: выбирайте, цветы или овощи. Они выращивали только цветы, а овощи начали сажать только потом, когда мы им построили еще одну оранжерею.

– Человек везде остается человеком.

– Да. Даже подбор овощей – важный момент. Вот человеку нужно каждый день съесть 100 грамм салата, чтобы восполнить запас витамина C. Но вы представьте: тебе, как корове, каждый день скармливают 100 грамм салата. Ты ведь через две недели его ненавидеть будешь. Мы видели такое на МКС: космонавтам какой-то продукт больше понравился, они начинали его активно есть. На следующий экипаж не хватило, у них от этого рацион сбивается, пришлось дополнительные поставки делать.

Так что фактически мы решаем триединую задачу. Это выживание человека, выживание организмов, которые его сопровождают, и их взаимодействие в общей системе.

– Давайте все же поговорим про злополучный "Фотон-М". Что там были за эксперименты? Почему погибли гекконы?

– В основном на "Фотоне" были технологические эксперименты, значимых биологических было только два. Первый – попытка получить потомство гекконов, второй – дрозофилы: классический мутогенез и исследование экспрессии генов, белков, изучение протеома мух. Дрозофилы – классический генетический объект, мы сейчас получили три поколения в космосе, биоматериала достаточно, он будет исследоваться на все эти параметры. Очень важно, что мухи выжили, для нас это был самый важный эксперимент. Все вот говорят – мухи, мухи, а они ведь по многим параметрам от нас мало чем отличаются.

А вот гекконов мы потеряли. Там оказалась непредвиденно низкая температура. Мы ожидали перегрева, а было на 10 градусов холоднее, чем гекконам нужно. Может быть, были и другие факторы – мы пока не

понимаем. Знаем точно, что погибли они в самый последний момент – 28 августа гекконы еще были живы. Проблема в том, что "Фотон", вообще говоря, предназначен для других исследований, мы там гости. Ничего не регулируется, систему жизнеобеспечения мы не контролируем, температура зависит от работы остальных аппаратов, от ориентации аппарата. Выяснилось, что капсула оказалась в тени солнечных батарей – температура упала, гекконы погибли.

– А как вы за ними следили?

– Там есть видеокамера, но, как обычно бывает, в самый интересный момент она перестала работать, опять же, мы пока не знаем почему. Есть косвенные данные – выедание корма из кормушки. Известна дата, когда кормушка в последний раз открывалась. Но это был осознанный риск.

– Почему вообще решили запустить именно гекконов?

– Во-первых, они достаточно неприхотливы. У хладнокровных легче идет заживление ран, они многие воздействия переносят легче. Во-вторых, они не так зависимы от гравитационного фактора. Гекконы могут передвигаться и по потолку и по стенам, им все равно, где верх, а где низ. На "Бионе" мы кстати тоже запускали гекконов – это были толстопалые гекконы, их кормили живыми мучными червями, гекконы их с

удовольствием ели и вообще полет перенесли прекрасно, почти никаких изменений в них мы не обнаружили. А для "Фотона" взяли фельзумов, это маленькие мадагаскарские гекконы. То, что маленькие, – удобно, у них и потребление кислорода небольшое. Но что-то не получилось. Может быть, специалисты, которые именно этими гекконами занимаются, не все о них знают, может, у этих ящериц пределы восприимчивости и выживаемости другие. Возможно, материал изначально был не очень удачным.

– Какие-нибудь высшие животные уже размножались в космосе?

– Насколько я помню, нет. Мухи размножаются, а с высшими не получается. Животное – это же не человек, который всегда готов, грубо говоря. У животных есть свой цикл, есть половое поведение, которое, как правило, зависит от гравитации. У разных видов все по-своему. Мы на сегодняшний день находимся только в начале пути, нужно ставить больше экспериментов. Вот слетал в прошлом году "Бион", сейчас "Фотон", теперь будет перерыв. Следующий орбитальный эксперимент хорошо если в 2019 году будет. Космонавты на нем полетят примерно те же, что и на прошлом "Бионе", только орбита будет в два раза выше.