Экзобиология
Влияние на микроорганизмы
Лекция 2
земное тяготение, магнитное поле, излучение:
1. Экзобиология.
2. Земное тяготение.
3. Магнитное поле.
4. Излучение (неионизирующее и ионизирующее; механизмы защиты от излучений).
Список литературы:
1. Громов Б.В., Павленко Т.В. Аутэкология// Экология бактерий. – Ленинград: Издательство Ленинградского университета, 1989. – С. 26-138
2. Гусев М.В., Минеева Л.А. Микробиология. – М.: Издательство МГУ, 1992. – С. 128-130.
3. Назим А., Джеймс А. Жизнь микробов в экстремальных условиях облучения// Жизнь микробов в экстремальных условиях/ Под ред. Д. Кашнера. – М.: Мир, 1981. – С. 470-497.
4. Стейниер Р., Эдельберг Э., Ингрэм Д. Мир микробов: в 3х томах. – М.: Мир, 1979. – Ч.2. – С.61-87.
5. Шлегель Г. Общая микробиология: Пер. с нем. – М.: Мир, 1987. –С.502-523.
Астробиология – научная дисциплина, посвященная исследованиям жизни во Вселенной во всех ее проявлениях. Астробиология основывается на научных достижениях области астрономии, биологии, биохимии. В решении некоторых задач астробиология тесно соприкасается с космической биологией и космической медициной, возникшей в связи с активным проникновением человека в космическое пространство.
Важная проблема астробиологии – изучение обстоятельств зарождения и развития жизни на Земле как космическом теле в первичных земных условиях при наличии атмосферы преимущественно основного (щелочного) состава. В такой атмосфере при внешнем облучении или электрических разрядах возможно образование довольно сложных органических соединений, которые могли послужить основой для развития жизни, постепенно образовавшей обширную биосферу, на космическую роль которой указывал В.И. Вернадский. В результате фотосинтеза, обусловленного деятельностью растений, земная атмосфера постепенно стала окисленной, таким образом присутствие кислорода в составе атмосферы какой-либо планеты является достаточным (хотя и не обязательным) признаком наличия на ней жизни.
Полученные к середине 20 века научные сведения о физической природе различных планет свидетельствуют о том, что жизнь возможна далеко не на всех телах Солнечной системы. В частности, установлено, что жизнь практически не возможна на Луне, Меркурии, Венере. На Марсе, несмотря на его крайне разряженную атмосферу (абсолютное давление около 10 мбар), ничтожное количество водяных паров при отсутствии жидкой воды, низкую температуру (-55ºС), некоторые земные формы жизни, как это показано лабораторными исследованиями, могут все же существовать.
Исследованием предполагаемой растительности на планетах Солнечной системы, преимущественно на Марсе, занимается астроботаника. Она развивается с 1945 г по инициативе Г.А. Тихова. Главным подтверждением наличия растительности на Марсе считались наблюдаемые на нем сезонные изменения, в т.ч. таяние полярных шапок и потемнение некоторых областей его поверхности, что объяснялось развитием растительности. Отличие оптических свойств темных областей этой планеты от оптических свойств земной растительности (отсутствие в спектре полосы поглощения хлогрофилла, малая отражательная способность в красной области спектра) рассматривалось как результата приспособления растительности к крайне суровым марсианским условиям. Частично это наблюдается на Земле – на Памире, в Северной Сибири и др. Однако прямого доказательства существования растительности на других планетах методы астроботаники дать не могут.
Но окончательное решение проблемы существования жизни на других планетах может быть достигнуто лишь непосредственным обследованием их соответствующими космическими аппаратами. Полеты американских космических кораблей «Аполлон» подтвердили выводы астробиологии об отсутствии жизни на Луне. Успехи космонавтики позволяют надеяться, что решение этой проблемы в отношении других тел Солнечной системы также дело недалекого будущего. Проекты экспериментов для обнаружения жизни на других телах с помощью автоматических аппаратов основываются на предположении, что жизнь на них имеет ту же углеводородную основу, что и на Земле. Возможность жизни на другой основе (аммиак, кремний) маловероятна. Главным аргументом в пользу всеобщности жизни на углеводородной основе является то, что, как показывает детальное исследование первичного метеоритного вещества – углистых хондритов, образование весьма сложных углеводородных соединений (антрацена, фенантрена и даже основных элементов ДНК – пуриновых оснований – аденина и гуанина) может происходить еще на допланетной стадии в первичной газово-пылевой туманности; в дальнейшем это органическое вещество входит в состав образующихся планет и при благоприятных условиях определить развитие на них жизни.
Особую проблему астробиологии представляют поиски жизни вне Солнечной системы. Значительное число звезд, входящих в состав нашей Галактики, могут иметь планеты с подходящими круговыми орбитами, достаточными массами, постоянным облучением, пригодных для существования жизни и даже цивилизаций. Численность подобных цивилизаций с уровнем, более высоким, чем на Земле, оценивается на основе различных предположений в пределах от 1000 до сотен миллионов. Однако даже в последнем случае лишь одна такая звезда из многих сотен находится от Земли на расстоянии около сотни парсек (1 пс = 30,86 х 1012 км). Это делает пока совершенно нереальным проекты посылки в космос космических кораблей для непосредственной связи с инопланетными цивилизациями. Более перспективно осуществление связи с другими цивилизациями при помощи радиосигналов. Подобные попытки для звезд τ Кита и ε Эридана (расстояние 3.9 и 3.5 пс), у которых можно предполагать наличие планетных систем, начал в 1960 г Фр.Дрейх (США) на радиоабсерватории Грин-Банк; положительные результаты не получен. Для осуществления такой связи необходимо правильно выбрать направление посылки сигнала, длины радиоволн, содержание передачи и шифр. Эти вопросы являются предметом исследований в ряде научных учреждений во многих странах мира.
Космическая биология – комплекс преимущественно биологических наук, изучающих:
- особенности жизнедеятельности земных организмов в условиях космического пространства и при полетах на космических летательных аппаратах (космическая физиология, экофизиология, экобиология);
- принципы построения биологических систем обеспечения жизнедеятельности членов экипажа космического корабля и станции (замкнутых экосистем);
- внеземные формы жизни (экзобиология).
Космическая биология – синтетическая наука, собравшая в единое целое достижения различных разделов биологии, авиационной медицины, астрономии, геофизики, радиоэлектроники и многих других наук и создавшая на их основе собственные методы исследования.
Работы по космической биологии ведутся на разных видах живых организмов (от вирусов до млекопитающих). Для исследования в России было использовано свыше 56 видов биологических объектов. Наиболее значительный вклад в развитие космической биологии внесен русскими и американскими учеными, а также специалистами из Франции, Италии, Германии. Первые биологические эксперименты в верхних слоях атмосферы и в космосе с использованием воздушных шаров начались в СССР и США в 1930-е годы. Кульминационным пунктом того периода явились генетические эксперименты, проведенные в 1935 г на стратостатах. Это была попытка выявить влияние космической радиации на процессы мутагенеза.
Первоочередная задача космической биологии – изучение влияния факторов космического полета (ускорение, вибрация, невесомость, измененная газовая среда, ограниченная подвижность и полная изоляция в замкнутом пространстве и другое) и космоса (вакуум, радиация, уменьшенная напряженность магнитного поля и др.). Исследования по космической биологии ведутся в лабораторных экспериментах, в той или иной мере воспроизводящих влияние отдельных факторов космического полета и космоса. Однако наиболее существенное значение имеют летные биологические эксперименты, в ходе которых можно изучить влияние на живой организм комплекса необычных факторов внешней среды.
Летные эксперименты ставились на собаках, крысах, мышах, морских свинках, лягушках, дрозофилах, высших растениях, на икре улиток, одноклеточных водорослях, культуре тканей человека и животных, бактериальных культурах, вирусах, фагах, некоторых ферментов и т.д.
Во время полетов в кабине поддерживались нормальные давление (760±10 мм рт.ст.) и температура (18±3ºС); содержание кислорода, относительная влажность воздуха. Культуры тканей и другие биологические объекты находились в термостате с автоматической регулировкой температуры.
Генетические исследования, проведенные в орбитальных космических полетах, показали, что пребывание в космическом пространстве оказывает стимулирующий эффект на сухие семена лука и нигеллы (более быстрое прорастание и развитие сеянцев). Ускорение деления клеток было обнаружено на проростках гороха, кукурузы, пшеницы. В культуре устойчивой к радиации расы актиномицетов оказалось в 6 раз больше выживших спор и развивавшихся колоний, чем в контроле, тогда как в чувствительном к радиации штамме произошло снижение соответствующих показателей в 12 раз.
Комплекс экспериментов с различными биообъектами (семена, высшие растения, икра лягушек, микроорганизмы и т.д.) был проведен на советском искусственном спутнике Земли «Космос-368» (1970), ККС «Союз» и первой в мире орбитальной станции «Салют» (1971 г.); западно-германский эксперимент с медицинскими пиявками – на высотных ракетах США и Франции (1970), совместный итало-американский эксперимент с лягушками – на спутнике OFA (1970), микробиологический эксперимент на поверхности Луны был выполнен экипажем американского космического корабля «Аполлон-16» (1970).
Экспериментальное подтверждение отсутствия жизни на Луне (основа на изучении лунного грунта) – первый важный результат в области раздела космической биологии – экзобиология.
Экзобиология – экспериментальная научная дисциплина, посвященная поиску и исследованию внеземных форм жизни. Основные проблемы экзобиологии:
- определение пределов и изучение механизмов выживаемости земных организмов в экстремальных условиях окружающей среды;
- выяснение путей абиогенного синтеза важнейших биоорганических соединений и этапов предбиологической эволюции;
- установление критериев существования и разработка автоматических методов обнаружения жизни на других планетах с помощью автоматических биологических лабораторий (АБЛ).
Установлено, что многие земные микроорганизмы или их споры могут сохранять жизнеспособность в условиях низких температур (ниже -70ºC), вакуума (до 10-7 – 10-10 мм рт.ст.) и пониженной влажности воздуха (1-2%).
Действием ультрафиолетовых лучей на простые соединения типа воды, аммиака, окиси углерода, метана, осуществлен абиогенный синтез аминокислот, липидов, нуклеотидов, сахаров и других биологически важных веществ.
Это позволило выдвинуть в экзобиологии концепцию возможности жизни на других планетах, прежде всего на Марсе, построенной на водной углеродорганической основе.
Для обнаружения жизни в экзобиологии используются методы определения сложных органических веществ – газовая хроматография, масс-спектрометрия, оптические приборы, регистрирующие спектры поглощения и люминесценции вещества инопланетного грунта.
Функциональные методы предназначены для определения активного метаболизма путем регистрации параметров роста, размножения, газообмена микроорганизмов во время инкубации образцов грунта на комбинированных питательных средах сложного состава.
Успешным может быть только комплексное применение различных методов, объединенных по общей программе в АБЛ.
В 1976 году на Марсе была совершена посадка межпланетной станции «Викинг» (США) с АБЛ на борту. Однако первый экзобиологический эксперимент на Марсе не дал доказательств существования жизни на этой планете. Дальнейшие исследования могут быть сделаны как с помощью АБЛ, так и путем доставки образца грунта на Землю. Подобные исследования, выполненные в образцах лунного грунта, говорят об отсутствии жизни на Луне в прошлом и настоящем.