Введение к работе
Актуальность темы. Успешное решение конкретных задач современной науки зачастую не может быть достигнуто в рамках узкой специализации одной отрасли знаний и трсбз'ст совместных усилий специалистов иной раз далеких друг от друга дисциплин, таких, например, как технология бурения скважин и космическая микробиология. Примером такой задачи является проблема оценки длительности анабиотического состояния у микроорганизмов.
К настоящему времени экспериментально доказана исключительная устойчивость микроорганизмов ко всем крайне неблагоприятным условиям космоса. Экспериментально не изученным до сих пор оставался вопрос о длительности анабиотического состояния у микроорганизмов без утраты способности к восстановлению жизненных функций при попадании в благоприятные условия.
Способность микроорганизмов к резкому затормаживанию вплоть до полного прекращения процессов жизнедеятельности на определенный период времени под влиянием отрицательных температур общеизвестна и широко используется в различных областях науки и производства: в .медицине, микробиологии, в пищевой, биохимической, фармацевтической промышленности и др. Имеющиеся теоретические соображения о том, что микроорганизмы могут находиться в состоянии анабиоза в течение тысячелетий, не подтверждены экспериментальными данными.
Этот вопрос имеет не только важное практическое значение, например, для разработки методов стерилизации космических аппаратов н карантина планет или длительного хранения культзф микроорганизмов с ценными для человека свойствами, но и большое теоретическое значение. Так, среди различных предположений о возникновении жизни на Земле не последнее место занимает гипотеза о переносе жизни в космическом пространстве.
Решить вопрос о длительности анабиоза у микроорганизмов путем лабораторного эксперимента невозможно, если иметь ввиду периоды времени в сотни тысяч лет. В то же время уникальные результаты может дать поиск микроорганизмов, заключенных в толщу глубоких горизонтов континентальных льдов Антарктиды. Удаленность ее от других материков, ничтожность их биологического и геохимического влияния, исключительная древность глубоких горизонтов ледникового покрова с биологической точки зрения (сотни тысяч лет), постоянная отрицательная температура в толще льда, достигающая -57 С\ создают уникальную возможность изучения проблемы временного фактора консервации жизни. Получение проб льда с больших глубин (до 3500 метров) возможно только с помощью бурения скважин с отбором керна. Применение обычной "буровой техники в экстремальных условиях Антарктиды по техническим, организационным и экономическим соображениям исключено. В связи с этим особую актуальность и практическую значимость приобретает разработка технических средств и технологии бзфения плавлением с отбором
керна в специфических уаиовиях Антарктиды, а также задача получения с больших глубин проб, пригодных для микробиологических исследований. Эти условия выдвигают новые и необычные требования как к технике и технологии проходки скважин, так н к методам и средствам дальнейшей работы с керном.
Решение технической задачи, связанной с получением проб, пригодных для микробиологических исследований, сводится к обеспечению на всех этапах отбора двух условий: соблюдения стерильности, исключающей попадание в пробу посторонней микрофлоры в процессе ее отбора, и соблюдения такого температурного режима, при котором микроорганизмы, возможно находящиеся во льду, сохранили бы свою жизнеспособность.
Изучению различных аспектов анабиоза и, в том числе, проблемы длительности анабиотического состояния у микроорганизмов посвятили работы Л.К. Лозина-Лозинский, Л .В. Калакуцкий, А А. Имшенецкий, М.Е.Бе-кер, С.С. Абызов, И.Н. Мицкевич, М. Беккерель, Дж.Гот-чин, Р. Камерон, Ф. Морелли. Значительный вклад в изучение теплового режима скважин и бурения плавлением внесли: Н.И. Барков, И А. Зотиков, А.П. Капица, Б.Б. Кудряшов, B.C. Литвиненко, А.Н, Саламатин, МА. Пудовкин, В.К. Чистяков, В А. Чугун ов, К. Лориус, Ж.Р. Пети и другие.
Основная идея работы заключается в стерильном получении микробиологических проб из ледяного керна для экспериментальной оценки длительности анабиоза у микроорганизмов, соответствующей возрасту льда.
Цель исслслования - разработка научных основ бурения скважин с извлечением ледяного керна с глубоких горизонтов антарктического ледника и последующего асептического отбора микробиологических и геохимических проб.
Задачи исследования. В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:
разработка технических средств и технологии колонкового бурения ледяных отложений;
анализ существующих способов асептического отбора микробиологических проб и оценка их применимости при работе со льдом;
исследование асептических свойств низкотемпературных заливочных жидкостей;
-исследование и разработка способа повторного бурения по ледяному керну;
- исследование способов отбора проб увеличенного объ
ема.
Методика исследований. Поставленные задачи решались путем научного анализа и обобщения результатов исследований, опубликованных в отечественной и зарубежной литературе, аналитических и экспериментальных исследований по изучению теплообменных процессов, происходящих при плавлении льда, лабораторных исследований различных методов асептического отбора проб из льда, а также методических и полевых исследований в Антарктиде.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на достаточном объеме выполненных исследований, их современной методике, близкой сходимости расчетных и опытных данных, на положительных результатах внедрения разработок в научную практику Антарктических экспедиций.
Научная новизна результатов заключается:
в установлении на основе математического анализа, подтвержденного экспериментальными данными, вполне допустимой для сохранения жизнедеятельности микроорганизмов температуры на контакте нагревателя с ледяным забоем, на основе чего разработан новый способ отбора микробиологических проб, заключающийся в повторном бурении плавлением по керну, не требующий предварительной стерилизации его поверхности и обеспечивающий в силу непроницаемости льда для микроорганизмов 100%-ную асептику процесса;
в экспериментальном доказательстве исключительной длительности (400 тысяч лет и более) анабиоза у микроорганизмов, находящихся при отрицательных температурах во льду, что подтверждается дипломом N 16 на научное открытие "Явление сверхдггятельного анабиоза у микроорганизмов".
Практическая значимость, В результате выполненных исследований разработаны и внедрены:
- комплекс оборудования для бурения скважин с отбо
ром керна и последующего отбора микробиологических
проб с соблюдением всех необходимых требований ассп-
тики, включающий в себя полуавтономную передвижную микробиологическую буровую установку МБУ, термобуровые снаряды ТЭЛГА-14М и ТБЗС-152, установку для асептического отбора микробиологических проб из ледяного керна УСЛ-3, скважинный пробоотборник ПСМ-152;
- методика асептического опробования ледовых отложений с многоступенчатым контролем стерильности на всех этапах опробования, которая может быть использована не только при микробиологическом изучении ледовых отложений, но и для широкого круга исследований, требующих высокой степени чистоты отбираемых проб -геохимических, гидрохимических, палинологических, гляциологических и других исследований.' г
Внедрение результатов работы. Результатом выполненных исследований явилось проведенное в течение ряда лет микробиологическое изучение ледовой толщи Центральной Антарктиды в районе внутриконтинен-тальной научной станции Восток на глубину до 2405 метров. Было отобрано более 3000 микробиологических проб, в ряде которых обнаружены жизнеспособные микроорганизмы. Среди них встречаются мицелиальные грибы и спорообраЗующнс и нсспорообразующис дрожжи, в том числе актиномицеты. Описан новый вид акти-номицета, названный Nacardiopsis antarcticus. Возраст наиболее древних слоев, в которых обнаружены жизнеспособные микроорганизмы, составляет более 400 тысяч лет.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на заседаниях кафедры технологии и техники бурения скважин Ленинградского горного института (1980-81), на научно-техническом Совете геологоразведочного факультета ЛГИ (1982), на Ученом Совете ИНМИ АН СССР (Москва, 1986), на Научно-техническом Совете отдела географии полярных стран ААНИИ (Ленинград, 1988), на II Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы горной теплофизики" (Ленинград, 1981), на VIII Всесоюзном гляциологическом симпозиуме (Москва, 1984), на II Всесоюзной конференции по анабиозу (Рига, 1984), на II Всесоюзной конференции по механике и физике льда (Москва, 1988), на II Международном симпозиуме по бурению разведочных скважин в осложненных условиях (С.-Петербург, 1992), на Юбилейной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения ФА.Шамшсва (С.-Петербург, 1994), на Международном симпозиуме по технологии бурения льда (Япония, 1994), на III Международном симпозиуме по бурению разведочных скважин в осложненных условиях (С.-Петербург, 1995), на 21-м, 30-м и 31-м ежегодных пленарных заседаниях COSPAR - Международного Комитета по исследованию космического пространства (Австрия, 1978, Германия, 1994, Англия, 1996).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 работ, в том числе 1 монография, 9 авторских свидетельств на изобретение и 1 научное открытие.
Объем и структура работы. Диссертационная работа включает 176 страниц машинописного текста, 25 рисунков, 11 таблиц и состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций и списка литературы из 102 наименований.
