Космос как биолаборатория: что можно исследовать в невесомости

В космосе всё меняется

В космосе всё меняется — и эти перемены затрагивают не только физические процессы, но и механизмы работы живых систем. Помимо выраженных изменений опорно-двигательного аппарата, меняется и функция нервной системы. 

«В условиях микрогравитации организм перестаёт получать привычную механическую нагрузку, из-за чего меняются сигналы от мышц и механорецепторов, а перераспределение жидкостей организма может влиять на работу нервной системы, в том числе дофаминовой. Это важно, поскольку дофаминовая система участвует в движении, мотивации и обучении, связанном с вознаграждением. По сути, она помогает нам учиться на опыте: совершать действие, получать результат и запоминать, что оно оказалось полезным. Вознаграждением может быть что угодно — от сладкой конфеты до чувства удовлетворения от новых знаний или достижения цели. При нарушении работы этой системы мотивация и способность учиться на таком опыте могут снижаться, что, безусловно, нужно учитывать при планировании длительных космических миссий», — рассказывает заведующий Лабораторией нейрогеномики развития Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН, доктор биологических наук Владимир Науменко.

На орбите организм человека сталкивается с экстремальными условиями, которые приводят к изменениям в работе всех ключевых систем   Изображение: © Олеся Поповидченко / Сириус(Журнал

Если наблюдать за содержимым лабораторной пробирки на Земле, то всегда нужно учитывать влияние гравитации. Например, нагретая в ней жидкость поднимается, а более холодная опускается, частицы оседают, а клетки могут прикрепляться к поверхности сосуда. Но в условиях микрогравитации эти процессы значительно ослабевают. Жидкости меньше перемешиваются за счёт конвекции, частицы медленнее оседают, а клетки могут оставаться во взвешенном состоянии. Одновременно меняются механические сигналы, которые клетки получают от окружающей среды, включая процессы, связанные с цитоскелетом и межклеточными взаимодействиями. Рассмотрим, как исследуют разные проявления невесомости.

Можно ли зачать ребёнка в космосе?

Важное направление исследований — репродуктивное. Когда межпланетные путешествия станут возможны, они могут занять годы. Возможно ли продолжение рода во время такого перелёта? В 2026 году вышел систематический обзор исследований, изучавших влияние микрогравитации на репродуктивную систему. Авторы указывают на возможные нарушения образования половых клеток, оплодотворения и раннего развития эмбриона. В экспериментальных моделях наблюдали изменения, связанные с окислительным стрессом, повреждением ДНК, работой митохондрий и эпигенетическими процессами. При этом значительная часть имеющихся данных получена на животных или в условиях моделируемой микрогравитации, поэтому переносить их напрямую на человека нельзя. При этом космический полёт — это не только микрогравитация. Организм подвергается воздействию радиации и другим физиологическим нагрузкам. Поэтому вопрос о человеческой беременности в космосе намного сложнее вопроса о самом оплодотворении, и воспроизводство человека в космосе сегодня остаётся важным научным вопросом.

Вынашивание ребёнка и так дело непростое, а на орбите оно точно станет
ещё более экстремальным Изображение: © Leonardo / промт Олеся Поповидченко / Сириус(Журнал

Изготовление лекарств

На Земле при кристаллизации белков и других соединений на структуру кристаллов влияют конвекция и оседание частиц. При микрогравитации эти эффекты значительно слабее, поэтому на орбите можно получать более однородные кристаллы или структуры, которые сложнее сформировать в обычных условиях. Так, фармацевтическая компания Merck проводила на Международной космической станции эксперименты с пембролизумабом — моноклональным антителом, используемым для лечения некоторых видов рака. Исследователи обнаружили, что при микрогравитации белок формировал более мелкие и однородные кристаллы. Сам препарат впоследствии не стали производить в космосе, компания разработала способ получения подходящей лекарственной формы на Земле. И всё же эксперимент показал, что условия микрогравитации могут влиять на свойства белковых препаратов.

Разработчики лекарств рассчитывают, что в будущем в космосе можно будет производить или оптимизировать отдельные вещества. При этом пока речь идёт именно об исследованиях и демонстрации технологий, а не о массовом космическом производстве препаратов.

Насколько доступнее стали космические исследования

Доставить оборудование, реагенты и биологические образцы на орбиту гораздо сложнее, чем установить их в лаборатории на Земле. После эксперимента образцы ещё нужно вернуть обратно. Однако доступ к космосу постепенно становится дешевле. Судя по данным о 4405 запусках с 1960 по 2025 год, средняя стоимость вывода одного килограмма полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту снизилась более чем в 20 раз — примерно с 87 тыс. долларов в 1960 году до около 4 тыс. долларов в 2025-м.

Хлеба для космонавтов МКС  Фото: © Геодакян Артем / TASS

Изучение заболеваний

Обычная клеточная культура на Земле часто представляет собой слой клеток, растущий на поверхности пластиковой чашки. Но человеческие ткани устроены гораздо сложнее: клетки взаимодействуют друг с другом во всех направлениях и формируют объёмные структуры.

В условиях микрогравитации клетки могут формировать трёхмерные агрегаты — сфероиды и органоиды. Исследователи пытаются разобраться, можно ли использовать это свойство для получения более сложных клеточных моделей. Особое внимание уделяют стволовым клеткам, поскольку микрогравитация влияет на их пролиферацию, дифференцировку, цитоскелет и механочувствительные сигнальные пути. Органоиды потенциально могут использоваться для изучения заболеваний и тестирования лекарств. Например, опухолевые клетки в условиях микрогравитации способны формировать трёхмерные структуры, которые в некоторых отношениях лучше воспроизводят свойства опухолевой ткани, чем традиционные двумерные культуры.

До производства полноценных человеческих органов в космосе ещё очень далеко. Пока основная задача — понять, какие клеточные процессы действительно меняются при микрогравитации и можно ли превратить эти изменения в рабочую технологию.

Выращивание растений

На Земле гравитация помогает растениям определить направление роста: корни обычно растут вниз, а побеги — вверх. Этот механизм называется гравитропизмом. В космосе привычного гравитационного сигнала почти нет, поэтому учёные могут наблюдать, как растение перестраивает развитие и какие другие ориентиры использует.

Растения на МКС выращивают с помощью гидропоники и аэропоники   Фото: © NASA

На Международной космической станции уже выращивали различные культуры, в том числе салат и другие растения. Исследователей интересует не только возможность получить свежую еду для экипажа. Они изучают, как микрогравитация влияет на рост растений, обмен веществ, стрессовые реакции и взаимодействие с микроорганизмами. Это важно для будущих дальних космических экспедиций. Полностью обеспечить экипаж продовольствием с Земли при полёте продолжительностью в месяцы или годы сложно, поэтому выращивание растений рассматривается как один из элементов систем жизнеобеспечения.

Но и здесь космос не даёт растениям универсального преимущества. На их развитие негативно влияет изменение гравитационных сигналов, а отсутствие естественной конвекции меняет движение воды и газов вокруг них. Поэтому исследователям приходится отдельно подбирать условия освещения, полива и газообмена.

Понимая, как в невесомости клетки реагируют на изменение механической среды, учёные получают новые возможности для изучения заболеваний, создания лекарств, тканевой инженерии и регенеративной медицины на Земле. И хотя фабрики человеческих органов или массового производства лекарств на орбите появятся не скоро, космические эксперименты уже позволяют исследовать биологию в условиях, которые нельзя полностью воспроизвести на Земле.