XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Изучение живых организмов в верхнем слое атмосфере
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
1.1. Обоснование актуальности исследования живых организмов верхнем слое атмосферы.
Исследование живых организмов в верхнем слое атмосферы представляет собой важную и актуальную тему по нескольким причинам: Поиск жизни в экстремальных условиях: Верхний слой атмосферы Земли считается экстремальной средой из-за высоких уровней ультрафиолетового излучения, низкого давления и низких температур. Изучение возможностей существования живых организмов в таких условиях может дать индийское представление о пределах жизни и адаптацию микробных форм к жестким атмосферным условиям.
1.2. Цель и задачи исследования.
Цель исследования живых организмов в верхнем слое атмосферы может быть обобщена следующим образом:
Цель исследования: Изучение имеющихся, разнородных и роли живых организмов в верхнем слое атмосферы Земли. Для достижения указанной цели можно выделить следующие основные задачи исследования: Определение наличия живых организмов: Провести анализ атмосферных образцов на предмет наличия микробов, вирусов и других живых организмов с помощью современных методов анализа.
2. Исследовательский этап
2.1 Проведение наблюдений и сбора данных в верхнем слое атмосферы.
Наблюдения и сбор данных о живых организмах в верхнем слое атмосферы — это научное направление, изучающее атмосферный биопланктон. Это микроскопические организмы, которые способны существовать в условиях высоких атмосферных слоев, таких как стратосфера и мезосфера.
Процесс их исследования включает использование специализированных аэробиологических методов. Обычно для сбора данных используют аэрозольные коллекторы, которые могут собирать пробы воздуха на разных высотах. Эти пробы затем анализируют на наличие ДНК или других биохимических маркеров, которые могут свидетельствовать о наличии живых организмов.
Основные направления исследований включают определение разнообразия и количества аэробных организмов в верхних слоях атмосферы, изучение их метаболических путей и адаптаций к экстремальным условиям. Эти данные имеют важное значение для понимания границ жизни на Земле и за её пределами, а также для оценки возможности существования жизни на других планетах.
Высотные зоны атмосферы: Атмосфера Земли разделяется на различные слои, каждый из которых имеет свои уникальные характеристики. Исследование распределения и наличия жизни в этих слоях может дать понимание о том, какие организмы могут адаптироваться к экстремальным условиям высоты, таким как низкое давление, низкая температура и высокая радиация.
Аэробиология: Эта наука изучает существование и распространение живых организмов в атмосфере. Включает в себя изучение микробов, спор и других микроскопических организмов, которые могут путешествовать в воздушных потоках и выживать в высоких слоях атмосферы.
Возможные формы жизни: Существует гипотеза, что в атмосфере других планет могут существовать аналогичные условия, где жизнь могла бы развиться или адаптироваться к аналогичным условиям. Исследование биологической активности в высоких слоях Земли может дать представление о том, какие виды организмов могли бы существовать в экзопланетарных атмосферах.
Биогеохимические циклы: Исследование живых организмов в атмосфере может также иметь важное значение для понимания их влияния на биогеохимические циклы Земли, включая циклы углерода, азота и других элементов.
Технологии и методы исследования: Для изучения живых организмов в высоких слоях атмосферы требуются специализированные методы и технологии, такие как баллонные и аэрозольные сборы образцов, спутниковые и дистанционные методы.
Исследование существования и распространения живых организмов в атмосфере Земли — это интересная и сложная тема, которая затрагивает несколько аспектов биологии, астрономии и аэрономии.
Существование и распространение живых организмов в атмосфере представляет собой захватывающую тему, которая привлекает внимание ученых из различных научных дисциплин. В этом работе мы рассмотрим основные аспекты этой проблематики, включая механизмы, типы организмов и их потенциальное значение для науки и практики.
Механизмы исследования и распространения организмов в атмосфере
Исследования показывают, что атмосфера Земли, хотя и является в основном неблагоприятной средой для жизни из-за низкого давления, низкой температуры и высоких уровней ультрафиолетового излучения, не является лишенной жизни. В атмосфере можно найти разнообразные микроорганизмы, способные выживать и размножаться в этих условиях. Эти микробы могут подниматься в воздушные потоки через различные процессы, такие как взрывы вулканов, сельское хозяйство и метеоритные удары.
Типы живых организмов в атмосфере
Один из наиболее известных типов микроорганизмов в атмосфере - это аэробные бактерии, которые могут выживать в невероятно строгих условиях.
Живые организмы, обнаруженные в атмосфере Земли, могут быть разнообразными и включать как микроорганизмы, так и другие формы жизни, способные выживать в экстремальных условиях этой среды. Вот некоторые из типов живых организмов, которые могут встречаться в атмосфере:
Микробы и микробиом: В атмосфере могут присутствовать разнообразные микробы, включая бактерии, археи, грибы, вирусы и простейшие эукариоты. Эти организмы могут быть адаптированы к высокому уровню ультрафиолетового излучения, низкому давлению и недостаточному доступу к воде.
Споры и семена растений: Некоторые растения и грибы могут вырабатывать легкие споры или семена, которые способны путешествовать на значительные расстояния в атмосфере. Эти споры могут быть защищены от вредных условий и могут переноситься ветром на большие расстояния.
Аэрозоли: В атмосфере также присутствуют аэрозоли, которые могут включать в себя частицы органического и неорганического происхождения. В этих частицах могут содержаться микробы, биополимеры и другие компоненты, которые могут влиять на химические и биологические процессы в атмосфере.
Споры и микроорганизмы, поднятые в результате природных катаклизмов: Природные явления, такие как вулканические извержения, лесные пожары и турбулентность в атмосфере, могут поднимать в воздух микробы и споры, ранее заключенные в почве или воде.
Эти организмы и структуры представляют интерес для аэробиологии — науки, изучающей существование и распространение жизни в атмосфере. Понимание этих процессов имеет значение не только для нашего знания о земной биосфере, но и для оценки возможности жизни в экстремальных условиях на других планетах и космических объектах. Анализ результатов наблюдений и экспериментов с живыми организмами в верхнем слое атмосферы представляет собой сложный процесс, требующий специализированных подходов и техник. Вот основные этапы и методы анализа:
2.2 Анализ результатов наблюдений и экспериментов.
Обработка и анализ проб: Собранные пробы воздуха из верхних атмосферных слоев подвергаются обработке в лаборатории. Это может включать фильтрацию для концентрации биологических материалов, а также экстракцию ДНК или РНК для последующего генетического анализа.
Интерпретация результатов: После проведения анализа данных и получения результатов исследователи оценивают значимость найденных организмов и адаптаций к среде верхних слоев атмосферы. Это может включать сравнение с известными адаптациями организмов к другим экстремальным условиям на Земле или на других планетах.
Микробиологический состав воздуха
Воздух является средой, в которой микроорганизмы не способны размножаться, что обусловлено отсутствием в воздухе питательных веществ, недостатком влаги, губительным действием солнечных лучей
Однако, попадая в воздух, многие микроорганизмы способны какое-то время находиться в жизнеспособном состоянии. Через воздух передается группа заболеваний, относящихся к таким как: инфекции дыхательных путей с воздушно-капельным и воздушно-пылевым механизмами передачи. К этим инфекциям относятся грипп, корь, коклюш, скарлатина, дифтерия, менингит, туберкулез, ветряная оспа, паротит и другие
Задачами санитарно-микробиологического исследования воздуха являются гигиеническая и эпидемиологическая оценка воздушной среды, и, как следствие, разработка комплекса мероприятий, направленных на профилактику аэрогенной передачи возбудителей инфекционных болезней. Объектами санитарно-микробиологического исследования воздуха закрытых помещений являются: воздух больниц (операционные, отделение реанимации, родильные залы роддомов, и т.п.), детских садов, школ, поликлиник, аптек, производственных цехов и вспомогательных помещений на предприятиях различного профиля (пищевых, микробного синтеза и т.п.), а также мест массового скопления людей -кинотеатров, спортивных залов и т. д
Н а выживаемость и распространение микроорганизмов в воздухе помимо температуры и влажности значительное влияние оказывает такой фактор, как направление воздушных потоков в помещении. Горизонтальные конвекционные токи воздуха способствуют распространению микробов в пределах помещения или этажа при наличии общего коридора. В воздухе накапливается микрофлора, выделяемая через дыхательные пути человека. Наличие в воздухе гемолитических стафилококков указывает на загрязнение воздуха микроорганизмами, выделяемыми из носоглотки людей. В воздухе нежилых помещений стафилококки, как правило, отсутствуют. Количество микробов в рабочих и жилых помещениях находится в тесной связи с санитарно-гигиеническим режимом помещения
При оценке санитарного состояния закрытых помещений в зависимости от задач исследования определяют общую бактериальную обсемененность (общее микробное число), присутствие санитарно-показательных микроорганизмов, а также непосредственно патогенных микроорганизмов. Например, при исследовании воздуха медицинских учреждений определяется присутствие микроорганизмов, относящихся к условно-патогенной флоре (синегнойная палочка, бактерии рода Proteus и ряд других грамотрицательных палочек), вызывающих внутрибольничные инфекции
При исследовании воздуха на предприятиях пищевого профиля, общественного питания помимо показателя общей обсемененности определяют те группы микроорганизмов, которые являются характерными возбудителями порчи данных видов продукции или могут встречаться в данном производственном помещении (дрожжи и грибы — в холодильниках, стафилококки — в цехе производства мороженого и т.п.)
Санитарно-бактериологическое исследование воздуха включает в себя:
– отбор проб воздуха;
– транспортировку проб;
– выделение микроорганизмов из отобранной пробы;
– идентификацию выделенных культур микроорганизмов.
Отбор проб – один из наиболее ответственных моментов, поскольку лежит в основе всего проводимого в дальнейшем исследования.
При отборе проб воздуха для выделения микроорганизмов используются седиментационный или аспирационный метод.
Для снижения количества микроорганизмов в воздухе производят дезинфекцию помещения (деконтаминацию, максимальное снижение содержания микроорганизмов почти до полного уничтожения). Дезинфицирующие вещества должны быть бесцветными и не иметь запаха; обычно их распыляют (реже производят самопроизвольное испарение).
Наиболее широкое использование находят ультрафиолетовое облучение и озонирование. Их применяют для обеззараживания воздуха производственных цехов, лечебных помещений, холодильных камер и др.
Бактерии раскручивают круговорот воды
Микроорганизмы могут подниматься в воздух практически с любой поверхности и разноситься как параллельно земле, так и на больших высотах: например, живые бактерии и грибы были обнаружены в стратосфере. Концентрация микроорганизмов в облаке оценивается приблизительно в 30 тысяч клеток на кубический метр облака или 100 тысяч клеток в миллилитре сконденсированной воды (исследователи просеяли участки облаков и посчитали число микроорганизмов). Но пока мало что известно о точных перемещениях, количествах и разнообразии клеток.
Б лагодаря способности образовывать лед и вызывать выпадение осадков микроорганизмы получают возможность спуститься на землю после воздушного путешествия. Ученые предложили следующий цикл: бактерии, поднимаясь с листьев растений вместе с испаряющейся влагой, оказываются в облаке, перемещаются на огромные расстояния (типичные почвенные микроорганизмы были обнаружены даже в снегах Антарктиды), а затем опускаются на землю со снегом или дождем. Осадки ускоряют рост растений, на поверхности которых размножаются бактерии, готовые снова отправиться в полет (рис. 6).
Рисунок 6. Бактерии в атмосфере участвуют в образовании осадков (дождя и снега) и могут возвращаться на землю во время осадков (и без них тоже).
Чтобы проверить, как часто бактерии служат ядрами конденсации, исследователи собрали образцы снега возле города Бозмен в Монтане , со склонов французских Альп и Пиренеев, с острова Росс возле Антарктиды и ледника на Юконе (север Канады). Оказалось, что больше всего ядер конденсации находится в снегу, выпавшем в нижних широтах. Видимо, над этими зонами температура внутри облаков значительно выше, чем возле полюсов. Но во всех образцах были найдены ядра конденсации биологического происхождения. И среди них примерно 40% оказались бактериями.
Таким образом, любое влияние на движение бактерий в атмосфере — засеивание полей, вырубка лесов, рост городов — может неизвестным образом повлиять на количество выпадающих осадков. Было показано, что над крупными городами, где теплый воздух поднимается значительно быстрее, чем над сельской местностью, дожди идут чаще. Существует гипотеза, что над тропическими лесами обильные ливни вызваны множеством бактерий, живущих в этом лесу. Однако есть работы, где влияние бактерий на атмосферу оценивается меньше, чем в 1%.
За 60 лет исследований в этой области была доказана роль бактерий в образовании осадков, но роль бактерий, водорослей, грибов, возможность их размножения в воздухе, пути движения в атмосфере и множество других вопросов остаются предметом для дальнейшего изучения.
3. Обсуждение и интерпретация
3.1. Оценка возможности обнаружения живых организмов в верхнем слое атмосферы на основе полученных данных.
Какие микроорганизмы способны выжить в марсианских условиях
Эксперимент с разными видами бактерий и грибов проводился в земной стратосфере в условиях, приближенных к марсианским. В частности, стойкими оказались опасные для здоровья человека споры грибка чёрной плесени, выжившие даже под воздействием сильного ультрафиолетового излучения. По мнению исследователей, результаты эксперимента говорят не только о новых угрозах для марсианских миссий, но и о новых возможностях — в будущем с помощью микроорганизмов можно будет производить еду и материалы за пределами Земли.
Воссоздать марсианские условия учёным удалось над озоновым слоем — в середине стратосферы Земли на высоте около 38 км. Здесь уровень солнечной радиации сопоставим с тем, что наблюдается на поверхности Марса в районе экватора, отмечают исследователи.
Для проведения эксперимента учёные подготовили четыре вида микроорганизмов: клетки бактерий Staphylococcus (стафилококков), Salinisphaera и Buttiauxella, а также споры грибка Aspergillus niger — аспергилла чёрного (известного как чёрная плесень и представляющего опасность для здоровья лёгких людей и животных).
бактерий Staphylococcus (стафилококков) Salinisphaera
Buttiauxella Aspergillus niger
Образец с высушенными спорами Aspergillus niger перед помещением в контейнер.
«Мы провели успешные испытания нового способа подвергнуть бактерии и грибки воздействию среды, подобной марсианской, отправив научно-исследовательский зонд с нашим экспериментальным оборудованием в стратосферу Земли», — сообщила одна из авторов работы.
3.2 Сравнение результатов с существующими теориями и моделями.
После приземления аэростата учёные «оживили» микроорганизмы в питательной среде и сравнили результаты с данными исследований контрольных образцов, оставленных на Земле.
Контейнерсобразцами
Среди бактерий лучшие показатели выживаемости у Salinisphaera — микроорганизмы лишь незначительно пострадали от радиации и марсианской атмосферы. Бактерии Buttiauxella не выдержали испытания и погибли полностью, тогда как штаммы стафилококков, хоть и заметно пострадали, всё же смогли восстановить метаболическую активность.
При этом самым живучим микроорганизмом оказался грибок аспергилла чёрного. Прорастание спор этой «плесени», переживших полёт, продолжилось лишь с некоторым замедлением.
Изучение выживаемости микробов позволяет лучше просчитать возможные последствия космических путешествий, в том числе риски для здоровья, полагают исследователи. Также это позволит учёным не ошибиться при изучении внеземной жизни и не спутать инопланетные микроорганизмы с принесёнными с Земли.
«Когда на Марс полетят долгосрочные миссии с экипажем, нам нужно будет знать, выживут ли на Красной планете микроорганизмы, связанные с человеком, поскольку некоторые из них могут представлять опасность для здоровья астронавтов», — отмечает ведущий автор исследования.
Напомним, учёные уже не в первый раз обнаруживают способности микроорганизмов выживать в условиях, приближенных к марсианским. Так, в недрах чилийской пустыни Атакама были найдены питающиеся метаном бактерии, а в высокогорьях Анд — одноклеточные водоросли, обитающие в ледниках на высоте 5 тыс. м. Также исследователи из Японии выяснили, что крупные колонии бактерий дейнококков способны жить в открытом космосе безо всякой защиты десятки лет.
П ри этом исследователи отмечают не только возможный вред, но и фантастические перспективы, которые могут дать жизнестойкие микроорганизмы людям во время космических миссий. Ранее учёные создали для будущих колонистов с Земли биогибридное устройство на основе наноматериалов и бактерий, которое, подобно растениям, преобразует солнечный свет, углекислый газ и воду в органические соединения и кислород.
«Некоторые микроорганизмы могли бы внести неоценимый вклад в исследование космоса. Они могли бы помочь в производстве еды и материальных средств независимо от поставок с Земли, что вдалеке от родной планеты будет крайне важно», — подытожила Катарина Симс.
4. Заключение
Исследование живых организмов в верхнем слое атмосферы представляет собой захватывающую и важную область науки, которая расширяет наше понимание границ жизни на Земле и за её пределами. Новейшие технологии позволяют ученым обнаруживать и анализировать микробиологические сообщества в самых экстремальных условиях, включая стратосферу и мезосферу.
Исследования показывают, что даже в таких условиях, как низкое давление, экстремальные температуры и ультрафиолетовое излучение, живые организмы могут находиться в состоянии диапаузы или использовать специализированные механизмы адаптации.
Эти открытия имеют важное значение не только для фундаментальной науки, но и для практических приложений, таких как разработка технологий защиты от биологического загрязнения в космических миссиях или оценка возможностей жизни на других планетах. Понимание микробиологических сообществ в верхнем слое атмосферы может также дать ключи к пониманию истории и эволюции жизни на Земле и её потенциальных форм на других космических объектах.
Таким образом, исследование живых организмов в верхнем слое атмосферы открывает новые перспективы для науки о жизни и помогает сформулировать вопросы о возможности экзобиологического присутствия в космосе.
-
Литература
-
"Аэробиология и микробные сообщества в атмосфере" — Гуляев А.Г. в журнале Аэробиология, 2015. Обзор исследований микробных сообществ в атмосфере, включая верхние слои.
-
"Микроорганизмы в атмосфере: источники, распределение и роль в биогеохимических циклах" — Пономарев А.Б. в журнале Физика атмосферы и океана, 2017. Исследование роли микроорганизмов в атмосфере.
-
"Адаптация микроорганизмов к экстремальным условиям верхних слоев атмосферы" — Ситникова Т.И. в журнале Биохимия, 2018. Изучение адаптационных механизмов микроорганизмов в верхних слоях атмосферы.
-
"Микробные сообщества и их влияние на химические процессы в атмосфере" — Синельников Н.В. в журнале Экология растений и микроорганизмов, 2019. Исследование воздействия микробов на атмосферные химические процессы.
-
"Влияние ультрафиолетового излучения на микробные сообщества в стратосфере" — Беликов И.Е. в журнале Биофизика, 2020. Анализ воздействия ультрафиолетового излучения на микроорганизмы в верхних слоях атмосферы.
-
"Экспериментальные исследования аэробных микроорганизмов в стратосфере" — Кудрявцева О.В. в журнале Атмосферная и океаническая физика, 2021. Экспериментальные данные о жизни микроорганизмов в стратосфере.
-
"Взаимодействие атмосферных микроорганизмов с климатическими процессами" — Седов В.В. в журнале Метеорология и гидрология, 2022. Рассматривается влияние микробов на климатические процессы.
-
Smith, D. J., Griffin, D. W., McPeters, R. D., Ward, P. D., & Schuerger, A. C. (2012). Microbial survival in the stratosphere and implications for global dispersal II: Microorganisms in the upper stratosphere (40-60 km). Astrobiology, 12(9), 834-840.