Космическая биология (космобиология, в англоязычной литературе - bioastronautics) — наука, изучающая возможности жизни в условиях космического пространства и при полётах на космических летательных аппаратах, а также принципы построения биологических систем обеспечения жизнедеятельности членов экипажей космических кораблей и станций. Рассматривает отсутствие влияния на организм силы тяжести, возможность существования организмов в вакууме и т. п. Изучает физиологические и психологические эффекты на людей, необходимые для выживания и процветания в внеземных средах. Объединяет области биологии, медицины и инженерии для решения проблем и возможностей, которые представляет космическая исследование.
Космическая биология изучает влияние космического полёта на различные организмы, включая людей, мышей, насекомых, растения и микробы, а также обезьян, кальмаров и черепах. Для исследований используются модельные организмы, например, грызуны (в рамках программ NASA Rodent Research и JAXA Mouse Habitat Unit) для изучения влияния космоса на здоровье человека. Данио, рыбы медака, дрозофилы и черви помогают понять воздействие микрогравитации и других факторов космического стресса. Растения используются в качестве моделей для изучения космического сельского хозяйства и гравитропизма с целью производства продуктов питания и кислорода в космосе.
Космическая биология также изучает космический нейроокулярный синдром и повышенный риск сердечно-сосудистых заболеваний. Изоляция и ограниченность, а также недостаток новизны, присутствующие во время длительных миссий, могут привести к психологическим проблемам, включая тревожность, депрессию и когнитивный спад.
В глубоком космосе биологические организмы подвергаются воздействию ионизирующего излучения (галактических космических лучей и солнечных частиц) и пониженной гравитации, что вызывает повреждения ДНК, образование активных форм кислорода, мышечную атрофию и потерю костной массы. На клеточном уровне микрогравитация влияет на экспрессию генов и пути роста клеток, нарушает гравитропизм у растений и увеличивает вирулентность и антибиотикорезистентность у бактерий. Для изучения воздействия космической среды на биологические организмы необходимы реальные космические миссии, поскольку наземные симуляции не способны полностью воспроизвести комбинированные эффекты радиации и микрогравитации.
Астробиология и космическая биология Астробиология и космическая биология различаются по назначению: астробиология ищет жизнь за пределами Земли, а космическая биология изучает адаптацию земных организмов к космическим условиям Астробиология изучает происхождение, эволюцию и распространение жизни во Вселенной, фокусируясь на поиске внеземных форм жизни и исследовании биосигнатур в экстремальных средах. Космическая биология исследует влияние факторов космического полёта – микрогравитации, ионизирующего излучения и изоляции – на земные организмы, проводя эксперименты на космических станциях и в наземных лабораториях для обеспечения здоровья космонавтов.
История развития Первая попытка послать живые организмы в космос принадлежит советскому учёному Г.Г. Фризену (1935). Позже в том же году подобное совершили и американские исследователи. С каковых опытов, как отмечают, и начался первый этап космических биологических исследованийhttps://cyberleninka.ru/article/n/sudba-uchyonogo-v-kontekste-ideologicheskoy-borby-v-akademii-nauk-v-sssr-k-150-letiyu-akademika-g-a-nadsona-1867-1939.
Владимир Иванович Яздовский (1913-1999) внес фундаментальный вклад в развитие космической биологии и медицины, обосновав использование беспородных собак для космических полетов и создав уникальную систему их отбора и подготовки. Под его руководством в 1951-1961 гг. реализованы четыре этапа медико-биологических исследований: от пусков одноступенчатых ракет на высоту 100,8 км до орбитальных полетов на кораблях "Восток", включая исторический полет Лайки в 1957 г. и успешное возвращение Белки и Стрелки в 1960 г., что доказало возможность безопасного пребывания и возвращения живых организмов из космоса.
В 1959 году Яздовский, будучи заместителем начальника Института авиационной и космической медицины, создал первую в мире систему профессионального отбора и подготовки космонавтов. Он координировал работу между различными учреждениями (Центральный научно-исследовательский авиационный госпиталь, Центральная врачебно-летная комиссия, Центр подготовки космонавтов) и руководил медико-биологическим обеспечением серии орбитальных полетов 1960-1961 гг., непосредственно подготовивших исторический полет Юрия Гагарина 12 апреля 1961 года.
NASA не проводила биологические эксперименты за пределами низкой околоземной орбиты (LEO) с миссии Аполлон-17 в 1972 году. С того времени все долгосрочные миссии, включая экспедиции на Международную космическую станцию (МКС), ограничивались только низкой околоземной орбитой.
В 2006 году Исследовательский центр NASA Эймс положил начало новой эре биологических исследований в космосе с появлением биологических CubeSat (спутников размером 10×10×10 см). GeneSat-1 стал первым полностью автоматизированным биологическим CubeSat, после чего NASA Эймс разработал еще несколько биологических мини-спутников, каждый из которых совершенствовал технологии предыдущего: PharmaSat (2009), O/OREOS (2010), SporeSat (2014), DIDO-2 (2017), EcAMSat (2017), DIDO-3 (2020).
Микрофлюидные чипы нашли широкое применение для проведения микробиологических экспериментов в условиях микрогравитации. В 2006 году США доставили на МКС портативную систему лаборатория на чипе с диагностическим устройством и зондом для биологических исследований здоровья астронавтов и мониторинга среды корабля. К 2009 году на станции начали использовать ДНК-микрочипы для детекции грамотрицательных бактерий и грибов, параллельно внедряя микрофлюидные технологии для культивирования клеток и анализа белков в космосе. Знаковым событием стал 2011 год, когда разработанный Пекинским технологическим институтом микрофлюидный амплификатор ДНК на борту корабля «Шэньчжоу-8» успешно провёл орбитальный генетический эксперимент — первый в истории китайской космонавтики случай применения данной технологии в космической среде с реализацией детекции результатов непосредственно на орбите. В 2017 году китайские исследователи разместили ПЦР-анализатор микрофлюидного типа на модуле МКС для изучения мутаций двадцати генов под воздействием факторов космоса
Миссия NASA Artemis I, запущенная в ноябре 2022 года, включала несколько биологических экспериментов, направленных на изучение влияния дальнего космоса на живые организмы. CubeSat BioSentinel исследовал в глубоком космосе воздействие космической радиации на дрожжевые клетки, а полезная нагрузка BioExpt-1 содержала эксперименты с арабидопсисом, водорослями, дрожжами и грибами для анализа воздействия радиации на ДНК и биологические процессы.
Микрогравитация Микрогравитация оказывает многообразное и глубокое влияние на живые организмы, затрагивая практически все биологические системы. У человека наблюдаются такие негативные эффекты как потеря костной и мышечной массы, изменения в иммунной, нервной и зрительной системах, повышенный риск сердечно-сосудистых заболеваний и нейроокулярный синдром, связанный с космическими полетами. Микроорганизмы в условиях микрогравитации демонстрируют изменения в физиологии клеток, экспрессии генов, разнообразии сообществ, устойчивости к антибиотикам, формировании биопленок и вирулентности. У растений наблюдаются изменения в гравитропизме и развитии. Изучение этих эффектов имеет критическое значение не только для обеспечения безопасности длительных космических полетов, но и для понимания фундаментальных биологических процессов, а также для разработки медицинских технологий, применимых на Земле. Изучением влияния гравитации на живые организмы занимается гравитационная биология.
Влияние на сетчатку глаза Влияние космических полетов на сетчатку глаза человека и других позвоночных изучается более полувека. Около 60% астронавтов, находящихся на орбите около шести месяцев, и 29% астронавтов, участвовавших в двухнедельных полетах на шаттлах, испытывают значительные изменения зрения. Наблюдаются такие изменения, как отек диска зрительного нерва, уплощение глазного яблока и складки сосудистой оболочки. Эксперименты на животных, таких как крысы и мыши, подтверждают негативное влияние микрогравитации и космической радиации на сетчатку, включая окислительный стресс, повышенную продукцию активных форм кислорода и гибель клеток. В экспериментах с головастиками лягушек и эмбрионами японских перепелов наблюдались аномалии развития глаз. В то же время, исследования регенерации сетчатки у тритонов показали ускоренное восстановление в условиях микрогравитации. В исследованиях in vitro с использованием клеток сетчатки человека и грызунов подтверждается негативное влияние микрогравитации на различные типы клеток сетчатки.
Биология животных в космосе Космическая биология животных изучает механизмы адаптации животных к условиям космического полёта, включая микрогравитацию, изменённые циклы освещённости (например, 16 восходов/закатов в сутки на МКС) и радиационное воздействие. Основная цель — выявление фундаментальных принципов перестройки биологических систем (от клеточного до организменного уровня) при переходе из земных условий в космические, а также разработка стратегий минимизации негативных эффектов для долгосрочных миссий. В качестве моделей используются позвоночные (грызуны: мыши, крысы) и беспозвоночные (нематоды, насекомые) с хорошо изученными геномами, что позволяет анализировать генетические, физиологические и поведенческие реакции. Ключевые направления включают: динамику адаптационных процессов (усиление/ослабление эффектов со временем), обратимость изменений после возвращения на Землю, превентивные меры против негативных последствий и создание условий для многолетнего пребывания организмов в космосе с сохранением здоровья. Полученные данные применяются как для обеспечения безопасности астронавтов, так и для решения медицинских задач на Земле, включая моделирование стрессовых состояний и нейродегенеративных заболеваний.
Космическая микробиология Космическая микробиология изучает жизнь микроорганизмов в космосе, включая микрофлору человека и среду обитания на космических кораблях и станциях. Для долгосрочного пребывания человека в космосе и здоровья астронавтов критически важно понимание взаимосвязи между микробным разнообразием, химическими воздействиями и здоровьем человека.
Растущий интерес к микробиому астронавтов обусловлен уникальными космическими условиями, вызывающими значительные изменения в микробных сообществах и негативно влияющими на здоровье людей и растений, причем применение пре- и пробиотиков рассматривается как потенциальное решение для поддержания микробного баланса. Космический полет воздействует на микроорганизмы как внутри человеческого организма, так и в окружающей среде корабля, изменяя их клеточную физиологию, экспрессию генов, разнообразие сообществ, антибиотикорезистентность, дифференцировку, образование биопленок и взаимодействие с хозяином. Изменения кишечного микробиома, нарушения иммунной системы и повышенная вирулентность патогенов представляют существенные риски для космических миссий.