Исследование устойчивости состояния модельной замкнутой

Исследование устойчивости состояния модельной замкнутой
экологической системы и звеньев в нее входящих в условиях
микрогравитации (Аквариум)
Постановщик(-и): Сычев В.Н., д.б.н., Учреждение Российской академии наук
Государственный научный центр Российской Федерации - Институт медико-биологических
проблем РАН (ГНЦ РФ – ИМБП РАН)
Экспедиции 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 завершён
Область исследования Биология
Эксперименты «Аквариум» на борту Российского сегмента Международной космической
станции (РС МКС) являются продолжением серии экспериментов по изучению
биологических систем в условиях реального космического полета, проводившихся на
борту орбитального комплекса «Мир» и на биоспутниках серии «Космос». В эксперименте
«Аквариум» на борту РС МКС в состав микроэкосистемы были включены
дополнительные,
постепенно
поступающие звенья, способные
обеспечить трофические связи
системы,
т.е.
организмы,
имеющие
стадию
покоя
(диапауза,
криптобиоз)
и
способные длительное время
храниться на РС МКС в
неактивном
состоянии.
Эксперимент
"Аквариум"
заключался в экспонировании
покоящихся форм животных
организмов,
способных
длительное время находиться в
неактивном
состоянии
и
реактивироваться
по
мере
необходимости.
Целью
эксперимента является изучение
влияние факторов космического
полета на покоящиеся эмбрионы
низших водных ракообразных
организмов, находящиеся в
стадии диапаузы (Daphnia magna, Streptocephalus torvicornis, Eucyprus species, и др.) и на
личиночные стадии других животных, ведущих водный образ жизни и способных
длительное время находиться в стадии криптобиоза. При проведении КЭ использовалась
Рисунок 1 – Пакеты «Аквариум».
1
научная аппаратура «Аквариум», в составе пакет «Аквариум. Экспозиция 1» и пакет
«Аквариум. Экспозиция 2». Пакеты доставлялись и возвращались в составе укладки
«Растения». Каждый из двух пакетов содержал по 7 нанесенных на бумажные полоски
образцов покоящихся (находящихся в состоянии глубокой диапаузы) форм животных:
яйца трех видов пресноводных низших ракообразных - Daphnia magna (D. magna),
Streptocephalus torvicornis (S. torvicornis), Eucypris species (E. species). В серии сеансов
эксперимента во время основных экспедиций на борту PC МКС была проведена
экспозиция сухих эмбрионов диапазирующих организмов: Daphnia magna, Streptocephalus
torvicornis, Artemia salina, а также личинок хирономиды Polypedilum vanderplanki,
находящихся в состоянии криптобиоза.
Рисунок 2 - Яйца пресноводных ракообразных (вид Daphnia magna) после
экспонирования в период МКС-11.
Использование результатов эксперимента на Земле
Полученные результаты могут оказаться важными и для экологии земных сообществ. Сам
факт возможности восприятия и передачи в ряду поколений экологической информации
сухими диапаузирующими эмбрионами не только не был установлен ранее, но даже не
предполагался. Наличие такой способности существенно меняет представления о роли
материнского эффекта в микроэволюционных процессах в водоемах. Если подобное
явление будет отмечено по отношению к другим стрессорным факторам, обычным на
поверхности Земли, к примеру, ультрафиолетовому облучению, то свойства
диапаузирующих эмбрионов, оказавшихся на суше и на дне водоемов, будут различны,
равно как и их способность к конкурентной борьбе после реактивации. Это вносит новую
компоненту в воздействие среды на результаты микроэволюционного процесса у
беспозвоночных.
2
Использование результатов эксперимента для освоения космоса
Результаты эксперимента позволили получить данные о влиянии условий космического
полета на устойчивость функционирования замкнутой экологической системы, а также на
рост и развитие отдельных организмов, входящих в автотрофное и гетеротрофное звенья
замкнутой экологической системы. Такие эксперименты, несмотря на свою простоту,
позволяют уже сегодня начать изучение многих вопросов, связанных с созданием
биологических систем жизнеобеспечения экипажей космических летательных аппаратов.
Результаты
У двух видов ракообразных D. magna и S. torvicornis были обнаружены достоверные
различия в эффективности реактивации между диапаузирующими эмбрионами,
экспонированными в течение месяца на борту МКС и эмбрионами из контрольных групп.
При послеполетном культивировании установлено достоверное ухудшение параметров
жизненного цикла D. magna, в частности снижение плодовитости и удлинение времени
созревания у особей, экспонированных на борту МКС. Полученные результаты позволили
предположить, что экспонирование на борту МКС подействовало на сухие эмбрионы D.
magna как стресс-фактор, ослабляющий их жизненную активность. Это проявилось как в
снижении эффективности реактивации, так и в изменении динамики средних размеров
особей, способных к выклеву, что выразилось в замедлении выхода молоди из более
мелких, а значит менее сильных эмбрионов. Воздействие факторов космического полета
проявилось и во второй генерации дафний, вызвав переход к гамогензу и производству
самцов в популяции (Рисунок 3). Эмбрионы D. magna после экспонирования на борту PC
МКС проявили повышенную чувствительность к воздействию паразитического грибка
Pitium daphniarum по сравнению с контролем, что в числе прочего ставит вопрос о мерах
по биологической безопасности со стороны флоры космического корабля по отношению к
биологическому материалу, предназначенному для длительных космических перевозок.
(а)
(б)
Рисунок 3 - Самка (а) и самец (б) Daphnia magna.
3
У S. torvicornis было отмечено снижение параметров роста и размножения, однако
отличия от контроля не были подтверждены статистически в силу очень высокой
вариабельности и связанной с ней ошибкой оценки параметров. Единственным
достоверным фактом для этого вида оказалось влияние длины дня на рост самок.
Исследования Artemia salina показали, что температурный порог активации экспрессии
гена, кодирующего молекулярный шаперон hsp-90, в ответ на тепловой стресс в
науплиусах артемий из полетных образцов был значительно ниже, чем в контрольной
наземной группе. Это выражалось в том, что резкое повышение уровня экспрессии гена
hsp-90 в обеих полетных группах было обнаружено при тепловом стрессе в 32-33 С, в то
время, как в контрольных группах, величина минимального теплового стресса,
необходимого для инициации синтеза hsp-90, cоставляла 37-38 С.
Наземные исследования не выявили воздействия факторов космического полета на
скорость реактивации и последующую жизнеспособность личинок хирономиды
Polypedilum vanderplanki, экспонировавшихся на борту РС МКС в состоянии криптобиоза.
Плодовитость имаго опытных животных не отличалась от плодовитости животных из
контроля.
Полученные результаты являются первым документированным подтверждением
воздействия факторов космического полета на диапаузирующий эмбрион, которое
приводит к изменению параметров жизненного цикла и адаптивности у активно
развивающихся организмов, вышедших из этих эмбрионов и их потомков. Данные
результаты показывают, что клетка, находящаяся в стадии покоя и содержащая только 5 %
воды, способна принимать и передавать информацию о воздействии неблагоприятных
факторов после перехода из стадии покоя в активное состояние, что подтверждают и
данные молекулярно-генетических исследований. Эти результаты дают основание для
продолжения углубленных исследований влияния факторов космического полета на
покоящиеся стадии живых организмов, принадлежащих к различным таксономическим
группам. По результатам уже проведенных исследований можно сделать несколько
общих выводов:
 Даже сухие диапаузирующие эмбрионы ракообразных оказались чувствительны к
факторам космического полета, что ставит вопрос о мерах по биологической
безопасности со стороны флоры космического корабля по отношению к
биологическому материалу, но может оказаться важным и для экологических
исследований в земных условиях.
 Обнаружение подобного снижения жизнеспособности у других видов животных и
растений может стать важным препятствием для длительных космических
перевозок и последующей культивации биологических систем жизнеобеспечения
вне земной биосферы, в том числе на планетарных станциях.
 Для понимания сложного и глубокого эффекта, оказываемого фактором
космического полета на живые системы, включая покоящиеся стадии животных и
растений, необходимы широкие междисциплинарные исследования.
Таким образом, результаты КЭ "Аквариум" дают основание для продолжения
углубленных исследований влияния факторов космического полета на покоящиеся стадии
живых организмов, принадлежащих к различным таксономическим группам.
Продолжением эксперимента "Аквариум" является этап "Аквариум-AQH", реализующийся
4
на АС МКС в японском модуле Kibo в аквариуме JAXA Aquatic Habitat (AQH),
установленном в стойке полезной нагрузки Multi-Purpose.
Публикации
1. М.А. Левинских, В.Н. Сычев. Использование экспериментального микрокосма для
исследования влияния факторов космического полета на экосистемный уровень
биологической организации. // Состояние и проблемы продукционной гидробиологии.
Сборник научных работ по материалам докладов на Международной конференции
"Водная экология на заре XXI века", посвященной столетию со дня рождения профессора
Г.Г. Винберга. КМК, Москва, 2006, С.291-305.
2. Gusev, Oleg; Alekseev, Victor; Saigusa, Masayuki; Okuda, Takashi; Sychev, Vladimir.
Molecular chaperons-related studies using latent stages of invertebrates exposed to space
environment. // ZOOLOGICAL SCIENCE. 2006. V. 23 N 12 Р. 1227-1227.
3. Gusev O., Okuda T., Sychev V., Levinskikh M. and Sugimoto M. Perspectives of RNA/DNA
studies using latent stages of invertebrates and plants exposed to space flight and outer space
environments. // Space Utilization Research. 2007. vol. 23. P. 344-346.
4. Alekseev V.R., Sychev V.N., Novikova N.D. Studying the phenomenon of dormancy: Why It Is
Important for Space Exploration. / Diapause in aquatic invertebrates: theory and human use.
Eds V. Alekseev, B. DeStasio & J. Gilbert.@ISBN 978-14020-5679-6, Springer Verlag Publishers. –
2007. – P. 207-214.
5. Сычев В.Н., Левинских М.А., Подольский И.Г., Новикова Н.Д., Гостимский С.А., Алексеев
В.А., Бингхем Г. Основные результаты экспериментов по изучению высших растений и
покоящихся форм организмов на борту Российского сегмента Международной
Космической Станции. // Космонавтика и ракетостроение @ISSN 1994-3210. 2007. вып. 4
(49). C. 54-64.
6. В.Р. Алексеев, М.А. Левинских, В.Н. Сычев. Влияние условий космического полета на
покоящиеся стадии низших ракообразных. Эксперименты "Аквариум"./Космическая
биология и медицина. Том 2. Медико-биологические исследования на российском
сегменте МКС. ISBN 978-5-902119; ISBN 978-5-902119-16-6. 2011. М., "Научная книга". 2011.
C.340-351.
5