Fundamental Space Biology

Istraživanja NASA i ruskih kosmonauta, kao što su ona na stanici Mir, u okviru programa Šatl-Mir, daju podatke o dugoročnim efektima kosmosa na ljudsko telo.

Fundamentalna kosmička biologija (FKB) (engl. Fundamental space biology) je NASA-in program koji okuplja naučnike sa univerziteta širom Sveta u NASA - centare za proučavanje osnovnih bioloških procesa na zemlji i u toku kosmičkih letova. Program je zasnovan na multidisciplinarnom pristupu istraživanjim u oblasti kosmičke biologije i kosmičke medicine. Naučnici okupljeni u ovaj program ne proučavaju samo uticaje kosmičke sredine na osnovne biološke procese u organizmu čoveka i drugih bioloških bića već se bave istraživanjem mogućnosti vanzemaljskog života, u dužem vremenskom periodu. Takođe objekat istraživanja, u okviru programa, su živa bića na Zemlji koja borave u krajnje ekstremnim uslovima kako bi se pronašle vrste koje se uspešno mogu prilagoditi kosmičkim uslovima, kao i primene specifičnih adaptacionih mehanizama, kao osnove u selekciji bioloških jedinki i genetičkom inženjerstvu.

To je naučni projekat koji se intenzivno razvija poslednjih godina uporedo sa astronomijom, kosmonautikom, astrofizikom, astrohemijom, gravitacionom biologijom, kosmičkom medicinom...

Sa nastankom svemirskog doba, stvorena je potreba za eksperimentisanje i proučavanje uslova koji vladaju u kosmosu, o kome je čoveka „sanjao“ od sopstvenog postanka. Kosmičkim istraživanjima, ne vrši se samo istraživanje fizičkih, meteoroloških i drugih uslova, već i osnovni biološki mehanizmi kosmičke sredine . Na primer, kosmonauti su izloženi mikrogravitaciji, kosmičkom i sunčevom zračenju itd, i zbog toga pate od gubitka mišićne i koštane mase i poremećaja funkcija imunskog sistema.. Mnogi od ovih efekata slični su i mogu se uporediti sa onima na Zemlji koje uočavamo kod ljudi tokom procesa starenja.

Sa povećanjem broja i trajanja pojedinih misija (npr. ruski kosmonaut Valerij Poljakov boravio je 437 dana u kosmosu), istraživanja o efektima tih uticaja su od izuzetnog značaja, kako bi se utvrdila izvodljivost i bezbednost dugotrajnih svemirskih misija .

Deo tih istraživanja ima takođe fundamentalnu ulogu u izučavanju uloge gravitacije u evoluciji i razvoju života na Zemlji.

Glavne istraživačke aktivnosti, koje su u fokusu FKB, u oblasti su proučavanja efekata mikrogravitacije na ćelije i inženjering eksperimentalnog hardvera (u kome je ključna komponenta hardver modula u centrifugi koja omogućava istraživanja u orbiti). Eksperimenti sa jednoćelijskim kulturama sprovode se u svemirskim laboratorijama u toku; paraboličnih letova, u sondažnim raketama i na uređajima za simulaciju mikrogravitacije (centrifugama) .

Istorijat

Fundamentalna kosmička biologija (FKB) nastala je kao jedan od četri istraživačka projekta u okviru NASA kancelarije za biološka i fizička istraživanje (Office of Biological and Physical Research (OBPR).). OBPR nastala kao posebna kancelarija NASA-e tokom 2000. godine reorganizovana je u Kancelariju za izučavanje života u uslovima mikrogravitacije (OLMSA), zatim Kancelariju za humana istraživanje i razvoj u kosmosu (HEDS). OBPR je organizovan tako da ojača sposobnost agencije da odgovori na brojne izazove koje donosi sve veći razvoj i novootkrivene mogućnosti u oblastima kao što su molekularna biologija, nanotehnologija, informacione tehnologije, i genetika. Pre stvaranja OBPR, Fundamentalna prostorna biologija bila je program u okviru OLMSA poznat kao gravitaciona biologija i ekologija.

Nove nauke o kosmosu

• Astrofizika, deo je astronomije koji se prvenstveno bavi fizikom svemira, uključujući luminozitet, gustinu, temperaturu i hemijski sastav zvezda, galaksija i međuzvezdanog prostora, kao i njihovom interakcijom.
• Astrohemija grana je nauke u kojoj se preklapaja astronomija i hemija. Astrohemija izučava hemijske elemente i njihove molekule kakve se javljaju u svemiru. Koriste se podaci o nebeskim telima dobijeni iz astronomskih instrumenata da bi se odredila hemijska struktura nebeskih tela.
• Kosmička biologija je nauka koja proučava nastanak, evoluciju, rasprostranjenost i budućnost života (bioloških sistema) u svemiru; vanzemaljski život i život na Zemlji. Ova multidisciplinarna nauka pokriva; traganje za nastanjivim okruženjem u našem Sunčevom sistemu, naseljivim planetama van njega i dokaza o postojanju prebiotskih hemijskih spojeva. Takođe vrši laboratorijske i terenske studije o poreklu i ranom razvoju zemaljskog života i proučava mogućnosti prilagođavanja živih bića ekstremnim uslovima na našoj planeti i kosmosu.
• Kosmička ekologija grana je nauke koja proučava uzajamne odnose živih bića u kosmosu i odnos živih bića prema neživoj prirodi i kako preživeti u kosmosu?
• Kosmička medicina grana je preventivne medicine i medicine rada i značajna komponenta vazduhoplovno-kosmičke bezbednosti i kosmičkih istraživanja. Potekla iz vazduhoplovne medicine, 1940-ih ona se ubrzano razvija kao samostalna grana medicine, ali i dalje tesno i neraskidivo sarađuje sa njom, kako bi ispunila zahteve u zaštiti zdravlja, ne samo kosmonauta, već i običnih građana, i omogućila im budući boravak na novim, negostoljubivim prostorima kosmosa. Kosmička medicina proučava uticaj letenja kosmičkim letelicama i sredine u kojoj se one kreću na organizam kosmonauta i u praksi primenjuje određene metode preventivne medicinske zaštite u sprečavanju negativnog uticaja lansiranja i boravka u kosmosu na život i zdravlje čoveka, kao i nastanak vanrednih događaja i katastrofa, koje karakteriše veliki gubitak ljudskih života, materijalnih dobara i poremećaj ekoloških sistema.

Osnovne postavke

Samo život koji živimo u univerzumu (jedini život za koji znamo), je život na Zemlji, u svim njegovim ogromnim raznolikostima. Svako živo biće evoluiralo je pod zajedničkim uticajem Zemljine gravitacije atmosfera, i zračenja na različite načine.

Istraživanje kosmosa podrazumeva „odvajanje“ organizama, uključujući i ljudi, iz sredine na Zemlji na koju su se uspešno adaptirali, i dovođenje u novu manje gostoljubivu sredinu kosmosa. Okruženje u kosmosu i na drugim planetama znatno se razlikuju od onih na Zemlji. Zato kosmička biologija sebi postavlja bezbroj pitanja;

• Mogu li se sistemi živih organizama prilagoditi i napredovati u kosmosu u dužem vremenskom periodu?
• Kako se to može bezbedno postići?
• Da li postoje karakteristike mogućeg življenja u kosmosu, zapamćene u genetskom kodu organizama, i da li se one mogu posmatrati daleko od Zemljinog okruženja?
• Koji su to biološki fenomeni koji su povezani sa promenama u gravitacionim signalima - posebno oni povezani sa kosmosom i vanzemaljskim okruženjem?.
• Koja je uloga gravitacije u regulisanju sopstvenih sistema, što može dati punije razumevanje o tome kako naša telo funkcioniše na zemlji?

Ovo su samo neka, od mnoštva drugih specifičnih pitanja, koj su oblasti proučavanja kosmičke biologije.

Tokom poslednjih 30 godina čovekovog letenja kosmosom, otkriveno je da ljudi, biljke i životinje podležu promenama koje su u neposrednoj vezi sa efektivnim odsustvo gravitacije. Sprovođenjem kontrolisanih istraživanja u uslovima veštačke okoline kojom stvoreni uslove života slični onim u kosmosu, može se odrediti koliko se živi sistemi prilagođavaju, razvijaju i evoluiraju u ovom virtuelnom svetu. Dosadašnja saznanja ukazuje na to da se uz odgovarajuću podršku, život može uspešno prilagoditi i staništima van Zemlje. Kada budemo ovladali saznanjima kako se ti sistemi menjaju, kao odgovor na odsustvo gravitacije, potpuno ćemo razumeti i život na našoj planeti.

Čovekovo prilagođavanje mikrogravitaciji kosmosa mora da bude minimum u nizu funkcija povezanih sa zdravljem, uključujući tu i dodatnu i brzu readaptataciju organizma na gravitaciju Zemlje nakon sletanja. Istraživanja kosmičke biologije su zato od ključnog značaja za određivanje koji bioloških mehanizmi selektivno kontrolišu adaptaciju na kosmičku životnu sredinu. Sa ovim saznanjima, čovek je u stanju da osigura bezbednost ljudi u toku letenja. Istraživanja kosmičke biologije takođe podržavaju razvoj veštačkih ekosistema u svemirskim letelicama i planetarnim bazama, koje su od suštinskog značaja za pružanje dugoročne podrške sistemima za ljudska istraživanje izvan Zemlje.

Saznanja kosmičke biologije takođe nam pomažu da razumemo kako je život na Zemlji, evoluirao u stalnom gravitacionom okruženju. Životna evolucija zahtevala je između mora, zemljište i vazduh posebne adaptivne mehanizme za prevazilaženje uticaja gravitacije. Stvorene mogućnosti da se proučava adaptacije malih organizama, kroz više generacija u kosmosu, u varijabilnim gravitacionim nivoima, pruža jedinstveni pogled u istoriju života na Zemlji.

Prva biološka istraživanja u kosmosu

Naziv letelice	Datum leta	Trajanje leta	Vrste bioloških uzoraka	Biološko bezbednosne karakteristike leta	Realizacija zadatka
Drugi veštačkih satelit oko Zemlje	3. novembar 1957.		Pas Lajka	Registracija: EKG, arterijskog pritiska, učestalosti disanja, motoričke aktivnosti	Satelit se zbog kvara nije vratio na Zemlju
Drugi svemirski brod-satelit	19. avgust 1960.	1 dan	Psi Strelka i Belka, miš, semenke biljaka, ćelijska kultura, insekti	Registracija: EKG, arterijskog pritiska, disanja, temperature tela, mišićne aktivnosti	Prve životinje koje su se vratile na Zemlju iz svemira
Treći svemirski brod-satelit	1. decembar 1960	1 dan	Psi Pčelka i Muška, morsko prase, pacov, miš, semenke biljaka	Registracija kod pasa; EKG, arterijskog pritiska, disanja, temperature tela, mišićne aktivnosti (EMG)	Satelit se nije vratio zbog tehničkoh problema
Četvrti svemirski brod-satelit	9. mart 1961	1,5 čas	Pas Černuška, miš, zamorac, muva, semenke biljaka, bakterije	Registracija; EKG, disanja, sfigmograma	Saltelit se bezbedno spustio po završetku programa
Peti svemirski brod-satelit	25. mart 1961	1,5 čas	Pas Zvezdočka, morsko prase, muva, semenke biljaka, bakterije, kultura tkiva	Registracija: EKG, disanja, sfigmograma	Saltelit se bezbedno spustio po završetku programa

Program fundamentalne kosmičke biologije

Modul za centrifugu (ISS) (NASA), u kome se vrši izlaganja bioloških uzoraka, mikroorganizama, biljaka, i malih životinje do veličine pacova, uticaju kontrolisanog nivoa gravitacije od 0.001g do 2g, u kosmičkim uslovima .

Primer iz programa istraživanja FKB

Brojne studije su pokazale da kosmički let slabi imunski sistem, čineći kosmonaute podložnije bolestima. Salmonela je vodeći uzrok oko 2 do 4 miliona slučajeva gastrointestinalniih bolesti svake godine u SAD. Iako je retko fatalne na Zemlji, infekcija salmonelom može biti katastrofalne u kosmosu, sa potencijalom da ugrozi zdravlje i život posadi i poremeti misiju i obezvredi milione uloženih dolara.

Istraživač Čeril Nikerson, sa saradnicima, izlagao je kulturu ćelija zaraženu salmonelom uslovima mikrogravitacije i normalnim uslovima gravitacije, a potom sa njom zarazio dve grupe miševa. Miševi inficirani kulturom mikroba odgajenom u simuliranim uslovima mikrogravitacije uginuli su tri dana ranije nego kontrola grupa miševa. Istraživači su takođe pronašli veći broj mikroba kultivisanih u simuliranim uslovima mikrogravitacije u jetre i slezini kod eksperimentalnih miševa, što znači da simulirana mikrogravitacija poboljšava virulentnost bakterija

Značaj: Ova istraživanja kosmičke biologije, postavljaju naučne osnove za razvoj novih lekova i vakcina za lečenje i sprečavanje infekcija salmonelom

Fundamentalna kosmička biologija (FKB) je NASA-in program koji okuplja naučnike sa univerziteta širom Zemlje i u NASA - centarima, za proučavanje osnovnih bioloških procesa na zemlji i u toku kosmičkih letetova, zasnovanog na osnovama multidisciplinarnog pristupa ovom istraživanju.

Okupljanjem mnogobrojnih naučnika i tehnologija na jednom mestu, NASA-in program pokušava da odgovori na najosnovnije pitanja koja su povezana sa evolucijom, razvojem i funkcijama živih sistema kakao na zemlji tako i za vreme dugotrajnog boravka u kosmosu .

Ciljevi programa

Fundamentalna kosmička biologija nastoji da proširi naša saznanja o osnovnim biološkim procesima i njihovim mehanizmima preko kojih ovi procesi deluju, reaguju, ili se prilagođavaju kosmičkoj životnoj sredini. Zahvaljujući materijalnim, kadrovskim i tehničkim resursima NASA-ine agencije, omogućeno je naučnicima iz oblasti kosmičke biologije i mnogih drugih grana nauke, da sprovedu svoja istraživanja na ljudima, i drugim organizmima, u kosmosu i na taj način postignu napredak u realizaciji osnovnih principa u biološkim naukama, koji mogu biti od velikog značaja za buduća putovanja i dugotrajan boravak i život u kosmosu.

Osnovne postavke na koje pokušava da u svojim istraživanjima odgovori fundamentalna kosmička biologija kroz svoj program, zapravo su ova ključna pitanja:

• Kako kosmos utiče na život u njegovom najosnovnijem obliku, počev od gena u ćeliji?
• Kako dugotrajni boravak u kosmosu utiče na organizam?
• Identifikovati mikrogravitacijom izazvanih bolesti (npr. osteoporoze, mišićne atrofije, srčanih problema i dr), i definisanje novih terapija za prevenciju i lečenje ovih bolesti, od koje će imati koristi kako kosmonauti, tako i ljudi na Zemlji, na kraju .
• Kako kosmička sredina utiče na pojedine razvojne cikluse i njihove funkcije u organizmu?
• Kako reaguju pojedini sistemi u organizmu i koje su njihove promene i međusobne interakcija u kosmičkoj sredini?

Oblast istraživanja

Fundamentalna kosmička biologija je trenutno svoja istraživanja (finansiski podržana od od 2000. od strane NASE i drugih naučnih ustanova u svetu) usmerila u sledećih šest različitih oblasti:

Molekularne strukture i fizičke interakcije

Ova oblast izučava fizičke efekte letenja kosmosom na ćelije i organizme. Brojne fizičke interakcije u kosmosu mogu da utiču na razmenu gasova, promene u prenos toplote, i poremećaj difuzije i metaboličke procese.

Zato istraživanja u ovoj oblasti imaju za cilj da utvrda kako biofizički efekati gravitacije menjaju rast, razvoj i funkcije jednoćelijski i višećelijskih organizama?

Ćelijska i molekularna biologija

Glavni zatatak ćelijske i molekularne biologije je da istraži genske, molekularne i ćelijske nivoe i otkrije specifične promene koje mogu u ćeliji nastati u uslovima mikrogravitacije, i pomognu u razumevanju molekularnih mehanizama koji izazivaju ove efekte.

Zato istraživanja u ovoj oblasti treba da otkriju međusobnu povezanost promena u gravitacionoj sili i drugim faktorima u kosmosu i kako oni mogu direktno ili indirektno da utiču, na ćelije, jednoćelijskih organizama, tako i na pojedina tkiva i kako ona reaguju na kosmičku životnu sredinu na genetskom, molekularnom i ćelijskom nivou?

Razvojna biologija

Razvojna biologija ima zadatak da istraži i utvrdi ulogu gravitacije na normalan razvoj i funkcije organizma, faze života (od pune zrelosti do smrti), kao i druge učinke kosmičke životne sredine na sposobnost organizama da se reprodukuje, kao i sposobnost da proizvede narednu generaciju?.

Zato je od ključnog značaja za ovu oblast, izučavanje mehanizama kojima kosmička sredina može uticati na razvoj narednih generacija. Takođe, i da istraži uticaj kosmičke životne sredine na ponašanje jedinke, trajanje životnog veka i procese starenja.

Komparativna biologija organizma

U ovoj oblasti, komparativni pristup se koristi za razumevanje kako organizam transdukuje, opaža, integriše ili odgovora na gravitacionu silu, i da istraži efekte hiper i hipo gravitacije na razvojne, regenerativne, i reproduktivne procese i regulisanje fizioloških sistema (npr. nervnog, mišićno-skeletnog, kardiovaskularnog), i da prouči u kakvoj su interakciji gravitacija i drugi faktori kosmičke životne sredine.

Komparativna biologija organizma ističe fiziološke, mobilne, i molekularne mehanizme dejstva gravitacije i svemirski letova na rast, razvoj, sastav i fiziološke i bihevioralne funkcije životinja i viših biljaka preko filogenetskih skala.

Evoluciona biologija

Ova oblast ima za cilj da razume ulogu gravitacije u procesima biološke evolucije. Istraživanja su tako dizajnirana da ukažu na osnovne mehanizme i putevi koji su uticali na razvoj višećelijskih organizama na Zemlji i ispita procese koji omogućavaju organizmu da se razvija i odgovori na promene u okruženju.

Gravitaciona ekologija

Cilj istraživanja gravitacione ekologije je da shvati kako gravitacija i drugi faktori u univerzumu utiču na strukturu, funkciju i stabilnost ekosistema, posebno onih u kosmičkim letelicama ili u planetarnim staništima.

Od posebnog interesa za gravitacionu ekologiju su istraživanja mikrobioloških populacija ili zajednica.

Sprovođenjem ekoloških istraživanja na različitim nivoima utvrđuje se intenzitet izloženosti i vrsta kosmičkih štetnih faktora, i određuje njihov uticaj na ekosisteme, a istovremeno i proverava učinak sistema zaštite letelice i zaštitnih sredstava ljudske posade od štetnih faktora kosmosa.

Vidi još

• Gravitaciona biologija
• Kosmička medicina
• Mikrogravitacija
• Prirodno zračenje

Literatura

• The International Journal of Astrobiology, published by Cambridge University Press, is the forum for practitioners in this interdisciplinary field.
• Astrobiology Arhivirano 2004-08-31 na Wayback Machine-u, published by Mary Ann Liebert, Inc., is a peer-reviewed journal that explores the origins of life, evolution, distribution, and destiny in the universe.
• Dick, Steven J.; James Strick (2005). The Living Universe: NASA and the Development of Astrobiology. Piscataway, NJ: Rutgers University Press. ISBN 978-0-8135-3733-7. 
• Grinspoon, David (2004) [2003]. Lonely planets. The natural philosophy of alien life. New York: ECCO. ISBN 978-0-06-018540-4. 
• Jakosky, Bruce M. (2006). Science, Society, and the Search for Life in the Universe. Tucson: University of Arizona Press. ISBN 978-0-8165-2613-0. 
• Lunine, Jonathan I. (2005). Astrobiology. A Multidisciplinary Approach. San Francisco: Pearson Addison-Wesley. ISBN 978-0-8053-8042-2. 
• Gilmour, Iain; Mark A. Sephton (2004). An introduction to astrobiology. Cambridge: Cambridge Univ. Press. ISBN 978-0-521-83736-1. 
• Ward, Peter; Brownlee, Donald (2000). Rare Earth: Why Complex Life is Uncommon in the Universe. New York: Copernicus. ISBN 978-0-387-98701-9. 
• Mauclaire L, Egli M. Effect of simulated microgravity on growth and production of exopolymeric substances of Micrococcus luteus space and earth isolates. FEMS Immunol Med Microbiol. 2010 Aug;59(3):350-6. Epub 2010 Apr 14.
• Ulbrich C, Westphal K, Pietsch J, Winkler HD, Bauer J, Kossmehl P, Egli M, Grosse J, Schoenberger J, Infanger M, Paul M, Grimm D. Characterization of human chondrocytes exposed to simulated microgravity. J Cell Physiol Biochem. 2010;25(4-5):551-60. Epub 2010 Mar 23.
• A.S.N. Reddy Colorado State University, CO Gravity-Induced Changes in Gene Expression in Arabidopsis Cellular and Molecular Biology 2000
• Francis LeBlanc (2010). An Introduction to Stellar Astrophysics (1 ed. izd.). Wiley. ISBN 978-0-470-69956-0. 
• Isenberg, H.D., Pierson, D. L., Mishra, S. K., Viktorov, A. N., Novikova, N. D., and Lizko, N. N. 1996. Microbiological findings from the Mir-18 crew. Aerospace Medical Association, Atlanta, GA
• Koenig, D. W., Novikova, N. D., Mishra, S. K., Viktorov, A. N., Skuratov, V., Lizko, N. N., and Pierson, D. L. 1996. Microbiology investigations of the Mir Space Station and flight crew. American Society for Microbiology, New Orleans, LA
• Pierson, D. L. and Konstantinova, I. V. 1996. Reactivation of latent virus infections in the Mir crew. American Society for Microbiology, New Orleans, LA
• Sauer, R. L., Pierson, D. L., Limardo, J. G., Sinyak, Y. E., Schultz, J. R., Straub, J. E., Pierre, L. M., and Koenig, D. W. 1996. Assessment of the potable water supply on the Russian Mir Space Station. American Institute of Aeronautics and Astronautics. Life Sciences and Space Medicine Conference, Houston, TX
• Koenig, D. W., Bruce, J. L., Bell-Robinson, D. M., Ecret, L. D., Zakaria, Z., and Pierson, D. L. 1997. Analysis of bacteria isolated from water transferred from the Space Shuttle to the Mir Space Station. American Society for Microbiology, Miami, FL
• Pierson, D. L. and Viktorov, A. N. 1997. Microbiology of the Russian Space Station Mir. Society for Industrial Microbiology, Reno, NV
• Pierson, D. L., Viktorov, A. N., Lizko, N. N., Novikova, N. D., Skuratov, V., Groves, T. O., Bruce, R. J., Mishra, S. K., and Koenig, D. W. 1997. Microbiology of the Mir Space Station and flight crew during the Mir 19 mission. American Society for Microbiology, Miami, FL
• Mehta, S. K., Lugg, D. J., Payne, D. A., Tyring, S. K., and Pierson, D. L. 1998. Epstein-Barr Virus reactivation in spacecraft and ground-based analogs. American Society of Gravitational Biology, Houston, TX.

Spoljašnje veze

• (en) Space biology Group
• (en) American Society for Gravitational and Space Biology (ASGSB)
• (ru) Astrobio.eu