Биологические системы жизнеобеспечения (БСЖО) человека Биологические системы жизнеобеспечения (БСЖО) человека В ГНЦ РФ - ИМБП РАН в результате многолетних работ разработаны принципы создания биологических систем.
Download ReportTranscript Биологические системы жизнеобеспечения (БСЖО) человека Биологические системы жизнеобеспечения (БСЖО) человека В ГНЦ РФ - ИМБП РАН в результате многолетних работ разработаны принципы создания биологических систем.
Биологические системы жизнеобеспечения (БСЖО) человека Биологические системы жизнеобеспечения (БСЖО) человека В ГНЦ РФ - ИМБП РАН в результате многолетних работ разработаны принципы создания биологических систем жизнеобеспечения (БСЖО). На начальных этапах исследования, связанные с созданием БСЖО включали в себя работы по отработке методов и технологий культивирования с высокой степенью интенсивности растительных и животных организмов в гермообъектах в условиях минимальных площадей и объемов, повышенных концентраций углекислоты и т.д. Результатом этих работ явилось проведение под руководством Евгения Яковлевича Шепелева и Ганы Иосиповны Мелешко серии экспериментов с различными моделями БСЖО, в которых испытатели жили и работали в гермообъектах, среда обитания которых создавалась растительными организмами. Биологические системы жизнеобеспечения (БСЖО) человека В рамках программы создания БСЖО в период с 1965 по 1985 гг. в Институте в 6 наземных экспериментах с участием испытателей была детально изучена модель системы жизнеобеспечения «человек - одноклеточные водоросли минерализация». Объем системы составлял 15 м3, объем воды, включая суспензию водорослей - 59 л. Более сложные модели систем с заменой части одноклеточных водорослей высшими растениями (посевная площадь оранжереи 15 м2) исследовались в трех опытах длительностью от 1,5 до 2 месяцев. В этих экспериментах было показано, что БСЖО на основе одноклеточных водорослей выполняют не только макрофункцию (регенерация атмосферы и воды), но и ряд других функций (очистка атмосферы от вредных микропримесей, формирование микробного ценоза и др.). Проведенные исследования показали, что биологические процессы регенерации способны обеспечить адекватные потребностям человека условия среды обитания, а следовательно, существование человека в условиях гермозамкнутого объема. Функциональная схема модели БСЖО «Человек – Водоросли – Минерализация», изучавшаяся в наземных экспериментах в ГНЦ РФ – ИМБП РАН БИОС-3 – Институт Биофизики СО РАН Киренский Терсков Леонид Васильевич Иван Александрович 17.04.1909 -03.11.1969 11.09.1918 – 24.02.1989 Гительзон Иосиф Исаевич БИОСФЕРА-2 Биологические системы жизнеобеспечения – исследования в условиях космического полета Программа исследований БСЖО в условиях космического полета стартовала в конце 70-х годов прошлого века. К настоящему времени в рамках этой программы проведено более 40 космических технологических и биологических экспериментов. Общая длительность этих экспериментов составляет около 1600 суток (4,4 года). II I Приборы ИФС-2 и «Кювета», в которых проводились полетные и наземные исследования роста и развития одноклеточных водорослей Эксперименты на борту ОС «САЛЮТ-6» ИФС-2 Сухое вещество, г/л 6 4 2 0 0 5 10 15 20 Время, сутки Полет «Кювета» Контроль Кривые роста одноклеточных водорослей в условиях невесомости и в наземных контролях (по результатам 6-ти полетных экспериментов на борту ОС «Салют-6» Приборы «Аквариум» и «Аквариум-М» для экспериментов по исследованию искусственных микроэкосистем на борту беспилотных и пилотируемых космических аппаратов Прибор «Хлорелла-А» для экспериментов с автотрофной культурой одноклеточных водорослей в условиях космического полета Оранжерейные устройства, использовавшиеся для экспериментов с высшими растениями на борту орбитальных станций «САЛЮТ» ФИТОН ОАЗИС-М ОАЗИС-1 Оранжерея «СВЕТ», предназначенная для экспериментов с высшими растениями на борту ОК «МИР» Разработана в рамках программы «Интеркосмос» специалистами ГНЦ РФ – ИМБП РАН совместно со специалистами ИКИ Болгарской АН Штатное оборудование модуля «Кристалл ОК «МИР» Посевная площадь - 0.1 м2 Освещенность - 300 mol/m2 ·s-1 Габариты и масса: Блок управления (380х200х110 мм; 3.5 кг) Листовая камера (366х460х778 мм, 12 кг) Блок освещения (336х360х200 мм; 10 кг) Корневой модуль (442х360х122 мм; 12 кг) Начало эксплуатации – 1990 г. Окончание эксплуатации – 2000 г. Общее непрерывное время работы – 629 суток Листовые культуры в оранжерее «СВЕТ» на борту ОК «МИР». Российская научная программа Эксперимент «ОРАНЖЕРЕЯ-6». 24 мая – 14 июня 2000 г. ЭО-28 (последняя экспедиция на борту ОК «МИР») Члены экипажа: Командир - Сергей Залетин Борт-инженер ЭО-28 Александр Калери Борт-инженер - Александр Калери Культуры: Мизуна (Brassica rapa var.nipposinica), Китайская капуста (B. rapa var.pekinensis), Рапина (B. rapa var.utilis), Гигантская красная горчицы (B. juncea ) Оранжерея «ЛАДА», предназначенная для экспериментов РАСТЕНИЯ-2 с высшими растениями, на борту РС МКС Полная конфигурация оборудования Сегодняшняя конфигурация оборудования на борту РС МКС (Служебный модуль) Перечень экспериментов с высшими растениями, проведенных на борту РС МКС с использованием оранжереи «ЛАДА» Даты Длитель н-ость, сутки Вид растения 02.10-08.11.2002 36 Мизуна 06.03-15.05.2003 70 Горох L-102 Горох L-131 Полный цикл онтогенеза, выбор сорта гороха 23.05-05.08.2003 73 Горох L-131 Полный цикл онтогенеза 1-го «космического» поколения 16.02-24.04.2004 76 Горох L-131 Полный цикл онтогенеза 2-го «космического» поколения 06.08-21.10.2004 76 Горох L-131 Полный цикл онтогенеза 3-го «космического» поколения 14.01-20.04.2005 75 Горох L-131 Полный цикл онтогенеза 4-го «космического» поколения 27.05-17.07.2005 24.08-05.10.2005 50 + 49 Редис 10.01-30.03.2006 76 Горох L-131 07.07-26.09 2006 30 Ячмень 11.01-13.04.2007 78 Горох L-131 Полный цикл онтогенеза 22.01-13.04.2008 79 Горох L-131 Полный цикл онтогенеза Основные цели эксперимента Морфогенез, рост, развитие, оценка вкусовых качеств Морфогенез, рост и развитие, две вегетации Полный цикл онтогенеза Получение биоматериала для анализа экспрессии генов Схема СЖО орбитального комплекса «МИР» Н2 О Н2О; Food; Н2 О AIR PURIFICATION SYSTEM Purified air СО2 Air + Н2О Human Wastes Н2 О STOCK Regeneration H2 O from urine Urine VOZDUKH СО2 Н2 О Н2 О2 Regeneration H2 O from athmospheric condensate Wastes Urine Electrolyzer «ELECTRON» Н2 О Human Wastes Н2 О Н2 О Condencer of water Wastes СО2 О2 Н2 О Condencer of athmospheric Н2 О Н2 О О2 Plug-in units of physical-chemical systems; H 2SO4+Cr2O7 Air Plug-in units of physical-chemical Plug-in units of physical-chemical Н2 О Н2 О GALLEY SUPPLY Plug-in units of physical-chemical systems; H2SO4+Cr2O7 Из блок-схемы, представленной на рисунке видно, что функционирование СЖО современной орбитальной станции связано с постоянным восполнением необходимых ресурсов, а также удалением из системы больших объемов различных веществ таких, как отходы жизнедеятельности экипажа и отходы функционирования самой системы жизнеобеспечения. Поэтому, такая СЖО не сможет полностью удовлетворить все потребности человека в условиях отсутствия связей с биосферой Земли. Сегодня существует понимание того, что включение биологических подсистем (по крайней мере, оранжереи) в состав СЖО МЭК позволит сформировать полноценную среду обитания в корабле, адекватную долговременным биологическим потребностям человека, и будет способствовать устранению некоторых возможных последствий длительного пребывания человека в искусственно (абиогенной) среде обитания. Схема СЖО орбитального комплекса «МИР» с включением витаминной оранжереи Н2О Mineral Nutrients SUPPLY Н2О; Food; Mineral Nutrients; Substrate; Plug-in units of physical-chemical systems and of greenhouse; H 2SO4+Cr2O7 Н2О Air Food AIR PURIFICATION SYSTEM Condencer of water Wastes Condencer of athmospheric Н2О Н2О Н2О Regeneration H2 O from athmospheric condensate Wastes О2 Н2О Human Wastes Urine СО2 Н2О Н2О Н2О СО2 Н2 VOZDUKH Regeneration H2 O from urine Wastes Urine STOCK Urine Н2О Air + H2O Н2О О2 СО2 Air + pollutants Н2О О2 Н2О Air + О2 Electrolyzer «ELECTRON» Plug-in units of physical-chemical Electrocatalytic filter Н2О Substrate GALLEY Air Substrate Plant food Wastes Purified air Plug-in units of physical-chemical systems; H 2SO4+Cr2O7 Food Regeneration of substrate Оранжерея в составе СЖО Марсианского экспедиционного корабля (МЭК) Материальный баланс человека, полученный в наземных модельных экспериментах с БСЖО ВХОД Наименование вещества Количество вещества, г/сутки О2 755 90 Вода 2400 240 Углеводы 314 23 Жиры 87 12 Белки 131 16 NaCl 10 Другие минеральные соли 5 Общий вес 3701 450 ВЫХОД Количество вещества, г/сутки Наименование вещества 900 90 СО2 1280 210 Моча 1340 190 Вода через дыхание и потоотделени е 3680 510 Общий вес Оранжерея в СЖО МЭК будет предназначена для выращивания салатных и пряно-вкусовых культур. Суточная норма потребления салатных культур для одного человека составляет в среднем около 100 г сырой биомассы. Для 6 членов экипажа МЭК необходимо вырастить до 600 г сырой биомассы или около 60 г сухой биомассы. При пересчете на основные элементы питания растительная часть рациона составит лишь около 40 г в сутки, 540 г воды из 15000 г, которые необходимы для обеспечения жизнедеятельности экипажа МЭК и обеспечит поступление в СЖО в сутки от 180 до 210 г О2, что составляет около 25 % от суточной потребности одного человека в кислороде. Эти данные базируются на результатах наземных исследований с биологическими системами жизнеобеспечения человека, проводившихся в ГНЦ РФ – ИМБП РАН (Москва) и ИБФ СО РАН (Красноярск). Оранжерея в составе СЖО Марсианского экспедиционного корабля Вещество Длительность экспедиции на Марс 1 год 2 года Кислород, кг 73 146 Вода, кг 197 394 Основные элементы питания, кг 15 30 Наличие оранжерейного устройства на борту МЭК позволит обеспечить экипаж, состоящий из 6 человек, необходимыми биологически активными веществами (витаминами) и микроэлементами в биологически активной форме, а также регенерировать до 5 % необходимого кислорода, до 3,6 % воды и более 1 % основных элементов питания. Психологический эффект, связанный с наличием растений в замкнутом объеме при длительной изоляции человека от биосферы Земли Исследование возможности устойчивого существования популяции японского перепела в условиях невесомости Эксперимент «ПЕРЕПЕЛ» Цель экспериментов: Изучение эмбрионального развития японского перепела с выявлением специфических особенностей развития, обусловленных факторами космического полета, а также исследование в невесомости постэмбрионального развития птиц с выявлением особенностей их роста, развития, репродукции и поведения. Исследования гетеротрофного звена БСЖО в условиях космического полета В период с 1990 по 1999 гг. на борту ОК «МИР» проводились эксперименты по исследованию эмбриогенеза птиц в условиях невесомости, которые показали, что эмбриональное развитие процесс, имеющий две взаимосвязанные характеристики: рост и дифференцировку - не зависит от гравитационного фактора. В этих экспериментах впервые в условиях космического полета были получены живые птенцы японского перепела. Первое появление новорожденных птенцов в условиях невесомости выявило новую проблему гравитационной биологии – проблему адаптации новорожденных организмов к среде, где отсутствует вектор гравитации. Первые исследования поведения новорожденных птенцов японского перепела в условиях невесомости показали, что они не могут самостоятельно существовать в агравитационной среде. АСТРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Цель исследований: Выяснение жизнеспособности покоящихся форм организмов, принадлежащих к различным таксономическим группам, в условиях космического пространства и длительного межпланетного перелета для решения вопросов планетарного карантина, астробиологии и медико-биологических проблем пилотируемой космонавтики. ДОЛГОСРОЧНАЯ ПРОГРАММА АСТРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Долгосрочная программа научноприкладных исследований и экспериментов, планируемых на борту РС МКС Программа МАРС-500 Сателлитные эксперименты Эксперименты: Биориск-МСВ; Биориск-МСН; Экспоуз-Р; Аквариум; Растения-Семена Проект Фобос-Грунт Эксперимент БиоФобос (Анабиоз) Изучение влияния факторов космического полета на покоящиеся стадии организмов Экспозиция покоящихся форм организмов внутри и вне МКС. Покоящиеся формы – это не только споры бактерий и грибов, но и семена, и покоящиеся эмбрионы низших ракообразных, а также многоклеточные организмы в состоянии криптобиоза. ВНУТРИ МКС: РАСТЕНИЯ-2 АКВАРИУМ БРАДОС БИОРИСК-КМ БИОРИСК-МСВ ВНЕ МКС: БИОРИСК-МСН Реактивация Daphnia magna после месячной экспозиции на борту РС МКС Эксперимент АКВАРИУМ 20 Reactivation, ind/d 15 10 5 0 1 3 5 7 9 11 13 15 Days after start Control Flight Обнаружены статистически достоверные отличия в эффективности реактивации между экспонированными на МКС и контрольными группами покоящихся яиц. Молодь Daphnia magna, полученная из экспонированных в космосе эмбрионов, имела пониженную плодовитость и достигала половой зрелости в более длительный срок, по сравнению с контрольной группой. Пребывание в космосе индуцировало у особей Daphnia magna во второй генерации переход от партеногенезу к бисексуальному размножению, что является явным указанием на стресс, воспринятый их родителями в предыдущей генерации, то есть в период эмбриональной диапаузы. Перечень тест-объектов (бактерии и грибы), используемых в эксперименте «Биориск-МСН-2» (экспозиция 1-го контейнера на внешней стороне РС МКС проводилась в период с 06 июня 2007 года по 15 июля 2008 года). Контейнер доставлен на Землю 24 октября 2008 года Плесневые грибы Бактерии Аспергилл Aspergillus sedowii # 9-6 Аспергилл Aspergillus versicolor # 4-3-4 Пеницилл Penicillium aurantiogresiu m # 9-9 Пеницилл Penicillium expansum #4-3-3 Bacillus subtilis # 20 Bacillus licheniformis # 24 Bacillus subtilis # 25 Bacillus subtilis # 2335\105 Споры Споры Бацилла Перечень тест-объектов (животные), используемых в эксперименте «Биориск-МСН-2» (экспозиция 1-го контейнера на внешней стороне РС МКС проводилась в период с 06 июня 2007 года по 15 июля 2008 года). Контейнер доставлен на Землю 24 октября 2008 года Позвоночные животные Насекомые Низшие ракообразные Сухая икра Карпозубая рыба Криптобиотические Хирономида личики Покоящиеся яйца Nothobranchius guenteri Polypedilum vanderplankii Дафния Daphnia magna Дафния Daphnia pullicaria Артемия Artemia salina Триопс Triops cancriformis Жаброног Streptocephalus torvicornis Остракода Eucypris ornata Перечень тест-объектов (растения), используемых в эксперименте «Биориск-МСН-2» (экспозиция 1-го контейнера на внешней стороне РС МКС проводилась в период с 06 июня 2007 года по 15 июля 2008 года). Контейнер доставлен на Землю 24 октября 2008 года Высшие растения Суховоздушные семена Горчица Brassica rapa Improved Basic Горчица Brassica rapa High Anthocyanin Горчица Brassica rapa Anthocyaninless Горчица Brassica rapa Rosette Горчица Brassica rapa Somatic Variegation Горчица Brassica rapa AstroPlants Горчица Brassica juncea Red Giant Арабидопсис Arabidopsis thaliana K-310 Арабидопсис Arabidopsis thaliana Columbia Никандра Nicandra physaloides Black Pod Томат Lycopersicum esculentum Micro-Tom Редис Raphanus sativus Cherry Bomb Ячмень Hordeum vulgare K-305 Ячмень Hordeum vulgare Haruna Nijo Рис Oryza sativa Kasalath Рис Oryza sativa Murasaki mai Результаты эксперимента «БИОРИСК-МСН» на борту Российского сегмента МКС Аппаратура «Биориск-МСН» и ее расположение на стыковочном узле «Пирс» Рост штамма Bacillus subtilis # 24 после 13-месячной экспозиции спор на внешней стороне МКС Проросшие «космические» семена ячменя Hordeum vulgare cv. Haruna Nijo и растения редиса Raphanus sativus сорта «Cherry Bomb», выросшие из «космических» семян Личинка хирономиды Polypedilum vanderplanki, реактивированная после 13 и 22-месячной экспозиции на Реактивация «космических» и контрольных внешней стороне РС МКС покоящихся яиц Artemia salina Эксперимент ЭКСПОУЗ-Р (начало март 2009) БАКТЕРИИ Group 18, subgroup Bacillaceae, genera Bacillus, виды: Споры Bacillus subtilis-2335/105 ; Споры Bacillus subtilis-20 ; Споры Bacillus pumilus-25 ; Споры Bacillus licheniformis-24. Gram-positive rods, 0,5-2,5 x 1,2-10 мкм, размер спор – 6 мкм ГРИБЫ Taxon - Mitosporic fungi, genera Aspergillus, Penicillium, Geomyces, виды: Споры Aspergillus sydowi - 9-6; Споры Geomyces pannorum – 2241; Споры Aspergillus versicolor - 4-3-4; Споры Penicillium aurantiogresium – 9-9; Споры Penicillium expansum – 4-3-3. Размер спор 3-10 мкм ЖИВОТНЫЕ Сухие эмбрионы (диаметр одного яйца 200 мкм) Daphnia magna belongs to family Daphniidae, order Daphniiformes, class Crustacea. Сухие эмбрионы (диаметр одного яйца 160 мкм) Streptocephalus torvicornis belongs to family Streptocephalidae, order Anostraca, class Crustacea. Сухие эмбрионы (диаметр одного яйца 180-200 мкм) Artemia salina belongs to family Artemiidae, order Anostraca, class Branchiopoda, subphylum: Crustacea. Сухие эмбрионы (диаметр одного яйца 180-200 мкм) Eucypris species belongs to family Cyprididae, order Ostracoda, class Crustacea. Сухая личинка (длина 5 мм 0,8 mm) of Polypedilum vanderplanki belongs to family Chironomidae, order Diptera, class Insecta. РАСТЕНИЯ Семена Lycopersicum esculentum (Tomato Micro-Tom) Семена Arabidopsis thaliana line WT–2. Герметичные пластиковые пакеты размером 77 мм и 1010 мм с биологическим образцами (споры грибов, сухие эмбрионы низших ракообразных, сухие личинки хирономиды, семена высших растений) Сборка с размещенными внутри пластиковыми пакетами с биообразцами Наземная подготовка эксперимента ЭКСПОУЗ-Р в Институте аэрокосмической медицины (Кёльн, Германия) Размещение пластиковых пакетов с биообразцами с сборки аппаратуры ЭКСПОУЗ-р для проведения испытаний в вакуумной камере Вакуумная камера для испытаний сборок с биобразцами Кассета №1 и сборка с российскими биологическими образцами (личинки хирономиды, семена томата и арабидопсиса Кассета №2 и сборка с российскими биологическими образцами (споры бактерий и грибов, сухие эмбрионы низших ракообразных) Капсула с грунтом Фобоса и биологическими образцами, возвращаемая на Землю Перечень биологических объектов, предназначенных для включения в эксперимент «БиоФобос-Анабиоз»* № Таксон Штамм Организация Leptolyngbia sp. Dp 6606 МГУ 2 Bacillus subtilis # 20 ИМБП РАН 3 Bacillus licheniformis #24 ИМБП РАН 4 Bacillus pumilus # 25 ИМБП РАН 5 Bacillus subtilis # 2335\105 ИМБП РАН 6 Methylosinus trichosporium ИНМИ РАН 7 Methylosinus sporium ИНМИ РАН 8 Methylocystis echinoides ИНМИ РАН 9 Methylobacter chroococcum ИНМИ РАН 1 Цианобактерии Вид Бактерии Deinococcus radiodurans RF ИНМИ РАН 11 Deinococcus radiodurans Old C ИНМИ РАН 12 Artrobacter oxydens RF ИНМИ РАН 13 Artrobacter oxydens RF+PolySach ИНМИ РАН 14 Pseudomonas aurefaciens MoCult ИНМИ РАН 15 Pseudomonas aurefaciens VegCel ИНМИ РАН 16 Pseudomonas aurefaciens RF ИНМИ РАН 17 Pseudomonas aurefaciens + Artrobacter oxydens 10 ИНМИ РАН Перечень биологических объектов, предназначенных для включения в эксперимент «БиоФобос-Анабиоз»* № Таксон Вид Штамм nov. ZS (= DSM13486T), VKM Организация МГУ 18 Methanosarcina lacustris sp. 19 Ferroplasma acidiphilum gen. nov., sp. nov. МГУ 20 Acinetobacter sp. К30А МГУ 21 Rhodococcus sp. K-25 МГУ Sphingomonas sp. К42 МГУ 23 Acetobacterium tundrae sp. nov. Z-4493 (=DSM1 9173T) МГУ 24 Micrococcus luteus 6/90-111 МГУ 25 Aquaspirillum sp. 6/90-111/С505 МГУ 26 Rudobacter spheroides 323 МГУ 22 Бактерии B-2268 Перечень биологических объектов, предназначенных для включения в эксперимент «БиоФобос-Анабиоз»* № Вид Штамм Организация 27 Ulocladium botrytis 16-12 ИМБП РАН 28 Cladosporium cladosporioides 2-3 ИМБП РАН 29 Aspergillus sydowii 9-6 ИМБП РАН 30 Aspergillus versicolor 4-3-4 ИМБП РАН 31 Penicillium aurantiogresium 9-9 ИМБП РАН 32 Penicillium expansum 4-3-3 ИМБП РАН Aspergillus sydowii ВКМ ИМБП РАН 34 Penicillium aurantiogresium ВКМ ИМБП РАН 35 Aspergillus versicolor ВКМ ИМБП РАН 36 Penicillium expansum ВКМ ИМБП РАН 37 Aureobasidium pullulans Viala&Boyer КБП-3847 МГУ 38 Streptomyces sp. 315 МГУ 38 Ulocladium botrytis Preuss M-54 ВКМ F-4032D МГУ 33 Таксон Грибы Перечень биологических объектов, предназначенных для включения в эксперимент «БиоФобос-Анабиоз»* № Таксон Вид Штамм Организация 39 Artemia salina - ЗИН РАН 40 Streptocephalus torvicornis - ЗИН РАН Eucypris sp. - ЗИН РАН Daphnia magna - ЗИН РАН 43 Hemidiaptomus ingens - ЗИН РАН 44 Polypedilum vanderplankii - НАБИ (Japan) 45 Pediastrum duplex** - ЗИН РАН 46 Arabidopsis thaliana - ИМБП РАН Zingeria beibersteiniana - ИМБ РАН 48 Mesembryanthemum crystallinum - ИМБ РАН 49 Nicandra physaloides - ИМБП РАН 41 42 47 Животные Растения * Pediastrum duplex - одноклеточная водоросль сопутствует Daphnia magna и не требует размещения в отдельном пластиковом пакете.