NASA Tudományos Misszió Igazgatósága

Áttekintés

Az űrbiológiai kutatások fő célja, hogy jobban megértsék, hogyan befolyásolja az űrrepülés az űrhajók, például a Nemzetközi Űrállomás (ISS), vagy az űrrepülés szempontjait utánzó földi kísérletek élő rendszereit, és felkészüljön a jövőbeli emberi felfedezésre. küldetések a Földtől távol. Az ezeken a platformokon végzett kísérletek azt vizsgálják, hogy a növények, mikrobák és állatok hogyan alkalmazkodnak vagy alkalmazkodnak az űrben való élethez. Megvizsgáljuk az anyagcsere, a növekedés, a stresszválasz, a fiziológia és a fejlődés folyamatait. Tanulmányozzuk, hogyan javítják az organizmusok a sejtkárosodást és megvédik magukat a fertőzéstől és a betegségektől mikrogravitációs körülmények között, miközben űrsugárzásnak vannak kitéve. És ezt a biológiai szerveződés spektrumán keresztül végezzük, a molekuláktól a sejtekig, a szövetektől és szervektől, a rendszerektől az egész organizmusokon át a mikroorganizmusok közösségéig.

Programunk alapvető céljai a következők:

Fedezze fel, hogy a biológiai rendszerek hogyan reagálnak, alkalmazkodnak és alkalmazkodnak az űrkörnyezethez
Integrált fiziológiai modellek kidolgozása a biológia számára az űrben
Az űrkörnyezet biológiai folyamatait irányító mögöttes mechanizmusok és hálózatok azonosítása
A nyílt tudomány népszerűsítése a GeneLab Data System és az Life Sciences Data Archive segítségével
Korszerű biológiai technológiák fejlesztése az űrrepülések kutatásának megkönnyítése érdekében
Mechanisztikus megértés fejlesztése az emberi egészség támogatására az űrben
Lehetővé teszi az ismeretek és a technológia átadását a földi élet megértéséhez

A NASA kutatóinak az űrben végzett felfedezésein túl hasznos információk nyújtanak arról, hogyan alkalmazkodnak az űrrepülésekhez, óriási következményei vannak a Föld életére. Az Űrbiológia kutatása az űrben található kórokozók virulenciájára, a csontsűrűség csökkenésére és a növények növekedésének változásaira kihathat a sebgyógyulást vagy a szövetek regenerálódását elősegítő gyógyszerek, a földi oszteoporózis leküzdésére szolgáló kezelések és a csúcstechnológiájú műtrágyák kifejlesztésére. amelyek növelik a terméshozamot.

Állatbiológiai áttekintés

Az élet az űrben mélyreható változásokat eredményez a biológiában. A Föld minden élőlénye alkalmazkodott a gravitáció, az atmoszféra, valamint a fény és a sötétség körforgásaihoz, amelyek évmilliók alatt nem változtak, olyan körülmények között, amelyek megváltoznak az űrhajók fedélzetén, mint az ISS. Például, miközben a Földet óránként 17 130 mérföld sebességgel keringik, az ISS legénységének tagjai naponta 16-szor tapasztalják meg a napfelkeltét és a naplementét! Egyszerűen fogalmazva: a szárazföldi organizmusokat nem az űrben való életre tervezték.

Az Űrbiológiai Program célja az állatbiológiai területen az alapvető mechanizmusok megértése, amelyeket az állatok alkalmaznak az űrrepülésekhez és/vagy általában a gravitáció megváltozásához való alkalmazkodáshoz és/vagy hozzáigazuláshoz. Az állatokat gyakran használják az emberi betegségek modellezésére, valamint arra, hogy az emberek hogyan reagálnak a stresszes ingerekre. A leggyakrabban használt modellorganizmusok, amelyek genomikája ma már jól körülhatárolható, a gerinces fajok, például a rágcsálók, mind a patkányok, mind az egerek, és a különféle gerinctelen fajok, például a fonálférgek és a rovarok. A NASA ezeket a modellszervezeteket széles körben felhasználta az űrrepülés biológiai veszélyeinek értékelésére, az élet alapvető mechanizmusainak tisztázására, hogy alkalmazkodjon a mikrogravitációhoz, és ezeket az ismereteket felhasználva elősegítse az emberi felfedezést és a társadalmi előnyöket a Földön.

Amikor megvizsgáljuk az űrrepülés állatbiológiára és élettanra gyakorolt hatásait, a következő kérdéseket tesszük fel:

Az űrrepülés hatása az idő múlásával kiegyenlítődik, rosszabbodik vagy javul?
Az űrrepülés expozíciójának hatásai állandóak-e, vagy visszatérve az idő múlásával csökkennek és/vagy eltűnnek?
Meg tudjuk-e előzni a káros hatásokat, mielőtt azok megjelennek, vagy legalábbis csökkenthetjük-e a hatásukat?
Milyen körülmények szükségesek ahhoz, hogy az állatok évekig az űrben éljenek, visszatérjenek a Földre és egészségesek maradjanak?

Sejt- és molekuláris biológia áttekintés

A sejt- és molekuláris biológiai kutatások az űrbiológia minden tudományterületén átívelnek, kezdve attól, hogy megértsék, hogyan reagálnak az egysejtű szervezetek, például protozoonák, baktériumok és gombák az űrrepülés körülményeire, és egy komplex szövet vagy szerv különböző sejtjeinek mikéntjére dolgoznak együtt, hogy segítsenek egy szervezet egészének hozzáállni egy ilyen idegen környezethez. A NASA űrbiológiai sejt- és molekuláris biológiai kutatásának átfogó célja annak meghatározása, hogy az űrrepülés környezetének feszültségei hogyan befolyásolják az élő rendszereket az alapvető sejt- és molekuláris szinten, korabeli sejt- és molekuláris biológiai technikák és intézkedések alkalmazásával. Ez magában foglalja a gén és fehérje expressziójának, a DNS működésének és szerkezetének, a sejtek szerkezetének és morfológiájának, valamint a sejtek közötti kommunikáció változásainak jellemzését és azonosítását.

Amikor megvizsgáljuk az űrrepülés sejtbiológiára és fiziológiára gyakorolt hatását, a következőket kérjük:

Melyek azok a sejtek genetikai és molekuláris mechanizmusai, amelyeket a gravitációs változások és az űrkörnyezet befolyásolnak?
Befolyásolja-e az űrrepülés környezete a sejtek és a molekulák működését, ami szöveti/szervi diszfunkciókat vagy betegségállapotokat okoz?
Hatással van-e az űrkörnyezet a sejtek és a molekulák működésére oly módon, hogy befolyásolja a szövetek morfogenezisét vagy fejlődését?

Mikrobiológiai áttekintés

Nem számít, hová megyünk, elvisszük a mikrobáinkat

Bárhová megyünk, mikroorganizmusokat viszünk magunkkal, akár akarjuk, akár nem. Ez még az ISS „tiszta” környezetének fedélzetén is igaz, amely zárt környezet. Az űrhajósok legénységével a fedélzeten élő, lélegző, testmozgás és izzadás miatt az ISS a mikrobák táptalaja.

A mikrobák lehetnek barátok és ellenségek is

Az űrrepülés hatása a mikroorganizmusok biológiájára és a mikrobiális populációkra nagyrészt ismeretlen. Amellett, hogy kockázatot jelentenek az űrhajósok egészségére, az űrhajók fémes felületén szaporodó biokorrozív mikroorganizmusok károsíthatják mind a berendezéseket, mind a hardvereket. Ellentétben a Földön található tengerjáró hajókkal, amelyeket ki lehet üríteni, ki lehet üríteni és meg lehet tisztítani, a hosszú távú űrrepülési küldetések mikrobiális szennyeződése miatt felmerülő problémákat csak a hajón már meglévő eszközökkel és erőforrásokkal lehet megoldani. Az ilyen forgatókönyv előkészítésének első lépése annak megértése, hogy a mikrobiális fajok hogyan nőnek és kölcsönhatásba lépnek egymással ebben a környezetben.

Bár bizonyos mikrobák jelenléte problémás lehet, azt is fontos megjegyezni, hogy sok mikrobiális faj fontos szerepet játszik a Föld különféle ökoszisztémáiban. Például a növények és bizonyos baktériumok között kialakult szimbiotikus kapcsolatok létfontosságúak annak biztosításához, hogy a növények megkapják a növekedéshez és virágzáshoz szükséges tápanyagokat. A földi víztestekben élő oxigént termelő cianobaktériumok segítenek feltölteni a Föld oxigénjét. Még az emésztőrendszerünkben élő baktériumok is fontos szerepet játszanak ételeink emésztésében és a tápanyagok megfelelő felszívódásában. Bizonyos mikrobák jelenléte fontos lehet egyes növények megfelelő növekedéséhez az űrben, sőt kritikus lehet a jövőbeni bio-regeneratív életfenntartó rendszerek előállításához. Ezért fontos szem előtt tartani, hogy az űrhajón belül a megfelelő mikrobiális egyensúly elérése létfontosságú lehet a sikeres, hosszú időtartamú űrrepülési küldetések számára.

Az űrrepülés mikroorganizmusokra gyakorolt hatásainak vizsgálatakor a következőket kérjük:

Az űrrepülés környezete milyen genetikai, molekuláris és biokémiai folyamatokat befolyásol?
Hogyan befolyásolja az űrrepülés környezete a mikrobák szaporodását, növekedését és fiziológiáját?
A hosszú ideig tartó űrrepülés megváltoztatja-e az evolúciós változás normál sebességét?
Milyen hatással van az űrrepülés a mikrobiális közösségekre, amikor kölcsönhatásba lépnek más organizmusokkal olyan folyamatok végrehajtása érdekében, mint a szimbiózisok, a biodegradáció, a nitrogén-rögzítés stb.
Melyek azok a mechanizmusok, amelyek az űrrepülés során bizonyos organizmusokban megfigyelik a változásokat, például a megváltozott virulenciát vagy a megváltozott gyógyszerrezisztenciát?

Növénybiológiai áttekintés

Az űrbiológiai kutatás segít megérteni a növény növekedésének alapjait, a molekuláris szintig megvizsgálva a növényi élet építőköveit: transzkripptika, genomika, proteomika és metabolomika. A mikrogravitációs körülmények növényekre gyakorolt hatásainak összehasonlításához a Földön kísérleteket is végzünk gravitációs vagy szimulált mikrogravitációs földi vezérlőkkel a Kennedy Űrközpontban. Az ISS-vel kapcsolatos kutatásunkat mikrogravitációs körülmények között végezzük, hogy segítsünk megérteni, hogyan lehet támogatni az űrhajósokat az ISS fedélzetén és hosszú útjukon a Marsig.

Vetésforgó: Élelmiszer-előállítás az űrben
Az űrbiológia egyik fő célja annak megértése, hogy az űrrepülés környezete hogyan befolyásolja a növények növekedését és fejlődését. Az alapkutatás lehetővé tette a NASA tudósainak számára, hogy ehető növényeket termesszenek az űrben, amelyeket az ISS személyzete friss élelmiszerek forrásaként használhat fel. Figyelembe véve, hogy minden, amit az űrhajósok esznek, fagyasztva szárítják, és zsugorított csomagolásból származnak, a friss zöldségfélék élvezete egészséges és nagyon örvendetes kikapcsolást jelent ebben a rutinban. Az ISS-en már sikerrel termesztettek ehető római salátát és káposztát. Hamarosan a Mizuna és a paradicsom csatlakozik az űrben felöltözhető ehető növények listájához.

A következő évben az Űrbiológia kísérleteket fog repülni az ISS-be, amelynek célja a legkülönfélébb növények növekedésének tesztelése, amelyeket legénysége végül meg tud enni, amikor a Holdra és a Marsra repülnek. Az űrhajósok egészségének biztosítása érdekében megvizsgáljuk az űrben termesztett növények táplálkozási összetételét, és megvizsgáljuk a pályán lévő növények mikrobiomját. Ez a munka hosszú távú űrrepülések során végül fenntartható egészséges táplálék előállításához vezethet, amely segít az űrhajósoknak a szükséges táplálékban.

Az űrrepülés növénybiológiára gyakorolt hatásainak vizsgálatakor a következőket kérjük:

Hogyan befolyásolja a gravitáció a növények növekedését, fejlődését és anyagcseréjét (pl. Fotoszintézis, újragyártás, ligninképződés, növényvédelmi mechanizmusok)?
Az űrrepülés környezete okoz-e változásokat a növény/mikroba kölcsönhatásokban?
Hogyan lehet mind javítani, mind megvalósítani a kertészeti megközelítéseket az ehető növények tartós termeléséhez az űrben (különösen ami a gyökérzónában található víz- és tápanyagellátást illeti)?
Milyen hatásai vannak a kozmikus sugárzás krónikus expozíciójának a növényekre?

Hogyan érzékelik és reagálnak a növények a gravitációra, és mik a molekuláris mechanizmusok?

Fejlesztési, szaporodási és evolúciós biológia

Mi történik az utódok szaporodásával és fejlődésével az egész életen át és az űrben több generáción keresztül? Mi a helyzet azzal a különbséggel, hogy a férfiak és a nők hogyan reagálnak az űrkörnyezetre? Amikor a Mars felfedezése és gyarmatosítása felé tartunk, ezekre a nagy kérdésekre igyekszik válaszolni a NASA Űrbiológiai Tudományos Kutatóintézetének Reprodukciós, Fejlesztési és Nemi Különbségek Laboratóriuma. Mivel még egyetlen emlős sem szült az űrben, a keresett válaszok évek óta nem láthatók.