Эксперименты на КА «Фотон»

Эксперимент «Плазмида - Ф2»

Цель: Выявление вероятности и степени влияния ФПК на эффективность наследования и структурную стабильность плазмиды pJ702 у актиномицета Streptomyces lividans

Задачи:

- изучить влияние ФПК на генетические структуры микроорганизма

- определить характер и предполагаемый механизм изменений генетических структур

- сравнить стабильность и экспрессию плазмидных и хромосомных генов в полетном и наземном вариантах

Объект исследования: бактерии рода Streptomyces lividans 66

Методы послеполетного исследования: молекулярно-генетические, биохимические

Бортовая аппаратура, контейнер ББ-1М "ПЛАЗМИДА"

Ожидаемые результаты: Полученные данные позволят:

- выявить механизм генной экспрессии у микроорганизмов

- оценить возможность и целесообразность использования условий КП (микрогравитации)

- для получения антибиотиков и других ценных фармакологических препаратов в практических целях

Исполнители:

От России: ГосНИИ "Генетика", ГНЦ РФ ИМБП РАН.

От США: Университет штата Монтана.

Эксперимент "Регенерация ф2"

Цель: Определение молекулярно-биологических механизмов стимулирующего действия ФКП на клеточную пролиферацию и регенерацию органов и тканей у амфибий (тритонов Pleurodeles waltl)

Задачи:

- изучить роль генов, кодирующих ряд транскрипционных факторов, в процессах клеточной пролиферации и регенерации органов и тканей у низших позвоночных

- исследовать клеточный состав крови и провести гистологический анализ кроветворных органов тритонов

Объект исследования: иглистый тритон Pleurodeles waltl

Методы послеполетного исследования: молекулярно-биологические, цитохимические

Бортовая аппаратура: контейнер "ТРИТОН"

Ожидаемые результаты: Полученные данные позволят:

- проверить гипотезу российских специалистов о том, что гены, кодирующие ряд транскрипционных факторов играют определяющую роль в стимуляции регенерации тканей в условиях микрогравитации

- проверить гипотезу американских специалистов о том, что в условиях микрогравитации снижается скорость пролиферации соматических клеток

- использовать низших позвоночных (тритонов) в качестве простой и удобной модели для изучения влияния ФКП на процессы регенерации и кроветворения у млекопитающих, включая человека

Исполнители:

от России: Институт биологии развития РАН, ГНЦ РФ - ИМБП РАН

от США: Эймсский исследовательский центр НАСА

Эксперимент "Рецептор - ф2"

Цель: Оценка функционального состояния гравирецепторов (статоцистов) у улиток после космического полета

Задачи:

- изучить путем регистрации электрофизиологических сигналов после космического полета изменения чувствительности гравирецепторов

- изучить морфо-функциональное состояние статоцистов после космического полета с помощью электронной микроскопии

- изучить экспрессию генов, определяющих чувствительность гравирецепторов

Объект исследования: виноградные улитки (Helix lucorum) Методы послеполетного исследования: электрофизиологические, морфологические и

молекулярно-биологические

Бортоваяаппаратура: контейнер ББ-1М "Рецептор"

Ожидаемые результаты:

Полученные данные позволят:

- выяснить особенности морфо-функциональных изменений в гравирецепторах (статоцистах) после космического полета

- использовать данный биообъект в качестве простой и удобной модели для изучения гравирецепторных дисфункций, возникающих у человека в космическом полете

Исполнители:

от России: Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН ГНЦ РФ ИМБП РАН

от США: Эймсский исследовательский центр НАСА

ЭКСПЕРИМЕНТ "ГЕККОН - Ф2"

Цель

Исследование влияния ФКП (микрогравитации) на морфо-функциональные характеристики нервной системы, скелета и эндокринных органов у рептилий (ящериц - гекконов)

Задачи:

- изучить изменения в центральной нервной системе и в периферических органах чувств (зрительный, слуховой и вестибулярный аппарат),

- исследовать опорно-двигательный аппарат (кости, хрящи, связки)

- изучить изменения в эндокринной системе

Объект исследования: пресмыкающиеся: отряд ящерицы (Sauria), семейство гекконовые (Gekkonidae)

Методы послеполетного исследования: гистология, рентгеновская микротомография, сканирующая электронная микроскопия, иммуногистохимия

Бортовая аппаратура: контейнер ББ-1М "Улитка"

Ожидаемые результаты.

Полученные данные позволят:

- установить возможное перераспределение различных химических элементов в опорном аппарате после экспозиции животных в условиях микрогравитации

- разработать физическую модель, наиболее объективно отражающую динамическую модель скелета не только для данного объекта, но и представителей высших таксонов, включая человека

Исполнители:

от России - Институт морфологии человека РАМН, ГНЦ РФ ИМБП РАН от США - Эймсский исследовательский центр НАСА

3.2.2.Радиационно-физические эксперименты

Радиационно-физические исследования на борту возвращаемого спутника Фотон - М2 предназначены для изучения радиационной обстановки в области околоземного космического пространства, пределах которой пролегают орбиту пилотируемых включая МКС и автономных космических аппаратов.

Цель исследований - экспериментальное определение дозовых нагрузок на биологические объекты, аппаратуру и конструкционные материалы космических аппаратов в различные периоды (фазы) солнечной активности.

Исполнитель: ГНЦ РФ ИМБП РАН (Ю.А.Акатов, В.В.Цетлин, В. В. Архангельский)

1. Изучение распределения интегральных поглощенных доз ионизирующей радиации в тонких слоях вещества в условиях открытого космического пространства (RADO Foil Depth Dose).

Цель эксперимента - изучение радиационных условий в околоземном космическом пространстве. Эксперимент проводится на внешней поверхности возвращаемой капсулы спутника "Фотон-М2" - при минимальной защищенности экспонируемых физических детекторов.

Эксперимент заключается в экспонировании на внешней поверхности спутника в контейнере BIOPAN термолюминесцентных детекторов ионизирующего излучения из алюмофосфатного стекла (А1203 - Р205 - MgO) Российского производства. Детекторы размещены в специальном сепараторе стопками по 6 шт. в каждом из 20-ти вертикальных каналов диаметром 8мм. Использованы детекторы с толщинами от 200 до 1000 мкм. Детекторы покрыты защитными фольгами толщиной 0.0013 г/см2 . Использовано от одного до пяти таких слоев фольги. Каждые 4 стопки детекторов покрыты защитой с одинаковой толщиной.

По возвращении на Землю датчики должны быть проанализированы, чтобы оценить распределение дозы в супертонких слоях вещества с интервалом, равным толщине одного слоя фольги (0.0013 г/см2).

2 Изучение эффективности защитных характеристик специальных стекол с объёмным электрическим зарядом (RADO Charged Glass)»

Цель эксперимента - изучение эффективности защитных свойств специальных стеклянных покрытий, предназначенных для защиты элементов солнечных батарей от космических излучений в условиях открытого космического пространства. Используются образцы стекол как с предварительно "внедренным" объемным электрическим зарядом, созданном путем облучения образцов на пучке ускоренных электронов, так и без заряда. Все образцы стекол имеют одинаковую толщину. Термолюминесцентные детекторы поглощенной дозы, размещенные под стеклами, регистрируют величину поглощенной дозы.

Внедренный объёмный электрический заряд создает защитное поле для электронов космического излучения, что позволит снизить радиационную нагрузку на функциональные элементы солнечных батарей и увеличить ресурс их работы.

3. Изучение распределения интегральных поглощенных доз внутри возвращаемой капсулы спутника ФОТОН-М2.

Используются миниатюрные дозиметрические сборки, аналогичные сборкам индивидуального дозиметрического контроля Российских космонавтов, а также отдельные термолюминесцентные детекторы. Детекторы размещены в представительных местах расположения биологических объектов.

Обработка результатов измерений проводится после возвращения капсулы на Землю.

На КА «Фотон-М» № 2 также использовался биоконтейнер БИОКОНТ- АТ. Проводилось изучение влияния факторов космического полета на свойства бактериальных культур и микоризных грибов. Биоконтейнер представляет собой моноблок, содержащий нагреватель, теплоизолирующую рубашку и электронный узел. Микроорганизмы находились в чашках Петри, между которыми располагались твердотельные детекторы радиационного излучения.

Рисунок 24 - Внешний вид установки «Биоконт-АТ»

Доставка материала к месту старта осуществлялась в сумке- холодильнике. С целью фиксации результатов эксперимента на месте посадки КА чашки Петри были извлечены из биоконтейнера и помещены в сумку-холодильник на время транспортировки их в лабораторию.

Для проведения эксперимента были отобраны: вегетативная бактериальная культура Arthrobacter sp. ОС-1 (А1) - продуцент препарата - биодеграданта нефти и культуры микоризных грибов Cylindrocarpon radicicola Wollenweber НТН-10, Mycelinumsterilium JIX-l, Mycelium radicis var. Ginseng HTH-1, Mycelium radicis var. ledum НЖ-13 - продуценты препаратов биостимуляторов роста растений. По окончании космического эксперимента в лабораторных условиях проводили изучение культуральных, физиологических, макро- и микроморфологических свойств биообъектов. Изучение изменения свойств бактериальной культуры под воздействием в течение 16 дней факторов космического полета не выявило существенных фенотипических различий в морфологических и культуральных показателях летной и наземной бактериальных культур. Однако произошли существенные изменения физиологических свойств - ферментативной активности, т.е. способности к биодиструкции нефти и продуктов ее окисления.

Изучение влияния факторов космического полета на свойства микоризных грибных культур, показало значительное различие в культуральных, макро- и микроморфологических свойствах. С целью изучения физиологических свойств летных и наземных образцов по разработанной в ОАО «Биохиммаш» технологии на основании трех летных и восьми наземных образцов культур были получены жидкие концентрированные препараты - стимуляторы роста растений. Препараты на основе летных и наземных культур ЛХ-1 показали практически одинаковые ростостимулирующие активности для всех рабочих концентраций (0,1 - 100 ррт) при использовании семян мятлика сорта Denim. В препарате на основе летного штамма НЖ-13 отмечено увеличение длины стеблей по сравнению с контролем на 30-60%.

Анализ полученных результатов эксперимента показал для ряда культур положительное влияние факторов космического полета на функциональные характеристики микроорганизмов.

Полет КА "Фотон-М" №2 успешно завершен. Состояние биообъектов, побывавших в космосе, оценивается как хорошее. 17 июня они доставлены в соответствующие институты г.Москвы, где вечером в этот же день началось их обследование. Обследование биообъектов из синхронного (контрольного) эксперимента начнется во второй половине 19 июня по такому же графику, как и для полетных биообъектов. Предварительные научные результаты проведенных в полете экспериментов будут подготовлены российскими и американскими специалистами через 3 месяца, а окончательные результаты - через 6 месяцев.

Следует полагать, что использование в данной программе многих современных методик исследований биоматериала позволит получить новые данные о механизмах и закономерностях адаптации живых систем к условиям микрогравитации.

3.3.ФОТОН-М №3

Технические характеристики космического аппарата "Фотон-М" №3

Таблица 3

Параметры рабочих орбит:
максимальная высота	304 км
минимальная высота	262 км
наклонение	63˚
Максимально выводимая масса космического аппарата	6535 кг
Максимальная масса спускаемого аппарата	2550 кг
Масса возвращаемой научной аппаратуры	до 650 кг
Время активного существования	12 суток
Космодром запуска	Байконур

Для справки:

На КА "Фотон-М" №3 будет размещена следующая российская и европейская научная аппаратура:

Таблица 4

Наименование аппаратуры	Назначение аппаратуры	Поставщик аппаратуры
БИОБОКС	Программируемый инкубатор для исследований в области биологии клеток	ЕКА
SCCO	Эксперименты с многокомпонентными смесями, представляющими сырую нефть
ТЕЛЕСАПОТ	Обеспечение канала связи и обслуживания НА путем передачи научной информации на наземную станцию ЕКА
ГРАДФЛЕКС	Исследования в области физики жидкостей
еЭРИСТО/ еОСТЕО	Биологические инкубаторы для исследования костных тканей
ДИМАК	Микроакселерометр для измерения уровня микроускорений
АКВАХАБ	Проведение биоэкспериментов в водной среде
ГРАНАДА	Выращивание кристаллов протеина
ФРЕКБОУН	Изучение влияния низкочастотной, малоамплитудной стимуляции на разрежение костных тканей
БИОПАН	Эксперименты с экспонированием биологических образцов в открытом космосе
СТОУН	Исследование изменений, происходящих в горных породах при падении метеоритов на Землю
РЕГИСТРАТОР ДАННЫХ	Измерение влажности, температуры, ударов и вибраций внутри СА на всех этапах эксплуатации
КБТС14	Выращивание кристаллов полупроводниковых материалов	Россия
ВИБРОКОН-М	Изучение влияния управляемых вибраций на теплоперенос в жидкой фазе
БИОКОНТ-М	Исследование жизнедеятельности и продуктивной активности микроорганизмов
КОНТУР-Л	Исследование процессов жизнедеятельности мышей-песчанок
ТЕПЛО	Исследование теплопереноса с использованием тепловых труб	ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс» - MRC/ULB
БИОКОН	Проведение биологических экспериментов	ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс» - Кайзер-Италия

«Фотон-М» №3 проведет на орбите 12 суток, после чего вернется на Землю. На спутнике размещено около двадцати научных установок, предназначенных для проведения экспериментов по космическому материаловедению, космической биологии и медицине, физике жидкостей, метеоритике и др.

Из живых существ воздействию микрогравитации, проникающей радиации и других нестандартных условий подвергнутся грызуны, дрожжевые культуры, водные микроорганизмы и микроорганизмы, продуцирующие биологически активные вещества. Всего за время полета будет проведено около сорока европейских экспериментов на установках Европейского космического агентства (ESA), семь совместных российско- европейских экспериментов на материаловедческой установке "Полизон-М", более двадцати чисто российских экспериментов и два китайских. Часть информации будет передана на Землю по каналам телеметрии, часть будет получена после возвращения спутника.

В спецконтейнерах "Фотона" поселились куколки бабочек тутового шелкопряда, десять мышей-песчанок, 20 тритонов, пять ящериц, 20 виноградных улиток и множество особей тараканов.

"Эксперимент "Роденция" будет проводиться на десяти монгольских песчанках из семейства хомяковых. На борту "Фотона" животные размещены в герметичной клетке-модуле, оборудованной автономной системой жизнеобеспечения. Во время полета мышек будет снимать видеокамера. Основными задачами эксперимента являются исследование влияния невесомости на физиологию песчанок и анализ особенностей их водного обмена в условиях космического полета. Эти грызуны представляют особый интерес для исследователей. Дело в том, что одной из самых серьезных проблем, связанных с длительным пребыванием человека в космосе, является значительная потеря жидкости организмом. Песчанки же, в диком виде живущие в пустыне Гоби и аналогичных местах, эволюционно приспособлены к расходованию очень малого количества воды на свою повседневную жизнедеятельность. Поэтому ученые создали на спутнике для мышей искусственный режим пустыни, чтобы изучить их поведение и исследовать процессы метаболизма.

Эксперимент "Рецептор" будет проведен на 20 виноградных улитках. Программа включает в себя исследование влияния невесомости на поведение и чувствительность рецепторов органов гравитации у улиток.

Исполнителями эксперимента выступают Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН и Исследовательский центр имени Эймса NASA.

КЭ «Рецептор» проводится на кубинских раках. Импульсная активность считывается с электродов, вживленных в тело и подведенных к клеткам-рецепторам статоциста (органа равновесия рака). Сигналы проходят через усилитель и записываются на магнитофон. Регистрируемым параметром эффекта является частота, которая может изменяться от 0 до физиологического максимума 300 Гц.

В эксперименте используется прозрачный цилиндрический контейнер, заполненный водой, в котором находится рак. Факторами, создающими риск возникновения «болезни движения», являются:

Ф₁ - колебательные движения контейнера с задаваемой на трех уровнях частотой при одинаковой для этих частот амплитуде равной 4 см (движение с переменным ускорением); уровни: 0,02 Гц, 0,038 Гц, 0,51 Гц.

Ф₂ - световой импульсный сигнал-раздражитель, который перемещается по окружности контейнера с раком с задаваемой на трех уровнях угловой скоростью; уровни: 3°С, 16,5°С, 30°С.

Дополнительные факторы:

Ф₃ - высокочастотное магнитное поле (/"=13,56 МГц); уровни магнитной индукции: 10 мТл, 20 мТл, 30 мТл.

Ф₄ - низкочастотное магнитное поле (/=30 кГц); уровни магнитной индукции: 10 мТл, 20 мТл, 30 мТл.

Ф₅ - ультразвуковое поле (f=0,5 МГц); уровни мощности излучения: 1 мкВт, 2 мкВт, 3 мкВт.

В каждой точке факторного плана используется отдельная особь кубинского рака. Продолжительность одного опыта в точке плана составляет 10 мин. Для принятого многофакторного плана математическая модель- гипотеза предлагается в виде:

Ŷ = b₀ + b₁Ф₁ + b₂Ф₂ + b₃Ф₃ + b₄Ф₄ + b₅Ф₅ + …

Для пяти факторов на трех уровнях число опытов полного факторного плана эксперимента «Рецептор» будет равно N— 3 = 243, что для космического эксперимента неприемлемо. Дробный факторный план позволяет сократить число опытов до 27 [1, 4]. В докладе план эксперимента представлен в табличной форме.

Показано, что применение дробных планов многофакторных экспериментов позволит повысить эффективность реализации программы НПИ за счет проведения космического эксперимента за время одной экспедиции.

Эксперимент "Регенерация" ставится на 20 тритонах, у которых перед полетами отсекли некоторые части тела. Научная программа посвящена исследованию влияния невесомости и ионизирующей радиации на регенерацию тканей. Во время полета их также будет снимать видеокамера.

Эксперимент "Геккон" проводится на пяти ящерицах - гекконах, которым перед помещением в биоконтейнер были нанесены различные травмы. Основными задачами исследования станет выяснение степени влияния невесомости на метаболизм клеток тела. Изучались поведенческие реакции этих животных на космические перегрузки. Дело в том, что эти ящерицы способны легко закрепляться на любой поверхности, а потому ученые решили, что ни один геккон не может испытывать стресса, связанного с потерей опоры в невесомости.

— Именно наблюдение за гекконами и позволило нам разделить реакцию организма на собственно невесомость и вызванный ею стресс, — говорит Сергей Савельев, заведующий лабораторией Института морфологии человека РАМН. — И как мы увидели при помощи видеокамер наблюдения, все гекконы, несмотря на перегрузки, вели себя нормально. Правда, в самом начале, когда только произошел переход в состояние невесомости, пресмыкающиеся стали прижиматься друг к другу, что нехарактерно для них в обычных условиях.

Эксперименты «Геккон» и «Регенерация», проводившиеся на борту научного спутника Фотон-МЗ, успешно завершены. Для проведения видеозаписи этих экспериментов, американское аэрокосмическое агентство NASA остановило свой выбор на устройстве мАВР-1, поскольку именно оно имеет экстремально малые вес, размер, энергопотребление, а так же обеспечивает высокое качество записи.

Вот что говорят о работе мАВРа специалисты NASA:

«К нашему удовольствию, все эксперименты прошли успешно, как мы и предполагали. Все рекордеры (3 на борту и 3 на земле) работали без каких- либо проблем, и все видеозаписи были успешно декодированы. mAVR-1 записывал аудио и видео запуска ракеты Фотон-МЗ из клетки, где находилась животные, в рамках экспериментов IBMP/NASA "Регенерация" и "Геккон". Мы смогли получить важные, неизвестные ранее, данные о поведении животных во время запуска ракеты, её 9-минутного вывода на орбиту и о начальных моментах адаптации животных к невесомости. Также mAVR-1 записывал аудио и видео работы механической помпы, подающей воду животным. Каждый из рекордеров проработал 7.5ч, в основном, на орбите».

Кроме того, на "Фотоне" будут проведены эксперименты, отобранные по результатам областного конкурса "Космос глазами молодежи", организованного Воронежской государственной медицинской академией имени Бурденко. Исследование под названием "Адаптация" подготовлено студентами второго курса академии. Объектами эксперимента выступают старые и молодые особи тараканов. В ходе полета будет проведено изучение влияния невесомости на выносливость к физической нагрузке и на состояние мышечной ткани.

Не останутся в стороне от научных экспериментов и микроорганизмы. Так, в рамках программы "Плазмида" исследователи будут изучать биодеструкторы (грибы-аспергиллы и бациллы), пробиотические культуры (лактобациллы), продуценты антибиотиков (стрептомицеты) и условно патогенные бактерии (синегнойная и кишечная палочка). Данный эксперимент будет проведен в закрытом термостате при температуре плюс 30 градусов по Цельсию.

Еще четыре эксперимента были отобраны в рамках школьного образовательного проекта для биоспуника "Фотон-М". Три из них - призеры конкурса "Эксперимент в космосе", проведенного в 2006-2007 годах Департаментом образования Москвы и МГУ имени Ломоносова. Это эксперименты "Бабочка", "Арахис" и "Шелкопряд"» Исследование "Бабочка" проводится учащимися группы дополнительного образования "Увлекательная энтомология". В ходе программы будет выяснено влияние невесомости на процесс развития бабочки в стадии куколки и на жизнеспособность сформировавшейся после полета взрослой особи. Эксперимент "Арахис" разработан учащимися пятого класса школы #1526 и направлен на изучение влияния условий космического полета на биологические свойства семян арахиса и на дальнейший рост и развитие растений. В эксперименте "Шелкопряд", проводимом учениками школы #1682, будет изучаться влияние факторов космического полета на жизнеспособность гусениц тутового шелкопряда.