Одним из перспективных направлений современных биофизических исследований могут являться эксперименты на микроспутниках формата «Cubsat». Эти устройства запускаются на околоземную орбиту в качестве дополнительной нагрузки вместе с крупногабаритными аппаратами. Функционально кубсаты способны выполнять большинство функций классических искусственных спутников Земли с поправкой на их минимальные размеры и отсутствие систем корректировки орбиты. На основании таких устройств сейчас выполняется значительное количество физических экспериментов, в области исследований радиационного фона, радиопрозрачности атмосферы, оптические наблюдения и др. Однако пока слабо представлены биологические эксперименты, что связано с естественными ограничениями по размерам биосистем, не допускающими такой миниатюризации как физические.



Задачей нашего эксперимента являлась разработка дизайна биологических экспериментов на основе микроорганизмов и их реализация в микроспутниках, поднимаемых в стратосферу в условия экстремальных физических воздействий. Стратосферный запуск более прост и доступен технически, при этом биологические образцы попадают в условия, приближенные к таковым в ближнем космосе: низкие температуры, минимальное атмосферное давление, высокие уровни радиации, ультрафиолета. Одной их ключевых проблем является массо-габаритные ограничения кубсатов, которые представляют собой контейнеры размером до 10*10*34 см. Полезную биологическую нагрузку необходимо вместить в модуль объёмом не более 1000 см3.

Микроспутники были разработаны и изготовлены сотрудниками и учащимися ЦМИТ «Перспектива» (г. Курганинск Краснодарского края). Биомодули для различных вариантов организмов были разработаны ими, f также сотрудниками и учащимися клуба «Матрица» и ЦМИТ «Станция» г. Краснодара. Микробный топливный элемент с системой регистрации данных был разработан и изготовлен сотрудниками лаборатории робототехники и механотроники КубГУ Д.А.Барыбиным, А.С.Прутским. Микробиологические эксперименты были разработаны и реализованы студентами и сотрудниками биологического факультета КубГУ, упомянутыми в перечне авторов данной работы. Запуск в стратосферу был осуществлён на аэростате командой ЦМИТ «Перспектива» и «ToSky» (г. Томск). В ходе полёта была достигнута высота 24,6 км, минимальная температура воздуха составляла -42..-55 оС, уровень радиации около 300 мкР/ч. Длительность полёта составила 86 минут. После достижения максимальной высоты и разрыва оболочки шара, возврат микроспутников осуществлялся спуском на парашюте.



Для оценки влияния этих экстремальных физических факторов были разработаны и реализованы 4 варианта биологических экспериментов, размещенных в трёх микроспутниках.

Опыт с микробным топливным элементом (МТЭ) имел задачей изучение биоэлектрогенеза в условиях экстремальных воздействий. Динамика электрического напряжения использовалась как показатель анаэробной дыхательной активности бактерий. В качестве образцов исследовалась монокультура электрогенного штамма рода Shewanella и анодофильные микробные ассоциации иловых сообществ. Была показана возможность создания бактериями потенциала более 300 мВ с некритическим обратимым его снижением в ходе полёта.



Эксперимент с микроводорослями рода Chlorella vulgaris был направлен на исследование изменения динамики роста фотосинтетических организмов в лабораторных условиях после экстремальных физических воздействий стратосферного полёта. Оценка роста суспензии хлореллы проводилась фотометрическим способом в среде Прата. Было показано, что все образцы водорослей сохранили жизнеспособность, причём сходный уровень роста наблюдался у хлореллы, находившейся в биомодуле в условиях термостатирования и без него.



Был проведён эксперимент с ростом бактерий нескольких штаммов на плотной агаризованной среде в чашках Петри, без условий термостатирования и герметизации. Показано, что микроорганизмы сохранили свою жизнеспособность, которая зависела от пигментации их колоний. Культуры, имеющие жёлтые пигменты росли лучше, чем штаммы других цветов. Это, вероятно, может быть обусловлено защитными свойствами, например, каротиноидов, нейтрализующих свободные радикалы, образующиеся при воздействии радиации.



Был проведён аналогичный эксперимент на агаризованной среде с системой «Escherichia coli / бактериофаг». Факт проникновения генетического материала вирусов в клетки бактерий регистрировался визуально по диаметру зоны лизиса. Было показано что и фаг, и кишечная палочка сохранили жизнеспособность, хотя лизирующая способность вируса была значительно ниже, чем в контрольном опыте.



По итогам проведённых биологических экспериментов можно сделать вывод, что исследованные нами микроорганизмы могут быть использованы в качестве модельных объектов для исследования экстремальных физических факторов верхних слоёв атмосферы, в дальнейшем – и ближнего космоса. Целесообразна дальнейшая разработка аппаратуры биомодулей микроспутников кубсат как платформы для биофизических исследований.

One of the promising areas of modern biophysical research may be experiments on the «Cubesat» microsatellites. These devices are launched into Earth orbit as secondary payloads on a launch vehicle. Сubesats are capable of performing most of the functions of a classical artificial Earth satellite, with adjustments for their minimal size and the absence of orbit correction systems. A significant number of physical experiments in the field of radiation, radio transparency of the atmosphere, optical observations, etc., are currently being carried out on the basis of such devices. However, biological experiments are still poorly represented, which is due to natural limitations on the size of biosystems that do not allow miniaturization to the same degree as physical ones.



Our goal was to design microorganisms-based biological experiments that would be possible to subsequently implement it in microsatellites raised into the stratosphere under conditions of extreme physical environment. A stratospheric launch is simpler and more technically accessible than a space launch, but still allows the biological samples to experience conditions close to those in near space: low temperatures, minimal atmospheric pressure, high levels of radiation, including ultraviolet, and so on. One of the key problems is the weight and size limitations of cubesats, which are containers up to 10 × 10 × 30 cm in size. The biological payload must be placed in a module with a volume of no more than 1000 cm3.

The microsatellites were designed and manufactured by the employees and students of the space team «Perspektiva» (Kurganinsk, Krasnodar Region). Biomodules for various organisms were developed by the employees and students of the club «Matrix» and space team «Stantciya» (Krasnodar). The microbial fuel cell with a data recording system was developed and manufactured by D.A. Barybin and A.S. Prutskiy. Microbiological experiments were developed and implemented by the students and employees of the Faculty of Biology of KubSU, mentioned in the list of authors of this work. The launch into the stratosphere was carried out on a balloon by the «Perspektiva» and «ToSky» (Tomsk) teams. During the flight, an altitude of 24.6 km was reached,with the minimum air temperature of -42..-55 °C and the radiation level of about 300 μR / h. The flight duration was 86 minutes. After reaching the maximum height and rupturing the shell of the ball, the return of the microsatellites was carried out by a parachute.



To assess the influence of these extreme physical factors, 4 versions of biological experiments to be placed in three microsatellites were developed and implemented.

The purpose of the experiment with a microbial fuel cell (MFC) was to study bioelectrogenesis under extreme conditions. The dynamics of electrical voltage was used as an indicator of the anaerobic respiratory activity of bacteria. A monoculture of an electrogenic strain of the Shewanella genus and anodophilic microbial associations of silty communities were studied as samples. It was shown that bacteria can create a potential of more than 300 mV with a non-critical reversible decrease during the flight.



The experiment with microalgae Chlorella vulgaris was aimed at studying the growth dynamics of photosynthetic organisms in laboratory conditions after extreme impacts of stratospheric flight. The evaluation of the growth of the Chlorella suspension was carried out by the photometric method in Prat's media. It was shown that all algae samples retained their viability, and a similar level of growth was observed in Chlorella, which also was in the biomodule with and without thermostating.



An experiment was carried out with the growth of bacteria of several strains on a dense agar media in Petri dishes without thermostating and sealing. It was shown that the microorganisms retained their viability, which depended on the pigmentation of their colonies. Cultures with yellow pigments grew better than the strains of other colors; bacteria with pink pigment showed partial color loss and poor growth. This may probably be due to the protective properties of carotenoids, which may neutralize free radicals formed when exposed to radiation.



A similar experiment was conducted on an agarized medium with the «Escherichia coli/bacteriophage» system. The fact of penetration of the genetic material of viruses into the bacterial cells was registered visually by the diameter of the lysis zone. It was shown that both phage and E. coli remained viable, although the lytic ability of the virus was significantly lower than in the control group.



Based on the results of the biological experiments, we can conclude that the microorganisms we studied can be used as model objects for studying extreme physical factors in the upper atmosphere, and in the future, near space. Further development of equipment for biomodules of cubesat microsatellites as a platform for biological research is expedient.