БИОЛОГИЧЕСКИЕ И РАДИАЦИОННО-ФИЗИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ В
ПОЛЕТЕ КА "ФОТОН-М" №2

Ильин Е.А.
Государственный научный центр РФ - Институт медико-биологических проблем РАН

Наш институт имеет богатый опыт подготовки и проведения биологических и радиационно-физических экспериментов в полетах беспилотных космических аппаратов (КА) "Бион" и "Фотон". Естественно, что всегда мы отдавали приоритет проведению экспериментов на биоспутниках "Бион", т.к. эти космические аппараты имеют централизованную систему жизнеобеспечения (регенерация 02, удаление СО2 и вредных газообразных микропримесей и т.п.) и позволяют проводить эксперименты на млекопитающих. Следует напомнить, что в полетах 11-и биоспутников "Бион" в период с 1973 по 1996 гг. эксперименты проведены на 212 крысах и 12 обезьянах макаках резусах. КА "Фотон" предназначен в первую очередь для проведения технологических экспериментов и поэтому системы жизнеобеспечения не имеет. Это означает, что на его борту можно проводить эксперименты только с такими биообъектами, которые не требуют значительного потребления кислорода и очистки атмосферы.

В предыдущих полетах КА "Фотон" наш институт проводил лишь единичные биологические эксперименты, т.к. основное внимание уделялось реализации научной программы в полетах биоспутников "Бион". Однако в настоящее время ситуация существенно изменилась. В соответствии с Федеральной программой на период до 2015 года запуск очередного биоспутника "Бион" запланирован на 2010 год. В то же время перечень задач биомедицинского характера, требующих своего решения в космических экспериментах, неуклонно растет, и это требует поиска возможностей для их скорейшего решения. Известно, что в определенном объеме биологические эксперименты проводятся институтом на борту МКС, но этого недостаточно. Отсюда и возросший интерес к КА "Фотон".

Применительно к полету КА "Фотон-М" №2, который продолжался 16 суток в период с 31 мая по 16 июня, была разработана комплексная программа экспериментов по фундаментальной биологии и радиационной дозиметрии. К реализации этой программы были привлечены ведущие научные учреждения России, а также специалисты НАСА, главным образом из Эймсского космического центра. Участие специалистов НАСА в послеполетном обследовании биообъектов в четырех экспериментах на борту КА "Фотон-М" №2 определено Соглашением между ГНЦ РФ ИМБП РАН и НАСА от 28 декабря с.г.

Наш институт при поддержке ГНП РКЦ "ЦСКБ-Прогресс" (г. Самара) изготовил аппаратуру для проведения экспериментов и оснастил ее температурными регистраторами, которые непрерывно в течение всего пролета фиксировали температуру в зоне обитания биообъектов. Помимо этого на аппаратуре были закреплены дозиметры, которые позволят определить суммарную дозу облучения биообъектов за время 16-и суточного полета. Доставку аппаратуры и биообъектов на космодром "Байконур" и с места приземления в Москву осуществлял представитель нашего института. В нашем же институте с плановой задержкой на двое суток был проведен синхронный (контрольный) эксперимент, в котором воспроизводились те же температурные условия содержания биообъектов как и в космосе. Специалисты нашего института принимают и творческое участие во всех проведенных экспериментах, общее описание которых приведено ниже.

ЭКСПЕРИМЕНТ "ПЛАЗМИДА - Ф2"

Цель:
Выявление вероятности и степени влияния ФПК на эффективность наследования и структурную стабильность плазмиды pJ702 у актиномицета Streptomyces lividans

Задачи:
-изучить влияние ФПК на генетические структуры микроорганизма
-определить характер и предполагаемый механизм изменений генетических структур
-сравнить стабильность и экспрессию плазмидных и хромосомных генов в полетном и наземном вариантах

Объект исследования: бактерии рода Streptomyces lividans 66

Методы послеполетного исследования: молекулярно-генетические, биохимические

Бортовая аппаратура: контейнер ББ-1М "ПЛАЗМИДА"

Ожидаемые результаты:
Полученные данные позволят:
- выявить механизм генной экспрессии у микроорганизмов
- оценить возможность и целесообразность использования условий КП (микрогравитации)
- для получения антибиотиков и других ценных фармакологических препаратов в практических целях

Исполнители:
От России: ГосНИИ "Генетика", ГНЦ РФ ИМБП РАН
От США: Университет штата Монтана

ЭКСПЕРИМЕНТ "РЕГЕНЕРАЦИЯ Ф2"

Цель: Определение молекулярно-биологических механизмов стимулирующего действия ФКП на клеточную пролиферацию и регенерацию органов и тканей у амфибий (тритонов Pleurodeles waltl)

Задачи: - изучить роль генов, кодирующих ряд транскрипционных факторов, в процессах клеточной пролиферации и регенерации органов и тканей у низших позвоночных
- исследовать клеточный состав крови и провести гистологический анализ кроветворных органов тритонов

Объект исследования: иглистый тритон Pleurodeles waltl

Методы послеполетного исследования: молекулярно-биологические, цитохимические

Бортовая аппаратура: контейнер "ТРИТОН"

Ожидаемые результаты:
Полученные данные позволят:
-проверить гипотезу российских специалистов о том, что гены, кодирующие ряд транскрипционных факторов играют определяющую роль в стимуляции регенерации тканей в условиях микрогравитации
-проверить гипотезу американских специалистов о том, что в условиях микрогравитации снижается скорость пролиферации соматических клеток
-использовать низших позвоночных (тритонов) в качестве простой и удобной модели для изучения влияния ФКП на процессы регенерации и кроветворения у млекопитающих, включая человека

Исполнители:
от России: Институт биологии развития РАН, ГНЦ РФ - ИМБП РАН
от США: Эймсский исследовательский центр НАСА

ЭКСПЕРИМЕНТ "РЕЦЕПТОР - Ф2"

Цель:
Оценка функционального состояния гравирецепторов (статоцистов) у улиток после космического полета

Задачи:
- изучить путем регистрации электрофизиологических сигналов после космического полета изменения чувствительности гравирецепторов
- изучить морфо-функциональное состояние статоцистов после космического полета с помощью электронной микроскопии
- изучить экспрессию генов, определяющих чувствительность гравирецепторов

Объект исследования: виноградные улитки (Helix lucorum)
Методы послеполетного исследования: электрофизиологические, морфологические и молекулярно-биологические
Бортовая аппаратура: контейнер ББ-1М "Рецептор"

Ожидаемые результаты:
Полученные данные позволят:
-выяснить особенности морфо-функциональных изменений в гравирецепторах (статоцистах) после космического полета
-использовать данный биообъект в качестве простой и удобной модели для изучения гравирецепторных дисфункций, возникающих у человека в космическом полете

Исполнители:
от России: Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН ,
ГНЦ РФ ИМБП РАН
от США: Эймсский исследовательский центр НАСА

ЭКСПЕРИМЕНТ "ГЕККОН -_Ф2"

Цель
Исследование влияния ФКП (микрогравитации) на морфо-функциональные характеристики нервной системы, скелета и эндокринных органов у рептилий (ящериц - гекконов)

Задачи:
-изучить изменения в центральной нервной системе и в периферических органах чувств (зрительный, слуховой и вестибулярный аппарат),
-исследовать опорно-двигательный аппарат (кости, хрящи, связки)
-изучить изменения в эндокринной системе

Объект исследования: пресмыкающиеся: отряд ящерицы (Sauria), семейство гекконовые (Gekkonidae)

Методы послеполетного исследования: гистология, рентгеновская микротомография, сканирующая электронная микроскопия, иммуногистохимия

Бортовая аппаратура: контейнер ББ-1М "Улитка"

Ожидаемые результаты.
Полученные данные позволят:
-установить возможное перераспределение различных химических элементов в опорном аппарате после экспозиции животных в условиях микрогравитации
-разработать физическую модель, наиболее объективно отражающую динамическую модель скелета не только для данного объекта, но и представителей высших таксонов, включая человека

Исполнители:
от России - Институт морфологии человека РАМН, ГНЦ РФ ИМБП РАН
от США - Эймсский исследовательский центр НАСА

РАДИАЦИОННО-ФИЗИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Радиационно- физические исследования на борту возвращаемого спутника Фотон - М2 предназначены для изучения радиационной обстановки в области околоземного космического пространства, пределах которой пролегают орбиту пилотируемых включая МКС и автономных космических аппаратов.

Цель исследований - экспериментальное определение дозовых нагрузок на биологические объекты, аппаратуру и конструкционные материалы космических аппаратов в различные периоды (фазы) солнечной активности.

Исполнитель: ГНЦ РФ ИМБП РАН (Ю.А.Акатов, В.В.Цетлин, В.В.Архангельский)

1. Изучение распределения интегральных поглощенных доз ионизирующей радиации в тонких слоях вещества в условиях открытого космического пространства (RADO Foil Depth Dose).

Цель эксперимента - изучение радиационных условий в околоземном космическом пространстве. Эксперимент проводится на внешней поверхности возвращаемой капсулы спутника "Фотон-М2" - при минимальной защищенности экспонируемых физических детекторов.

Эксперимент заключается в экспонировании на внешней поверхности спутника в контейнере BIOPAN термолюминесцентных детекторов ионизирующего излучения из алюмофосфатного стекла (Al2O3 - P2O5 - MgO) Российского производства. Детекторы размещены в специальном сепараторе стопками по 6 шт. в каждом из 20-ти вертикальных каналов диаметром 8мм. Использованы детекторы с толщинами от 200 до 1000 мкм. Детекторы покрыты защитными фольгами толщиной 0.0013 г/см2 . Использовано от одного до пяти таких слоёв фольги. Каждые 4 стопки детекторов покрыты защитой с одинаковой толщиной.

По возвращении на Землю датчики должны быть проанализированы, чтобы оценить распределение дозы в супертонких слоях вещества с интервалом, равным толщине одного слоя фольги (0.0013 г/см2).

2. Изучение эффективности защитных характеристик специальных стекол с объёмным электрическим зарядом (RADO Charged Glass).

Цель эксперимента - изучение эффективности защитных свойств специальных стеклянных покрытий, предназначенных для защиты элементов солнечных батарей от космических излучений в условиях открытого космического пространства. Используются образцы стекол как с предварительно "внедренным" объемным электрическим зарядом, созданном путем облучения образцов на пучке ускоренных электронов, так и без заряда. Все образцы стекол имеют одинаковую толщину. Термолюминесцентные детекторы поглощенной дозы, размещенные под стеклами, регистрируют величину поглощенной дозы.

Внедренный объёмный электрический заряд создает защитное поле для электронов космического излучения, что позволит снизить радиационную нагрузку на функциональные элементы солнечных батарей и увеличить ресурс их работы.

3. Изучение распределения интегральных поглощенных доз внутри возвращаемой капсулы спутника ФОТОН-М2.

Используются миниатюрные дозиметрические сборки, аналогичные сборкам индивидуального дозиметрического контроля Российских космонавтов, а также отдельные термолюминесцентные детекторы. Детекторы размещены в представительных местах расположения биологических объектов.

Обработка результатов измерений проводится после возвращения капсулы на Землю.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полет КА "Фотон-М" №2 успешно завершен. Состояние биообъектов, побывавших в космосе, оценивается как хорошее. 17 июня они доставлены в соответствующие институты г.Москвы, где вечером в этот же день началось их обследование. Обследование биообъектов из синхронного (контрольного) эксперимента начнется во второй половине 19 июня по такому же графику, как и для полетных биообъектов. Предварительные научные результаты проведенных в полете экспериментов будут подготовлены российскими и американскими специалистами через 3 месяца, а окончательные результаты - через 6 месяцев.

Следует полагать, что использование в данной программе многих современных методик исследований биоматериала позволит получить новые данные о механизмах и закономерностях адаптации живых систем к условиям микрогравитации.