Prezentare generală

Obiectivul principal al cercetării în domeniul biologiei spațiale este de a construi o mai bună înțelegere a modului în care zborurile spațiale afectează sistemele vii din navele spațiale, cum ar fi Stația Spațială Internațională (ISS), sau în experimentele terestre care imită aspecte ale zborurilor spațiale și să se pregătească pentru explorarea umană viitoare misiuni departe de Pământ. Experimentele pe care le desfășurăm pe aceste platforme examinează modul în care plantele, microbii și animalele se adaptează sau se adaptează vieții în spațiu. Examinăm procesele de metabolism, creștere, răspuns la stres, fiziologie și dezvoltare. Studiem modul în care organismele repară daunele celulare și se protejează de infecții și boli în condiții de microgravitație în timp ce sunt expuse radiațiilor spațiale. Și o facem în spectrul organizării biologice, de la molecule la celule, de la țesuturi și organe și de la sisteme la organisme întregi, la comunități de microorganisme.

Obiectivele principale ale programului nostru includ:

  • Descoperiți cum sistemele biologice răspund, se climatizează și se adaptează la mediul spațial
  • Dezvoltarea de modele fiziologice integrate pentru biologia în spațiu
  • Identificarea mecanismelor și rețelelor subiacente care guvernează procesele biologice din mediul spațial
  • Promovarea științei deschise prin sistemul de date GeneLab și arhiva de date pentru științele vieții
  • Dezvoltarea tehnologiilor biologice de vârf pentru a facilita cercetarea zborurilor spațiale
  • Dezvoltarea înțelegerii mecaniciste pentru a sprijini sănătatea umană în spațiu
  • Permiterea transferului de cunoștințe și tehnologie către înțelegerea vieții pe Pământ

Pe lângă furnizarea de informații utile cu privire la modul în care organismele vii se adaptează la zborurile spațiale, descoperirile pe care cercetătorii NASA le fac în spațiu au implicații enorme pentru viața de pe Pământ. Cercetările efectuate de Biologia Spațială asupra virulenței agenților patogeni în spațiu, pierderii densității osoase și modificărilor în creșterea plantelor pot avea impact asupra dezvoltării medicamentelor care promovează vindecarea rănilor sau regenerarea țesuturilor, tratamentele menite să combată osteoporoza pe Pământ și îngrășămintele de înaltă tehnologie care cresc randamentul culturilor.

Biologie animală Prezentare generală

științifice

Viața în spațiu produce schimbări profunde în biologie. Toate organismele de pe Pământ s-au adaptat să funcționeze în condiții de gravitație, atmosferă și cicluri de lumină și întuneric care nu s-au schimbat în milioane de ani, condiții care sunt modificate la bordul navelor spațiale, precum ISS. De exemplu, în timp ce înconjoară Pământul cu viteze de 17.130 mile pe oră, membrii echipajului ISS experimentează răsăritul și apusul soarelui de 16 ori pe zi! Pur și simplu, organismele terestre nu sunt concepute pentru viața în spațiu.

Scopul programului de biologie spațială din zona de biologie animală este de a înțelege mecanismele de bază pe care animalele le utilizează pentru a se adapta și/sau a se acomoda la zborurile spațiale și la modificările gravitaționale în general. Animalele sunt frecvent utilizate pentru modelarea bolilor umane, precum și a modului în care oamenii răspund la stimulii stresanți. Cele mai frecvent utilizate organisme model pentru care genomica este acum bine definită includ specii de vertebrate, de exemplu, rozătoare, atât șobolani și șoareci, cât și o varietate de specii de nevertebrate, de exemplu, nematode și insecte. NASA a folosit aceste organisme model pe scară largă pentru a evalua riscurile biologice ale zborurilor spațiale, pentru a elucida mecanismele fundamentale pe care viața le folosește pentru a se adapta la microgravitație și pentru a aplica astfel de cunoștințe pentru a avansa explorarea umană și pentru beneficiile societății pe Pământ.

Pe măsură ce examinăm impactul zborurilor spațiale asupra biologiei și fiziologiei animalelor, ne punem următoarele întrebări:

  • Efectuați efectul zborurilor spațiale în timp, înrăutățiți-vă sau îmbunătățiți-vă?
  • Efectele expunerii la zboruri spațiale sunt permanente sau scad și/sau dispar cu timpul la întoarcere?
  • Putem preveni efectele adverse înainte să apară sau cel puțin să le diminuăm impactul?
  • Ce condiții sunt necesare pentru ca animalele să trăiască în spațiu ani de zile, să se întoarcă pe Pământ și să rămână sănătoși?

Prezentare generală a biologiei celulare și moleculare

Cercetarea în biologie celulară și moleculară abordează toate disciplinele științifice din biologia spațială, de la înțelegerea modului în care organismele unicelulare, cum ar fi protozoare, bacterii și ciuperci, răspund la condițiile zborului spațial, la modul în care toate celulele dintr-un țesut sau organ complex lucrați împreună pentru a ajuta un organism în ansamblu să se acomodeze cu un astfel de mediu străin. Scopul general al cercetării celulelor de biologie spațială și a biologiei moleculare la NASA este de a determina modul în care stresul mediului de zbor spațial afectează sistemele vii la nivelurile celulare și moleculare de bază, utilizând tehnici și măsuri contemporane de biologie celulară și moleculară. Aceasta include caracterizarea și identificarea modificărilor în expresia genelor și proteinelor, funcția și structura ADN-ului, structura și morfologia celulară și comunicarea celulă-celulă.

Pe măsură ce examinăm impactul zborurilor spațiale asupra biologiei și fiziologiei celulare, cerem următoarele:

  • Care sunt mecanismele genetice și moleculare de bază ale celulelor care sunt influențate de schimbările gravitaționale și de mediul spațial?
  • Mediul de zbor spațial afectează sau influențează funcțiile celulare și moleculare cauzând disfuncții ale țesuturilor/organelor sau stări de boală?
  • Mediul spațial afectează funcțiile celulare și moleculare într-un mod care afectează morfogeneza sau dezvoltarea țesuturilor?

Prezentare generală a microbiologiei

Nu contează unde mergem, ne luăm microbii

Oriunde mergem, luăm cu noi microorganisme, indiferent dacă vrem sau nu. Acest lucru este adevărat chiar și la bordul mediului „curat” al ISS, care este un mediu închis. Cu un echipaj de astronauți la bord, care trăiesc, respiră, fac mișcare și transpirație, ISS este un teren de reproducere pentru microbi.

Microbii pot fi atât prieteni, cât și inamici

Efectele zborurilor spațiale asupra biologiei microorganismelor și asupra populațiilor microbiene sunt în mare parte necunoscute. Pe lângă faptul că prezintă un risc pentru sănătatea astronauților, microorganismele bio-corozive care cresc pe suprafețele metalice ale navelor spațiale pot deteriora atât echipamentele, cât și hardware-ul. Spre deosebire de navele de croazieră de pe Pământ, care pot fi evacuate, golite și curățate, problemele care apar din cauza contaminării microbiene în misiunile de zbor spațial de lungă durată pot fi rezolvate doar folosind instrumente și resurse deja prezente în vas. Înțelegerea modului în care speciile microbiene cresc și interacționează între ele în acest mediu este primul pas în pregătirea pentru un astfel de scenariu.

În timp ce prezența anumitor microbi poate fi problematică, este de asemenea important să ne amintim că multe specii microbiene joacă roluri importante în diversele ecosisteme ale Pământului. De exemplu, relațiile simbiotice care au evoluat între plante și anumite bacterii sunt vitale pentru a se asigura că plantele primesc nutrienții de care au nevoie pentru a crește și a înflori. Cianobacteriile producătoare de oxigen, care trăiesc în corpurile de apă terestre, ajută la refacerea oxigenului Pământului. Chiar și bacteriile care trăiesc în tractul nostru digestiv joacă un rol important în digestia alimentelor noastre și absorbția adecvată a nutrienților. Prezența anumitor microbi poate fi importantă pentru creșterea adecvată a unor plante în spațiu și poate fi chiar critică pentru producerea viitoarelor sisteme de susținere a vieții bio-regenerative. Prin urmare, este important să rețineți că atingerea unui echilibru microbian adecvat într-o navă spațială poate fi vitală pentru misiunile de zbor spațial de lungă durată.

Pe măsură ce examinăm impactul zborurilor spațiale asupra microorganismelor, cerem următoarele:

  • Ce procese genetice, moleculare și biochimice subiacente sunt influențate de mediul de zbor spațial?
  • Cum influențează mediul zborului spațial reproducerea, creșterea și fiziologia microbiană?
  • Zborul spațial de lungă durată modifică ratele normale de schimbare evolutivă?
  • Care sunt efectele zborurilor spațiale asupra comunităților microbiene întrucât acestea interacționează cu alte organisme pentru a efectua procese precum simbioze, biodegradare, fixarea azotului etc.
  • Care sunt mecanismele care afectează modificările, cum ar fi virulența modificată sau rezistența modificată la medicamente, observate în unele organisme în timpul zborului spațial?

Prezentare generală a biologiei plantelor

Cercetarea în biologie spațială ne ajută să înțelegem elementele fundamentale ale creșterii plantelor prin examinarea elementelor constitutive ale vieții plantelor până la nivel molecular: transcriptomică, genomică, proteomică și metabolomică. Pentru a compara efectele condițiilor de microgravitație asupra plantelor, efectuăm, de asemenea, experimente pe Pământ folosind gravitație sau controale simulate de microgravitație la sol la Centrul Spațial Kennedy. Ne desfășurăm cercetările asupra ISS în condiții de microgravitație pentru a ne ajuta să înțelegem cum să sprijinim astronauții la bordul ISS și în lunga lor călătorie spre Marte.

Rotația culturilor: producția de alimente în spațiu
Unul dintre obiectivele majore ale Biologiei Spațiale este de a înțelege modul în care mediul zborului spațial afectează modul în care plantele cresc și se dezvoltă. Cercetările de bază au permis oamenilor de știință de la NASA să cultive plante comestibile în spațiu care ar putea fi folosite ca sursă de hrană proaspătă de către echipajul de pe ISS. Având în vedere că fiecare lucru pe care îl mănâncă astronauții este liofilizat și iese dintr-un pachet înveliți prin micșorare, posibilitatea de a savura o legumă proaspătă oferă o pauză sănătoasă și binevenită din această rutină. Deja, salata română comestibilă și varza au fost cultivate cu succes pe ISS. În curând, Mizuna și roșiile se vor alătura listei de plante comestibile rochie în spațiu.

În anul următor, Space Biology va zbura experimente către ISS concepute pentru a testa creșterea unei varietăți de plante noi pe care echipajul său le poate mânca în timp ce zboară spre Lună și Marte. Pentru a asigura sănătatea astronauților noștri, vom examina compoziția nutrițională a plantelor cultivate în spațiu și vom analiza microbiomul plantelor pe orbită. Această lucrare poate duce în cele din urmă la producerea unei surse sustenabile de alimente sănătoase pe zboruri spațiale de lungă durată, ceea ce îi va ajuta pe astronauți să obțină nutriția de care au nevoie.

Pe măsură ce examinăm impactul zborurilor spațiale asupra biologiei plantelor, cerem următoarele:

  • Cum afectează gravitația creșterea, dezvoltarea și metabolismul plantelor (de exemplu, fotosinteza, reproducerea, formarea ligninei, mecanismele de apărare a plantelor)?
  • Mediul zborului spațial provoacă modificări în interacțiunile plante/microbi?
  • Cum pot fi îmbunătățite și puse în aplicare abordările horticole pentru producția susținută a culturilor comestibile în spațiu (în special în ceea ce privește aprovizionarea cu apă și nutrienți în zona rădăcinii)?
  • Care sunt efectele expunerii cronice la radiațiile cosmice asupra plantelor?

Cum simt plantele și reacționează la gravitație și care sunt mecanismele moleculare implicate?

Biologie de dezvoltare, reproductivă și evolutivă

Ce se întâmplă cu reproducerea și dezvoltarea descendenților pe parcursul unei vieți și a mai multor generații în spațiu? Dar diferențele în ceea ce privește modul în care bărbații și femeile răspund la mediul spațial? Pe măsură ce ne orientăm viziunea spre explorarea și colonizarea lui Marte, acestea sunt marile întrebări la care se străduiește să răspundă laboratorul de reproducere, dezvoltare și diferențe sexuale din cadrul filialei de cercetare a spațiului NASA. Deoarece niciun mamifer nu a născut încă în spațiu, răspunsurile pe care le căutăm ar putea să nu fie văzute de ani de zile.