--PAGE_BREAK--АБЛ для экзобиологических исследований.
Хотя о пилотируемых полетах на другую планету в данное время вопрос не стоит (где человек уже вплотную визуально смог бы провести исследования), АБЛ вполне (хотя и не полностью) могут уже заменить человека сегодня: рассмотренные методы обнаружения жизни вполне осуществимы в настоящее время с технической точки зрения. Именно с их помощью можно рассчитывать не только на обнаружение инопланетных живых форм, но и на получение их определенных характеристик.
Однако очевидно, что в отдельности ни одни из предложенных методов обнаружения не дает данных, допускающих однозначную интерпретацию с точки зрения наличия жизни.
Это отличается от методических экспериментов, предназначенных для измерения тех или иных физических параметров других небесных тел или межпланетного пространства.
Многое показывает, что единственным подходом в проведении экзобиологических исследований является создание АБЛ, в которой отдельные методы по обнаружению жизни могли бы конструктивно объединены, а их применение регламентировано единой программой функционирования АБЛ.
В настоящее время технически неосуществимо создание таких АБЛ, в которых были бы представлены все известные методы обнаружения. Поэтому в зависимости от конкретных целей, сроков запуска и времени жизни космических станций на поверхности планеты конструкции АБЛ имеют различный приборный состав (рис. 1)
Пока еще биологические лаборатории предназначены для ответа на основной вопрос о самом существовании жизни, и поэтому все предлагаемые проекты АБЛ имеют целый ряд общих черт. В конструктивном отношении АБЛ должна иметь собственное заборное устройство или обеспечиваться образцами за счет заборного устройства, общего для всей космической станции, частью которой является АБЛ. После забора образца он поступает в дозатор распределитель, а затем в инкубационное отделение, где при определенной температуре и освещении происходит выращивание микрофлоры и обогащение материала образца. Эти процессы можно вести в различных режимах, начиная от полного сохранения первоначальных планетных условий и кончая созданием температуры, давления и влажности, близких к земным
В связи с этим в конструкции АБЛ предусматривается существование систем, наполняющих емкости под определенным давлением, систему вакуумных клапанов для отделения АБЛ от наружной атмосферы после забора пробы.
Необходимым элементом является и устройство для поддержания определенной температуры как в блоке выращивания микроорганизмов, так и непосредственно в измерительной ячейке, где производится снятие оптических параметров образца.
Через определенный промежутки времени, по мере развития микрофлоры, материал образца в твердом и растворенном виде анализируется с помощью функциональных, а также некоторых аналитических методов. При этом предполагается, что информация о наличии на планете общих предпосылок для существования жизни (температура, состав атмосферы, присутствие органических веществ) должна быть получена с помощью дистанционных и аналитических методов.
Трудно переоценить тот вклад, который будет сделан в случае обнаружения инопланетных форм жизни. Однако отсутствие жизни на планетах Солнечной системы не исключает развития экзобиологии как науки, как не является препятствием на пути дальнейшего совершенствования методов автоматического обнаружения и снятия характеристик живых систем. Результаты этой области, являющейся частью биологического приборостроения, несомненно, найдут широкое применение как в современной биологической науке, так и в других областях человеческой деятельности, не говоря уже о задачах освоения космического пространства и необходимости в связи с этим автоматического контроля за состоянием живых систем в этих условиях.
Основы планетарного карантина.
Еще с древних времен человечество привлекала перспектива открытия и изучения внеземных форм жизни. Теперь, когда исследование космического пространства стало обыденностью, обнаружение инопланетной жизни или установление ее предшественников является одной из важных целей национальных программ исследований планет многих стран.
Однако успешному исследованию космического пространства угрожает возможность заноса человеком при полете от одной планеты к другой инопланетных форм жизни, что может привести к самым неожиданным последствиям. Занесение и размножение земных форм жизни может уничтожить раз и навсегда благоприятную возможность изучить планеты в присущих им условиях. Планетарный карантин осуществляется для сохранения этой возможности.
В настоящее время осуществление планетарного карантина необходимо по трем причинам:
Земная микрофлора, занесенная на планету автоматическими аппаратами или пилотируемыми космическими кораблями, может размножатся и распространяться на ней, что станет препятствием для дальнейших исследований и замаскирует или совсем разрушит жизнь, характерную для данной планеты. Природные условия при этом могут так изменяться, что эта планета уже не будет представлять значительного научного интереса для последующих поколений.
Автоматический космический аппарат, предназначенный для определения признаков жизни на планете, не должен быть загрязнен земной микрофлорой; в противном случае приборы будут обнаруживать в первую очередь земную микрофлору, а не внеземную.
Земля может быть загрязнена опасными для нее организмами или веществами, занесенными с другой планеты или из космического пространства.
Хотя упомянутые причины, обуславливающие необходимость осуществления карантина, в основном связаны с микроорганизмами как наиболее простым источником заражения в силу того, что они обладают способностью выдерживать воздействие экстремальных факторов окружающей среды и быстро размножаться, интересы науки в области внеземной жизни не ограничиваются только этими живыми формами. Например, обнаружение органических молекул, которые могут быть предшественниками жизни или ее остатками, представляло бы огромную научную значимость.
Одним из наиболее ярких примеров успешного проведения планетарного карантина было проведение карантина при пилотируемых полетах на Луну. Лунная приемная лаборатория обеспечила карантин возвратившихся космонавтов и проб лунного грунта. По мере накопления информации об условиях на Марсе определяется целесообразность изоляции и обеззараживания кораблей, которые будут совершать полеты на эту планету. Поэтому при составлении программы таких полетов надо исходить из необходимости предупреждения загрязнения Земли внеземными формами жизни. Методы такого карантина существенно отличаются от метод предупреждения загрязнения других планет земными организмами.
Один из возможных приемов предотвращения заражения для непилотируемых кораблей включает предварительное исследование возвращаемых образцов на околоземной орбите. Карантин снимается, и образцы доставляются на Землю только в случае, если тесты на биологическую активность окажутся отрицательными.
Другой возможный прием заключается в инкапсуляции возвращаемых образцов до приземления, карантин должен соблюдаться в течение всего периода исследования образцов на Земле.
В настоящее время существуют и действуют ряд национальных и международных программ по проблеме планетарного карантина (их описание не входит в цель данной работы). Специально для этого был образован в октябре 1958 г. Комитет космических исследований (КОСПАР). Он взял на себя ответственность за изучение проблемы загрязнения и принял ряд резолюций, определяющих цели планетарного карантина для государств, осуществляющих запуски космических кораблей. В резолюции КОСПАР от 1964 г. был впервые определен допустимый предел загрязнения космических аппаратов (10-3 — один микроорганизм на тысячу полетов).
Методология планетарного карантина.
Основные требования, предъявляемые планетарным карантином (ПК) к космическим полетам, заключается в максимальном снижении вероятности загрязнения планеты и научных приборов, находящихся на борту космического корабля. Эти требования надо учитывать при изготовлении космических кораблей и аппаратуры, а также при выборе траектории полета. Так как космический корабль и его аппаратура должны быть абсолютно надежны, чтобы обеспечить успешное осуществление полетов, большое внимание следует уделять выбору карантинных средств, применение которых не отразится на успехе полета.
Изучение влияния факторов космического полета на выживаемость.
В экспериментах, имитирующих условия космоса, показано, что космическая среда менее губительна для микроорганизмов, чем для других, более сложных форм жизни.
Учеными России и США проводятся эксперименты с различными видами микроорганизмов в условиях, имитирующих физические параметры Марса, Венеры и Луны. При параметрах среды, близких к марсианским (перепад температуры от -60 до +26оС, атмосферное давление 7 мм. рт. ст., газовый состав 80 % углекислого газа и 20 % азота) некоторые пустынные микроорганизмы сохраняли способность к росту при относительной влажности, равной 3.8 %. Очевидно, для этих земных форм жизни достаточно осень незначительное количество влаги.
В одних экспериментах по имитации условий космического пространства (проводимых в СССР) обнаружено, что некоторые микроорганизмы и энзимы устойчивы к действию вакуума порядка 10-10 мм. рт. ст. Другие исследования выявили способность микроорганизмов сохраняться в условиях вакуума.
Ионизирующая космическая радиация, за исключением излучений солнечных вспышек и радиационных поясов земли, не может рассматриваться как инактивирующий фактор; неясно, может ли эта радиация уничтожить живые формы, расположенные на поверхности космического аппарата. Известно, например, что обитающие в воде атомных реакторов организмы адаптируются к радиации в 1 млн. р.
Наиболее губительным фактором космического пространства являются ультрафиолетовые лучи. В таблице указаны дозы, необходимые для 80 — 100 % — й инактивации незащищенных микроорганизмов (приведенные данные взяты из экспериментов, проводившихся в СНГ, России и США). Однако, благодаря высокой степени отражения, поток ультрафиолетовой радиации легко экранируется пылью или другим непрозрачным материалом (например, верхний слой микроорганизмов может защитить нижележащие клетки.
Не так давно проведен анализ выживаемости микроорганизмов при входе в атмосферу Юпитера. Предполагается сильный нагрев поверхности капсулы и вероятное ее сгорание, вызванное высокой плотностью атмосферы и траекторией полета аппарата, которая обуславливает высокие скорости при входе в атмосферу. Закончены исследования, дающие точную оценку вероятности выживания на поверхности планеты микроорганизмов, сохранившимся на посадочной капсуле или внутри ее.
Нормы и рекомендации.
Оценка уровня микробной обсемененности.
Определение числа микроорганизмов может быть осуществлено либо путем прямых исследований (например, при поверхности загрязнении), либо путем расчета в случаях невозможности непосредственного взятия пробы без разрушения космического аппарата.
Поверхностное загрязнение.
Точность подсчета числа микроорганизмов на поверхности космического аппарата зависит оп ряда факторов. Поверхность космического аппарата составлена их самых разнообразных материалов, некоторые из которых являются ингибиторами роста микроорганизмов. Обследование металлической поверхности сводится к взятию с нее микробиологической пробы с последующим посевом на питательную среду.
Внутреннее загрязнение.
Микроорганизмы, расположенные между двумя поверхностями или инкапсулированные внутри какого — либо материала, обычно недоступны для прямого исследования; уровень загрязнения в этих случаях может быть определен только косвенным путем. Исследование проводится во время сборки аппарата, когда соприкасающиеся в будущем поверхности открыты и доступны для исследования.
Анализ источников загрязнения.
Анализ возможных источников загрязнения применительно к конкретным полетам проводится для обоснования необходимости контроля за предполагаемым загрязнением планеты и выбора надлежащих средств.
Для определения вероятности загрязнения планеты необходимо:
Идентифицировать все возможные источники загрязнения, связанные с данным полетом.
Определить уровень обсемененности каждого такого источника.
Определить уровень обсемененности космического аппарата во время запуска.
Определить уровень обсемененности частей аппаратуры, которые достигнут поверхности планеты.
Выяснить, какая часть микроорганизмов выживет при действий факторов космического пространства во время полета и достигнет планеты.
Методы контроля за обсемененностью.
Выполнение задач карантинных мероприятий возможно при осуществлении мер, принятых для контроля за уровнем загрязнения космического аппарата и при обеспечении его надежности, позволяющей свести к минимуму вероятность случайного загрязнения. На основе анализа источников загрязнения разрабатываются методы контроля за загрязнением, включающие определение уровня микробиологической обсемененности в течение основных этапов сборки. Эти данные могут быть положены в основу мероприятий по контролю для каждого этапа сборки.
Предупреждение загрязнения.
Предупреждение загрязнения включает изучение потенциальных источников загрязнения космических аппаратов и использование барьеров для их защиты.
Биологические барьеры.
Цель биологического барьера — сохранить количество микроорганизмов внутри замкнутого объема на возможно более низком уровне. Это может быть достигнуто использованием воздушного потока в биологически чистом помещении или с помощью жесткого микробиологического фильтра. Использование чистых помещений уменьшает или исключает микробную загрязненность открытых поверхностей и оборудование, что увеличивает вероятность успешного проведения обеззараживания.
Профилактика загрязнения персоналом.
Основным источником микроорганизмов при сборке космического аппарата является персонал, связанный с процессом производства. Известно, что поверхность кожи человека — благодатная почва для выживания и роста микроорганизмов.
В настоящее время неизвестен ни один метод стерилизации кожи. Так как бактерии постоянно удаляются с кожи, механический барьер, такой, например, как резиновые перчатки, в сочетании с бактерицидными мылами, очевидно, является лучшим методом ограничения или предохранения переноса микроорганизмов с кожи на оборудование космического аппарата.
Методы обеззараживания.
В настоящее время разработано много методов снижения уровня микробного загрязнения космического аппарата и его элементов. Хотя они и не идеальны, некоторые из них используются с успехом в настоящее время, другие являются перспективными в будущем. Эксперименты показывают, что более высокая степень стерильности может быть достигнута при использовании этих приемов для гладких поверхностей. При шероховатых поверхностях выживаемость микроорганизмов остается значительной.
Обработка дезинфицирующими средствами.
Дезинфицирующая обработка заключается в промывке доступных поверхностей компонентов космического аппарата такими дезинфицирующими веществами как этиловый спирт, изопропиловый спирт, формальдегид с метаном и перекись водорода.
Стерильность поверхности.
Поверхность стерилизуется химическими средствами (окись этилена, бромистый метил, формальдегид) и с помощью радиации без прямого контакта с поверхностью (лазерные лучи, ультрафиолетовая ионизирующая радиация и плазма).
Тепловая стерилизация.
Так как земные микроорганизмы чувствительны к высоким температурам, то автоклавирование — обычный процесс, широко применяемый в промышленности и в процессе приготовления пищи. При этом в качестве активного начала используется пар или сухой горячий воздух. Тепловая инактивация микроорганизмов происходит как более сложный процесс в сравнении с ниже приведенной логарифмической моделью (надо учитывать еще водный режим, сложность микробной популяции и ее равновесные свойства). Простая логарифмическая модель, используемая для определения параметров системы, выражает процесс разрушения микроорганизмов как функцию времени и температуры:
где — начальная микробная популяция, — время, необходимое для уменьшения популяции на 90 % при температуре Т и температурном коэффициенте
, — средняя величина популяции в течение времени нагревания.
Другими факторами, определяющими эффективность процесса тепловой стерилизации, являются термодинамические характеристики космического аппарата, температура окружающей среды, число подлежащих стерилизации микроорганизмов и характер распределения микроорганизмов по поверхности аппарата.
Терморадиация.
Сочетание тепловой стерилизации и радиации во время сборки космического аппарата имеет преимущества, поскольку компоненты аппарата подвергаются воздействию меньших температур, чем только при одной тепловой стерилизации, и меньшей радиации, чем во время одного только облучения.
Аутостерилизация.
Самостерилизующийся материал содержит ингредиенты, токсичные для бактерий. При стерилизации космического аппарата очень часто возникают трудности, связанные с тем, что определенные материалы не могут выдержать обеспечивающие необходимую стерильность дозы радиации или температуры. В связи с этим самостерилизующиеся материалы значительно интересны для целей космических полетов, что следует иметь ввиду при выборе материалов для космических полетов.
Методы контроля.
Успех мероприятий по борьбе с загрязнением определяется количеством микроорганизмов, особенно бактериальных спор, оставшихся внутри и на поверхности космического аппарата. Хотя этот критерий применяется и в других областях, стерилизация космических аппаратов представляет проблему уникального плана. На космическом аппарате нельзя взять большое количество проб на стерильность, так как увеличение числа проб может привести к загрязнению и нарушению конструкции. Методы выявления аэробных и анаэробных микроорганизмов и спор приведены на рис.
Большинство методов выявления спор включает нагревание микробной суспензии до высева на среды. Эта процедура называется тепловой обработкой.
Методика определения анаэробных микроорганизмов такая же, как и для выявления аэробных, за исключением того, что культуры инкубируются в первом случае в строго анаэробных условиях. Однако исследования показали, что строгие анаэробы на космическом аппарате встречаются в очень небольших количествах (следовательно, используются редко).
В соответствии полетного проекта требованиям ПК дает возможность каждому государству, осуществляющему космические полеты, заверить соответствующие организации, что биологический карантин соблюдается и что в результате этих полетов планеты будут сохранены как биологические заповедники для дальнейших научных исследований. Только при соблюдении самых строгих мер, какими сложными они не были, планеты будут оставаться нетронутыми в ожидании будущих исследований. До того времени, когда человек высадится на эти планеты и сможет использовать в своих нуждах. Но это будет при условиях, когда человечество сможет продолжать изучение космического пространства с уверенностью, что не существует угрозы необратимого загрязнения планет, то есть до времени, пока результаты исследований космического пространства не подтвердят возможности снятия карантина.
продолжение
--PAGE_BREAK--