Нусинов М.Д. Космический вакуум и надежность космической техники - файл n1.doc

Нусинов М.Д. Космический вакуум и надежность космической техники
скачать (1115 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1115kb.20.11.2012 08:26скачать

n1.doc

1   2   3   4
КОСМИЧЕСКИЙ ВАКУУМ И ЖИВАЯ МАТЕРИЯ

Проблема стерилизации космических аппаратов. Издавна считалось, что вакуумная среда губительна для всего живого. Так, например, было замечено, что уже при атмосферном давлении, равном половине нормального значения, человек чувствует себя плохо и ощущает определенный дискомфорт. Тем не менее относительно недавно ряд ученых предполагал, что вакуумная среда (в том числе в космосе) не столь уж губительна для некоторых микроорганизмов.

Вопрос о возможности выживания микроорганизмов в космическом вакууме давно и неоднократно поднимался, но особую остроту данная проблема приобрела с наступлением космической эры и с началом освоения человеком Луны и планет Солнечной системы. Ведь в случае выживания микроорганизмов в космосе любые нестерильные космические аппараты, входящие в атмосферу других планет, создают возможность ее загрязнения земными микроорганизмами. Существует и опасность загрязнения атмосферы Земли внеземными микроорганизмами при возвращении космических аппаратов с образцами грунта соседних небесных тел на нашу планету.

Чтобы избежать опасности любого загрязнения, были выработаны и приняты в СССР и США взаимно согласованные нормы для стерилизации космических аппаратов, предназначенных для полетов к другим телам (а тем более для возвращающихся обратно), и разработаны специальные методики ее осуществления. Согласно этим принятым нормам стерилизации космического аппарата вероятность нахождения микроорганизмов на его борту не должна превышать 10–4.

Одной из надежных процедур, обеспечивающих высокую степень стерилизации, является нагревание (при нормальном атмосферном давлении) спускаемых аппаратов автоматических межпланетных станций. Например, согласно расчетам стерилизация спускаемых аппаратов не превышала принятых норм, если она заключалась в том, что в течение 36 ч части космического аппарата нагревались до температуры 135°С (около 410 К).

Однако процедуры стерилизации должны полностью совмещаться с инженерными и научными требованиями к космическим аппаратам и его элементам. Необходимость в тепловой стерилизации вносила необходимые коррективы в конструирование элементов космического аппарата, чтобы обеспечить надежность их работы (например, определенных типов транзисторов) после соответствующей процедуры нагрева. Все это порождало серьезные инженерные проблемы, уменьшало надежность элементов, снижало ресурс их работы и т. д.

К этим проблемам стерилизации космических аппаратов добавлялась еще одна, которая имела принципиальный характер. Отсутствовала 100%-ная уверенность в эффективности подобного рода стерилизации, поскольку не было ясного поднимания физических механизмов, приводящих к повреждению и гибели микроорганизмов. В частности, специалистов волновали вопросы выживания (или гибели) микроорганизмов не только при высоких температурах и давлениях, но и в условиях космического вакуума.

Последнее стимулировало интенсивное проведение экспериментов по изучению микроорганизмов в условиях высокого вакуума. В ходе этих экспериментов изучалась выживаемость ряда наиболее распространенных видов микроорганизмов при рабочих давлениях 10–4 – 10–7 Па в испытательных вакуумных установках, способных безостановочно работать в течение нескольких месяцев. Причем воздействие температур не рассматривалось, и все эксперименты, по-видимому, осуществлялись при температурах не выше комнатной.

Результаты свидетельствовали о том, что лишь небольшое количество исследуемых микроорганизмов могло противостоять более или менее продолжительному воздействию вакуума. Некоторые микроорганизмы выживали и после 10-суточного воздействия вакуума с давлением порядка 10–5 Па. Однако все микроорганизмы все же погибали после 30-суточного пребывания в вакууме с давлениями 1,5·10–6 – 8·10–7 Па.

Позже выяснилось, что наряду с давлением температура также является важнейшим параметром, определяющим жизнедеятельность микроорганизмов в высоком вакууме. Поэтому более эффективными были бы тепловакуумные исследования микроорганизмов, однако и полученные результаты позволяли сделать заключение о том, что любой микроорганизм погибает в космическом вакууме вследствие испарения внутриклеточного вещества.

Таким образом, проведенные эксперименты поставили под сомнение необходимость в стерилизации тех частей космического аппарата, которые должны были продолжительное время пребывать в условиях космического вакуума. Кроме того, полученные результаты заставили усомниться в распространенной несколько лет назад точке зрения, согласно которой источником зарождения жизни на Земле могли быть споры микроорганизмов, занесенные на нашу планету с других миров.

В дальнейшем исследования поведения микроорганизмов в условиях вакуума не прекратились, а даже значительно расширились. Но прежде чем перейти к описанию их результатов, уместно будет кратко рассмотреть, что представляет собой живая материя на примере клетки – простейшей ячейки живого вещества. Кстати, по мнению ряда специалистов, двусмысленные и противоречивые результаты поиска микроорганизмов на Марсе с помощью космических аппаратов «Викинг» были предопределены тем, что при подготовке этого эксперимента американские ученые не обращали особого внимания на специфические особенности живой материи, отличающие ее от неживой природы.

Живая клетка и ее структура. Итак, живая клетка – это хотя и элементарная, но уже достаточно сложная ячейка жизни, которой присущи все характерные черты живой материи. В природе, как известно, существует громадное количество одноклеточных организмов; предполагается, что одноклеточными были и самые первые организмы на Земле, из которых в ходе эволюции впоследствии развились многоклеточные организмы.

Всем живым организмам, в том числе и одноклеточным, для жизнедеятельности необходима энергия, которая поставляется «пищей» и светом. Живой организм использует химическую энергию, которая по своей способности переходить в тепло занимает промежуточное положение между механической и тепловой энергиями. Кроме того, химическую энергию легко превратить в механическую, электрическую, лучистую и тепловую энергии или, наоборот, получить ее из них.

Существенным является то, что химическая энергия способна производить работу в системе с постоянной температурой, а живой организм можно в целом рассматривать приближенно как именно такую систему. Причем все живые организмы действуют подобно энергопреобразователям, в которых посредством специальных веществ – катализаторов (называемых в биологии ферментами или энзимами) химическая энергия превращается в работу: химическую (биосинтез), осмотическую (противостоящую диффузии вещества через полупроницаемую перегородку между растворами), электрическую и механическую.

Чтобы живой организм функционировал нормально, он должен вначале высвободить химическую энергию из молекул «пищи» (или поглотить световую энергию), а затем с помощью этой энергии связать между собой (сопрячь, в терминах биологии) энерговыделяющие и энергопотребляющие процессы. Это сопряжение энерговыделяющих процессов с энергопотребляющими предотвращает накопление тепла в организме. В результате функционирующая живая клетка теряет лишь незначительное количество химической энергии, переходящей в тепло, и это сохраняет в ней условия, характеризующиеся практическим постоянством температуры.

Функции живых клеток, подобно автоматическим химическим машинам, главным образом заключаются в том, чтобы наиболее экономным способом использовать имеющуюся химическую энергию для производства необходимых продуктов жизнедеятельности посредством последовательных химических реакций, а также для воспроизведения себе подобных клеток. Химическая работа (биосинтез) непрерывно осуществляется не только во время роста, но и для поддержания жизнедеятельности взрослого организма. Однако следует подчеркнуть, что проведенная нами аналогия между живым организмом и машиной является в значительной степени условной.

Живая клетка – это молекулярная система, состоящая из двух несмешивающихся фазовых состояний: внутриклеточной водной структуры и границ клетки – мембраны. Мембрана служит как бы клеточной «кожей». Регулируя процессы движения вещества вовнутрь клетки и из нее, она позволяет ей сохранять структуру и функции постоянными, невзирая на изменение условий в околоклеточной среде. С одной стороны, мембрана обеспечивает избирательную проницаемость многих типов молекул вовнутрь клетки, используя различные виды «транспорта»: например, перенос ионов калия и натрия или осмотическое всасывание воды вовнутрь клетки. С другой стороны, мембрана служит и эффектным барьером для неконтролируемого обмена веществ между внутриклеточной и внеклеточной средами.



Рис. 11. Схема строения, биологической клеточной мембраны (буквами обозначены различные белковые молекулы)


Мембрана состоит из двойного слоя жироподобных веществ (фосфолипидов), ограниченных с обеих сторон белками (толщина мембраны порядка 10–8 м или 10 нм). В этом слое длинные концы линейных молекул («хвосты») расположены внутри слоя («хвостом» к «хвосту»), а «головки» молекул торчат наружу (рис. 11). Таким образом, через гидрофильные (легкосмачиваемые) «головки» фосфолипиды соприкасаются с гидрофильной внеклеточной средой (белками, водой). При возникновении некоторого избытка воды в клетке последняя благодаря осмотическому давлению набухает и быстро увеличивается в размере. Это увеличение размеров клетки не может продолжаться долго, в какой-то из моментов мембрана рвется вследствие своей весьма низкой прочности.

В мембране имеются каналы (микропоры) диаметром 0,4 – 0,5 нм, через которые молекулы некоторых веществ (например, молекулы воды, имеющие размеры 0,25 нм) легко проходят в оба направления. Поверхности многих из этих каналов, по-видимому, обладают электрическими зарядами, что обусловливает наблюдаемые различия в скоростях переноса положительных и отрицательных ионов веществ через мембрану и служит одной из причин возникновения так называемых мембранных потенциалов, т. е. электрических зарядов разного знака по обеим сторонам мембраны. Область, прилегающая к наружному слою, называется цитоплазматической мембраной.

Основные носители наследственной информации в клетках всех без исключения живых организмов на Земле – это молекулы дезоксирибонуклеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК) кислот. В них «химическим языком» записаны программы синтеза белков, второго по содержанию (после воды) внутриклеточного вещества, которое управляет всей жизнедеятельностью клетки.

По своей структуре молекула ДНК представляет собой двуниточную спираль, состоящую из двух химически идентичных нитей (скрученных подобно жгуту из двух проводов), в которых последовательно чередуются в определенном порядке четыре химических соединения – нуклеотиды. Программа синтеза каждого конкретного внутриклеточного белка, записанная «химическим языком» (ген), заложена в определенной части каждой нити молекулы ДНК (и молекулы РНК).

Клетки живого организма постоянно претерпевают деление, и при этом происходит передача наследственной (генетической) информации от материнской клетки к дочерним. Из каждой двуниточной молекулы ДНК с помощью ферментов синтезируются две дочерние молекулы ДНК, полностью идентичные материнской. Далее, в соответствии с программой, «записанной» в молекуле ДНК, и с помощью линейных молекул РНК и ферментов происходит синтез внутриклеточных белков.

Так, в результате всего этого процесса, называемого редупликацией, из одной материнской клетки образуются две дочерние, каждая из которых содержит генетическую информацию, аналогичную информации, содержавшейся в материнской клетке. Таким образом, в основе жизнедеятельности клетки лежат биохимические процессы, осуществляемые посредством химических веществ, которые непрерывно поступают вовнутрь клетки с водой из околоклеточной среды. С водой же из клетки выводятся продукты ее жизнедеятельности.

У всех без исключения живых организмов каждая клетка почти на 80% состоит из химически связанной и (в меньшем количестве) свободной воды. Даже в наиболее «сухих» образцах живой материи – спорах микроорганизмов, пребывающих как бы в дремотном (анабиотическом) состоянии, сохраняется до 25 – 40% воды. Таким образом, жидкая вода – один из главных компонентов живой клетки. Вода служит универсальным растворителем и средой внутриклеточных взаимодействий.

Важнейшая роль воды в биологических системах обусловлена ее способностью легко образовывать водородные связи, которые, хотя и слабее химических (ковалентных), однако сильнее межмолекулярных (ван-дер-ваальсовых), действующих в коллоидно-химических системах. Для образования и для разрыва водородных связей достаточно простого теплового воздействия, и нет необходимости в каких-либо катализаторах.

Способность легко образовывать такие водородные связи объясняется особыми физическими и химическими свойствами воды, которые делают ее незаменимым участником всех внутриклеточных взаимодействий. В результате этих взаимодействий возникают специфические насыщенные водой желеобразные внутриклеточные структуры, в которых быстро устанавливается существенно неравновесное динамическое состояние, характерное для жизнедеятельности всех живых систем.

Отдельные участки внутриклеточного пространства также разделены полупроницаемыми мембранами. Их свойства и служат причиной неравномерного распределения веществ, растворенных внутри клетки, и образования внутриклеточных перепадов их концентраций. Жидкая вода свободно движется между этими пространствами в направлении действия осмотического давления, тогда как движение растворенных в ней веществ строго регулируется.

Таким образом, жидкая вода занимает весьма специфическое положение в биологических объектах и вовлечена во все биологические превращения. Как отмечает известный американский биохимик А. Сент-Дьёрди, вода является материальной и матричной основой жизни. Материальной, поскольку живое вещество в значительной степени состоит из воды, матричной, поскольку жизнь зародилась на Земле в жидкой воде и «эта ситуация не изменилась и после того, как жизнь распространилась на сушу и возникли земные виды жизни».

Последнее произошло после того, как жизнь, по образному выражению А. Сент-Дьёрди, научилась брать океан с собой. Интересно отметить, что в своем выражении американский ученый, по-видимому, усматривает не только обилие воды в живых организмах, в частности в человеческом. Дело в том, что имеется определенное сходство между химическим составом крови человека и морской (океанской) воды.

Пределы существования жизни. Проблема определения предельных значений для физических параметров, при которых еще возможно существование живой материи, непосредственно касается рассматриваемой в этом разделе проблемы – возможности выживания организмов в крайне неблагоприятных для этого условиях космического пространства или на ближайших к нам небесных телах (в частности, на планетах и ядрах комет). Прямое отношение поиск предельных параметров имеет к оценкам границ биосферы, а более косвенное – к вопросу о происхождении жизни на Земле.

Экстремальными случаями существования жизни люди интересовались с незапамятных времен, но особенно ученые ими заинтересовались в связи с биологическими экспериментами по поиску живых организмов на Марсе с помощью приборов посадочных модулей космических аппаратов «Викинг». Как известно, попытка обнаружить по крайней мере микроорганизмы на Марсе дала отрицательный результат, хотя и не зачеркнула полностью, по мнению некоторых ученых, возможность существования микроорганизмов в таких экстремальных условиях, которые характерны для Марса.

Последнее, в частности, подтверждается тем обстоятельством, что земные организмы (пока единственная форма жизни во Вселенной, известная нам) способны существовать в самом широком диапазоне физических, химических и физико-химических параметров. Причем известно, что простейшие представители жизни – микроорганизмы – занимают крайние границы существования жизни, или, как говорят биологи, экологические ниши.

В обзорной статье канадского микробиолога Д. Кушнера, опубликованной в сборнике «Кометы и происхождение жизни» (М., Мир, 1984), был подведен итог поискам экстремальных форм жизни по состоянию на середину 70-х годов. Ученый заключает, что микроорганизмы способны расти в самых различных экстремальных условиях: в жидкой воде вблизи температур замерзания и кипения воды, при больших вариациях концентрации водородных ионов в жидкой среде, при самой разнообразной концентрации солей, при интенсивном радиационном облучении (в ядерных реакторах) и т. д.

Д. Кушнер отмечает: «Если не считать утонченных приспособительных признаков, то основные механизмы жизненных процессов, протекающих в экстремальных условиях, по сути являются идентичными механизмам более «нормальной» жизни... Возможно, даже самые «экстремальные» микроорганизмы в принципе не так уж и отличаются от более «нормальных» форм жизни». Как впоследствии оказалось, Д. Кушнер, по-видимому, был недалек от истины. Но прежде чем перейти к научной сенсации, случившейся летом 1977 г., рассмотрим еще несколько результатов, полученных к середине 70-х годов.

В своей статье канадский ученый замечает, что самым жестким фактором, определяющим пределы роста микроорганизмов, является их потребность в жидкой воде. В связи с чем Д. Кушнер указывает, что нижняя температурная граница жизни опускается до 240 К (или даже более низких температур), поскольку точка замерзания насыщенных водных солевых растворов внутриклеточной воды находится гораздо ниже 0°С, или 273 К.

Однако непосредственно во льду рост микроорганизмов уже не происходит, хотя известна их способность сохранять потенцию к жизнедеятельности и к повторному росту после размораживания. Проведенные исследования указывают на возможность «оживления» микроорганизмов и других простейших после их кратковременного пребывания даже в жидком гелии, т. е. при температуре, близкой к абсолютному нулю. Микроорганизмы обнаруживаются в сухих и холодных долинах Антарктиды, где они обитают внутри камней и ими же питаются (так называемые литотрофные микроорганизмы).

Что же касается верхней температурной границы жизнедеятельности микроорганизмов, то она уже давно и уверенно принималась равной около 373 К (100°С), т. е. температуре кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Во всяком случае, микроорганизмы были найдены в сухих и горячих южных пустынях, в стенках ядерных реакторов и т. д. Однако все эти представления изменились, когда в начале второй половины 70-х годов были открыты живые организмы, совершенно необычные для земных форм даже в экстремальных условиях. И это открытие было сделано не на далеком Марсе с помощью космических аппаратов «Викинг», а на нашей Земле.

Летом 1977 г., погрузившись на специальной океанографической подводной лодке «Алвин» в зону разломов земной коры на дне Тихого океана недалеко от Галапагосских островов на глубину около 3000 м, американские ученые обнаружили бьющие из дна источники очень горячей воды (с температурой 730 – 750 К, или, около 360 – 380°С), так называемые гидротермы. Ученые: назвали открытые ими источники «Черные курильщики», видимо, из-за цвета воды, изливающейся из океанского дна.

Существование таких источников сильно перегретой жидкой воды ничего экстраординарного собой не представляет, поскольку вода при таких температурах и должна находиться в жидком состоянии под действием огромных гидростатических давлений, в 300 раз превышающих нормальное атмосферное давление. Самым интересным было то, что в районах выхода столь перегретой жидкости обнаружились пышные оазисы жизни.

Научный мир отреагировал на это открытие самым естественным образом – почти никто в него не поверил. И тогда в район гидротермов отправилась еще одна экспедиция, оснащенная на сей раз более совершенным оборудованием, предназначенным для взятия и транспортировки на поверхность океана в неповрежденном состоянии геологических и биологических проб (от бактерий и взвесей до различных животных и рыб). Эту экспедицию 1979 г. возглавили крупнейшие специалисты из американских университетов и институтов.

Проведенные исследования подтвердили главное – вблизи гидротермов в самом деле кишит жизнь, по крайней мере внешне во многом необычная: крупные моллюски, крабы, двухметровые черви (без рта и пищеварительного тракта). Однако подлинной сенсацией стало обнаружение бактерий, живущих при температурах выше около 570 К (около 300°С). Впоследствии эти бактерии проявляли все признаки активной жизнедеятельности (росли, размножались) уже в лабораторных автоклавах при столь же высоких температурах и давлениях, как и на дне океана у гидротермов. Причем уже при температуре около 355 К (около 80°С) их рост полностью прекращался, так как, по-видимому, им было «холодно».

Обнаружение функционирующих столь высокотемпературных бактерий на чрезвычайных глубинах океана, куда практически не проникают лучи света, потрясло основы биологии. Ведь подавляющее число форм жизни (за исключением хемосинтезирующих бактерий) было обязано своим существованием Солнцу. А кроме того, для всех наземных форм жизни белок (это химическая основа жизни) сворачивается при температуре до 100°С. Оба этих положения опровергались сделанным открытием.

Через некоторое время столь же необычные экосистемы на дне океана, что и у Галапагосских островов, были обнаружены вблизи берегов Мексики, у островов Пасхи и в других местах. И это позволило советским ученым Т. А. Айзатуллину, В. Л. Лебедеву и К. М. Хайлову предположить, что все эти оазисы жизни на дне океана являются не исключением, а скорее, правилом, выявленным на практике1 (здесь можно вспомнить и высказывание Д. Кушнера, процитированное ранее). По мнению этих ученых, должна существовать непрерывная цепочка жизни в местах разломов на океанском дне.

1 См.: Айзатуллин Т. А., Лебедев В. Л., Xайлов К. М. Океан: фронты, дисперсии, жизнь. Л., Гидрометеоиздат, 1984.

Естественно, в связи с обнаружением оазисов жизни на дне океана было выдвинуто немало гипотез, порою весьма экзотических. Например, появилось много гипотез о том, что происхождение жизни на Земле происходило в подобных гидротермах на дне древнего океана. Более того, было даже предположено, что в гидротермах на дне современного океана жизнь зарождается и в настоящее время. В качестве аргумента в пользу этой гипотезы указывался следующий факт: концентрация микроорганизмов в морской воде возрастает по мере увеличения глубины погружения.

Иную точку зрения, во многом поддерживаемую большинством ученых, высказал английский биолог Н. Пири, некогда работавший со знаменитым Дж. Холдейном (теория происхождения жизни Опарина–Холдейна). Н. Пири считает, что жизнь появилась вначале вблизи поверхности Земли, и только впоследствии в ходе весьма длительной эволюции одна из ее ветвей достигла дна океана.

Однако не будем более отвлекаться и вернемся к теме нашей брошюры – космическому вакууму. Условия: космического вакуума также являются экстремальными для жизнедеятельности микроорганизмов. И если жизнь была обнаружена в неожиданных экстремальных температурных условиях, то почему она не может существовать в экстремальных условиях высокого вакуума?

Микроорганизмы в космическом вакууме. На самом деле более правильно, конечно, было бы говорить непросто о вакуумных, а об экстремальных тепловакуумных условиях, поскольку любое тело, помещенное в вакуум, характеризуется определенными температурами. К сожалению, это обстоятельство иногда игнорируется, и многие микробиологи, проводившие эксперименты с микроорганизмами в вакууме (в том числе и в космическом вакууме при полетах космических аппаратов), часто даже не сообщают о температурах биологических объектов. Последнее порою затрудняет интерпретацию результатов подобных экспериментов и вносит некоторую рассогласованность.

Итак, до начала космической эры микробиологи, как правило, изучали поведение микроорганизмов только при нормальном атмосферном давлении окружающей среды, но при воздействии разнообразных факторов (температуры, облучения и т. д.). Исключением здесь являются так называемые процессы лиофилизации микроорганизмов, т. е. их высушивания при пониженных температурах и давлениях окружающей среды.

То, что поведение микроорганизмов в вакууме ранее практически не изучалось, весьма удивительно, поскольку еще в начале XX в. известный шведский ученый С. Аррениус сделал попытку научно обосновать теорию панспермии (теперь ее называют теорией радиопанспермии, чтобы отличить от других разновидностей: литопанспермии, направленной и обратно направленной панспермии). По мнению С. Аррениуса, споры микроорганизмов, перемещаясь в космическом вакууме давлением солнечного света (незадолго до этого русский физик П. Н. Лебедев экспериментально обнаружил этот эффект), могли попасть на Землю и тем самым положить начало зарождению жизни на ней.

Надо сказать, что еще до С. Аррениуса идеи радиопанспермии высказывал в конце XIX в. немецкий ученый Г. Рихтер. Возрождение этой теории в наше время, так сказать, на современной основе было сделано английскими астрофизиками Ф. Хойлом и Ч. Викрамасинком. Однако только с началом космической эры началось интенсивное изучение микроорганизмов в условиях высокого вакуума. И вызвано это было в первую очередь практической необходимостью, связанной с требованием стерилизации космических аппаратов, посылаемых на другие небесные объекты.

Действительно, как уже отмечалось, наличие земных микроорганизмов на борту космического аппарата, если бы они выжили при путешествии в космическом вакууме и попали, скажем, в атмосферу планеты, могло бы существенно исказить эндогенную планетную микрофлору (если таковая там имеется) и отрицательно повлиять на результаты поиска жизни на этих телах.

Кстати, недавно была выдвинута идея о возможности целенаправленного полезного использования земных микроорганизмов для модификации атмосферы Марса при будущей колонизации человеком этой планеты. Реализация этой идеи возможна лишь после тщательных микробиологических исследований Марса. Однако это уже другой сюжет, не относящийся непосредственно к нашей тематике.

Хорошо известно, что высокий вакуум (в том числе и космический вакуум) является средой, губительной для всего живого. Здесь можно вспомнить опыт, проведенный еще в XVII в. немецким физиком О. Герике, который, поместив живую мышь под стеклянный вакуумный колпак, откачал вакуумным насосом из-под него воздух. В результате мышь, естественно, сдохла.

Для человека и вообще для млекопитающих первые неприятности в среде с пониженным давлением начинаются с так называемого кислородного голодания. Вспомним о затруднениях, которые испытывают альпинисты, которые без кислородных приборов, как правило, не могут покорять великие вершины мира. На больших высотах над уровнем моря из крови человека начинают выделяться растворенные в ней газы, и она как бы вскипает. На еще больших высотах начинают лопаться кровеносные сосуды, и человек в отсутствие защитного снаряжения погиб бы от внутренних кровоизлияний.

Для того чтобы космонавт мог успешно жить и работать в космическом вакууме при выходах в открытый космос (а эти выходы все чаще и чаще используются в практической космонавтике), были созданы и успешно эксплуатируются специальные скафандры, имеющие все необходимые системы жизнеобеспечения и надежно защищающие космонавта от губительного воздействия космического вакуума.

Однако воздействие экстремальных тепловакуумных условий на микроорганизмы имеет свою специфику. Так, анализ результатов различных экспериментов с микроорганизмами и спорами в вакууме, проведенный автором брошюры совместно с С. В. Лысенко, показал, что выживаемость (или повреждение) микроорганизмов определяется заданным температурным режимом. При этом обнаружилось, что значительный диапазон температур – от криогенных до умеренно высоких значений (около 400 К) – подразделяется на три отчетливые области, специфические по своему воздействию на микроорганизмы и их выживание.

Так, например, при воздействии температур первой из этих областей (от криогенных до комнатных значений) наблюдается практически 100%-ная выживаемость микроорганизмов и спор; при воздействии температур второй области (от комнатных до несколько повышенных значений) выживаемость всех видов микроорганизмов и спор падает с одинаковой скоростью; при воздействии температур третьей области выживаемость микроорганизмов и спор катастрофически падает практически до нуля.

Что же происходит с микроорганизмами и спорами при значениях температуры из второй области и, самое главное, когда значения температуры приближаются к третьей области? Чем объяснить массовую гибель микроорганизмов и спор при значениях температур из третьей области?

Исследования показали, что при увеличении температуры с неизбежностью начинает постепенно повышаться внутриклеточное и внутриспоровое давление, и это обусловливает механическое повреждение цитоплазматической мембраны, являющееся причиной снижения выживаемости рассматриваемых живых организмов. Повышение внутриклеточного и внутриспорового давления, видимо, вызвано тем, что при увеличении температуры возрастает давление насыщенных паров внутриклеточной жидкой воды.

Как уже говорилось ранее, вегетативная клетка микроорганизмов содержит жидкой воды до 80%, а спора (это наиболее сухая ячейка жизни) – 25 – 40%. Полное же удаление всей внутриклеточной (или внутриспоровой) свободной воды приводит к умерщвлению (инактивации) как вегетативных клеток микроорганизмов, так и спор. Итак, возрастание давления насыщения паров этой воды при увеличении температуры вполне могло объяснять повышение внутриклеточного (или внутриспорового) давления. И действительно, расчеты показывают, что количество теплоты для внутриклеточных процессов как раз соответствует теплоте испарения воды.

Если повышение температуры прервать при достижении некоторого значения температуры из второй области, а затем испытуемый живой организм (клетку или спору) перенести на богатую питательную среду, то через некоторое время он вновь может «ожить». Однако при некотором критическом значении температуры организм окончательно погибает, как и при более высоких значениях температуры (из третьей области). Надо сказать, что границы второй области (как начальные, так и конечные значения) вполне индивидуальны для каждого конкретного вида организма, и поэтому они с некоторой неопределенностью указывались ранее при определении трех критических областей температур для жизнедеятельности микроорганизмов в условиях вакуума.

Изучение погибших микроорганизмов и спор под микроскопом показало, что при значениях температур из третьей области в цитоплазматической мембране вначале появляются дырки и трещины, а потом происходит и полное разрушение мембраны. На последней странице обложки приведены изображения клеток гриба Эндомицес магнузия, находившихся в тепловакуумных условиях (давление порядка 10–4 Па, температура около 295 К, или около 20°С) в течение 5 мин (левая колонка), 10 мин (низ правой колонки) и 15 мин (изображение вверху справа). На некоторых изображениях отчетливо видны выбросы вещества через дефекты мембраны в вакуумное пространство.

Следует заметить, что при этом выбрасываются не только пары внутриклеточной воды, а также и внутриклеточное вещество (поэтому такую клетку, естественно, уже ничем нельзя «оживить»). А при достаточно высоких значениях температуры клетка попросту взрывается под напором внутриклеточного давления. В общем же случае нарушение целостности клеточной мембраны соответствует потере способности клетки к осмотическому действию: с приобретением этой способности доклеточное состояние становится «живым», а с его потерей живая клетка погибает.

Такое заключение на первый взгляд может показаться странным. Осмотическое действие обычно ассоциировалось со способностью воды проходить сквозь клеточную мембрану. Однако обыденный опыт (скажем, кипение воды в чайнике), казалось бы, говорит об обратном: воде в парообразном состоянии легче покидать нагретый сосуд, чем воде в жидком состоянии. При нагревании живой клетки вода в парообразном состоянии также, казалось бы, должна быстро проходить сквозь микропоры в мембране, и поэтому давление насыщенных паров не может сильно увеличиваться (вплоть до разрушения мембраны). Почему же опыт с живыми клетками свидетельствует об обратном?

Дело в том, что на самом деле молекулы пара воды, в отличие от молекул жидкой воды, не могут быстро проходить очень узкие микропоры в клеточной мембране. Вплоть до температур 395 – 450 К (120 – 180°С) вода испаряется большими порциями (кластерами), содержащими десятки и сотни молекул. Эти кластеры не в состоянии проникнуть в микропоры, через которые свободно проходят одиночные молекулы жидкой воды, а также молекулы других газов.

Кстати, на этом свойстве живой клетки основан процесс ее осушки при очень низких температурах (и давлениях) – так называемый процесс лиофилизации. Отсутствие интенсивного процесса парообразования не приводит к повышению внутриклеточного давления и повреждению клеточной мембраны. Поэтому процесс лиофилизации успешно используется в лабораторной медицинской и биологической практике.

Итак, живая клетка с термодинамической точки зрения представляет собой закрытую систему для паров воды и открытую для других газов и жидкой воды. Процесс испарения повышает внутриклеточное давление, что в конечном итоге приводит к повреждению мембраны и появлению на ней трещин и дырок, через которые в окружающее пространство устремляется внутриклеточное вещество вместе с парами воды. Таким образом, главнейшим атрибутом жизни является наличие воды в жидком состоянии, и жизнь возможна только там, где соответствующие термодинамические условия (температура и давление) обеспечивают существование воды в жидком состоянии.

При низких давлениях, а тем более в вакууме испарение воды начинается при достаточно низких температурах. При нормальном атмосферном давлении температура кипения (испарения) воды составляет 100°С (373 К), при более высоких давлениях вода закипает и при более высоких температурах. Кстати, этим и объясняется феномен высокотемпературных организмов на океанском дне – там очень велико гидростатическое давление.

Следует отметить, что гидростатическое давление на дне океана благодаря быстрой диффузии молекул жидкой воды через клеточную мембрану практически мгновенно уравновешивается с внутриклеточным (осмотическим) давлением. Вследствие этого нежная и хрупкая мембрана микроорганизма или его споры не претерпевает механического разрушения и способна функционировать при очень больших гидростатических давлениях окружающей жидкой воды (даже в 100 – 1000 раз превышающих нормальное атмосферное давление).

1   2   3   4


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации