Космос как лаборатория
В космосе проходят сотни научных экспериментов. Они совершенно уникальны, так как нигде на Земле невозможно воссоздать условия, которые есть на орбите. Расскажем про 10 самых интересных направлений.
Печать живых тканей на 3D-принтере
В конце прошлого года медицинская компания «Инвитро» отправила на МКС разработанный учеными лаборатории биопринтер «Орган.Авт». С его помощью космонавт Олег Кононенко провел эксперимент по печати тканей щитовидной железы мыши и хряща человека. На формирование микроорганов ушли сутки, это быстрее, чем на Земле. Напечатанная на биопринетере щитовидная железа внешне не похожа на естественную, но такая задача и не ставилась, главное — внутреннее структурное сходство, и его удалось добиться. После возвращения напечатанных тканей на Землю исследователи убедились в том, что клетки живые и в них не произошло патологических изменений. Главным результатом стал сам факт, что устройство на орбите успешно работает, а некоторые нюансы процесса печати живых тканей на 3D-принтере в космосе оказались даже лучше, чем на Земле. Например, в невесомости на МКС микроорганы собираются идеально в середине кюветы (съемные емкости, в которых происходит печать), а на Земле из-за силы тяжести они могут смещаться в сторону. Эта технология может пригодится, в частности, для пополнения рациона космонавтов искусственным мясом, выращенном в лаборатории на МКС.
Грызуны в эксперименте по старению
Космонавтам приходится проводить и не самые приятные опыты. Например, с грызунами. Один из экспериментов включает наблюдение за живыми особями: «жилой отсек» с мышами размещается в американском сегменте на борту МКС. Две недели животные адаптируются к условиям микрогравитации, затем космонавты проводят биомедицинские исследования на грызунах, вводят им вакцину (в частности, столбнячный токсин). Через две недели грызунов умерщвляют с помощью инъекции. После этого проводится кровопускание путем пункции сердца, у мышей удаляется селезенка, ее замораживают в холодильной камере при температуре -80°С. Кровь сепарируют с помощью центрифуги, и сыворотку крови также замораживают до момента их возвращения на Землю. Специалисты NASA используют грызунов в частности для того, чтобы понять, как пребывание на МКС влияет на старение живых организмов и есть ли подобная опасность для космонавтов.
Оранжерея в космосе
Идея выращивать растения в космосе родилась еще у Циолковского. Задолго до начала пилотируемых полетов он заявил, что зеленая флора в будущем станет главным источником питания и поддержания состава атмосферы на космических кораблях. Сегодня экспериментами с растениями занимается Институт медико-биологических проблем и все экипажи МКС. Российские космонавты выращивали на борту МКС горох, пшеницу, ячмень, редис, салатные культуры и др.
Однажды огородный эксперимент проходил с активным участием школьников. Дети из России, США и Японии параллельно с космонавтами выращивали горох на Земле. На МКС растили горох посменно Валерий Токарев, Михаил Тюрин и Юрий Маленченко — с 2006 по 2008 годы. Результаты эксперимента школьники и космонавты сравнивали во время прямых телемостов.
Опыты на людях
На МКС проводится огромное количество опытов по изучению человеческого организма в условиях космоса. Одни ученые проверяют болевую чувствительность космонавтов, делая им «больно» на Земле и на орбите, а потом сравнивая эти болевые ощущения. Другие пытаются предотратить ухудшение зрения. По статистике NASA, у более чем половины астронавтов после космических путешествий наблюдаются анатомические изменения в глазах, падает зрение. Предположительно, это связано со смещением жидкости во время космического полета и увеличением давления на глазное дно. Для изучения этого феномена проводится эксперимент Fluid Shifts – совместный российско-американский медицинский проект.
Как чувствует себя человек, находясь в длительной изоляции? Ученые проводят огромное число опытов на людях, как в космосе, так и на Земле. Космонавты ведут личные журналы, где пишут о работе, общении с внешним миром, адаптации, общении, своем самочувствии. В долгосрочной перспективе изоляция приводит к психологическим проблемам, поэтому с каждым участником полета работает психолог.
Космический кефир
Длительное нахождение человека в условиях космического полета провоцирует возникновение хронических рецидивирующих инфекций, аллергических заболеваний, функциональных кишечных расстройств. Одной из причин подобных состояний является изменение микрофлоры организма человека. В кишечнике космонавтов после возвращения с орбиты отмечено резкое уменьшение (вплоть до полного исчезновения) необходимых для поддержания здоровья человека бифидобактерий и лактобацилл на фоне значительного увеличения количества условно-патогенной микрофлоры. Для предотвращения дисбактериоза у космонавтов с 2016 года проходит эксперимент по созданию полезного «кефира» прямо на борту МКС. Разработана простая и удобная технология получения лечебно-профилактического кисломолочного продукта под названием «Пробиовит». Этот продукт предполагается использовать в качестве штатного пробиотика при осуществлении дальних полетов — на Марс и Луну.
Терминатор и серебристые облака
Эксперимент «Терминатор» должен помочь разгадке происхождения серебристых облаков. Официальная наука считает, что эти облака концентрируются в диапазоне 54 градуса северной широты и выше и 54 градуса южной широты и ниже. Космонавты-фотографы, в том числе Федор Юрчихин, побывавший в пяти космических полетах общей продолжительностью 672 суток, смогли зафиксировать серебристые облака на экваторе —в абсолютно непредсказуемом месте.
Геофизический эксперимент «Терминатор», инициированный Институтом прикладной геофизики имени академика Е. К. Федорова, подразумевает проведение измерений в окрестности солнечного терминатора (это линия светораздела между днем и ночью) и изучение слоистых атмосферных структур (эмиссионных атмосферных слоев и серебристых облаков) на высотах верхней мезосферы – нижней термосферы. Космонавты при изучении серебристых облаков должны будут фотографировать их одновременно в четырех длинах волн, расположенных в видимом и ближнем инфракрасном участках спектра.
«Терминатор» может помочь формированию глобальной системы контроля волновых потоков, распространяющихся из нижней атмосферы в верхнюю, а в будущем возможно поспособствует созданию технологий космического мониторинга нового поколения.
Экстремальная среда
Институт медико-биологических проблем РАН за последние десять лет провел целый ряд экспериментов, доказывающих удивительную живучесть некоторых микроорганизмов в экстремальных условиях космоса. Споры бактерий (Bacillus) и микроскопических грибов (Aspergillus, Penicillium, Cladosporium) «путешествовали» 18 месяцев в открытом космическом пространстве, испытывая многократные чередования высоких и низких температур. Они не только выжили, но и сохранили высокую биологическую активность. Позже выяснилось, что в подобных условиях способны выживать и более развитые организмы. Во второй серии эксперимента в открытом космосе побывали семена высших растений, личинки африканского комара, яйца низших ракообразных. Они находились на обшивке МКС 31 месяц и сохранили свою жизнеспособность. Ученые-биологи с удивлением отметили, что в экстремальных условиях открытого космоса, под воздействием солнечной радиации, агрессивные свойства микроорганизмов даже усилились. Они стали более патогенными, чем были до полета в космос. Все эти сведения имеют огромное практическое значение — они пригодятся при организации межпланетных космических полетов.
Аквариум
Как чувствуют себя рыбы в условиях космического полета? На борту МКС прошел эксперимент «Аквариум»: более 90 суток наблюдали космонавты за поведением рыб и мальков в условиях невесомости. Было установлено, что в полете произошло комплексное изменение экспрессии генов рыб, впервые выявлен факт возможности восприятия и передачи в ряду поколений экологической информации сухими диапаузирующими эмбрионами.
Российские и японские ученые совместно изучили замкнутую экологическую систему и оценили, как она работает в условиях микрогравитации. Выяснилось интересное: ухудшение среды обитания заставляет многие организмы, особенно водные, впадать в состояние биологического покоя, которое может длится до сотен лет и дольше. Если это касается вредных организмов-паразитов, то это создает серьезную проблему как для организации межпланетного карантина, так и для биологической безопасности внутри корабля. В то же время виды животных и растений, которые могут понадобится для дальних полетов, демонстрировали снижение жизнеспособности, что может стать важным препятствием для длительных космических перевозок и последующей культивации биологических систем жизнеобеспечения вне земной биосферы, в том числе на планетарных станциях.
Муравьиная разведка
Однажды НАСА отправило в космос 800 муравьев. Ученые на МКС, используя камеры и специальное программное обеспечение, провели анализ их передвижения и уровня взаимодействия. Оказалось, что в замкнутом пространстве эти насекомые двигаются по кругу, стараясь занять как можно меньшую площадь, тогда как в природе в условиях неограниченного пространства они двигаются по прямой линии. Полученную информацию относительно поведения муравьев в условиях микрогравитации можно использовать для построения различных алгоритмов или решения определенных математических проблем. Так, например, «муравьиные» алгоритмы могли бы помочь ученым разработать более дешевые и эффективные стратегии роботизированного поиска и разведки.
Фотонаблюдения
Космонавты ведут постоянную съемку земных объектов, наблюдают за природными и техногенными катастрофами, следят за состоянием лесов, рек, океанов, получают фотографии в высоком разрешении. В рамках космического эксперимента «Сценарий» ведется отработка методов оценки развития катастрофических и потенциально опасных явлений по результатам их наблюдения с борта МКС. Научная аппаратура «СВЧ-радиометрия» проводит панорамные измерения СВЧ излучения с разных участков земной и водной поверхностей, специальные приборы оценивают содержание углекислого газа и метана в атмосфере Земли. Фотографии космонавтов имеют не только научную, но и художественную ценность — ведь такой ракурс съемки недоступен никому, кроме них.
«Когда горит Дальний Восток, Забайкалье, видишь пожар — и ощущение, что природа кричит: помоги! А людей там нет. А какие пожары в диких лесах Америки! У побережья Тихого океана в 2007 году был такой страшный пожар, что дым доходил до Нью-Йорка — и несколько дней этому не могли помешать. А вырубка лесов бассейна Амазонки: вы не представляете, как там все валится! Разливы нефти в 2010 году… Мы снимали Мексиканский залив, да, это красиво: нефтяная пленка дает многообразие цветов на поверхности. Но ты же понимаешь, насколько все это страшно. Вот почему все мои фотовыставки называются «Наш дом — Земля». Другого у нас нет! И пора бы перестать гадить в своем доме. Каждый из нас, космонавтов, улетает патриотом своей страны, а возвращается патриотом Земли. Это не пустые слова, эта философия сама приходит», — говорит космонавт-фотограф Федор Юрчихин.