Организм в условиях измененной силы тяжести
Экспериментальный материал, накопленный в гравитационной биологии, позволяет утверждать, что в основе регуляторных процессов, направленных на сохранение и поддержание физиологического гомеостаза организма в условиях измененной силы тяжести, лежат молекулярные и клеточные механизмы адаптации. Полученные в гравитационной биологии результаты позволили сформулировать гипотезу о механизме гравитационной чувствительности одноклеточных организмов. Суть этой гипотезы состоит в том, что гравитационная чувствительность (толерантность) одноклеточного организма как индивидуальной самостоятельной и самодостаточной биологической системы есть функция от ее метаболической и двигательной активности. Это означает, что главным условием, определяющим гравитационную чувствительность одноклеточных организмов, являются не их форма и размеры, а функциональная активность.
Также есть основания считать, что эффекты измененной силы тяжести в живых системах реализуются через регуляторные механизмы. Это относится к регуляции, прежде всего таких процессов как пролиферация, дифференциация и специализация клеток и тканей, восстановительные реакции и регенерация. Главным связующим звеном между клеткой и более высокими уровнями организации в цепи функциональных перестроек, происходящих в живых системах в процессе их адаптации к новым условиям существования, является регуляция метаболизма. Определение путей и оценка стоимости мобилизации энергетических ресурсов, необходимых для поддержания и сохранения гомеостаза клетки и восстановления постоянства внутренней среды организма в целом, а также управление механизмами функционирования гомеостаза, очевидно, осуществляется путем постоянного и надежного взаимодействия молекулярных, нейрон/моральных и эндокринных систем, соответственно на клеточном, тканевом органном и организменном и популяционном уровнях.
При этом круг задач гравитационной биологии широк и не ограничивается только перечисленными выше задачами. Для создания целостной картины крайне важным является постоянное получение информации о поведении организма, развивающегося в условиях измененной силы тяжести.
Gravity-dependent processes in biological systems of various organization levels (2001-2005) / Гравитационно-зависимые процессы в биологических системах различных уровней организации (2001-2005 гг.) (312.0 KiB)
Research in the field of gravitational biology (2001-2005) / Исследования в области гравитационной биологии (2001-2005 гг.) (358.4 KiB)
Russian-Ukrainian joint research program in the field of space biology / Программа совместных российско-украинских исследований в области космической биологии (238.2 KiB)
Клеточные механизмы адаптации
Приспособленность (адаптация) живых организмов к условиям окружающей среды, будучи одним из основных критериев естественного отбора, выступает движущим фактором биологической эволюции. Скорость, эффективность и энергетическая «стоимость» адаптации определяет степень устойчивости каждой отдельно взятой особи к неблагоприятным условиям окружающей среды в ходе ее индивидуального развития.
В процессе «вертикальной» эволюции, ведущей к повышению уровня биологической организации, на фоне расширения диапазона компенсаторно-приспособительных реакций, обеспечивающих экологическую устойчивость организма, как правило, происходит снижение общей резистентности живой системы. Отсюда следует, что устойчивость свободноживущего одноклеточного организма или отдельной клетки, функционирующего в составе органов и тканей всегда выше, чем устойчивость многоклеточного организма. Эта устойчивость достигается, в первую очередь, за счет неспецифичности ответных реакций клетки на действие факторов окружающей среды (физических, химических или биологических).
Исследования на культурах клеток занимают значительное место в космической биологи и медицине. Использование клеток и тканей, изолированных из организма животных и растений, а также популяций одноклеточных организмов, чрезвычайно полезно для изучения эффектов измененной силы тяжести для регистрации первичных этапов развития ответной реакции живой системы на клеточном уровне. Вместе с тем наблюдаемые изменения в структурно-функциональном статусе клетки зачастую являются следствием (эхом) сдвига физиологических характеристик многоклеточного организма, происходящих на системном уровне под действием факторов среды, в том числе и при изменении величины и направления вектора силы тяжести. Изучение особенностей и глубины преобразовательных процессов, происходящих в структурной организации и функциональной активности клетки, дает возможность оценить физиологическую значимость и энергетическую «стоимость» адаптации организма в целом к новым условиям существования, например, к условиям микрогравитации.
В результате исследований были четко выявлены противоположные эффекты измененной силы тяжести в зависимости от типа клеток и их эколого — физиологических характеристик (уровня метаболизма и двигательной активности, а также среды обитания). Было показано, что, варьируя силой тяжести как переменной величиной можно регулировать скорость роста и темпы деления клеток, а, следовательно, и прирост биомассы. Это дает возможность оптимизировать биотехнологические процессы при культивировании популяций клеток и одноклеточных организмов в условиях измененной величины и направления вектора силы тяжести.
Сравнительный анализ результатов биологических исследований, выполненных к настоящему времени на борту космических летательных аппаратов (пилотируемых и беспилотных) с выявленным за этот период комплексом характерных отклонений в физиологическом статусе организма космонавта, однозначно указывает на то, что в основе этих отклонений лежат нарушения регуляторных процессов, протекающих на клеточном уровне.
Более того, сама система профилактических мероприятий, направленных на нормализацию физиологических функций организма человека во время космического полета и в послеполетный период, разработана с учетом особенностей изменений, происходящих в структурной организации и метаболической активности клетки. В настоящее время, богатый эмпирический опыт медицины позволяет в определенной степени скорректировать эти отклонения, но полностью устранить последствия длительного влияния факторов космического полета на организм, по-видимому, можно будет только после решения фундаментальных задач, связанных с изучением клеточных механизмов адаптации. На наш взгляд, наиболее перспективной стратегической линией исследований в космической биологии является изучение причинных связей между изменениями, происходящими на уровне целого организма и клеточными механизмами, лежащими в их основе. Непременным условием решения этой проблемы, с нашей точки зрения, является: во-первых — выявление и классификация сенсоров гравитации (неспециализированных внутриклеточных гравирецепторов) и во-вторых -расшифровка молекулярных механизмов их функционирования. Главным в решении этой проблемы должно быть изучение молекулярных механизмов восприятия и реализации гравитационного стимула в клетке, т.е. функционирования гравирецепторов.
Justification of the non-specificity principle of molecular and cellular mechanisms of biological systems adaptation / Обоснование принципа неспецифичности молекулярных и клеточных механизмов адаптации биологических систем (215.7 KiB)
The use of cell cultures for solving fundamental and practical problems of space biology and biotechnology / Использование культур клеток для решения фундаментальных и практических задач космической биологии и биотехнологии (292.6 KiB)
Research in the field of cell biology / Исследования в области биологии клетки (276.2 KiB)
Cell culture studies (proposals to the MIR-NASA program) / Исследования клеточных культур (предложение к программе МИР-NASA) (219.6 KiB)
Molecular and cellular mechanisms of gravitational sensitivity of biological systems / Молекулярные и клеточные механизмы гравитационной чувствительности биологических систем (196.1 KiB)
Обеспечение длительных космических полетов
Риски, с которыми человек сталкивается, отправляясь в космический полет, возрастают пропорционально его длительности. В условиях полетов на Марс или на Луну с длительным пребыванием на их поверхности члены экипажей должны будут активно работать на этих небесных телах после продолжительного пребывания за пределами защитной оболочки Земли. Поэтому возникает настоятельная необходимость понять огромное число взаимодействующих факторов, которые оказывают влияние на состояние скелетно-мышечного аппарата и сенсомоторной системы, иммунитет, чувствительность к радиационным воздействиям, канцерогенез, т.е. разобраться в комплексе психологических и физиологических изменений, возникающих при комбинированном действии невесомости и повышенных уровней ионизирующей радиации.
Основная трудность состоит в том, чтобы суметь диагностировать природу и степень изменений, развивающихся в организме в целом и в отдельных системах и органах, и с учетом этого проводить профилактические мероприятия, направленные на поддержание оптимального уровня здоровья и работоспособности экипажей. Самым надежным с точки зрения временных затрат и этических норм способом расшифровки физиологических эффектов факторов космического полета является разработка комплексных программ исследований на животных, клеточных культурах и человеке. Основная цель таких программ состоит в получении своевременной информации, необходимой для разработки терапевтических мероприятий, которые позволят человеку уходить все дальше за пределы защищающей его земной биосферы, гарантируя его безопасность и работоспособность.
Долгосрочный прогноз состояния здоровья человека в длительном космическом полете и поддержание физиологического статуса организма в условиях постоянного действия основных факторов космического пространства (микрогравитация, радиационные излучения различных интенсивностей, а также гипо- и амагнитное поле) требуют более глубокого изучения основ влияния этих факторов на живые системы организма. С этой целью необходимо создание новой концепции с опорой на критический анализ современных данных о физико-химических основах регуляторных систем клетки и процессов морфогенеза в условиях действия факторов окружающей среды в космическом полете, в том числе гравитационных сил, радиации и магнитных полей.
Программа исследований в рамках данной концепции на первом этапе предусматривает организацию научной кооперации, временных функциональных исследовательских коллективов, поиск, экспериментальную оценку и анализ научной информации, создание банка данных и банка знаний по проблеме, оценку и выбор стратегии исследований (теоретических и экспериментальных) и разработку концепции позиционного гомеостаза биологических систем (клеточная модель) в гравитационном поле.
The concept studies of the mechanisms of adaptation of living systems to the conditions of long-duration space flight / Концепция исследований механизмов адаптации живых систем к условиям длительного космического полета (111.8 KiB)
Project "MARS". The program of biomedical support of space flight with the 2.5 year duration / Проект "МАРС". Программа медико-биологического обеспечения космического полета длительностью 2,5 года (216.0 KiB)
Fundamental research in space biology (NASA, 2001-2012) / Фундаментальные исследования по космической биологии (NASA, 2001-2012) (280.3 KiB)