Научно-техническое обоснование космического эксперимента
"Исследование влияния космического полета на электромагнитные колебания, генерируемые микроорганизмами в активной и покоящейся фазах"
Шифр эксперимента – “Митогенетическое излучение”
Хорошо известно, что рост бактерий, дрожжей, меристем растений и некоторых клеток животных в определенных условиях может резко ускоряться под влиянием оптического излучения с определенной длиной волны. Известен, в частности, эффект влияния красного света на рост дрожжей, влияние инфракрасного и видимого света на рост и пространственную ориентацию фибробластов на субстрате (Albrecht-Buehler), а также эффект так называемого митогенетического излучения Гурвича в ультрафиолетовой области спектра, возникающего при делении клеток. В последнем случае было обнаружено, что культуры клеток или ткани с интенсивно протекающими процессами деления стимулируют рост различных штаммов бактерий, находящихся на определённом расстоянии. В последующие годы подобное излучение и вызываемое им влияние на рост клеток и развитие организмов было обнаружено для целого ряда микроорганизмов, животных и растений. Следует отметить что в при определенных воздействиях на организмы-индукторы, порождаемое ими излучение может замедлять и даже останавливать развитие организмов-детекторов (так называемое стрессовое излучение).
Регистрируемый при помощи фотоумножителей (ФЭУ) спектр излучения близок к постоянному во всей видимой области и быстро убывает в УФ диапазоне – примерно в 10 раз от 300 до 100 нм. Типичная интенсивность излучения – 1 ¸ 10 фотонов в сек с 1 мм2 поверхности организма. При этом основная энергия излучения сосредоточена в коротких, длительностью меньше 0,01 сек, квазипериодических вспышках с частотой от 5 до 20 вспышек в минуту.
Цель настоящей работы – исследовать влияния митогенетического эффекта на
процессы деления клеток в условиях космоса, которые базируются на процессах излучения-поглощения клетками оптического и УФ излучения а также измерения параметров этого излучения.
Изучение закономерностей размножения про - и эукариотических клеток в условиях космоса имеет ключевое значение для развития фундаментальных проблем биологии, в частности, для понимания влияния условий космоса на ключевые процессы возникновения и существования живых систем.
Согласно имеющимся данным, в условиях космоса наблюдается аномально быстрое развитие микроорганизмов и других типов клеток. Этот эффект к настоящему времени не получил достаточно полного объяснения. В тоже время эффект ускорения процессов роста (деления) клеток в условиях космоса имеет огромное значение для теоретической биологии и для практики космонавтики. В частности, для контроля развития микроорганизмов в обитаемых космических системах, а также для контроля процессов взаимодействия микроорганизмов и человека. Последние в условиях космоса должны значительно отличаться от земных условий.
Справедливо считается, что наблюдаемые резкие изменения скорости роста клеток в условиях космоса связаны с уровнем проникающей радиации. При этом следует указать, что особый интерес для исследования имеет вопрос о влиянии потока нейтронов на развитие живых организмов, поскольку методы защиты от нейтронов в космосе пока разработаны весьма неполно. Отметим также, что существенное усиление митогенетического эффекта после длительного облучения организмов-индукторов небольшими дозами ионизирующего излучения наблюдалась для различных организмов и растений. Это указывает на возможную существенную роль митогенетического эффекта
в наблюдаемом в космосе аномально быстром развитии микроорганизмов и других типов клеток
Настоящая программа направлена на изучение механизма этого эффекта в условиях полета на МКС. Конкретной задачей программы является установление роли оптического и УФ излучения в наблюдаемом эффекте ускоренного деления клеток в космосе.
В качестве основной из конкретных задач рассматривается задача создания экспериментальной базы для развития общей теории, объясняющей быстрое размножение определенных типов организмов в условиях космоса. Такой экспериментальный подход к решению поставленных задач является изучение влияние условной плотности популяции организмов на скорость деления их клеток. Под условной плотностью здесь понимается соседство достаточно удаленных друг от друга организмов на расстояниях, при которых может происходить обмен квантами света, но соблюдаются условия, при которых между клетками невозможен обмен химическими и биохимическими компонентами. Такой подход для проведения подобных экспериментов в неземных условиях был разработан в опытах академика Казначеева при ресторации передачи сигналов от клетки к клетке. Радиобиологический вариант экспериментов по передаче сигналов от растения к растению на значительные расстояния был выполнен в исследованиях чл.-корр. СССР Кузина.
Сущность исследуемой проблемы, краткая история и состояние вопроса в настоящее время
Различные виды клеток в процессе деления генерируют оптическое и УФ излучение, названное «Митогенетическим излучением». Это излучение характеризуется низкой интенсивностью и временной структурой ярко выраженных узких вспышек. При воздействии на другие растущие культуры микробных клеток оно может вызывать стимулирование процесса их деления. Все зарегистрированные изменения в сторону ускорения микробного роста происходили в пределах 20-40%.
Основной блок регистрации излучения будет представлять собой фотодетекторы или матрицы фотодетекторов, окружающие биологический объект (например, дрожжи) и регистрирующие испускаемое им митогенетическое излучение. При этом объект должен быть термостатирован. Для измерения характеристик митогенетического излучения используются обычно фотоэлектронные умножители (ФЭУ) с кварцевым входным окном типа Philips Р121, Hamamatsu R7459, R7477.
В планируемом эксперименте для регистрации фотонов предполагается использовать матрицу из 7 малогабаритных ФЭУ Hamamatsu R9880U. Каждый ФЭУ соединён с электронным блоком усилитель - интегратор, его выходные импульсы поступают в амплитудно-цифрзовой преобракзователь (АЦП), егоцифровые выходные сигналы записываются в устройство памяти – USB накопитель. Таким образом всего имеется 7 независимых электронных каналов, сигналы от которых могут суммироваться при компьютерной обработке.. Для увеличения светосбора перед входным окном каждого детектора установлена кварцевая линза, прозрачная к оптическому и ультрафиолетовому изучению. (рис. 2). Для снижения уровня собственного шума ФЭУ предусмотрено их
охлаждение по методу Пелтье до температуры – 300 –400 С.
Для того, чтобы выделить митогенетическое излучение на фоне излучения Вавилова-Черенкова (ИВЧ), которое будет возникать при пролете через биологический объект космического ионизирующего излучения, в непосредственной близости от фотодетекторов, регистрирующих митогенетическое излучение, планируется установить
детектор космического излучения (ДКИ) на основе пластических сцинтилляторов, которые будут просматриваться специализированными фотодетекторами. При пролете космического излучения сквозь сцинтилляторы в них будут возникать световые вспышки, которые будут регистрироваться этими матрицами. Это послужит сигналом для электронного блока не засчитывать фотоны от биологического образца как митогенетическое излучение. Кроме того измерение ДКИ потока ионизирующих частиц
позволит оценить энергию ионизации частиц выделяемую в биологичеком образце, и полученную им дозу облучения.
Кроме этого планируется прямое измерение митогенетического эффекта при оптическом контакте двух культур сахаромицетов, разделенные кварцевой пластинкой: культуры-индуктора, генерирующей более интенсивное излучение, и культуры-реципиента (детектора), которая под воздействием этого излучения увеличивает скорость деления клеток по сравнению с контрольным образцом. Для повышения скорости деления клеток во время эксперимента будет осуществляться освещение культур при помощи светодиодов.
Ориентировочные планируемые характеристики установки без учета термостата: масса – не более 8 кг, энергопотребление – не более 20 Вт. Габариты – не более 250х500х400 мм.
Необходимость проведения космического эксперимента в условиях космического полета в составе РС МКС.
В настоящее время рассматривается возможность использования в пилотируемых космических полетах многочисленных технологий, основанных на культивировании микроорганизмов в условиях космического полета. Это в первую очередь биотехнологии, основанные на приготовлении продуктов питания (кисломолочные продукты, напитки брожения и др.), а также биотехнологии, связанные с утилизацией отходов. Предлагается оценить, насколько фактор митогенетического излучения является значимым при реализации процессов культивирования или длительного хранения микроорганизмов в условиях космического полета.
На второй стадии экспериментов планируется изучение митогенетического эффекта и оптического излучения живых организмов в условиях космического полета для семян и пыльцы однолетних растений и бактериальных культур, которые могут использоваться в практических целях в условиях длительного полёта.
Описание космического эксперимента.
Сеанс эксперимента на МКС начинается с измерения совокупного фона детекторафотонов, размещённом в АТС БР-1 в течении 6 часов (рис 2.), показания детектора фотонов оцифровываются и записываются на USB накопитель. Такие же измерения проводятся в течении 6 часов по окончании измерений излучения сахаромицетов. Это позволит при обработке данных эксперимента с высокой точность вычесть фон из измерений излучения сахаромицетов.
В АТС БР-2 в двух соседних биоконтейнерах находятся две культуры сахаромицетов, разделенные кварцевой диафрагмой и оптическим затвором, это культура-индуктор и культура-реципиент или детектор (рис. 3). До начала эксперимента обе культуры находятся в покоящемся состоянии при температуре 4ºС. При этом культра-индуктор была переведена в состояние покоя из фазы линейного роста с максимально активным делением, а кульутра-реципиент – сразу после засева, в т. н. лаг-периоде. В начале эксперимента культуры переводятся в режим культивации; для этого температура в биоконтейнере поднимается до 30ºС: сначала в зоне нахождения культуры-индуктора, затем – через 60 мин – в зоне нахождения культуры-реципиента и идентичной ей контроьлной культуры. При этом культура-индуктор успевает перейти в режим нормального деления еще до подъема температуры в биоконтейнере, в котором находится культура-реципиент (рис. 4). Культура реципиент, таким образом, оказывается под влиянием стимулируюбщего излучения культуры-индуктора в тецение всего периода перехода от пассивного состояния при 4ºС к активному состоянию при 30ºС. Ожидается, что в этот период культура-реципиент будет максимально чувствительна к излучению индуктора. Время оптического контакта индуктора и реципиента регулируется оптическим затвором. Эксперимент должен продолжаться от 30 до 120 мин, после чего культуры дрожжей снова переводят в покоящееся состояние охлаждением до 4ºС. Кроме этого в АТС БР-2 помещается контрольная микробная культура, изолированная от внешнего оптического излучения, её развитие будет проходит синхронно с культурой-реципиентом. Для повышения точности измерений эта культура размещается в двуходинаковых биоконтейнерах. Сравнение финального числа делений в культуре-реципиенте и контрольной культуре позволит выделить митогенетический эффект и определить его количественный вклад в процессы деления.
Параллельно в АТС БР-1 в течении 4х часов будет проводиться регистрация излучения от культуры, идентичной индуктору, с помощью фотодетектора с записью полученной информации на USB накопитель. Этот период соответствует периоду нормального деления культуры индуктора – область 3 на рис 4. Кроме того в течение этого периода будут записываться отсчёты ДКИ и время их появления. Это позволит отбросить возможные фоновые вспышки света, вызванные прохождением заряженных частиц через микробную культуру и питательную среду.
Сеанс эксперимента с сахаромицетами в фазе покоя включают в себя хранение нетермостатируемого контейнера для хранения культур микроорганизмов, находящихся в неактивной фазе на твердых носителях с блоком регистрации данных в течении 3 месяцев.
На Землю пробы должны быть возвращены в ТВК и переданы постановщику эксперимента не позднее чем через 24 часа после возвращения.
Новизна
Метод разработан в России и используется в качестве контроля состава микробных сообществ в экологии, биотехнологии и медицине. Зарубежные аналоги отсутствуют. Космические эксперименты не проводились.
Ожидаемый результат
Результаты исследований позволят дать оценку значимости митогенетического эффекта и оптического излучения живых организмов в условиях космического полета
Основание и технические возможности создания аппаратуры с заданными свойствами
Предварительно проведенные исследования позволили придти к заключению о возможности создания данного комплекса на борту МКС. При этом обеспечивалось измерение характеристик оптического излучения с однофотонной чувствительностью.
Ожидаемые риски и дискомфорт для экипажа
Риски и дискомфорт отсутствуют.
Литература
1. |
| Об источниках митогенетического излучения | Москва, | 1929 |
2. |
| Основные законы митогенетического возбуждения | Москва, | 1935 |
3. |
| Теория биологического поля | Москва, | 1944 |
4. |
| Введение в учение о митогенезе | Москва, | 1933 |
5. , , " Статистические и частотно-амплитудные
характеристики сверхслабых излучений яйцеклеток и зародышей вьюна" Онтогенез т. 33,
стр 213, 2002 г.
6. Сборник "Биофотоника и когерентные системы " ред. , Москва, 2000 г.
7. Сборник "Биофотоника и когерентные системы в биологии" ред. ,
Springer, 2007 г.
8. "Дистанционное межклеточное взаимодействие" , Москва, 2004 г.
9. Chang J..J., Popp F.A.. “ Meханизмы взаимодействия электромагнитного поля и живых
oрганизмов “, Science in China, т.43, стр.507 , 2000 г.
10. Farhadi A.. и др. "Наблюдение нехимической межклеточной сигнализации",
Bioelectrochemistry, т.71, стр.142, 2008 г.
11. Такеdа М. и др. " Детектирование биофотонов как метод томографии раковых опухолей"
Cancer science, т. 95, стр. 656, 2004 г.
12. "Фотонная сигнализация и кодирование информации в биологических
системах " Квантовые компьютеры и вычисления, т. 11, стр. 73, 2011 г.
13. "Исследование динамического фона процессов развития при помощи
сверхслабой эмиссии фотонов" Biosystems т.68, cтр. 199, 2001 г.
14. | Сборник, Ред. | “Ультрафиолетовое излучение и его применение в биологии.” Материалы Х Всесоюзной конференции по биологическому действию Уф излучения. | Москва, Горький, | 1973 |
15. | Ред. | “Ультрафиолетовое излучение Солнца и межпланетная среда”, Сборник статей (перевод с английского) | Москва, | 1962 |
16. |
| Ультрафиолетовые и инфракрасные спектры лекарственных веществ | Москва | 1975 |
17. |
| Ультрафиолетовая флуоресценция белков и клеток | Ташкент | 1982 |
18. |
| Ультрафиолетовое излучение в лечении и профилактике заболеваний | Томск | 1991 |
19. | Аннотированная библиография. Указатель. | Ультрафиолетовая флуоресценция облученных биологических объектов | Ленинград | 1981 |
20. |
| “Природные факторы высокогорных зон влияющие на развитие биологической материи”, Международная экологическая конференция по горным и предгорным территориям | Владикавказ, | 1991 |
21. |
| “Способ предпосевной обработки семян”, патент | Москва, | 1993 |
22. |
| “Технологическая линия климатической камеры”, патент | Москва, | 1994 |
23. |
| Некоторые закономерности излучательного энергообмена в метаболизме дрожжевой культуры | Минск | 1960 |
24. |
| Биоэлектретный эффект | Москва, | 1969 |
