Экспериментальные Программы

Главная
/
Экспериментальные Программы

Программы «Биокосмос», «Бион» и «Фотон»

Биомедицинские программы

С самого начала эпохи космических исследований большое внимание уделялось разработке различным способов поддержания здоровья и работоспособности членов экипажей, отправлявшихся в космос, которые бы гарантировали успешное и эффективное выполнение программы полетов. Когда человек покидает земную поверхность, в его организме развиваются сложные и взаимосвязанные изменения, которые захватывают различные ткани и органы и которые не могут быть устранены простыми и однонаправленными способами. Причина в том, что по своей природе психологические и физиологические системы человека тесно связаны и взаимообусловлены. Любое изменение, каким бы небольшим оно ни было, неизбежно приводит к многочисленным сдвигам в других системах. При этом некоторые изменения остаются незамеченными, поскольку не существует нервных рецепторов потери массы костной и мышечной ткани или нарушений иммунитета, а многие изменения развиваются на всех уровнях — от молекулярного до организменного. Сложные взаимозависимости систем организма достаточно хорошо описаны для привычной среды обитания на земле, но но изучение взаимодействия психологических и физиологических систем в условиях космического полета остается первоочередной задачей.

История развития биологических исследований в космосе на борту автоматических космических аппаратов типа «Бион» и «Фотон» имеет историю более трех десятилетий. За этот период были подготовлены и проведены многочисленные эксперименты на различных биологических объектах: микроорганизмах, покоящихся и прорастающих семенах растений, одноклеточных эукариотических организмах, культуре клеток и тканей, беспозвоночных, низших и высших позвоночных животных. В разработке научной программы, методов исследования, бортовой аппаратуры, подготовке полетных экспериментов и в послеполетном анализе биоматериала в разные периоды, начиная с середины 70-х годов, принимали участие специалисты России, европейских стран и США.

Исследования в области клеточной биологии, выполненные в полете автоматических космических аппаратов, главным образом специализированных биологических спутников, дали возможность выдвинуть ряд гипотез и предположений о клеточных и молекулярных механизмах влияния микрогравитации на живые системы, о роли молекулярных механизмов в регуляции функционирования живых систем в условиях микрогравитации.

В полетах космических аппаратов «Биокосмос», «Бион» и «Фотон» были получены данные, на основе которых создавались концепции о механизмах адаптации живых систем к условиям микрогравитации и разрабатывались практические рекомендации для пилотируемой космонавтики. По мнению большинства аналитиков, на момент окончания программ исследований на КА «Бион» и «Фотон» около 50% имеющейся в мире научной информации о фундаментальных основах жизнедеятельности в условиях космоса было получено в ходе реализации данных программ. Итогом этих программ стали также многочисленные научные публикации в печати, широкое обсуждение результатов на научных конференциях, симпозиумах и съездах и самое главное, — более глубокое понимание того, как организм реагирует на условия космического полета. Все это стало возможным благодаря широкой внутренней и международной научной кооперации ведущих научных учреждений мира.

Итоги исследований в полетах автоматических космических аппаратов «Бион» и «Фотон» позволили наряду с заметными достижениями в решении некоторых фундаментальных проблем, использовать результаты этих исследований в целях практической медицины, в частности для обоснования возможности осуществления безопасного, с точки зрения здоровья, пребывания и активной работы человека в длительном космическом полете.

Программа «Бион»

Программа «Бион» была разработана для изучения взаимодействий систем организма человека в условиях измененной силы тяжести. Российско-американское сотрудничество в полетах космических аппаратов (КА) серии «Бион» началось в 1975 году с сотрудничества российских и американских специалистов по проведению экспериментов на борту КА «Космос-782» (также известном как «Бион -3»). Совместныеработы продолжались в 7 полетах российских КА серии «Космос»/»Бион». Последний КА этой серии был запущен в декабре 1996 года. Предпочтение в полетах КА «Биокосмос» было отдано не столько фундаментальным исследованиям, сколько работам, которые могут дать ответы на критические вопросы и/или помочь решить критические проблемы, связанные с переориентацией на исследования дальнего космоса.

Эксперименты в каждом полете КА «Биокосмос» были ориентированы на решение вопросов следующих направлений:

Иммунная система, иммуносупрессия и канцерогенез;
Радиационное поражение и защита от радиационных воздействий;
Комбинированное действие микрогравитации и радиации;
Заживление ран;
Фармакодинамика;
Нейрофизиологические реакции на действие факторов космического полета;
Метаболизм и питание;
Апробация комплексных мер профилактики;
Искусственная гравитация;
Изменения функций скелетно-мышечного аппарата, сенсомоторной и сердечно-сосудистой систем;
Перспективные системы жизнеобеспечения

Модуль КА, в котором размещалась полезная нагрузка, представлял собой сферическую структуру диаметром 2,5 м, к которому подсоединялся блок с источниками электроэнергии и служебный модуль. Общий вес всего комплекса составил 6540 кг, включая 700 кг полезной нагрузки, размещаемой внутри и 200 кг полезной нагрузки, размещаемой снаружи возвращаемого модуля. При запуске с космодрома Байконур модифицированная ракета-носитель Союз вывела КА «Биокосмос» на околокруговую орбиту с углом наклонения 63° и высотой 450 км. Спуск с орбиты и мягкая посадка были произведены через 45 суток после запуска на юге России в районе г. Оренбург.

Реализация полета КА «Биокосмос» («Бион-М») позволила:

Использовать удобную автоматическую платформу для длительных (от 30 суток) исследований влияния факторов космического полета на биофизические, биохимические и биомолекулярные процессы в самых разных организмах — от бактерий до грызунов;
Ученым-исследователям возможность получить экспериментальные данные, сопоставимые с результатами выполненных ранее исследований на грызунах в полетах КА «Бион» и «Шаттл», и в то же время предоставить возможность проведения экспериментов новому поколению биологов;
Обеспечить базу для выполнения биологических и физических исследований с использованием опасных или вызывающих возражения способов, в том числе высокие уровни радиации, вредные вещества, патогенные или токсические материалы;
Обеспечить низкозатратный, регулярный, сопряженный с малым риском доступ к беспилотному КА, который позволил в короткие сроки разрабатывать и испытывать автоматизированные физические, химические и биологические технологии для дальнейших пилотируемых полетов;
Ускорить разработку и испытания новых микро- и наносенсоров, которые вместе с усовершенствованными информационными технологиями позволят получать и накапливать биологические данные in situ как на Земле, так и в космическом полете;
Поддерживать интерес просветительских организаций к космическим исследованиям и накопленный ими опыт в распространении знаний путем предоставления возможностей проведения экспериментов в космосе;
Проводить эксперименты на большом числе экспериментальных животных, размещая от 6 до 8 блоков с животными в каждом КА. Подбирать параметры орбиты (высоту, угол наклонения и т.д.). графики запуска и посадки, а также длительность каждого полета применительно к научной программе.

Программа «Фотон»

К 2005 г. КА «Фотон-М» являлся практически единственным космическим аппаратом для проведения широкого круга экспериментов по материаловедению, биологии, биотехнологии с ресурсом функционирования от 16 до 30 суток и с массой полезной нагрузки от 600 до 850 кг на высотах, близких к высотам функционирования МКС и обеспечивающим доставку результатов эксперимента на Землю. Разработка научной программы, подготовка и реализация экспериментов проводились совместно российскими специалистами и специалистами Университета штата Монтана и Эймского исследовательского центра НАСА США.

Автоматический космический аппарат (КА) «Фотон-М» №2, предназначенный для научных исследований, был запущен с космодрома Байконур (Казахстан) 31 мая 2005 года. Космический аппарат функционировал на околоземной орбите с 31 мая по 16 июня 2005 г. с параметрами полета: в апогее — 304 км, перигее — 262 км, угол орбиты — 63°, период обращения — 90 мин. Барометрическое давление во время полета составляло от 744 до 746 мм. рт. ст. Температура воздуха по данным телеметрии внутри гермообъема спускаемого аппарата (СА) в течение всего времени полета не опускалась ниже 18°С и не поднималась выше 20°С, радиационная обстановка была нормальной. Спустя 16 суток он благополучно приземлился на севере Казахстана недалеко от г. Кустаная. Основная полезная нагрузка, размещенная на борту КА, принадлежала Европейскому космическому агентству (ЕКА) и предназначалась для проведения экспериментов в области теоретической физики и материаловедения. После приземления полетные контейнеры с экспериментальным материалом были доставлены в Москву через 30 часов после окончания полета. Контрольный (синхронный) эксперимент был выполнен в Государственном научном центре РФ — Институте медико-биологических проблем РАН со сдвигом по времени на 2 суток — со 2 по 18 июня 2005 г.

В экспериментах, выполненных в полете космического аппарата «Фотон-М» №2, были использованы молекулярно — генетические методы анализа биологических образцов, экспонированных в космическом полете и на земле. Изучение особенностей структурной организации полетных образцов этих культур в сравнении с наземным контролем позволило определить ряд ключевых механизмов восприятия и реализации гравитационного стимула в клетке. Сравнительный экспресс-анализ полетных и контрольных образцов биоматериала с использованием определенных методов был проведен совместно со специалистами США в соответствующих научных учреждениях РАН в Москве. После этого часть зафиксированного или законсервированного при низкой температуре биоматериал была отправлена в США, а другая часть материал анализировалась в Москве.

В полете автоматического космического аппарата «Фотон-М» №2 были подготовлены и проведены 4 биологических эксперимента: «Плазмида-Ф2», «Рецептор-Ф2», «Регенерация-Ф2» и «Геккон-Ф2» с использованием в качестве объектов исследования соответственно: микроорганизмов, беспозвоночных и низших позвоночных животных. Детальное описание экспериментов, включающее научную программу, цели и задачи каждого эксперимента, описание объектов исследования (их биологии, среды обитания и поведенческих характеристик), методов пред- и послеполетного анализа биоматериала, аппаратуры, а также организации, подготовки и проведения исследований приведены в публикациях и частично представлены в прилагаемых материалах.

Icon of BIOKOSMOS. Bioastronautics programs / Биокосмос. Программы космобиологии BIOKOSMOS. Bioastronautics programs / Биокосмос. Программы космобиологии (1.3 MiB)
Icon of BIOBOX. Experiments Critical Design Review / BIOBOX.Cхемы экспериментов, аппаратура, организация BIOBOX. Experiments Critical Design Review / BIOBOX.Cхемы экспериментов, аппаратура, организация (5.8 MiB)
Icon of BION-10. Biological Experiments on the Satellite / BION10. Биологические эксперименты BION-10. Biological Experiments on the Satellite / BION10. Биологические эксперименты (11.8 MiB)
Icon of BioCosmos, Photon M2, M3 / Биокосмос, Фотон M2, M3 BioCosmos, Photon M2, M3 / Биокосмос, Фотон M2, M3 (726.6 KiB)
Icon of Photon M2 experiments in fundamental biology / Эксперименты по фундаментальной биологии в полете КА "Фотон-М" №2 Photon M2 experiments in fundamental biology / Эксперименты по фундаментальной биологии в полете КА "Фотон-М" №2 (391.3 KiB)

Исследования по фундаментальной и клеточной биологии в полете автоматических космических аппаратов

В космической биологии накоплен значительный экспериментальный материал о влиянии основных физических факторов космического полета (таких как микрогравитация и космическая радиация) на живые организмы. Такие явления как потеря костной и мышечной массы, изменения в иммунной и кроветворной системе, нарушения водно-солевого обмена пока больше исследованы на физиологическом и морфологическом уровне. Основная задача программ «Биокосмос», «Бион» и «Фотон» заключалась в том, чтобы еще более приблизиться к пониманию молекулярных механизмов действия факторов космического полета.

В рамках данных задач целью эксперимента «Фотон» было дальнейшее изучение механизмов влияния факторов космического полета на живые системы. По данной программе были подготовлены и проведены 4 биологических эксперимента: «Плазмида-Ф2», «Рецептор-Ф2», «Регенерация-Ф2» и «Геккон-Ф2» с использованием в качестве объектов исследования соответственно: микроорганизмов, беспозвоночных и низших позвоночных животных. Разработка научной программы, подготовка и реализация экспериментов проводились совместно российскими специалистами и специалистами Университета штата Монтана и Эймского исследовательского центра НАСА США.

ПЛАЗМИДА (исследования на микроорганизмах)

В эксперименте «Плазмида-Ф2» в качестве объекта исследования использовались низшие грибы- актиномицеты Streptomices lividcms 66 штамм (pIL 702). Эксперимент проводился совместно лабораторией генетики актиномицетов Института генетики и селекции микроорганизмов РФ (Москва) и департаментом микробиологии Университета Монтана (США). Изучалось влияние условий космического полета на стабильность функционирования генетического аппарата клетки.

Проводилось изучение механизма частичной передачи и мобилизация плазмид после длительной преинкубации штаммов доноров, холтеров и реципиентов в условиях космического полета. Исследовалось действие факторов космического полета (ФКП), главным образом микрогравитации на ДНК и возможное увеличение структурной нестабильности и возникновению мутаций в самой плазмиде. Полученные данные позволили выявить особенности и динамику передачи плазмидной ДНК в процессах межродовой коньюгации в условиях микрогравитации, оценить вероятность и особенности протекания инфекционных заболеваний у космонавтов.

РЕЦЕПТОР (исследования на беспозвоночных — ракообразных)

В эксперименте «Рецептор-Ф2» объектом исследования были виноградные улитки Helix lucorum. Проводилась оценка характера и динамики морфогенеза статоконий в условиях микрогравитации, а также оценка значимости гравитационного фактора в процессах формирования и роста статоконий. Были проведены комплексные исследования с использованием молекулярно-генетических и электрофизиологических методов. Проводилась также оценка функционального состояния гравирецепторов в невесомости и в периоде реадаптации включая:

изучение импульсной активности рецепторов статоциста в покое;
изучение импульсной активности рецепторов статоциста на вертикальные синусоидальные затухающие колебания;

РЕГЕНЕРАЦИЯ (исследования на низших позвоночных — земноводных)

В эксперименте «Регенерация-Ф2» использовались амфибии — тритоны Pleurodeles waltii . Основная целью эксперимента было выявление роли гравитационного фактора в процессах регенерации и репарации органов и тканей и системы кроветворения, изучение влияния факторов космического полета на пролиферативную активность клеток. В данном эксперименте была впервые предпринята попытка изучения экспрессии регуляторных генов в процессах регенерации и репарации с помощью использования т.н. ДНК-чипов, позволяющих оценить перестройку экспрессии большого числа генов. Программой эксперимента было запланировано также сравнительное изучение состава цитокинов и стресс белков в регенератах полетных и контрольных животных и исследование реакции кроветворной ткани иглистых тритонов Pleurodeles walt на факторы космического полета, включая:

исследование клеточного состава крови и гистологический анализ кроветворных органов тритонов Pleurodeles walt;
исследование воздействия факторов космического полета на клоногенные кроветворные клетки иглистых тритонов;
исследование кроветворной системы амфибий;
определение влияния кровопотери на гемограмму периферической крови тритонов.

ГЕККОН (исследования на низших позвоночных — рептилиях)

Организация, техническое и аппаратное обеспечение

Международные космические программы «Биокосмос», «Бион» и «Фотон» потребовали для своей реализации создания многоуровневой системы международной кооперации по разработке, планированию, проведению и обработке результатов экспериментов. В ходе реализации программ были спроектированы и созданы комплексы биомедицинской аппаратуры, послужившие основной для разработки ключевых блоков аппаратуры следующего поколения.

Icon of PhotonM2. Access documents / Фотон M2. Разрешительные документы PhotonM2. Access documents / Фотон M2. Разрешительные документы (290.0 KiB)
Icon of Photon M2 conference / Фотон М2 конференция Photon M2 conference / Фотон М2 конференция (224.3 KiB)
Icon of Photon M3 conference materials / Фотон M3 материалы конференции Photon M3 conference materials / Фотон M3 материалы конференции (318.1 KiB)
Icon of BION. Experiments, schemes and equipment / БИОН. Эксперименты, схемы и оборудование BION. Experiments, schemes and equipment / БИОН. Эксперименты, схемы и оборудование (6.1 MiB)
Icon of BIOCOSMOS. Schemes, organization, equipment / Биокосмос. Схемы, организация, оборудование BIOCOSMOS. Schemes, organization, equipment / Биокосмос. Схемы, организация, оборудование (1.4 MiB)
Icon of Photon M2 meeting Protocols 1 / Фотон M2 протоколы совещаний 1 Photon M2 meeting Protocols 1 / Фотон M2 протоколы совещаний 1 (533.9 KiB)
Icon of PhotonM2. Plan and report on PhotonM2 equipment development / Фотон М2. Отчет ОКР по аппаратуре PhotonM2. Plan and report on PhotonM2 equipment development / Фотон М2. Отчет ОКР по аппаратуре (530.1 KiB)
Icon of PhotonM2. Readiness of the equipment report / ФотонM2. Отчет о готовности аппаратуры PhotonM2. Readiness of the equipment report / ФотонM2. Отчет о готовности аппаратуры (521.2 KiB)
Icon of PhotonM2. Launch protocol / ФотонM2. Протокол запуска PhotonM2. Launch protocol / ФотонM2. Протокол запуска (329.4 KiB)
Icon of Photon M3 program agreements / Фотон M3 cоглашения по программе Photon M3 program agreements / Фотон M3 cоглашения по программе (198.2 KiB)