Зачем науке нужна невесомость
15 декабря 2015 года Тим Пик в должности второго бортинженера отправился с космодрома Байконур к МКС, чтобы провести на орбите 186 суток и узнать все о том, как жить и выживать в космосе. После возвращения Тим решил поделиться всем пережитым с землянами — в соцсетях был запущен хештег #askanastronaut, с помощью которого отбирались вопросы. Интервью со всем человечеством и стало книгой «Спросите у космонавта». В нашем материале ответ на вопрос: «Какие достоинства имеют исследования, проведенные в космосе?»
У врачей были реальные опасения по поводу влияния невесомости на здоровье Юрия Гагарина, когда 12 апреля 1961 года он отправился в космос. Вероятных сценариев катастрофы было предостаточно — возможные проблемы с сердцем, легкими, головным мозгом и т. д. С тех пор люди научились не только переносить невесомость, но и адаптироваться и успешно развиваться в таких условиях в течение длительного времени. За это время было получено большое количество информации, касающейся самых различных областей. И это не только финансируемые правительством исследования. Все больше коммерческих компаний осознают преимущества космических исследований, и МКС растет как платформа для инноваций в промышленности и в частном секторе. Я надеюсь, вам будет интересно прочитать о некоторых из исследований, которые радикально поменяли жизнь людей на Земле.
Строение белка
Наше тело содержит десятки тысяч различных белков. Эти трехмерные сложные структуры составляют почти 17% общей массы тела. Белки не только формируют наши тела, но и играют важную роль в процессах жизнеобеспечения. Ошибка в синтезе белка может привести к развитию тяжелых заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, паркинсонизм, болезнь Хантингтона и даже губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота, или «коровье бешенство».
Принцип действия большинства лекарств, используемых для лечения этих заболеваний, основан на доставке молекул, предназначенных для встраивания в структуру патогенных белков и ингибирования их функции. Но для того, чтобы эффективно работать, молекула лекарственного средства должна точно соответствовать «неправильному» белку, как будто это две части трехмерного паззла. И здесь требуется подробное знание структуры белка. Чтобы ее изучить, можно вырастить кристаллы белка. Исследователи обнаружили, что легче всего такие кристаллы выращивать в невесомости, где отсутствуют эффекты гравитации и конвекции, искажающие или разрушающие тонкую структуру кристаллов. Космические кристаллы оказались более крупными и совершенными, чем любые из полученных на Земле, и уже позволили получить ценную информацию о лечении мышечной дистрофии Дюшенна.
В настоящее время в космосе проводятся эксперименты по изучению таких болезней, как гепатит С, болезнь Хантингтона, некоторые виды рака и кистозный фиброз. И это лишь первые маленькие шаги к использованию потенциала подобных исследований. В природе насчитывается десять миллиардов белков, причем структура каждого из них уникальна и содержит важную информацию, связанную с нашим здоровьем и глобальной средой, — это одна из самых интересных областей исследований, проводимых на МКС.
Создание вакцин
Космическая среда вызывает множество изменений в микробных клетках. Самый простой пример — изменение устойчивости к антибиотикам и скорости проникновения в ткани хозяина.
Особый интерес для исследователей инфекционных заболеваний представляет вирулентность (способность микроба вызывать заболевание). Было показано, что в условиях микрогравитации вирулентность увеличивается. Это позволило ученым выявить и идентифицировать те вирусы, которые обладают низкой вирулентностью, чтобы использовать их в качестве основы для производства вакцин.
Одной из наиболее распространенных причин пищевого отравления является заражение организма сальмонеллами, вызываемая ими диарея остается одной из трех основных причин смертности младенцев во всем мире. Финансируемое коммерческой корпорацией Astrogenetix космическое исследование привело к открытию потенциальной вакцины против этих бактерий, сейчас она находится на этапе одобрения и коммерческого внедрения.
Эксперименты на МКС были также посвящены изучению вирулентности устойчивого к метициллину Staphylococcus aureus, более известного как MRSA.
На МКС также стремятся улучшить существующие вакцины против стрептококковых бактерий, которые вызывают такие опасные заболевания, как пневмония, менингит и бактериемия.
И это лишь часть результатов, подтверждающих перспективы создания вакцин в условиях микрогравитации.
Процесс старения
Быстрые изменения, которые происходят с человеческим организмом после адаптации к невесомости, представляют собой уникальную модель для изучения процессов старения. Проводятся исследования потери костной ткани, сердечно-сосудистой дегенерации и изменения состояния кожи; ученые ищут пути поддержания равновесия иммунной системы. Исследования уже привели к разработке нового препарата для лечения остеопороза (ProliaTM от Amgen), и в настоящее время многие эксперименты МКС ориентированы на эту область исследований.
Количество пожилых людей стремительно растет, в настоящий момент более 8,5% всех людей на Земле находится в возрасте 65 лет и старше. Только в США число людей в этой возрастной группе удвоится в течение следующих тридцати лет.
Долгая жизнь не означает здоровую жизнь, и исследования, проводимые на МКС, позволяют подготовить ся к проблемам общественного здравоохранения, которые неизбежно возникнут со старением населения.
Сплавы металлов
Литье было освоено довольно давно — самое древнее из найденных отлитых изделий (медная лягушка) датируется 3200 годом до н. э. Однако технология литья по-прежнему остается предметом научных исследований. На Земле микроструктура только что остывшего сплава страдает от конвекции и седиментации, вызванных действием силы притяжения. Понимание физических принципов, которые регулируют процесс затвердевания, имеет решающее значение для производства высококачественных материалов, таких как солнечные батареи, термоэлектрические и металлические сплавы. Отсутствие конвекции и седиментации в космосе позволяют ученым контролировать и усовершенствовать процесс затвердевания, что приведет к появлению новых, более прочных и легких материалов. На европейском электромагнитном левитаторе, расположенном на борту МКС, проводятся эксперименты и в этой области. Проект IMPRESS под руководством ЕКА, объединивший 43 исследовательские группы, уже дал результат — были разработаны лопасти турбин из алюминидов титана. Эти кристаллические сплавы, обладающие уникальными свойствами, такими как высокая температура плавления, высокая прочность и низкая плотность, идеально подходят для со временных электростанций и авиационных двигателей. Использование алюминида титана приведет к 50-процентному уменьшению количества компонентов турбины, что снизит расход топлива и, соответственно, выбросы газов в окружающую среду.
Низкотемпературная плазма
Плазма — это одно из четырех фундаментальных состояний материи, наряду с твердым, жидким и газообразным. Она представляет собой ионизированный газ, чем-то напоминающий молнию, и для Земли это довольно редкое состояние вещества. А вот в космосе плазмы — 99%. Когда частицы пыли или другие микрочастицы попадают в ионизированный газ, они становятся сильно заряженными, в результате чего образуется «сложная плазма». МКС обеспечивает идеальные условия для исследования «сложной плазмы», поскольку в условиях микрогравитации частицы пыли могут свободно распространяться в пространстве и формировать упорядоченные трехмерные кристаллические структуры этого вещества.
Плазма может проникать во многие материалы, распространяясь равномерно и быстро. Она способна дезинфицировать поверхности и, как было доказано, за несколько секунд нейтрализовать устойчивые к лекарствам бактерии, такие как MRSA. Другие исследования показали, что плазменная терапия (совместно с химиотерапией) эффективна в борьбе с раком, замедляя рост опухоли на 500% (!) по сравнению с одной только химиотерапией.
После чрезвычайно успешной серии европейских и российских экспериментов на МКС данные о свойствах «сложной плазмы» получили на Земле практическое применение в виде низкотемпературной плазмы. С 2013 года компания Terraplasma, наряду с производством водоочистительного оборудования, успешно применяет технологию низкотемпературной плазмы для решения многих проблем в области медицины и гигиены.
Микрокапсуляция
Представьте, что вы заполняете крошечный биоразлагаемый микробаллон (размером с эритроцит) различными лекарственными растворами, которые можно вводить в кровоток для борьбы с болезнью, вдыхать для лечения бактериальных инфекций легких или доставлять непосредственно в место развития злокачественных опухолей.
Этот процесс получил название «микрокапсуляция»; разработанный на базе космических исследований, впоследствии он показал потрясающие результаты. Тесты говорят, что несколько доз лекарства, введенного способом микрокапсуляции непосредственно в опухоль предстательной железы, замедлили рост опухоли на 51% в течение трех недель. В другом исследовании было показано, что достаточно двух доз микрокапсул, чтобы уменьшить размер опухоли легких в 43% случаев. После 26 дней снижение размера опухоли было отмечено в 82% случаев, а 28% опухолей полностью исчезли. Столь многообещающие результаты с использованием низких доз лекарства дают этому методу несомненные преимущества в сравнении с традиционными методами терапии рака, такими как химиотерапия.
Данные, полученные на МКС, были жизненно важны для разработки технологии создания этих капсул, поскольку под действием микрогравитации разные жидкости (например, масло и вода) распределяются равномерно по всей капсуле. Таким образом, можно получить капсулы высочайшего качества!
Если кто-нибудь из вас хоть раз готовил салат с добавлением масла и уксуса, то он, конечно, знает, что эти жидкости не смешиваются. Масло обладает меньшей плотностью, поэтому находится на поверхности. Чтобы в салате было одинаковое количество обеих жидкостей, надо предварительно встряхнуть бутылку с уксусом и маслом. В скором времени, однако, эти жидкости вновь разделятся из-за действия гравитации Земли. В космосе все не так. Две жидкости по-прежнему не смешиваются полностью, но в отсутствии гравитации маленькие глобулы масла и уксуса равномерно распределяются внутри одной, более крупной глобулы. Это и есть основной принцип микрокапсуляции в условиях микрогравитации
Ошеломительный успех созданных в космосе микрокапсул привел к открытию и последующему патентированию НАСА системы микрокапсулирования импульсного потока (Pulse Flow Microencapsulation System, PFMS), которая была создана на Земле и может воспроизводить качество создаваемых в космосе микрокапсул.
Такой метод лечения может быть полезен не только при терапии рака. Микрокапсулы эффективны при лечении многих заболеваний — например, в качестве замены ежедневных инъекций инсулина для больных диабетом, так как одна инъекция микрокапсул способна поддерживать нужную концентрацию инсулина в течение 1214 дней.
«Спросите у космонавта» — углубленное и обстоятельное руководство по жизни в космосе, написанное британским космонавтом Тимоти Пиком, добродушным, открытым и очень простым человеком. В этом руководстве нашлось место многим ранее не публиковавшимся фотографиям, вороху разъясняющих диаграмм и иллюстраций, юмору и любви к своему делу, а они делают эту книгу крайне интересным и очень личным рассказом о жизни в космосе.
Издательство: «Рипол-классик»