Fundamentalna kosmička biologija (FKB) (engl. Fundamental space biology) je NASA-in program koji okuplja naučnike sa univerziteta širom Sveta u NASA - centare za proučavanje osnovnih bioloških procesa na zemlji i u toku kosmičkih letova. Program je zasnovan na multidisciplinarnom pristupu istraživanjim u oblasti kosmičke biologije i kosmičke medicine. Naučnici okupljeni u ovaj program ne proučavaju samo uticaje kosmičke sredine na osnovne biološke procese u organizmu čoveka i drugih bioloških bića već se bave istraživanjem mogućnosti vanzemaljskog života, u dužem vremenskom periodu.[2] Takođe objekat istraživanja, u okviru programa, su živa bića na Zemlji koja borave u krajnje ekstremnim uslovima kako bi se pronašle vrste koje se uspešno mogu prilagoditi kosmičkim uslovima, kao i primene specifičnih adaptacionih mehanizama, kao osnove u selekciji bioloških jedinki i genetičkom inženjerstvu.[3]
To je naučni projekat koji se intenzivno razvija poslednjih godina uporedo sa astronomijom, kosmonautikom, astrofizikom, astrohemijom, gravitacionom biologijom, kosmičkom medicinom...[4]
Sa nastankom svemirskog doba, stvorena je potreba za eksperimentisanje i proučavanje uslova koji vladaju u kosmosu, o kome je čoveka „sanjao“ od sopstvenog postanka.[5][6][7] Kosmičkim istraživanjima, ne vrši se samo istraživanje fizičkih, meteoroloških i drugih uslova, već i osnovni biološki mehanizmi kosmičke sredine [8]. Na primer, kosmonauti su izloženi mikrogravitaciji, kosmičkom i sunčevom zračenju itd, i zbog toga pate od gubitka mišićne i koštane mase i poremećaja funkcija imunskog sistema.[9][10]. Mnogi od ovih efekata slični su i mogu se uporediti sa onima na Zemlji koje uočavamo kod ljudi tokom procesa starenja.
Sa povećanjem broja i trajanja pojedinih misija (npr. ruski kosmonaut Valerij Poljakov boravio je 437 dana u kosmosu), istraživanja o efektima tih uticaja su od izuzetnog značaja, kako bi se utvrdila izvodljivost i bezbednost dugotrajnih svemirskih misija [11].
Deo tih istraživanja ima takođe fundamentalnu ulogu u izučavanju uloge gravitacije u evoluciji i razvoju života na Zemlji.
Glavne istraživačke aktivnosti, koje su u fokusu FKB, u oblasti su proučavanja efekata mikrogravitacije na ćelije i inženjering eksperimentalnog hardvera (u kome je ključna komponenta hardver modula u centrifugi koja omogućava istraživanja u orbiti). Eksperimenti sa jednoćelijskim kulturama sprovode se u svemirskim laboratorijama u toku; paraboličnih letova, u sondažnim raketama i na uređajima za simulaciju mikrogravitacije (centrifugama) [12].
Fundamentalna kosmička biologija (FKB) nastala je kao jedan od četri istraživačka projekta u okviru NASA kancelarije za biološka i fizička istraživanje (Office of Biological and Physical Research (OBPR).). OBPR nastala kao posebna kancelarija NASA-e tokom 2000. godine reorganizovana je u Kancelariju za izučavanje života u uslovima mikrogravitacije (OLMSA), zatim Kancelariju za humana istraživanje i razvoj u kosmosu (HEDS). OBPR je organizovan tako da ojača sposobnost agencije da odgovori na brojne izazove koje donosi sve veći razvoj i novootkrivene mogućnosti u oblastima kao što su molekularna biologija, nanotehnologija, informacione tehnologije, i genetika. Pre stvaranja OBPR, Fundamentalna prostorna biologija bila je program u okviru OLMSA poznat kao gravitaciona biologija i ekologija.
Samo život koji živimo u univerzumu (jedini život za koji znamo), je život na Zemlji, u svim njegovim ogromnim raznolikostima. Svako živo biće evoluiralo je pod zajedničkim uticajem Zemljine gravitacije atmosfera, i zračenja na različite načine.
Istraživanje kosmosa podrazumeva „odvajanje“ organizama, uključujući i ljudi, iz sredine na Zemlji na koju su se uspešno adaptirali, i dovođenje u novu manje gostoljubivu sredinu kosmosa. Okruženje u kosmosu i na drugim planetama znatno se razlikuju od onih na Zemlji. Zato kosmička biologija sebi postavlja bezbroj pitanja;
Ovo su samo neka, od mnoštva drugih specifičnih pitanja, koj su oblasti proučavanja kosmičke biologije.
Tokom poslednjih 30 godina čovekovog letenja kosmosom, otkriveno je da ljudi, biljke i životinje podležu promenama koje su u neposrednoj vezi sa efektivnim odsustvo gravitacije. Sprovođenjem kontrolisanih istraživanja u uslovima veštačke okoline kojom stvoreni uslove života slični onim u kosmosu, može se odrediti koliko se živi sistemi prilagođavaju, razvijaju i evoluiraju u ovom virtuelnom svetu. Dosadašnja saznanja ukazuje na to da se uz odgovarajuću podršku, život može uspešno prilagoditi i staništima van Zemlje. Kada budemo ovladali saznanjima kako se ti sistemi menjaju, kao odgovor na odsustvo gravitacije, potpuno ćemo razumeti i život na našoj planeti.
Čovekovo prilagođavanje mikrogravitaciji kosmosa mora da bude minimum u nizu funkcija povezanih sa zdravljem, uključujući tu i dodatnu i brzu readaptataciju organizma na gravitaciju Zemlje nakon sletanja. Istraživanja kosmičke biologije su zato od ključnog značaja za određivanje koji bioloških mehanizmi selektivno kontrolišu adaptaciju na kosmičku životnu sredinu. Sa ovim saznanjima, čovek je u stanju da osigura bezbednost ljudi u toku letenja. Istraživanja kosmičke biologije takođe podržavaju razvoj veštačkih ekosistema u svemirskim letelicama i planetarnim bazama, koje su od suštinskog značaja za pružanje dugoročne podrške sistemima za ljudska istraživanje izvan Zemlje.[15][16]
Saznanja kosmičke biologije takođe nam pomažu da razumemo kako je život na Zemlji, evoluirao u stalnom gravitacionom okruženju. Životna evolucija zahtevala je između mora, zemljište i vazduh posebne adaptivne mehanizme za prevazilaženje uticaja gravitacije. Stvorene mogućnosti da se proučava adaptacije malih organizama, kroz više generacija u kosmosu, u varijabilnim gravitacionim nivoima, pruža jedinstveni pogled u istoriju života na Zemlji.[17]
Naziv letelice | Datum leta | Trajanje leta | Vrste bioloških uzoraka | Biološko bezbednosne karakteristike leta | Realizacija zadatka |
---|---|---|---|---|---|
Drugi veštačkih satelit oko Zemlje | 3. novembar 1957. |
Pas Lajka | Registracija: EKG, arterijskog pritiska, učestalosti disanja, motoričke aktivnosti | Satelit se zbog kvara nije vratio na Zemlju | |
Drugi svemirski brod-satelit | 19. avgust 1960. |
1 dan | Psi Strelka i Belka, miš, semenke biljaka, ćelijska kultura, insekti | Registracija: EKG, arterijskog pritiska, disanja, temperature tela, mišićne aktivnosti | Prve životinje koje su se vratile na Zemlju iz svemira |
Treći svemirski brod-satelit | 1. decembar 1960 |
1 dan | Psi Pčelka i Muška, morsko prase, pacov, miš, semenke biljaka | Registracija kod pasa; EKG, arterijskog pritiska, disanja, temperature tela, mišićne aktivnosti (EMG) | Satelit se nije vratio zbog tehničkoh problema |
Četvrti svemirski brod-satelit | 9. mart 1961 |
1,5 čas | Pas Černuška, miš, zamorac, muva, semenke biljaka, bakterije | Registracija; EKG, disanja, sfigmograma | Saltelit se bezbedno spustio po završetku programa |
Peti svemirski brod-satelit | 25. mart 1961 |
1,5 čas | Pas Zvezdočka, morsko prase, muva, semenke biljaka, bakterije, kultura tkiva | Registracija: EKG, disanja, sfigmograma | Saltelit se bezbedno spustio po završetku programa |
Primer iz programa istraživanja FKB [19] |
Brojne studije su pokazale da kosmički let slabi imunski sistem, čineći kosmonaute podložnije bolestima. Salmonela je vodeći uzrok oko 2 do 4 miliona slučajeva gastrointestinalniih bolesti svake godine u SAD. Iako je retko fatalne na Zemlji, infekcija salmonelom može biti katastrofalne u kosmosu, sa potencijalom da ugrozi zdravlje i život posadi i poremeti misiju i obezvredi milione uloženih dolara. |
Istraživač Čeril Nikerson, sa saradnicima, izlagao je kulturu ćelija zaraženu salmonelom uslovima mikrogravitacije i normalnim uslovima gravitacije, a potom sa njom zarazio dve grupe miševa. Miševi inficirani kulturom mikroba odgajenom u simuliranim uslovima mikrogravitacije uginuli su tri dana ranije nego kontrola grupa miševa. Istraživači su takođe pronašli veći broj mikroba kultivisanih u simuliranim uslovima mikrogravitacije u jetre i slezini kod eksperimentalnih miševa, što znači da simulirana mikrogravitacija poboljšava virulentnost bakterija |
Značaj:
Ova istraživanja kosmičke biologije, postavljaju naučne osnove za razvoj novih lekova i vakcina za lečenje i sprečavanje infekcija salmonelom |
Fundamentalna kosmička biologija (FKB) je NASA-in program koji okuplja naučnike sa univerziteta širom Zemlje i u NASA - centarima, za proučavanje osnovnih bioloških procesa na zemlji i u toku kosmičkih letetova, zasnovanog na osnovama multidisciplinarnog pristupa ovom istraživanju.
Okupljanjem mnogobrojnih naučnika i tehnologija na jednom mestu, NASA-in program pokušava da odgovori na najosnovnije pitanja koja su povezana sa evolucijom, razvojem i funkcijama živih sistema kakao na zemlji tako i za vreme dugotrajnog boravka u kosmosu [19].
Fundamentalna kosmička biologija nastoji da proširi naša saznanja o osnovnim biološkim procesima i njihovim mehanizmima preko kojih ovi procesi deluju, reaguju, ili se prilagođavaju kosmičkoj životnoj sredini. Zahvaljujući materijalnim, kadrovskim i tehničkim resursima NASA-ine agencije, omogućeno je naučnicima iz oblasti kosmičke biologije i mnogih drugih grana nauke, da sprovedu svoja istraživanja na ljudima, i drugim organizmima, u kosmosu i na taj način postignu napredak u realizaciji osnovnih principa u biološkim naukama, koji mogu biti od velikog značaja za buduća putovanja i dugotrajan boravak i život u kosmosu.
Osnovne postavke na koje pokušava da u svojim istraživanjima odgovori fundamentalna kosmička biologija kroz svoj program, zapravo su ova ključna pitanja:
Fundamentalna kosmička biologija je trenutno svoja istraživanja (finansiski podržana od od 2000. od strane NASE i drugih naučnih ustanova u svetu) usmerila u sledećih šest različitih oblasti:
Ova oblast izučava fizičke efekte letenja kosmosom na ćelije i organizme. Brojne fizičke interakcije u kosmosu mogu da utiču na razmenu gasova, promene u prenos toplote, i poremećaj difuzije i metaboličke procese.
Zato istraživanja u ovoj oblasti imaju za cilj da utvrda kako biofizički efekati gravitacije menjaju rast, razvoj i funkcije jednoćelijski i višećelijskih organizama?
Glavni zatatak ćelijske i molekularne biologije je da istraži genske, molekularne i ćelijske nivoe i otkrije specifične promene koje mogu u ćeliji nastati u uslovima mikrogravitacije, i pomognu u razumevanju molekularnih mehanizama koji izazivaju ove efekte.
Zato istraživanja u ovoj oblasti treba da otkriju međusobnu povezanost promena u gravitacionoj sili i drugim faktorima u kosmosu i kako oni mogu direktno ili indirektno da utiču, na ćelije, jednoćelijskih organizama, tako i na pojedina tkiva i kako ona reaguju na kosmičku životnu sredinu na genetskom, molekularnom i ćelijskom nivou?
Razvojna biologija ima zadatak da istraži i utvrdi ulogu gravitacije na normalan razvoj i funkcije organizma, faze života (od pune zrelosti do smrti), kao i druge učinke kosmičke životne sredine na sposobnost organizama da se reprodukuje, kao i sposobnost da proizvede narednu generaciju?.
Zato je od ključnog značaja za ovu oblast, izučavanje mehanizama kojima kosmička sredina može uticati na razvoj narednih generacija. Takođe, i da istraži uticaj kosmičke životne sredine na ponašanje jedinke, trajanje životnog veka i procese starenja.
U ovoj oblasti, komparativni pristup se koristi za razumevanje kako organizam transdukuje, opaža, integriše ili odgovora na gravitacionu silu, i da istraži efekte hiper i hipo gravitacije na razvojne, regenerativne, i reproduktivne procese i regulisanje fizioloških sistema (npr. nervnog, mišićno-skeletnog, kardiovaskularnog), i da prouči u kakvoj su interakciji gravitacija i drugi faktori kosmičke životne sredine.
Komparativna biologija organizma ističe fiziološke, mobilne, i molekularne mehanizme dejstva gravitacije i svemirski letova na rast, razvoj, sastav i fiziološke i bihevioralne funkcije životinja i viših biljaka preko filogenetskih skala.
Ova oblast ima za cilj da razume ulogu gravitacije u procesima biološke evolucije. Istraživanja su tako dizajnirana da ukažu na osnovne mehanizme i putevi koji su uticali na razvoj višećelijskih organizama na Zemlji i ispita procese koji omogućavaju organizmu da se razvija i odgovori na promene u okruženju.
Cilj istraživanja gravitacione ekologije je da shvati kako gravitacija i drugi faktori u univerzumu utiču na strukturu, funkciju i stabilnost ekosistema, posebno onih u kosmičkim letelicama ili u planetarnim staništima.
Od posebnog interesa za gravitacionu ekologiju su istraživanja mikrobioloških populacija ili zajednica.
Sprovođenjem ekoloških istraživanja na različitim nivoima utvrđuje se intenzitet izloženosti i vrsta kosmičkih štetnih faktora, i određuje njihov uticaj na ekosisteme, a istovremeno i proverava učinak sistema zaštite letelice i zaštitnih sredstava ljudske posade od štetnih faktora kosmosa.