Выбор языка |
Главная О КНТС Новости Программы Направления исследований Эксперименты Результаты Информационные ресурсы Приём заявок
Шифр эксперимента: ЛИМБ
Направление НПИ: 4. Космическая биология и биотехнология
Секция КНТС: 1. Космическая биология и физиология
Наименование эксперимента: Исследование космической пыли на траектории полета МКС на наличие микроорганизмов и биогенных веществ
Цель эксперимента:

Целью КЭ является проведение исследований по детектированию микроорганизмов в условиях открытого космоса

 

Описание эксперимента:

Не вызывает сомнений тот факт, что обнаружение внеземной жизни, также как и ударные опыты в лаборатории и космосе, могут оказать неоценимую помощь в решении проблемы зарождения жизни.

Обнаружение внеземной жизни, которое, скорее всего, произойдёт в ближайшее десятилетие, по мнению многих видных учёных мира будет считаться наиболее важным событием 3-го тысячелетия.

Наличие микробной жизни на других планетах или спутниках планет Солнечной системы сегодня следует отнести к событию более вероятному, чем это считалось до недавнего времени. Это связано в первую очередь, с обнаружением в последние годы на Марсе условий, необходимых для адаптации и выживания микроорганизмов, стойких к радиации.

Детальный анализ, выполненный в лаборатории Активной диагностики и масс-спектрометрии ИКИ РАН, основанный на последних результатах исследования условий на Марсе (Манагадзе Г.Г., 2015г. ), а также на результатах полученных в работе (Fedorova A.A. et al, 2014), с высокой достоверностью демонстрирует возможность наличия микроорганизмов и их спор в атмосфере Марса.

Более того, сегодня результаты работы (Fedorova A.A. et al, 2014) можно рассматривать как материальные свидетельства, которые указывают, что в атмосфере Марса одновременно с пылью на разных высотах летают «калиброванные» частицы, с размерами 0,7 и 1.3 мкм, совпадающие по размеру с характерными размерами некоторых земных микроорганизмов и их спор.

В этой работе была показана возможность выживания неадаптированных микробов в атмосфере и на поверхности Марса в случае их наличия в коре планеты. Отсутствие микробов в атмосфере должно рассматриваться как один из признаков их отсутствия на планете, так как предложенный метод является глобальным.

ИКИ РАН предлагает оригинальный и оптимальный метод сбора микробов, спор и минеральных частиц из атмосферы Марса путём их осаждения на подложке времяпролетного лазерного масс-спектрометра с возможностью дифференциации микробов и минеральных частиц по измерениям их элементного состава.

Этот метод не требует наличия ровера, манипулятора, специальной подготовки образца и является недорогим решением проблемы. Частицы оседают на держатель образца из верхней полусферы, обеспечивая абсолютную чистоту измерений.

Высокая чувствительность и массовое разрешение прибора позволяют регистрировать отдельные микробы с разделением всех элементов пробы. Лабораторный прототип бортового времяпролетного масс-спектрометра, согласно калибровке, имеет чувствительность не хуже 10-16 г, и обеспечивает регистрацию одного микроорганизма, его отождествления и дифференциацию от пылевой компоненты.

Результаты, изложенные в работе (Манагадзе Г.Г. и др., 2016), демонстрируют возможность выживания неадаптированных микробов в атмосфере и на поверхности Марса в случае их наличия в коре планеты. Показано, что отсутствие микробов в атмосфере Марса можно рассматривать как один из признаков их отсутствия на планете, так как предложенный механизм их появления является глобальным.

Следовательно, проведённая работа показывает:

- Оптимальность предложенного метода для сбора микробов, спор и минеральных частиц из атмосферы Марса методом их осаждения на подложке масс-спектрометра.

- Возможность дифференциации микробов и минеральных частиц по массовым спектрам и измерения их элементного состава.

- Отсутствие необходимости в наличии ровера, манипулятора, специальной подготовки образца, что и является недорогим решением проблемы.

- Возможность, обеспечения высокой чистоты измерений, так как, частицы оседают на подложку из верхней полусферы.

Высокая чувствительность и массовое разрешение прибора позволяют регистрировать отдельные микробы с разделением всех элементов и их изотопов.

Следует особо отметить, что предлагаемая методика и инструмент были успешно использованы для анализа грунтов полярных широт, которые представляют собой наиболее близкую модель реголита Марса.

В настоящее время предлагается использование лазерного ВПМС на борту МКС, с целью поиска и идентификации микроорганизмов, появляющихся на поверхности станции с верхней и нижней полусфер. Природа происхождения этих микроорганизмов представляет большой интерес, так как причина их появления до конца не известна.

Возможность работы на борту МКС с бортовыми приборами, предназначенными для отправки на Марс или Венеру с целью их доводки, и проведения испытаний и калибровок может представлять большой интерес. В пользе такой манипуляции никто не сомневался, однако, к сожалению никто пока не использовал такую возможность.

Появившаяся возможность обеспечить посадку на поверхность планет Солнечной системы ровера или десантируемого модуля со значительным грузом научной аппаратуры позволила приступить к первому этапу решения масштабного вопроса обитаемости планет.

Результаты этих исследований показали, что несколько миллиардов лет назад на Марсе были все условия для возникновения и эволюции микроорганизмов и аналогично земным микроорганизмам, марсианские могли также находиться на значительных глубинах в коре планеты. Более того, при потере атмосферы и воды эти микробные сообщества с высокой вероятностью могли выжить и сохраниться в глубинных слоях геологических пород (Гальченко, 2004г.)

Создавшаяся обстановка служила стимулом для интенсивного развития новых областей знаний, в частности, экспериментальной экзобиологии.

В процессе ее развития были предложены и разработаны оригинальные способы и методы, созданы приборы нового поколения, предназначенные для поиска, выявления и регистрации микробной биомассы. (Манагадзе Г.Г., 2009г.; Managadze G.G, 2009)

Эти работы в ИКИ РАН велись с 2000 г. Они были основаны на результатах, работ российских ученых-биологов (Мулюкин и др., 2002). В этих работах было показано, что по содержанию некоторых биологически значимых элементов, таких как S, P, Ca и K, можно с высокой достоверностью определить биологическое состояние микроорганизмов. В частности, по величине соотношений K/Ca и P/S, которые были отнесены к биологическим маркерам, можно было отличить мумифицированные микроорганизмы от микроорганизмов, находящихся в активной вегетативной фазе.

Результаты этих работ в рамках экзобиологической программы ИКИ РАН легли в основу способа создания методики поиска и выявления микробных сообществ за пределами Земли.

Следовательно, в этих работах была предпринята попытка использовать биомаркеры для выявления биомассы. (Манагадзе, 2009).

Результаты этих исследований позволили принять участие в конкурсе по отбору методов и бортовых приборов для проекта ЭКЗОМАРС. Нам удалось в сжатые сроки подготовить Предложения, и в процессе его строгого и детального обсуждения, показать членам требовательного жюри, что предлагаемый метод и инструмент позволит решить поставленные научные задачи, связанные с выявлением биомассы.

Важным аргументом в пользу положительного решения жюри было и то, что одновременно предлагаемый инструмент позволял провести высокоточное измерение массового и изотопного состава реголита и геологических пород Марса.

Предложенный аналитический прибор АБИМАС, предназначенный для установки на посадочный модуль, состоял из двух суб-модулей, первая из которых представляла собой прототип компактного лазерного масс-спектрометра ЛАЗМА, размещенного в вакуумной камере и оснащенной системой откачки. В состав АБИМАС также был включен специальный блок для подготовки биологической пробы.

Пробы в АБИМАС могут загружаться с помощью бортового манипулятора. Следует отметить, что метод может быть применён и для микроорганизмов, находящихся в ледовой матрице на поверхности Марса и ледовых планет спутников Юпитера.

Прибор обладает так же возможностью загрузки пылевой компоненты из атмосферы и определения его элементного и изотопного состава с высоким массовым разрешением.

В процессе работы над усовершенствованием методики было принято решение в качестве третьего маркера использовать соотношение N/C, что позволяло существенно увеличить надежность отождествления биомассы. Эти результаты легли в основу изобретения (Манагадзе Г. Г. и др. «Способ обнаружения наличия микробной биомассы земного типа на космических телах.»), на которую 2016г. было получено положительное решение о выдачи патента.

Целью КЭ является проведение исследований по детектированию микроорганизмов в условиях открытого космоса.

Планируемые исследования предусматривают решение следующих задач:

- изучение количественного и видового состава микроорганизмов в составе пылевых частиц на траектории полета МКС;

- исследование наличия биогенных субстанций в составе пылевых частиц на траектории полета МКС.

Объекты исследования – пылевые частицы на траектории полета МКС.

Объем исследований – 10 сеансов (не более 2 сеансов в год). Длительность каждого сеанса эксперимента не менее 3-х месяцев.

Время, необходимое для проведения одного сеанса измерений:

- монтаж НА «ЛИМБ» – не более 1 час;

- экспозиция в пассивном режиме блоков «ЛИМБ-МС» и «ЛИМБ-Л» (не менее 3-х месяцев);

- периодический сбор данных измерений блоком «ЛИМБ-МС» по циклограмме (не более 72 часов);

- демонтаж блока «ЛИМБ-Л» – не более 40 минут.

Сеанс измерений по КЭ проводится в автоматическом режиме. Экипаж привлекается только при проведении монтажа/демонтажа аппаратуры.

В процессе ВКД космонавт доставляет к НА «ЛИМБ» насадки для сорбции космической пыли для микробиологических исследований и фиксирует их в модуле. Во время следующего ВКД космонавт удаляет отработанную насадку, помещает ее в чехол. На ее место фиксируется новая насадка, которая функционирует до следующего ВКД.

Отработанная насадка готова к возврату на Землю. В течение периода между ВКД и возвратом насадки на СА насадка хранится на станции при температуре окружающей среды. В отношении доставленной на Землю насадки проводятся следующие действия:

- доставка в лабораторию;

- десорбция биоматериала;

- микробиологические, генетические и физико-химические исследования.

Полученные данные будут сравниваться с данными, полученными с помощью лазерного времяпролетного масс-спектрометра, в результате чего будет сделан вывод о динамике количественных показателей микрофлоры, сорбируемой на насадках, в период их экспозиции в открытом космосе.

Критерием полноты выполнения задач КЭ является получение массивов научных данных и телеметрии с блока «ЛИМБ-МС», а также Возврат на Землю и своевременная передача постановщику КЭ экспонированного блока «ЛИМБ-Л».

Требований к средствам обеспечения КЭ внешних по отношению к МКС не предъявляется.

Расходуемым материалом является насадка модуля сорбции пылевых частиц с микроорганизмами для последующих бактериологических исследований. Она заменяется в процессе ВКД.

Примечание

В зависимости от особенностей КЭ допускается исключать или вводить в исходные данные по КЭ другие разделы. Исходные данные должны содержать только специфические требования, выходящие за стандартные, отмеченные в справочнике пользователя.

 

Новизна эксперимента:

 

Научная аппаратура:

1. При проведении эксперимента должна использоваться научная аппаратура «ЛИМБ», состоящая из:

- блока «ЛИМБ-МС»;

- блока «ЛИМБ-Л».

2. Блок «ЛИМБ-МС» предназначен для выполнения активного масс-спектрометрического анализа космической пыли на выдвижной подложке по направлению движения РС МКС, регистрации данных для последующей передачи результатов измерений на Землю.

Блок «ЛИМБ-Л» предназначен для доставки, экспонирования в пассивном режиме по направлению движения РС МКС и возврата на Землю модуля сорбции пылевых частиц.

3. Конструктивно блок «ЛИМБ-МС» должен состоять из следующих модулей:

- модуль электроники и управления, обеспечивающий питание всех узлов блока «ЛИМБ-МС», управление, сбор телеметрии и получение научных данных;

- модуль лазерного излучателя, генерирующий лазерный импульс, фокусируемый на исследуемой пробе для ее испарения и ионизации;

- модуль анализатора, включающий в себя детектор ионов и ионно-оптическую схему для разделения ионов по массам по времени их пролета до детектора;

- модуль экспозиции пробы, служащий для набора пылевых частиц на сменные подложки, расположенные на вращающемся диске, и ввода подложек в область воздействия лазерного излучения.

Оценка теплового режима блока «ЛИМБ-МС» производится на этапе эскизного проекта. При необходимости термостабилизация должна осуществляться средствами самого прибора (с использованием АСОТР).

Блок «ЛИМБ-Л» должен состоять из модуля сорбции пылевых частиц с микроорганизмами для последующих микробиологических исследований. НА «ЛИМБ» должна размещаться на внешней поверхности РС МКС.

 

Ожидаемые результаты:

В результате данного космического эксперимента будут получены данные о видовом составе микроорганизмов, концентрирующихся на пылевых частицах на траектории полета МКС

В практическом плане результаты будут важны с точки зрения микробиологической безопасности полетов, с теоретической точки зрения будут значимы данные о динамике обсемененности, видовых характеристиках микрофлоры, а также соотношению идентифицированных и неидентифицированных микроорганизмов.

 

Полученные результаты:

 

Сроки проведения: 5 лет
Состояние эксперимента: Готовится
Организация постановщик: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук
Организации участники: ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАН (ГНЦ РФ-ИМБП РАН); РКК «Энергия»; ФГБУ «НИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина».
Научный руководитель: Манагадзе Г.Г., ИКИ РАН, зав. лаб., профессор, д.ф.-м.н.
Публикации по эксперименту:

1 Schidlowski M, Beginnings of terrestrial life: problems of the early record and implications for extraterrestrial scenarious // SPIE. -1998-V.3441.- P. 149-157

2 Wilde et al., Evidence from detrital zircons for the Existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr. ago // Nature. – 2001. – V. 409. – P. 175-178

3 Eigen M., and P. Schuster., The Hyper cycle. A Principle of Natural Self-Organization. Berlin: Springer-Verlag. (1979).

4 Joyce G.F., Visser G.M., van Boeckel C.A.A., Van Boom J. H., Orgel L. E. & Van Westrenen J. (1984). Chiral selection in poly(C)-directed synthesis of oligo(G). Nature, 310, 602-604.

5 Visser G.M., Joyce G.F., van Boeckel C.A.A., Van Boom J. H., Orgel L. E. & Van Westrenen J. (1984). Chiral selection in poly(C)-directed synthesis of oligo(G). Nature, 310, 602-604.

6 Frank F.C. Biochem. Biophes. Acta. – 1953. – V.11. P. 459

7 Eigen M. (1973). Molecular self-organization and the early stages of evolution. Sov. Phys.- Usp., 16, 545-589.

8 Prigogine, I. (1980). From Being to Becoming: Time and Complexity in the Physical Sciences. San Francisco: W. H. Freeman & Co.

9 Goldanskii V.I., Anikin S.A., Avetisоv V.A. & Кuz'min V.V. (1987). Comm. Mol. Cell. Biophys., 4, 79-98.

10 Коробкин и др. // Письма в ЖТЭФ. -1977.- № 25. – С. 11.

11 Managadze G.G., Abiogenous synthesis of chiral organic compounds in the plasma generated under the influence of super velocity impact. Preprint. Pr-2107. Moscow: Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, 20 pp. (in Russian). (2005).

12 Bonner W.A. (1991). The Origin and Amplification of Biomolecular Chirality. Origins Life Evol. Biospheres, 21, 59-111.

13 Манагадзе Г.Г. // Аэробиологические исследования на Марсе и возможности их реализации// 6-й Московский симпозиум солнечной системы, (2015 г.)

14 Fedorova A.A. et al., // Evidence for a bimodal size distribution for the suspended aerosol particles on Mars. // Icarus 231 (2014) , 239-260

15 Managadze G.G. et al., // A Novel Technique and Mass-Spectrometric Instrument for Extraterrestrial Microbial Life Detection via the Elemental Composition Analyses of Martian Regolith and Permafrost/Ice. // (Направлено в журнал Astrobiology) (2016)

16 Гальченко В.Ф. Криптожизнь на Марсе и спутниках Юпитера. Труды Института микробиологии им. С.Н.Виноградского РАН. 2004, в.12,C .64-79.

17 Манагадзе Г.Г. // Плазма метеоритного удара и добиологическая эволюция // 2009 г.

18 Managadze G.G. Plasma of meteorite impact and prehistory of life. NY. NovaSciencePublishers, Inc. 2011.P. 291.

19 А.Л. Мулюкин, В.В. Сорокин, Н.Г. Лойко, Н.Е. Сузина, В.И. Дуда, Е.А. Воробьева, Г.И. Эль-Регистан. Сравнительное изучение элементного состава вегетативных и покоящихся клеток микроорганизмов. Микробиология. 2002а. Т. 71, вып.1, стр. 31-40.

20 Манагадзе Г. Г. и др. 2016 г. «Способ обнаружения наличия микробной биомассы земного типа на космических телах» .

21 Wickramasinghe, D. T. & Allen, D. A. The 3.4-µm interstellar absorption feature. Nature 287, 518?519 (1980). Allen, D. A. & Wickramasinghe, D. T.

22 Ilyin V.K. Astrobiological experiments on automatic satellites Bion M1 and Photon M4/ Materials COSPAR Symposium - Water and Life in the Universe. Foz Iguasu, Brasil, 2015.

 

Последнее обновление: 17.11.2017

Информационная справка

Программы

Изображения