О бактериях на орбите и вирусах земных и космических «Огонек» поговорил с заведующим отделом Института медико-биологических проблем (ИМБП) РАН, доктором медицинских наук, профессором Вячеславом Ильиным.
Экипаж МКС Олег Скрипочка (слева снизу), Эндрю Морган и Джессика Меир во время встречи грузовика SpaceX Dragon. Маски предназначены не для защиты от коронавируса, а от пыли и мелких частиц, которые, возможно, образовались по пути на орбиту
Фото: NASA
Экипаж МКС Олег Скрипочка (слева снизу), Эндрю Морган и Джессика Меир во время встречи грузовика SpaceX Dragon. Маски предназначены не для защиты от коронавируса, а от пыли и мелких частиц, которые, возможно, образовались по пути на орбиту
Фото: NASA
— Совсем недавно, несмотря на разгул эпидемии коронавируса на Земле, очередной экипаж отправился на космическую орбиту, а с нее на прошлой неделе вернулся сменный. Не планируется ли приостановить смену космонавтов, учитывая, что пока МКС — самое безопасное с точки зрения самоизоляции место?
— Конечно, пандемия внесла свои коррективы и в отношении работы МКС. Обычно отправка экипажа выглядит очень торжественно: приезжает руководство Роскосмоса, журналисты, члены семьи. По имеющимся данным, сейчас эта часть в значительной мере свернута, и, более того, впервые в истории рапорт о взлете подавался удаленно. Сегодня у космонавтов максимально сужены контакты: экипаж, который прибыл на МКС 9 апреля, две недели до взлета находился на строгом карантине, а все специалисты, которые допускаются к общению с ним, регулярно сдают анализы на коронавирус. Регулярные тесты проходят и спасатели, которым поручено встречать экипаж «Союза МС-15». После возвращения на Землю космонавты Олег Скрипочка, Эндрю Морган и Джессика Меир разъедутся по домам, чтобы не задерживаться на территории Казахстана.
— Когда говорят, что сегодня нужно усилить планетарный карантин, что имеется в виду?
— Это понятие включает в себя два аспекта. Во-первых, защиту Земли от чужеродных загрязнителей, которые могут попасть сюда на самых различных «носителях» — кометах, метеоритах, вместе с космической пылью.
Заведующий отделом Института медико-биологических проблем (ИМБП) РАН, доктор медицинских наук, профессор Вячеслав Ильин
Во-вторых, наоборот, защиту других планет от занесения туда земных микроорганизмов. Взлет и пребывание в космосе на космических аппаратах могут пережить в первую очередь микроорганизмы, у которых есть споры, то есть представители некоторых видов бактерий и грибов. Поэтому существуют нормативы по возможному микробному загрязнению конструкций, которые будут отправлены в межпланетные полеты, в частности к Марсу.
— А как этот контроль выглядит и кто за него отвечает?
— У России и США существует постоянная совместная рабочая группа, которая определяет все, что связано с микробиологической безопасностью российских и американских миссий. А так в принципе на время выполнения каждой миссии для контроля есть отдельная команда. Например, в миссии «ЭкзоМарс», которую в том числе и из-за нынешних проблем сдвинули на год, контроль уровня микробной контаминации (заражения.— «О») осуществляют сотрудники ИМБП. Они проводят работу по биологическому контролю на всех этапах сборки и транспортировки комплектующих, вплоть до доставки на Байконур.
Космос для микроба
— Когда ученые начали изучать микробов уже внутри станции как отдельное сообщество?
— До того, как начались длительные полеты на орбиту, ученые считали, что в замкнутом пространстве в космосе микрофлора будет истощаться и, возможно, со временем совсем исчезнет. Было даже такое предположение, что вернувшиеся на Землю космонавты испытают микробный шок. Но все получилось ровно наоборот: чем дольше существовала станция, тем больше разрасталось микробное сообщество на ее борту, вызывая проблемы так называемой биодеструкции. Например, в свое время космонавты привезли на Землю образцы со станции «Салют-7».
На частях внутренней обшивки, искусственной коже и изоляционной ленте ученые обнаружили обширные разрастания плесневых грибов, которые в некоторых местах разрушили материалы вплоть до сквозных отверстий.
Отмечу, что тема возникновения особых микробных сообществ актуальна не только в космических исследованиях. Ее подробно изучали в 70-е и 80-е годы прошлого века, когда активно занимались глубоководными водолазными погружениями для разведки и добычи нефти. Там тоже были нехорошие случаи, когда система жизнеобеспечения колонизировалась микроорганизмами и это создавало угрозу для здоровья водолазов. Оказалось, что в подобных условиях прекрасно размножаются такие микроорганизмы, как синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa) и грибок Кандида альбиканс (Candida albicans). Попадая в организм, они вызывали жесточайшие наружные отиты. В итоге мы разрабатывали средства для профилактики таких заболеваний, за что и получили в 2003 году государственную премию.
— Что же помогло бороться с патогенами?
— Мы решили заранее подготовить водолазов и защитить организм от вторжения с помощью пробиотиков и ферментов типа трипсина и лизоцима. Это сработало очень удачно, что было доказано на опыте. В 2000 году подлодку «Курск» поднимали две группы водолазов — российские и норвежские. Российские придерживались разработанных нами рекомендаций и не болели, а норвежские, к сожалению, переболели все.
Сегодня мы тоже плотно работаем над новыми пробиотическими препаратами, чтобы укрепить резистентность человека, в том числе в космосе. Есть несколько этапов, которые особо опасны для космонавта, находящегося в замкнутом пространстве: когда он только входит на станцию, где уже есть сложившийся микробный состав; когда происходит обмен микроорганизмами между членами экипажа, уже находящегося на станции, и новыми членами экипажа, и по окончании миссии, когда есть риск контаминации земными микроорганизмами.
Особо актуален будет прием пробиотических препаратов во время межпланетных перелетов, когда человек будет попадать, предположим, на лунную или марсианскую станцию, где встретит совсем другой состав микроорганизмов, который к тому же будет сильно отличаться от земного за счет обитания в условиях иной гравитации, под влиянием космического излучения и других факторов.
В будущем перспективным методом профилактики может быть использование аутопробиотиков — пробиотиков, основанных на микроорганизмах защитных групп (лактобациллы, бифидобактерии и др.). Их берут от самих членов экипажа, делают на основе этих бактерий препараты или добавляют им в продукты питания. Работы в этом направлении в настоящее время ведутся в нашей лаборатории. Аутопробиотики более активны по сравнению с препаратами на основе коллекционных культур. При их использовании нет проблем с колонизацией организма и возможными аллергологическими состояниями.
— Каким образом микроорганизмы преодолевают строгий санитарный контроль и попадают внутрь МКС?
— Есть несколько путей: в составе микрофлоры экипажа, а также на заключительной стадии подготовительных работ на технической позиции, что называется, «занесенные ветром», либо еще на этапе конструкционных работ, что менее вероятно, так как там очень соблюдаются асептические принципы. Попав в новые условия, любой микроорганизм либо погибает, либо приспосабливается. Выживают самые стойкие бактерии, которые смогли поменять свои привычки и освоить новые ниши, в основном неметаллические конструкции. Так, для роста и развития плесневые грибы и бактерии внутри станций стали использовать самые различные полимеры, в особенности заселяя пространства, где затруднен воздухопоток. Остатки конденсата атмосферной влаги и отмершие микроорганизмы становятся пищей для следующего поколения, и в итоге колония разрастается до видимых размеров. В интернете можно найти знаменитые фотографии со станции «Мир»: «заросшую» бортовую кабельную сеть, интерфейсы, иллюминаторы с целыми рассадниками из бактериальных и грибных ассоциаций. В итоге такое расселение вызывало серьезные поломки техники: из-за плесени вышли из строя коммутатор связи, противопожарный датчик и так далее.
Все это привело к тому, что в 1995 году впервые был разработан и принят отдельный ГОСТ для среды обитания космонавтов. Там были прописаны нормы по содержанию бактерий и грибов в воздушной среде и на поверхностях.
А конструкторы МКС уже учитывали прежние ошибки и старались заранее закладывать меньше ниш для размножения бактерий, а также использовать полимеры с особыми антибактериальными свойствами.
— Какие микроорганизмы обитают на МКС сегодня и какие считаются опасными?
— Недавно был составлен полный каталог бактерий, обитающих на станции, и оказалось, что примерно по четверти образцов пришлось на стафилококки и бактерии рода Pantoea. На третьем месте по распространенности — бактерии рода Bacillus. Среди грибков больше других было аскомицетов (Ascomycota) и базидиомицетов (Basidiomycota). Обнаружены и очень неприятные патогены, например возбудитель аспергиллеза (грибковое поражение легких.— «О»).
— Как космонавты борются с микробами?
— Для этого есть целый комплекс средств — все поверхности регулярно обрабатываются салфетками с биоцидами. Не так давно на МКС появилась модернизированная установка типа «Поток», которую используют для очистки воздуха. Так что в целом ситуация нормальная, и у нас инфекционными заболеваниями практически никто на борту не болеет.
— Какой принцип действия у «Потока»?
— Он создает ламинарный поток воздуха (поток, в котором слои не перемешиваются.— «О»), на микробные клетки воздействуют постоянные электрические поля, благодаря чему частицы оседают на специальных пористых пластинах. Это очень хороший прибор для очистки воздуха, поэтому сейчас на фоне сложившейся эпидемиологической обстановки мы поместили подобную установку у себя при входе в институт. Думаю, что «Поток» будет защищать и от вирусов тоже, потому что вирусные частицы не существуют сами по себе в воздухе, они распространяются на мельчайших частицах в аэрозолях. А сами аэрозольные частицы прекрасно осаждаются под влиянием электрических полей.
— Могут ли попасть на МКС вирусы? И каким образом можно бороться с их распространением на борту?
— Конечно, могут, но глубоко этот фактор риска не изучался. Было несколько работ, когда ученые проверяли антитела у космонавтов к некоторым группам вирусов, но ничего необычного не обнаружили. В целом на МКС вирусологическая ситуация всегда была и пока продолжает оставаться спокойной. Но сегодня, когда мир стремительно изменился, нужно максимально быстро включать вирусологические исследования в научную программу исследований. В первую очередь для обеспечения микробной безопасности межпланетных полетов в целом и лунной программы в частности. Дело в том, что, попадая в среду орбитальной станции или лунной базы, вирусы будут находиться там очень долго: внутри всегда существуют аэрозоли (дисперсная система, состоящая из взвешенных в воздухе мелких частиц.— «О»), которые в условиях микрогравитации становятся очень устойчивыми, намного устойчивее тех, что существуют у нас на Земле, где частицы рано или поздно осаждает гравитация. Достаточно вспомнить ту же станцию «Салют-7»: в середине 1980-х она полгода находилась в автономном существовании без космонавтов, а когда внутрь вошел новый экипаж, то он обнаружил, что в аэрозоле выжили стафилококки, «оставленные» прежней командой. Вместе с тем мы до сих пор не знаем, как поведут себя вирусы, оставленные в космосе, какие мутации могут произойти в их геноме.
Нужно предвосхитить опасные ситуации со сменными экипажами при полетах на Луну. После отбытия экипажа на лунной базе останется их бактериальная и вирусная биота. Под влиянием лунных факторов (воздействие тяжелых частиц, гипомагнитная среда и т.д.) эта микробиота, оставаясь по своему происхождению человеческой, может модифицироваться неблагоприятным образом и стать фактором микробиологического риска для сменяющего экипажа.
Поэтому сейчас важно проводить опережающие исследования на моделях, а также в космических полетах на биоспутниках, в том числе включая в программы исследований и непатогенные вирусные модели.
Микропришельцы
Новая пандемия захватила практически всю Землю. Сможет ли вирус покинуть ее пределы?
Фото: Depositphotos / PhotoXPress.ru
Новая пандемия захватила практически всю Землю. Сможет ли вирус покинуть ее пределы?
Фото: Depositphotos / PhotoXPress.ru
— Давайте теперь вернемся ко второму аспекту планетарного карантина — защите Земли от возможного заражения из космоса. Насколько реален подобный сюжет?
— Более чем реален. Специалисты по экзобиологии с вниманием прислушиваются к мнению довольно авторитетного специалиста Чандры Викрамасингхи из Кардиффского университета. Он мой очень хороший знакомый, я разделяю многие его взгляды. Так вот, недавно он написал несколько довольно убедительных работ, которые позволяют по-новому взглянуть на возможное происхождение нынешней пандемии. Он пишет, в частности, что в октябре над частью китайских провинций взорвался кометный болид, который мог быть «средством передвижения» для вирусных частиц.
Космическая пыль из кометы могла осесть на частицы аэрозолей в области формирования дождей и туманов и дальше перенестись на значительные расстояния — от Уханя до Монблана и Куршевеля.
Это интересная гипотеза, которую стоило бы проверить.
— Откуда взялись бы вирусные частицы на комете?
— Этот вопрос относится к смежной проблеме и связан с теорией панспермии, которая говорит о том, что жизнь могла быть занесена на Землю из космоса. В этом отношении есть прекрасные работы специалистов Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) совместно с итальянскими физиками из Университета Сапиенца. Они проводили опыты с химическим веществом формамидом, который в достаточно больших количествах присутствует в космосе, смешанным с метеоритным веществом. При воздействии ионизирующей радиации на смесь ученые получили нуклеиновые основания, карбоксильные кислоты, аминокислоты и другие соединения, которые необходимы для возникновения структуры нуклеиновых кислот. То есть ученые показали, что в условиях воздействия факторов открытого космоса вполне могут образовываться небольшие цепочки органических молекул. Несложно представить себе, что какая-то определенная часть их могла бы обзавестись оболочкой и явиться на Землю в виде вириона или какого-то провируса.
Есть надежда это проверить: на 2023 год у нас запланирован запуск спутника «Бион-М2». Большая часть исследований на нем будет касаться как раз поведения различных организмов под влиянием жесткой космической радиации на высоте порядка 800 км над Землей (это почти в два раза выше, чем МКС.— «О»).
В реализации научной программы на этом спутнике запланировано участие многих исследовательских организаций: МГУ, Института цитологии РАН, Института микробиологии РАН, Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, ОИЯИ и др. Мы очень рады перспективе сотрудничества с таким уважаемым консорциумом. В частности, очень рассчитываем на сотрудничество с ОИЯИ, любезно выказавшим намерение участвовать в этом полете с экспериментом, предусматривающим размещение формамида на внешней оболочке спутника.
— Выходит, существует вероятность, что вирусы могут выдержать путешествие в огненном шаре через плотные слои атмосферы верхом на комете или метеорите?
— Атмосфера защищает нас от космического мусора, который «сыплется» нам на головы. Но, оказывается, и эту защиту тоже можно преодолеть. У нас были интересные эксперименты на спутниках «Фотон-М4» и «Бион-М1». Понятно, что во время пролета через атмосферу на поверхности того же метеорита бурлит настоящая каша из кипящего камня. А вот внутри, в глубоких трещинках, условия несколько другие. Мы делали маленькие шахточки в кусках гранита, имитирующих метеорит, закладывали туда 200 микроорганизмов и смотрели, смогут ли они пережить полет через атмосферу. Из 200 организмов в живых остались два: тот, что коллеги из Института микробиологии РАН собрали и привезли из камчатских источников, и еще один, достаточно распространенный представитель рода Bacillus. Его особенность в том, что он выделен с внешней (!) поверхности МКС. Вполне безобидное создание, но мы опять же не знаем, как оно поведет себя во время полетов на Марс или Луну. Представьте себе, что такая бактерия будет десятилетиями обитать на внешней обшивке корабля, в условиях крайнего голода, а потом случайно во время внекорабельных работ попадет внутрь и вдруг «получит» бутерброд с маслом в виде экипажа.
Этот сюжет открыл еще один фактор микробиологического риска — возможность заражения внешней оболочки станции микроорганизмами. Причем по мере удаления от Земли риск контаминации неведомыми, «криптическими» микроорганизмами возрастает. Например, ученые из Индийского космического агентства во главе с тем же профессором Викрамасингха решили провести эксперимент, «просеивая» через баллоны воздух на высоте 70 км, и оказалось, что 90 процентов собранного биоматериала представляли собой известные бактерии и другие микроорганизмы, а десять процентов — совершенно новые. Как интерпретировать их появление? И что это вообще: то ли дефекты наших генетических библиотек и свидетельство того, что мы еще не все знаем о Земле, то ли все это прилетело к нам из космоса?
Носителями этих микроорганизмов являются пылевые частицы. Поэтому одним из основных направлений нашей деятельности в ближайшем будущем будет исследование пыли, находящейся на траектории полета МКС, на носительство биообъектов и биогенных веществ.
Другое размышление, которое приходит на ум, связано с Марсом. Если там, как уже доказано, есть метан, то, значит, там вполне могут обитать бактерии из группы метанотрофов (микробов, потребляющих метан) и метаногенов (микробов, вырабатывающих метан), которые теоретически могут интегрироваться в организм человека и, в частности поселиться в кишечнике. Как они себя поведут, попав в земной организм, мы тоже пока не знаем.
Так что в целом мы находимся в самом начале изучения так называемых «внеземных» микроорганизмов. Пока вопросов здесь больше, чем ответов…