Безбилетные пассажиры

Люди запускали в космос не только себе подобных, но и собак, крыс, мышей и множество других живых организмов. А также — микроорганизмов, которые пробираются на борт зачастую помимо желания инженеров и ученых. Что представляет собой микробиологическая обстановка на борту МКС и других обитаемых космических аппаратов? Чем космические условия для бактерий отличаются от земных? И насколько опасно распространение в космосе земных микробов? Редакция N + 1 постаралась найти ответы на эти вопросы.

Плесень атакует

В 1997 году на борту космической станции «Мир» произошло чрезвычайное происшествие: отказал блок управления прибора связи с Землей. Так как приборы в космосе обычно резервируются, связь удалось наладить через запасную систему. Однако причины поломки оставались неизвестны до тех пор, пока неисправный прибор не был доставлен на Землю.

По словам Светланы Поддубко из Института медико-биологических проблем (ИМБП) РАН, после вскрытия крышки прибора оказалось, что он вышел из строя из-за размножения плесневых грибов на изоляции проводов: она была практически разрушена, а на проводах наблюдались многочисленные наросты синего цвета (предположительно, окислы меди), из-за которых и произошло замыкание.

Каждый случай выхода из строя прибора на орбитальной станции — чрезвычайная ситуация, выяснению причин которой придается большое значение. Если какой-то неизвестный фактор вывел из строя одну систему, он может сделать это и с другой.

Ситуация была тем более опасной, что плесневые грибы размножались на станции «Мир» не только на одном этом приборе: побывавшие на ней космонавты отмечали, что на станции ощутимо пахнет гнилыми яблоками. Причина была той же — плесневые грибы. Чтобы получать нужные им химические элементы, они расщепляют молекулы субстрата, на котором растут, выделяя различные ферменты. Так, плесень постепенно разрушает пластиковые детали, а выделяемые при этом ферменты и дают запах гнилых яблок.

Сегодня на МКС этого запаха нет: там работают два модуля «Поток», воздействующие на микроорганизмы в воздухе слабыми импульсами электрического тока и за счет этого пробивающие отверстия в их клеточных стенках (этот процесс называется электропорацией). При этом отверстия эти достаточно большие, чтобы клетка погибла.

Благодаря работе «Потоков» концентрация плесневых грибов в воздухе сейчас ниже санитарных норм. Но если воздух удалось сделать чистым, то, к сожалению, полностью очистить методом электропорации стенки станции невозможно. Уборка с помощью пылесоса и салфеток, смоченных в перекиси водорода, тоже недостаточно эффективна для этого.

Бактерии и грибы могут накапливаться в укромных местах, например под пластиковыми крышками или стенными панелями. Внешние алюминиевые стенки станции подвергаются большим перепадам температур, а изнутри станцию непрерывно кондиционируют — от этого в зазоре между внутренним и внешним слоями обшивки периодически выпадает конденсат, откуда и черпают влагу микроорганизм. В таких местах их концентрация, как правило, особенно высока — с соответствующими последствиями.

В 2001 году уже на МКС сложилась другая чрезвычайная ситуация. На борту станции находился российский противопожарный датчик, регистрирующий количество микрочастицы в проходящем через него воздухе. Из-за разрастания микроорганизмов вокруг регистрирующей иглы датчика он начал подавать ложные сигналы о пожаре, чем серьезно нервировал экипаж.

И в этом случае лишь возврат датчика на Землю позволил установить причину неисправности. Стоит отметить, что последствия подобных сбоев были бы куда серьезнее, если бы они затронули системы кондиционирования или регенерации кислорода: ни те, ни другие на борту МКС не имеют полноценного резервирования.

Разумеется, с тех пор системы связи и датчик противопожарной безопасности на станции усовершенствовали так, чтобы их биообрастание было затруднено. Но пластиковая изоляция проводов по-прежнему привлекательна для бактерий, и в любой момент их размножение может затронуть еще какой-нибудь прибор. Вот почему так важно контролировать число микроорганизмов на станции и держать его в рамках разумного.

Найти и посчитать

Как происходит учет микроорганизмов на МКС? Прежде всего необходимо собрать образцы. В российском и американском сегментах станции для этого применяются отдельные инструкции, но в целом эти процедуры похожи. Российские космонавты, например, проводят специальными тампонами по внутренним стенам станции в специально регламентированных точках, после чего тампоны собираются, пакуются и отправляются на Землю.

Сбор проб начинается не раньше чем за 36 часов до отправки корабля. Чтобы бактерии за это время не успели размножиться, тампоны погружают в специальную жидкость, которая не убивает микроорганизмы, но и не дает им делиться.

После посадки, в лаборатории на Земле, бактерии, археи и грибы с тампонов необходимо культивировать, чтобы затем подвергнуть анализу. Для надежного отделения одного колониеобразующего организма от другого смывы с тампонов разводят так, чтобы гарантированно изолировать их друг от друга.

После завершения культивации можно приступать к подсчетам и каталогизации обнаруженных одноклеточных организмов. Особенное внимание при изучении микробиологического загрязнения МКС уделяется патогенным бактериям и грибам.

У этого проверенного метода есть один важный недостаток: значительная часть микроорганизмов не культивируется в стандартных лабораторных условиях. Обычные питательные среды бактерий и грибов им чем-то не подходят, и часто даже неизвестно, чем именно. Тем не менее такие организмы могут представлять угрозу для космонавтов и оборудования станции.

Именно поэтому в 2019 году исследователи из США параллельно с традиционным решили использовать и другой метод — полимеразную цепную реакцию (ПЦР), которая позволяет подсчитать количество молекул ДНК в пробе.

В результате им удалось составить более полный каталог микроорганизмов, живущих на МКС.

Параллельно выяснилось, что из всех микробов, обнаруженных на поверхностях американского сегмента МКС, лишь 46 процентов живых бактерий и 40 процентов грибов можно было обнаружить и посчитать с помощью выращивания в культурных средах. Остальные относились к некультивируемым видам, то есть стандартными методами обнаружить их было невозможно.

Жизнь не по ГОСТу

Для оценки микробиологической безопасности в космосе существуют нормативные документы. В России, например, действует ГОСТ Р 50804-95 «Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате», где говорится о том, каков допустимый уровень содержания бактерий и грибов в воздухе и на стенах аппаратах.

Подсчет ведется в особых колониеобразующих единицах (КОЕ): для воздуха их количество по бактериям не должно превышать 600 на кубометр, а по грибам — 100 КОЕ на кубометр. Важно при этом не только количество, но и качество: ГОСТ требует, чтобы в воздухе, которым дышат космонавты, не было патогенных бактерий или грибов.

Для поверхностей, где микробы склонны образовывать биопленки (после появления которых уничтожить составляющие ее организмы уже очень сложно), требования такие: 500 КОЕ на 100 квадратных сантиметров для бактерий и 10 КОЕ на ту же площадь — для грибов. Но это на момент запуска аппарата, а поскольку в ходе полета микробы неизбежно размножаются, то для пребывания в космосе ГОСТ делает скидку: 1000 КОЕ для бактерий и 100 КОЕ для грибов — опять же, без патогенных видов.

Что же показало последнее американское исследование, если перевести его на язык российского ГОСТа? Применение стандартного метода (культивация бактерий с тампонов в лаборатории) выявило, что на стенах американского сегмента МКС содержится от 670 КОЕ до 780 миллионов КОЕ на 100 квадратных сантиметров (да-да, местами — в сотни тысяч раз больше, чем допускает ГОСТ Р 50804-95).

Грибов также нашлось немало — от 1,1 тысячи до 310 тысяч КОЕ на 100 квадратных сантиметров. Это, опять же, во много раз больше, чем положено по российскому ГОСТу.

Вторая методика, с использованием ПЦР, дала не менее впечатляющие результаты: среднее количество (других данных этот метод не дает) бактерий и грибов на 100 квадратных сантиметров составило, соответственно, 31 миллион и 7,1 тысячи КОЕ — по бактериям в 31 тысячу раз выше, чем допускает ГОСТ, а по грибам — в 71 раз.

Конечно, наш ГОСТ для написан для космонавтов и формально применим только на борту отечественных космических аппаратов, например кораблей «Союз». Для совместных же работ на МКС США и Россия еще в конце 1990-х годов приняли видоизмененные нормы — ISS Medical Operations Requirements Document (MORD).

В этом новом документе нормативы для грибов остались прежними, а вот по бактериям были значительно смягчены: нормальным считается наличие до 10 000 КОЕ на 100 квадратных сантиметров, причем MORD учитывает число культивируемых КОЕ, поэтому данные ПЦР-метода здесь неприменимы.

При таком подходе превышение норм MORD по бактериям в американском сегменте МКС, согласно последнему исследованию, составило не до сотен тысяч, а всего лишь до 78 тысяч раз.

Кто на станции живет

Любопытным оказался и состав образцов, доставленных с МКС в рамках того же исследования 2019 года.

Методом культивации удалось выявить 133 вида бактерий и 81 вид грибов. Бактерии принадлежали к трем типам: актинобактерии, фирмикуты (куда входят и многие патогенные бактерии) и протеобактерии.

Среди родов наиболее распространены стафилококки (26 процентов всех видов), род Pantoea (23 процента, это энтеробактерии, в том числе оппортунистические патогены) и Bacillus (11 процентов). Лидером среди видов стал золотистый стафилококк — к нему относятся 10 процентов от всех найденных бактерий.

Чтобы обнаружить виды, не выявленные культивацией, исследователи снова прибегли к ПЦР. В ходе этой реакции определенный участок ДНК из биологической пробы многократно избирательно копируется. При этом растет количество уникальных последовательностей ДНК, отличающих один вид бактерий от другого, и это позволяет более надежно эти виды определить.

Метод ПЦР показал наличие целого ряда видов, не выявленных культивацией. В целом более 50 процентов всех выявленных видов относятся к энтеробактериям. Множество их видов входят в нормальную микрофлору кишечника, но среди них есть среди и чумная палочка, и сальмонелла, и ряд других патогенов.

Конкретно в случае МКС уверенно можно говорить только об обнаружении кишечной палочки — условного патогена.

Среди грибов лидируют Rhodotorula mucilaginosa (41 процент от всех грибов) и пенициллиновые грибы. Интересно, что R. mucilaginosa в ряде случае способна начать размножаться в кровотоке человека — с тяжелыми для него последствиями, но лишь если он принимает иммунодепрессанты или использует катетер.

Ясно, что пока космонавты здоровы, им ничего особенно не угрожает. А вот в случае, если кому-то из них понадобится операция или прием иммуноподавляющих лекарств, ситуация может заметно осложниться.

Несколько неожиданным стало то, что видовой состав микробиома МКС оказался очень непохож на другие среды, которые, по логике, должны быть близки к «космическим».

Ни в «чистых комнатах» NASA (где проводится сборка космического оборудования), ни в помещениях, где ведутся эксперименты по длительным полетам на Марс и Луну, такого микробиома, как на МКС, не выявлено. Там не просто найдено намного меньше бактерий и грибов, но и выявлены иные доминирующие виды.

Зато микробиом МКС очень похож на тот, что встречается в большинстве земных зданий, регулярно посещаемых людьми, — фитнесс-центрах, офисах, больницах. И земные здания, и МКС внутри населяют примерно те же бактерии и грибы, что встречаются на коже животных и человека. Типичный пример — стафилококки, обычные обитатели нашей кожи и части верхних дыхательных путей.

Иными словами, микробиом орбитальной станции, вероятно, в основном попал на нее с кожи членов экипажа, а не из каких-то иных источников.

У кого чище

Конечно, можно утешать себя тем, что работа американской группы была проведена в американской части МКС. Но едва ли это значит, что в российском секторе МКС все в порядке (пусть из американской работы напрямую и не вытекает, что нормы микробиологической безопасности так же сильно нарушаются и на «нашем» сегменте станции).

По словам Светланы Поддубко из ИМБП РАН, в работе американских авторов использована слегка иная методика подсчета колониеобразующих бактерий по сравнению с принятой на российском сегменте МКС. В частности, космонавты пробы со стенок станции собирают тампонами, а астронавты — салфетками. Далее, из опубликованной работы не вполне ясно, не были ли получены самые высокие цифры складыванием результатов по разным салфеткам.

Тем не менее, сам факт превышения норм MORD на МКС вполне возможен. В ответ на запрос N + 1 ИМБП РАН сообщил, что в сентябре 2018 года на российской части МКС в некоторых частях интерьера и за панелями обшивки было найдено до 3,7 миллиона КОЕ бактерий на сто квадратных сантиметров, что превышает нормы MORD в 370 раз.

При этом, подчеркнула Светлана Поддубко, каждый случай превышения норм микробиологической загрязненности не остается без последствий. Экипаж МКС получает указания провести обработку проблемного участка с помощью специальных средств, содержащих перекись водорода, способную уничтожить практически любые бактерии, но при этом малотоксичную для людей.

Само по себе периодическое превышение норм MORD, утверждает Поддубко, не несет серьезной угрозы здоровью космонавтов. Нормы могут показаться даже излишне жесткими, но это только на первый взгляд.

Космический аппарат — герметичная система, и любой вид микроорганизмов, попавших в нее, может остаться там навсегда. В земных условиях помещения, требующие стерильности, например операционные в больницах, проходят санобработку с применением высокоэффективных дезинфекционных средств на основе хлора. Но на МКС их применять нельзя — в герметичных помещениях хлорсодержащие соединения опасны для людей.

В теории, ту же МКС можно было бы оснастить фильтрационными установками, способными очистить воздух от сильных дезинфектантов, но вес и габариты такого оборудования слишком велики для нынешних возможностей космической техники. Поэтому понятно стремление тех, кто разрабатывает нормы микробиологической защиты, заложить в них определенные резервы, то есть сделать их как можно более строгими.

Инфекция в космосе

В 2016 году в США

медицинские истории, накопленные за 20,57 человеко-года, проведенных на МКС. На них пришлось

, которые теоретически могли быть вызваны микроорганизмами.

Впрочем, часть из них следует исключить из рассмотрения. Так, у двух человек возникли симптомы аллергии, которая могла быть вызвана разными причинами, так что однозначно связать ее с микробиологической нагрузкой невозможно.

В 20 случаях были зафиксированы те или иные «простудные» симптомы: чихание, кашель, скопление мокроты в дыхательных путях, ринит. Непонятно, насколько однозначно эти события связаны с микробимомом МКС: болезнетворные микробы астронавты могли привезти с собой, даже несмотря на строгий карантин.

Шесть жертв герпеса также могли быть носителями «земного» вируса, который лишь активировался в условиях МКС в силу разбалансировки работы иммунитета в новых условиях. Жалобы на боль и зуд в ушах еще у шестерых, как и единичный случай фарингита, тоже могли быть вызваны самыми разными причинами, не связанными с микробиологической обстановкой на станции.

Но есть в этом списке и такие случаи, в которых роль внешней инфекции не подвергается сомнению. Это 23 случая кожной сыпи и гиперчувствительности, шесть случаев кожных инфекций, включая гноеобразование в ранах и порезах, два случая инфекций мочевых путей и четыре иных инфекционных случая.

Но десятки случаев инфекционных заболеваний на 20 с лишним человеко-лет — совсем не высокий показатель, особенно если учесть, что в космосе иммунная система перестраивается и это, очевидно, повышает уязвимость организма к инфекциям. Средний астронавт может провести в космосе целый год и не столкнуться ни с каким более или менее серьезным заражением.

Микродесант на Марс

Человечество не вечно будет вечно летать только на нижней околоземной орбите. Рано или поздно среды с микробиологической нагрузкой уровня МКС могут достичь других планет. И это может создать определенные риски для новой среды обитания.

В экспериментах с целым рядом метанопродуцирующих архей обнаружилось, что они не просто выживают, но и размножаются в условиях марсианского атмосферного давления: все, что им нужно, это небольшие количества водорода, который должен образовываться на Марсе абиогенно, за счет взаимодействия подземных вод с оливиновыми породами.

При этом в кишечнике человека живет более сотни разновидности архей, и большинство из них просто еще никто не исследовал на способность проживать в марсианских условиях. То есть фактически невозможно с уверенностью сказать, какой из видов микробиома космической станции приживется на Марсе, а какой нет.

Конечно, сегодня МКС не может покинуть низкую околоземную орбиту, и ни одна из ныне существующих ракет NASA и «Роскосмоса» не способна даже на полет к Луне, не то что к потенциально обитаемому Марсу. Но ситуация может сильно измениться: первый демонстратор корабля, способного сесть на Марсе, уже оторвался от Земли летом 2019 года.

По герметизированному объему полноразмерный корабль такого типа соответствует МКС, и за время полета его микробиом неизбежно станет довольно многочисленным, как в тех же модулях МКС. Теоретически это значит, что те же метаногенные археи могут попасть на Марс с земными космическими кораблями. На сегодня никто не знает, как можно предотвратить такое развитие событий.

Светлана Поддубко из ИМБП РАН отмечает, что этот вопрос давно стоит перед научным сообществом. Существуют нормы санитарной обработки, которым должен подвергаться любой объект, отправляемый на космические тела, где возможно наличие жидкой воды. Помимо Марса к ним относится ряд «ледяных лун» планет-гигантов.

Однако гипотетически такие меры могут быть и недостаточными. Никакая дезинфекция не способна ликвидировать микробиом людей.

Как известно, бактериальных клеток и клеток архей в человеке в несколько раз больше, чем его собственных, и любая попытка полностью избавить живой организм от микробиома приведет к его гибели, так как за этим последует полный отказ как иммунной, так и пищеварительной систем.

Вот почему при всей важности мер по дезинфекции кораблей и аппаратуры уверенно говорить о том, что мы способны предотвратить занос земных форм жизни на другие планеты, невозможно.

Александр Березин