Евгения СИДОРОВА, журналист

По мнению специалистов, освоение дальнего космоса предполагает введение в систему жизнеобеспечения астронавта биологических компонентов, в том числе животных. Многолетние исследования показывают: оптимальный объект для разработок такого рода - японский перепел, небольшая птица, обладающая множеством весьма ценных качеств.

Если человек отправится покорять другие планеты, ему на борту космического корабля потребуется автономный источник белкового питания, поскольку доставка продуктов с Земли станет невозможной*. Рациональнее всего захватить небольших сельскохозяйственных птиц, постоянно несущих яйца. Однако, к примеру, куры для этой цели не годятся, поскольку являются переносчиками ряда опасных для человека инфекций, прежде всего сальмонеллеза. К счастью, существует представитель того же отряда, в силу интенсивного обмена веществ имеющий высокую температуру тела и не подверженный большинству инфекционных заболеваний - японский перепел (Coturnix coturnix japonica), одомашненный еще в XI в. в Стране восходящего солнца.

ПРЕДСТАВИТЕЛИ ОТРЯДА КУРИНЫХ В КОСМОСЕ

Эти птицы, весом 100 - 120 г, при благоприятных условиях начинают нестись в возрасте 36 дней, в среднем - 40 - 42 дня (куры же не раньше, чем через 180 - 210 дней). За отведенные перепелам природой 11 месяцев они успевают подарить хозяевам около 300 вкусных яичек по 10 - 12 г каждое. В пяти таких, равных по весу одному куриному, содержится в 5 раз больше калия, в 4,5 - железа и в 2,5 раза - витаминов B, и B₂, а также значительно больше витамина A, никотиновой кислоты, фосфора, меди, кобальта и раз-

* См: Е. Сидорова. Оранжереи для орбитальных станций. - Наука в России, 2006, N 3 (прим. ред.).

стр. 23

личных аминокислот. Белка же в перепелином яйце - 60%, тогда как в курином - 55,8%. Кроме того, это гипоаллергенный продукт, что делает его незаменимым компонентом диеты взрослых и детей при ряде заболеваний. И хранится он чрезвычайно долго благодаря природной стерильности.

Словом, японский перепел - достойный объект для включения в систему жизнеобеспечения космонавта. Но смогут ли птицы полноценно развиваться в отсутствие гравитации? Чтобы ответить на вопрос, ученые ряда стран на протяжении 30 лет проводили различные исследования. А у истоков стояли доктор медицинских наук Евгений Шепелев из Института медико-биологических проблем (ИМБП) РАН и академик Словацкой академии наук Коломан Бодя: совместные работы под их руководством начались в 1970 г.

На первом этапе основной задачей было научить взрослых особей японского перепела жить в небольшом объеме и обеспечить им все необходимые условия для пребывания в космическом корабле. То есть нужно было разработать соответствующее питание для пернатых пассажиров и придумать, как утилизировать их отходы (помет, выпавшие перья).

Поскольку пить воду в условиях невесомости птицы не могут, сотрудница ИМБП Ирина Абакумова разработала технологию для получения пастообразного стерильного корма со всеми необходимыми компонентами и содержанием воды до 80%. Подготовленные тогда особые емкости позволяют хранить его без изменения состава и состояния до сих пор. А в Ленинградском (ныне Санкт-Петербургском) институте "Биофизприбор" нашли способ просушивания помета в камере-приемнике отходов посредством воздушных потоков.

Но в дальнее путешествие яйца отправили раньше взрослых перепелов: в 1979 г. 40 штук поместили в специальный инкубатор с ячейками, закрепленными на резиновых растяжках для предохранения от ударных перегрузок, и они 12 суток находились на биоспутнике "Космос-1129". К сожалению, во время приземления аппарата большая часть яиц все-таки разбилась. Но биологи впервые увидели, как в условиях полета протекало развитие эмбрионов.

У японского перепела на 3, 7, 10 и 14-е сутки пренатального развития происходят ключевые изменения. И для дальнейших работ ученые подготовили программу, которая предписывала фиксацию зародышей в эти сроки.

Всего на борту орбитальной станции "Мир" было проведено 9 экспериментов с яйцами японского перепела, а самый значительный состоялся в марте 1990 г. Тогда впервые была поставлена задача продолжить инкубирование 48 яиц до выведения птенцов (происходящего на 18-е сутки) и изучить их поведение в условиях космического полета. Члены экипажа специально готовились к этой работе. Ведущий научный сотрудник ИМБП кандидат биологических наук Тамара Гурьева вспоминает: "Техническая сторона вопроса была решена, но как поведет себя живой организм - мы не знали". Руководитель программы Евгений Шепелев считал, что получение даже одного пернатого малыша - уже хороший результат.

В подобных опытах многое зависит от личностных качеств непосредственного исполнителя. И тут ученых ожидала удача: работой с перепелами занялся летчик-космонавт Анатолий Соловьев, очень эрудированный человек. Он заинтересовался новой темой и провел 5 экспериментов, по собственной инициативе вел записи, даже снял фильм, благодаря чему

стр. 24

Комплекс оборудования "Инкубатор-2", предназначенный для экспериментов с птицами на борту станции "Мир"

удалось больше узнать о поведении пернатых пассажиров.

Когда в инкубаторе в 21 ч по московскому времени раздался писк первого вылупившегося птенца, Соловьев, несмотря на неурочное время, вышел на связь, чтобы сообщить об этом напряженно дожидавшейся исследовательской группе. "Новорожденного" вынули и поместили в отведенную для него камеру, где поддерживали температуру 35°C и соответствующую влажность. Дальнейшие наблюдения были невозможны, поскольку участники полета обязаны неукоснительно соблюдать режим дня, а наступало время сна.

Наутро же оказалось, что птенец, помогая себе крыльями, постоянно хаотично вращался, увлекаемый воздушными потоками, и в результате утратил способность фиксировать взгляд на чем-либо, не мог питаться. Вылупившихся позднее шестерых перепелят разместили в узких ячейках, они ели из человеческих рук, но, лишившись этой "опоры", также оказались нежизнеспособными. Наблюдая птичьих детенышей в первом и более поздних экспериментах, ученые ИМБП пришли к выводу: их поведение полностью зависит от фактора гравитации. Но если удастся поддерживать малышей до 10-суточного возраста, они смогут и дальше жить, питаться и даже производить потомство.

ЗАВИСИМОСТЬ ОТ ГРАВИТАЦИИ

Надо сказать, что взрослые птицы, доставленные на станцию "Мир" в 1990 г., чувствовали себя в полете вполне удовлетворительно: много и с аппетитом ели (как упоминалось, пастообразный корм содержит также и воду, что обусловило его избыточное потребление), ориентировались в пространстве станции. Так, двухмесячная перепелка смогла в условиях невесомости самостоятельно прилететь в камеру, где ели другие пернатые. На орбите одна самка снесла яйцо, находившееся в ее яйцеводе еще накануне полета. По просьбе ученых ИМБП космонавт Геннадий Стрекалов держал его отдельно в холодильнике, и после приземления по истечении обычного срока инкубирования из него вылупился полноценный птенец, проживший в институте до преклонного возраста.

Возвращенные на Землю взрослые особи страдали от гравитации: они низко опускали голову, сгибали лапы. Но их пальцы были расправлены, позволяя сохранять хорошую опору. Ученые проверили семенники у самца, и оказалось: сперматогенез у него отличается от нормы - вероятно, вследствие перенесенного стресса. Однако спустя некоторое время птицы адаптировались, и через 12 суток самка снесла яйцо. Потомство "пернатых космонавтов" не имело аномалий. "Если бы мы продлили их пребывание в невесомости, возможно, спаривание состоялось бы и там", - говорит Тамара Гурьева.

Наземные эксперименты с птенцами японского перепела, проводимые в настоящее время аспиранткой ИМБП Анной Филатовой, показывают: после вертикального вращения в клиностате со скоростью 2,0 об/мин (так создаются стрессовые условия, идентичные переходу из невесомости в гравитационно-зависимую систему) птицам для адаптации (восстановления способности самостоятельно клевать зер-

стр. 25

Внешний вид 16-суточных эмбрионов японского перепела (эксперимент 1996 г.): a - нормально развитый эмбрион из космического эксперимента, b - нормально развитый эмбрион из лабораторного контроля.

но) требуется от 0,5 до 5 мин, даже при полном отсутствии звуковых или сенсорных сигналов.

Что же касается выведения перепелят из яйца, то на орбитальной станции оно происходило так же, как и на Земле. По данным гистологического исследования практически все птенцы по окончании полета соответствовали своему 4-суточному сроку развития. Правда, их вес был несколько меньше. Изучение морфологии эмбрионов показало: до 7 суток они не имеют никаких отклонений от нормы, но на 14 - 16-е сутки наблюдается отставание в формировании костей (остеогенез) нижних конечностей при сохранении обычных этапов превращения хряща в кость. Неоднократное повторение эксперимента и большое количество эмбриологического материала позволяют судить об этом достоверно. Других же отличий от контрольных вариантов у "космических" экземпляров не установлено. И, по мнению специалистов, объяснение, вероятнее всего, кроется в отсутствии гравитации в период эмбриогенеза - ведь замедлился рост именно бедренных, т. е. опорных костей, а крыло и в условиях невесомости сохранило нормальные параметры.

Продолжая анализировать особенности остеогенеза у развившихся в космосе эмбрионов японского перепела, ученые установили: кальция в их костной ткани несколько меньше, чем должно быть в норме, а содержание фосфора не меняется. Интересно, что этот процесс обратим, если птица оказывается на Земле.

В 1999 г. на орбитальной станции "Мир" провели последний (совместный российско-словацкий) эксперимент с выведением пернатых, в ходе которого их постарались вернуть на Землю живыми. Непосредственным исполнителем был словацкий космонавт Иван Белла. Тогда из 16 вылупившихся уцелело пятеро птенцов (их могло быть больше, если бы не непредвиденное и резкое снижение температуры в спускаемом аппарате). Перепелята, как и взрослые особи, вначале страдали от гравитации, падали набок, но все же адаптировались, причем довольно быстро.

стр. 26

Позы птиц японского перепела:

a - после возвращения на Землю (космический эксперимент);

b - синхронный контроль.

Исследование их костной и мышечной ткани показало: через некоторое время они приходят в норму, однако дефицит кальция все-таки сохраняется. Для анализа брали бедренную часть, голень и пытались установить, какой изотоп Ca лучше усваивается. К сожалению, эта работа, начатая специалистами ИМБП и Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана, пока приостановлена на неопределенное время.

Отдельно следует сказать о результатах изучения гистогенеза японского перепела. В 9 экспериментах биологами ИМБП накоплено достаточно материала, чтобы представить полную картину от начала инкубирования до 5-суточного птенца. Без преувеличения - выполненная гистологом Тамарой Гурьевой и эмбриологом Ольгой Дадашевой работа уникальна.

Полученных в полете эмбрионов каждого возраста (3, 7, 10 и 14 суток) было не менее 30. Развитие их органов и тканей было обычным (как на Земле), пищеварительная система функционально подготовлена к перевариванию и усвоению корма. Особенностью оказалась излишняя рыхлость соединительной ткани: в ней отсутствовала четкая строма.

В топографии и морфометрии внутренних органов никаких изменений не установлено: процентное соотношение их веса, размера и параметров тела стандартно. Однако в 12-перстной кишке наблюдалась очаговая гиперплазия эпителия, что приводит к нарушению всасывания пищи и пристеночного пищеварения. Как и ряд других авторов, опубликовавших данные о развитии живого организма в космосе, специалисты ИМБП пришли к выводу: в этих условиях деление клеток организма (пролиферация) опережает их дифференцировку. И причины данного явления пока не известны. Возможно, это - стресс-реакция организма на изменения среды обитания.

У птенцов была четко выраженная дистрофия печени, жировое перерождение, венозный застой и повышенная лейкоцитарная активность. Как это можно объяснить? Тамара Гурьева считает, что, скорее всего, это связано с голоданием (космонавты не могут постоянно кормить перепелят, а, как отмечалось, сами они в условиях невесомости есть не могут), и значит, выявленный процесс обратим. Для проверки в ИМБП сейчас проводят соответствующий эксперимент. У словацких же ученых иное мнение: изменения печени птичьих детенышей - следствие нарушения процесса всасывания питательных веществ в невесомости. Однако для подтверждения такой точки зрения необходимо исключить голодание как причину.

ЗАГАДКИ, ЖДУЩИЕ СВОЕГО РАЗРЕШЕНИЯ

В 1995 г. в рамках программы НАСА начались совместные российско-американские исследования с инкубированием перепелиных яиц в условиях космоса. Для содержания на борту станции зафиксированного в химическом реагенте биологического материала была разработана трехступенчатая защита - три плотно закрывающиеся тефлоновые емкости, одна в другой. Новшество позволило использовать в качестве фиксатора хорошо сохраняющий ткани параформальдегид и детальнее, чем прежде, проанализировать гистологию эмбрионов. Всего провели 3 эксперимента: один в 1995-м и два в 1996 г.

Что же показали результаты гистологического исследования отобранного материала? В "космическом" варианте количество отклонений у эмбрионов составило в среднем 15% от общего числа, тогда как в "земном" аномальными оказались лишь 1 - 2%. Обнаруженные патологии были четырех типов: первый - анафтальмия (отсутствие глаза) или микрофтальмия (один глаз меньше другого), второй - нарушения в развитии клюва (верхняя пластинка меньше), третий - эктопия (незакрытая брюшная полость), четвертый - четыре лапы или их скрюченность.

Американские специалисты изучили эмбрион с четырьмя лапами, соответствующий сроку развития 14 суток. Оказалось, что у него наблюдается расщепление хвостового отдела позвоночника и с обеих сторон растут две лапы. В настоящее время есть несколько

стр. 27

Внешний вид 7-суточных эмбрионов японского перепела (эксперимент 1996 г.):

a - эмбрион из космического эксперимента с аномалией развития глаза (микрофтальмия);

b - нормально развитый эмбрион из космического эксперимента;

c - нормально развитый эмбрион из лабораторного контроля.

объяснений возникновения подобных аномалий в условиях космического полета. Например, Евгений Шепелев полагал, что на этапе выведения корабля на орбиту вибрация и перегрузки могут привести к изменению положения зародыша по отношению к важным компонентам яйца (воздушной камере, желтку и белку). А в условиях невесомости структурные смещения закрепляются. Но против этой версии есть аргумент: встряхиванию подвергаются все яйца, однако большинство эмбрионов не имеет отклонений.

По мнению руководителя лаборатории биологических систем жизнеобеспечения ИМБП, доктора биологических наук Владимира Сычева, аномалии в развитии эмбрионов японского перепела могли быть следствием нарушений температурного и влажностного режимов инкубирования в условиях невесомости. Дело в том, что в использовавшемся для космических экспериментов приборе "Инкубатор-1М" не был предусмотрен детальный мониторинг поддерживаемых параметров, поэтому нельзя исключить вероятность существования в его объеме зон, где показатели газовой фазы отличались от оптимальных, наблюдавшихся на Земле.

Тамара Гурьева считает, что одной из причин возникновения упомянутых аномалий может являться галактическое излучение или общее радиационное воздействие во время космического полета. Для проверки этой точки зрения в ИМБП начали изучать влияние малых хронических доз радиации на эмбрионы японского перепела.

Первые опыты показали: гамма-облучение совершенно не влияет на развитие зародышей. А вот облучение нейтронами дает ту же картину, что наблюдали в экспериментах на борту орбитальной станции. Правда, количество эмбрионов с аномалиями развития меньше, но зато наблюдается то же самое сочетание отклонений - ненормальное развитие костей лап, незакрытая брюшная полость, аномалия глаза и недоразвитие полушарий мозга. Гурьева предполагает, что влияние радиации наиболее значимо в раннем периоде развития эмбриона. Но однозначно утверждать это нельзя: ведь все эти патологии бывают и на Земле. Значит, специалистам необходимо набрать статистику подобных эпизодов.

Японский перепел оказался очень перспективным объектом не только для разработок биологических систем жизнеобеспечения. Благодаря его изучению было получено множество интереснейших данных для эволюционной биологии. Наблюдения эмбриогенеза в космических условиях проводили и на других объектах - например, беременная крыса 2 недели жила на биоспутнике. Но в этом случае материнский организм мог защитить будущего детеныша. А японский перепел автономен с самого начала. Кроме того, как и человек, он нуждается в опоре, даже его поведенческая модель в невесомости похожа.

К сожалению, оборудования для проведения экспериментов с птицами на борту МКС сейчас нет. Наземные же эксперименты не позволяют дать окончательные ответы на вопросы, поставленные в ходе предыдущих исследований: какова причина возникновения аномалий у эмбрионов японского перепела, насколько обратимо снижение содержания кальция в костной ткани птенцов, существует ли возможность адаптации новорожденных пернатых к условиям невесомости, сумеем ли мы во время длительного перелета к другим планетам поддерживать на борту космического корабля популяцию животных?

А ведь ответы важны и с точки зрения качественного жизнеобеспечения космонавтов в будущих межпланетных полетах.

Иллюстрации предоставлены ИМБП РАН

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: