Биологические системы жизнеобеспечения (БСЖО) человека. - презентация

1 Биологические системы жизнеобеспечения (БСЖО) человека

2 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.

3 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 м 3, объем воды, включая суспензию водорослей - 59 л. Более сложные модели систем с заменой части одноклеточных водорослей высшими растениями (посевная площадь оранжереи 15 м 2 ) 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.

4 Функциональная схема модели БСЖО «Человек – Водоросли – Минерализация», изучавшаяся в наземных экспериментах в ГНЦ РФ – ИМБП РАН

5 БИОС-3 – Институт Биофизики СО РАН Киренский Леонид Васильевич Терсков Иван Александрович – Гительзон Иосиф Исаевич

6 БИОСФЕРА-2

7 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).

8 ИФС-2 «Кювета» Приборы ИФС-2 и «Кювета», в которых проводились полетные и наземные исследования роста и развития одноклеточных водорослей Эксперименты на борту ОС «САЛЮТ-6» Кривые роста одноклеточных водорослей в условиях невесомости и в наземных контролях (по результатам 6-ти полетных экспериментов на борту ОС «Салют-6»

9 Приборы «Аквариум» и «Аквариум-М»для экспериментов по исследованию искусственных микроэкосистем на борту беспилотных и пилотируемых космических аппаратов Приборы «Аквариум» и «Аквариум-М» для экспериментов по исследованию искусственных микроэкосистем на борту беспилотных и пилотируемых космических аппаратов

10 Прибор «Хлорелла-А» для экспериментов с автотрофной культурой одноклеточных водорослей в условиях космического полета

11 Оранжерейные устройства, использовавшиеся для экспериментов с высшими растениями на борту орбитальных станций «САЛЮТ» ФИТОН ОАЗИС-М ОАЗИС-1

12 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 м 2 Освещенность mol/m 2 ·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

13 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 - Александр Калери Борт-инженер ЭО-28 Александр Калери Культуры: Мизуна (Brassica rapa var.nipposinica), Китайская капуста (B. rapa var.pekinensis), Рапина (B. rapa var.utilis), Гигантская красная горчицы (B. juncea )

14 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)

15 Даты Длитель н-ость, сутки Вид растения Основные цели эксперимента МизунаМорфогенез, рост, развитие, оценка вкусовых качеств Горох L-102 Горох L-131 Полный цикл онтогенеза, выбор сорта гороха Горох L-131Полный цикл онтогенеза 1-го «космического» поколения Горох L-131Полный цикл онтогенеза 2-го «космического» поколения Горох L-131Полный цикл онтогенеза 3-го «космического» поколения Горох L-131Полный цикл онтогенеза 4-го «космического» поколения РедисМорфогенез, рост и развитие, две вегетации Горох L-131Полный цикл онтогенеза Ячмень Получение биоматериала для анализа экспрессии генов Горох L-131Полный цикл онтогенеза Горох L-131Полный цикл онтогенеза Перечень экспериментов с высшими растениями, проведенных на борту РС МКС с использованием оранжереи «ЛАДА»

16 Схема СЖО орбитального комплекса «МИР» 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.

17 Схема СЖО орбитального комплекса «МИР» с включением витаминной оранжереи

18 Оранжерея в составе СЖО Марсианского экспедиционного корабля (МЭК) 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 г, которые необходимы для обеспечения жизнедеятельности экипажа МЭК и обеспечит поступление в СЖО в сутки от 180 до 210 г О 2, 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). ВХОДВЫХОД Наимено- вание вещества Количество вещества, г/сутки Наимено- вание вещества О2О СО 2 Вода Моча Вода через дыхание и потоотделени е Углеводы Жиры Белки NaCl10 Другие минераль- ные соли 5 Общий вес Общий вес Материальный баланс человека, полученный в наземных модельных экспериментах с БСЖО

19 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. Вещество Длительность экспедиции на Марс 1 год2 года Кислород, кг73146 Вода, кг Основные элементы питания, кг 1530 Оранжерея в составе СЖО Марсианского экспедиционного корабля

20 Психологический эффект, связанный с наличием растений в замкнутом объеме при длительной изоляции человека от биосферы Земли

21 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.

22 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.

23 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. АСТРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

24 ДОЛГОСРОЧНАЯ ПРОГРАММА АСТРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Долгосрочная программа научно- прикладных исследований и экспериментов, планируемых на борту РС МКС Эксперименты: Биориск-МСВ; Биориск-МСН; Экспоуз-Р; Аквариум; Растения-Семена Проект Фобос-Грунт Эксперимент БиоФобос (Анабиоз) Программа МАРС-500 Сателлитные эксперименты

25 ВНУТРИ МКС: РАСТЕНИЯ-2 АКВАРИУМ БРАДОС БИОРИСК-КМ БИОРИСК-МСВ ВНЕ МКС: БИОРИСК-МСН ЭКСПОУЗ-Р 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. Изучение влияния факторов космического полета на покоящиеся стадии организмов

26 Reactivation, ind/d Days after start 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. Реактивация Daphnia magnaпосле месячной экспозиции на борту РС МКС Эксперимент АКВАРИУМ Реактивация Daphnia magna после месячной экспозиции на борту РС МКС Эксперимент АКВАРИУМ

27 Плес- невые грибы Споры Аспергилл Aspergillus sedowii # 9-6 Аспергилл Aspergillus versicolor # Пеницилл Penicillium aurantiogresiu m # 9-9 Пеницилл Penicillium expansum #4-3-3 Бак- терии СпорыБацилла Bacillus subtilis# 20 Bacillus licheniformis # 24 Bacillus subtilis# 25 Bacillus subtilis# 2335\105 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

28 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 Сухая икра Карпозубая рыба Nothobranchius guenteri Насекомые Криптобио- тические личики Хирономида Polypedilum vanderplankii Низшие ракообразные Покоящие- ся яйца ДафнияDaphnia magna Дафния Daphnia pullicaria АртемияArtemia salina Триопс Triops cancriformis Жаброног Streptocephalus torvicornis ОстракодаEucypris ornata

29 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 Сухо- воздуш- ные семена ГорчицаBrassica rapaImproved Basic ГорчицаBrassica rapaHigh Anthocyanin ГорчицаBrassica rapaAnthocyaninless ГорчицаBrassica rapaRosette ГорчицаBrassica rapaSomatic Variegation ГорчицаBrassica rapaAstroPlants ГорчицаBrassica junceaRed Giant АрабидопсисArabidopsis thalianaK-310 АрабидопсисArabidopsis thalianaColumbia НикандраNicandra physaloidesBlack Pod ТоматLycopersicum esculentumMicro-Tom РедисRaphanus sativusCherry Bomb ЯчменьHordeum vulgareK-305 ЯчменьHordeum vulgareHaruna Nijo РисOryza sativaKasalath РисOryza sativaMurasaki mai

30 Результаты эксперимента «БИОРИСК-МСН» на борту Российского сегмента МКС Реактивация «космических» и контрольных покоящихся яиц Artemia salina Рост штамма Bacillus subtilis # 24 после 13-месячной экспозиции спор на внешней стороне МКС Личинка хирономиды Polypedilum vanderplanki, реактивированная после 13 и 22-месячной экспозиции на внешней стороне РС МКС Аппаратура «Биориск-МСН» и ее расположение на стыковочном узле «Пирс» Проросшие «космические» семена ячменя Hordeum vulgare cv. Haruna Nijo и растения редиса Raphanus sativus сорта «Cherry Bomb», выросшие из «космических» семян

31 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 ; Споры Penicillium aurantiogresium – 9-9; Споры Penicillium expansum – 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 мкм) Artemia salina belongs to family Artemiidae, order Anostraca, class Branchiopoda, subphylum: Crustacea. Сухие эмбрионы (диаметр одного яйца 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. Эксперимент ЭКСПОУЗ-Р (начало март 2009)

32 Герметичные пластиковые пакеты размером 7 7 мм и мм с биологическим образцами (споры грибов, сухие эмбрионы низших ракообразных, сухие личинки хирономиды, семена высших растений) Сборка с размещенными внутри пластиковыми пакетами с биообразцами

33 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

34 Кассета 1 и сборка с российскими биологическими образцами (личинки хирономиды, семена томата и арабидопсиса

35 Кассета 2 и сборка с российскими биологическими образцами (споры бактерий и грибов, сухие эмбрионы низших ракообразных)

36 Капсула с грунтом Фобоса и биологическими образцами, возвращаемая на Землю

37 Перечень биологических объектов, предназначенных для включения в эксперимент «БиоФобос-Анабиоз»* ТаксонВидШтаммОрганизация 1ЦианобактерииLeptolyngbia sp.Dp 6606МГУ 2 Бактерии Bacillus subtilis# 20ИМБП РАН 3Bacillus licheniformis#24ИМБП РАН 4Bacillus pumilus# 25ИМБП РАН 5Bacillus subtilis# 2335\105ИМБП РАН 6Methylosinus trichosporiumИНМИ РАН 7Methylosinus sporiumИНМИ РАН 8Methylocystis echinoidesИНМИ РАН 9Methylobacter chroococcumИНМИ РАН 10Deinococcus radioduransRFИНМИ РАН 11Deinococcus radioduransOld CИНМИ РАН 12Artrobacter oxydensRFИНМИ РАН 13Artrobacter oxydensRF+PolySachИНМИ РАН 14Pseudomonas aurefaciensMoCultИНМИ РАН 15Pseudomonas aurefaciensVegCelИНМИ РАН 16Pseudomonas aurefaciensRFИНМИ РАН 17 Pseudomonas aurefaciens + Artrobacter oxydens ИНМИ РАН

38 ТаксонВидШтаммОрганизация 18 Бактерии Methanosarcina lacustris sp. nov. ZS (= DSM13486T), VKM B-2268 МГУ 19 Ferroplasma acidiphilumgen. nov., sp. nov.МГУ 20 Acinetobacter sp.К30АМГУ 21 Rhodococcus sp.K-25МГУ 22 Sphingomonas sp.К42МГУ 23 Acetobacterium tundrae sp.nov. Z-4493 (=DSM T)МГУ 24 Micrococcus luteus6/90-111МГУ 25 Aquaspirillum sp.6/90-111/С505МГУ 26Rudobacter spheroides323МГУ Перечень биологических объектов, предназначенных для включения в эксперимент «БиоФобос-Анабиоз»*

39 ТаксонВидШтаммОрганизация 27 Грибы Ulocladium botrytis16-12ИМБП РАН 28Cladosporium cladosporioides2-3ИМБП РАН 29Aspergillus sydowii9-6ИМБП РАН 30Aspergillus versicolor4-3-4ИМБП РАН 31Penicillium aurantiogresium9-9ИМБП РАН 32Penicillium expansum4-3-3ИМБП РАН 33Aspergillus sydowiiВКМИМБП РАН 34Penicillium aurantiogresiumВКМИМБП РАН 35Aspergillus versicolorВКМИМБП РАН 36Penicillium expansumВКМИМБП РАН 37Aureobasidium pullulansViala&Boyer КБП-3847МГУ 38Streptomyces sp.315МГУ 38Ulocladium botrytisPreuss M-54 ВКМ F-4032DМГУ

40 Перечень биологических объектов, предназначенных для включения в эксперимент «БиоФобос-Анабиоз»* ТаксонВидШтаммОрганизация 39 Животные Artemia salina-ЗИН РАН 40Streptocephalus torvicornis-ЗИН РАН 41Eucypris sp.-ЗИН РАН 42Daphnia magna-ЗИН РАН 43Hemidiaptomus ingens-ЗИН РАН 44Polypedilum vanderplankii-НАБИ (Japan) 45 Растения Pediastrum duplex** - ЗИН РАН 46Arabidopsis thaliana - ИМБП РАН 47Zingeria beibersteiniana - ИМБ РАН 48Mesembryanthemum crystallinum - ИМБ РАН 49Nicandra physaloides - ИМБП РАН * Pediastrum duplex - одноклеточная водоросль сопутствует Daphnia magna и не требует размещения в отдельном пластиковом пакете.