На Международной космической станции сформировалась небольшая уникальная микробная экосистема

Постоянное нахождение на Международной космической станции (МКС) ставит перед космонавтами множество вызовов, и один из них связан с их здоровьем. У членов экипажа МКС, несмотря на строжайший медицинский отбор и превосходное (по земным меркам) здоровье, нередко наблюдаются проблемы с иммунитетом – от аллергических реакций до кожных заболеваний. Родольфо Салидо Бенитес, биоинженер из Калифорнийского университета в Сан-Диего и один из руководителей исследования, предполагает, что причина кроется в дисбалансе станционного микробиома – совокупности всех микроорганизмов, населяющих как самих астронавтов, так и окружающее их пространство на станции.

Проанализировав внушительную коллекцию из более чем 800 образцов, собранных астронавтами в разных модулях американского сегмента МКС, команда Бенитеса пришла к поразительному выводу: микробная и химическая обстановка на станции поразительно напоминает атмосферу изоляторов для больных COVID-19 в пик пандемии. Такое "стерильное" сходство, как выясняется, может быть далеко не идеальным для поддержания крепкого здоровья в космосе.

Важно отметить, что мониторинг микробной жизни на МКС – задача постоянная. Предыдущие исследования в этой области проводились, однако в гораздо меньших масштабах. Нина Чжао, исследователь из UCSD и также соавтор новой работы, отмечает, что "прежние исследования, опираясь на ограниченное количество образцов, не могли предоставить полную картину микробных и химических факторов, присутствующих на станции".

Американский сегмент МКС включает восемь герметичных модулей, разработанных NASA, ESA и японским космическим агентством JAXA. Целью нового, масштабного исследования стало детальное изучение микробного и химического "пейзажа" каждого модуля, путей распространения микроорганизмов, источников их происхождения и сравнение с земными аналогами. Для этого астронавтам предоставили сотни специально разработанных тампонов для сбора образцов с различных поверхностей МКС в период с октября 2020 года по апрель 2021 года. После возвращения образцов на Землю, ученые приступили к кропотливому анализу полученных данных.

Конструкция тампонов была продумана до мелочей: две рабочие поверхности позволяли астронавтам брать двойные пробы с одного и того же участка. В лаборатории образцы разделяли: одна часть отправлялась на секвенирование ДНК для идентификации микроорганизмов, другая – на масс-спектрометрический анализ для выявления химических соединений. Бенитес поясняет: "Мы использовали некоторые методики, применяемые для контроля сверхчистых сред, например, в сборочном цехе космических аппаратов (SAF) Лаборатории реактивного движения (JPL), где создают марсоходы для миссий на Марс".

Результаты анализа оказались неожиданными: микробное разнообразие на МКС действительно оказалось схожим с показателями SAF – прекрасный результат для автоматических марсоходов, но явно недостаточный для здоровья человека.

МКС: орбитальный аналог COVID-изолятора?

Генетический материал микроорганизмов, обнаруженный на МКС, охватил всего 6,31% филогенетического древа, символизирующего все разнообразие жизни на Земле. Основная масса микробов на станции, как и ожидалось, имеет человеческое происхождение, попадая туда с кожи астронавтов. Видовой состав микрофлоры варьировался в зависимости от функционального назначения модуля. В модуле Unity, предназначенном для приготовления и хранения пищи, преобладали микроорганизмы, ассоциированные с продуктами питания. Модуль Tranquility, где расположен санитарно-гигиенический отсек ("космический туалет"), содержал больше микробов, связанных с продуктами жизнедеятельности человека. При этом, микроорганизмы, типичные для растений, животных и почвы, практически отсутствовали. Сравнив микробное разнообразие МКС с обычными жилыми помещениями на Земле, исследователи обнаружили, что 6,31% – весьма скромный показатель.

Для сравнения: в домах Финляндии микробное разнообразие охватывает до 12,23% филогенетического древа, а в сельских жилищах Южной Америки – до 15,59%. И это все равно блекнет на фоне тропических лесов или лугов, где микробное разнообразие достигает впечатляющих 28,37%.

По мнению ученых, такое ограниченное микробное разнообразие может представлять проблему, поскольку предыдущие исследования указывают на связь сниженного контакта с разнообразной микрофлорой с повышенным риском развития хронических воспалительных заболеваний, таких как астма.

Бенитес отмечает: "Одним из наиболее близких по микробному составу к МКС мест оказались изоляционные корпуса кампуса UCSD во время пандемии COVID-19. В условиях постоянной стерилизации поверхности там были практически лишены микроорганизмов к моменту заселения нового человека". Исходя из этих данных, одним из первых предложений по решению проблемы микробного "обеднения" МКС стало рассмотрение возможности снижения интенсивности стерилизации станции.

"Возможно, чрезмерное использование дезинфицирующих средств – не самый оптимальный подход к созданию здоровой микробной среды, хотя, безусловно, необходимы дальнейшие исследования в этом направлении", – подчеркивает Бенитес.

Вместо тотальной борьбы с любыми микроорганизмами на станции, Бенитес предлагает рассмотреть целенаправленное внедрение микробов, благотворно влияющих на здоровье человека. И хотя стерилизация отдельных модулей остается необходимой, поддержание жизнеспособности полезной микрофлоры можно обеспечить уже на этапе проектирования будущих космических аппаратов, учитывая пути распространения микроорганизмов.

Чжао поясняет: "Мы заметили, что в модулях с низкой активностью человека микробы склонны оставаться на месте, не распространяясь. В модулях с высокой человеческой активностью, напротив, микробы активно "мигрируют" в соседние отсеки". Опираясь на эти наблюдения, ученые предлагают при проектировании космических кораблей размещать модули с высокой и низкой человеческой активностью на противоположных концах, чтобы минимизировать загрязнение стерильных зон из более "оживленных" отсеков. "Конечно, мы рассуждаем с позиций микробиологов и химиков, – добавляет Чжао. – Возможно, у инженеров-конструкторов космических аппаратов есть более веские аргументы в пользу определенного расположения модулей. Это пока лишь предварительные идеи".

Но как быть с длительными пилотируемыми миссиями в дальний космос, например, к Марсу? Стоит ли заблаговременно тщательно подбирать микробный состав, "заселять" корабль полезными микробами и надеяться, что эта искусственная, замкнутая экосистема будет стабильно функционировать годами без вмешательства с Земли?

Бенитес предлагает более комплексный, "экосистемный" подход. Он представляет будущие космические корабли и станции как миниатюрные биосферы, включающие не только людей и технику, но и целые "космические сады" с растениями, микроорганизмами, опылителями и, возможно, даже животными. Взаимодействуя друг с другом, они смогут сформировать сбалансированную, самоподдерживающуюся экосистему. "Нам нужно думать не только об отправке астронавтов и необходимых им машин, но и обо всех других формах жизни, которые понадобятся им в космическом путешествии", – заключает Бенитес.