Почти два года назад, 16 января 2016 года, в космической оранжерее Veggie на американском сегменте МКС зацвела цинния. Астронавт Скотт Келли в своем восторженном твите назвал ее «первым цветком, зацветшим в космосе».
Восторг астронавта можно понять: он вырастил эти растения из семян, ухаживал за ними, спасал от засухи, наводнения и нашествия плесени. Но он ошибся. Растения в космосе и раньше неоднократно росли, цвели и даже давали семена. Еще Циолковский говорил о том, что растения необходимы человеку для освоения космоса, чтобы служить источником пищи и кислорода. И с самого начала космической эры растения сопровождают человека в освоении внеземного пространства. Однако в отличие от людей и животных они часто остаются безызвестными участниками космических полетов. Давайте вспомним основные вехи космического растениеводства.
Первым растением, зацветшим в космосе и давшим семена , стала Arabidopsis thaliana , или резуховидка Таля. Арабидопсис зацвел в 1982 году на советской космической станции «Салют-7», в микрооранжерее «Фитон-3», благодаря усилиям космонавтов Анатолия Березового и Валентина Лебедева. Мелкий невзрачный сорняк, который живет всего пару месяцев, цветет крохотными белыми цветочками и дает множество семян. За это его и полюбили молекулярные биологи и физиологи растений всего мира. Неприхотливый, занимает мало места, быстро растет и дает много материала. Последние десятилетия это основной объект генетики и молекулярной биологии растений. Эти его свойства - малый размер и неприхотливость - оказались удобны и для космических исследований. В космических аппаратах места мало и создать растениям идеальные условия непросто.
А вообще первым растением, которое побывало в космосе и вернулось обратно , была кукуруза. Ее семена отправились в суборбитальный полет в июле 1946 года на ракете «Фау-2» (V-2), собранной в США из немецких трофейных запчастей. Согласно директиве министерства обороны США, начиная с 1946 года на каждой запущенной ракете этой серии должны были находиться экспериментальные образцы для ученых. Семена кукурузы и плодовые мушки дрозофилы были первыми подобными образцами. Ученые планировали исследовать действие космической радиации на живые организмы.
Полностью по орбите вокруг Земли первыми из растений пролетели традесканция, водоросль хлорелла, семена кукурузы, пшеницы, гороха и лука. Они отправились в космос на втором «Спутнике» в 1960 году, вместе с Белкой и Стрелкой.
Первым растением, съеденным в космосе , стал лук. Его вырастили в 1978 году на космической станции «Салют-4» в установке «Оазис» космонавты Владимир Ковалёнок и Александр Иванченков. Задачей эксперимента было - отработать условия выращивания растений и получить от них цветы и плоды с семенами. У лука нужно было срезать несколько стрелок, чтобы он не сгнил. Александр Машинский, в то время один из руководителей биологической группы НПО «Энергия», рассказывает , что часть этих стрелок космонавты съели, даже не спросив разрешения начальства.
Первые растения, облетевшие Луну, - деревья пяти хвойных и лиственных пород: сосна, пихта, секвойя, платан и ликвидамбар (лиственное дерево, распространенное на востоке Северной Америки). Около 500 семян этих деревьев отправились в космос в 1971 году на корабле «Аполлон-14» вместе с Аланом Шепардом и Эдгаром Митчеллом. Пока Шепард и Митчелл работали на поверхности спутника, их коллега Стюарт Руса облетал Луну на командном модуле. В начале своей карьеры Руса был членом парашютного пожарного отряда лесной охраны, и у него остались знакомые в Службе леса США. Они попросили его взять с собой в космос семена.
После возвращения на Землю эти семена прорастили и получили около 450 саженцев. Их посадили на территории объектов НАСА, университетов, парков и государственных учреждений в США. Одно такое «лунное дерево», сосна, растет на территории Белого дома. Несколько саженцев были отправлены в другие страны, в том числе в качестве подарка императору Японии. Другие «лунные деревья» посадили рядом с их собратьями, выращенными из семян, оставшихся на Земле. Спустя годы после посадки эти деревья практически неотличимы.
Одно из лунных деревьев, растущее в Форт-Смите, в штате Арканзас. Фото: Jesse Berry / wikimedia commons / CC BY-SA 4.0Первое растение, «слетавшее» на Марс, - китайская капуста. Это листовая капуста, внешне похожая на салат-латук. Именно ее в оранжерее «Фитоцикл-СД» выращивали участники эксперимента «Марс-500» - пробного «полета» на Марс, который состоялся в 2010-2011 годах. В ангаре, стоящем на территории Института медико-биологических проблем РАН в Москве, построили макет марсианского корабля. В нем экипаж из шести человек провел 520 дней. За эти дни участники эксперимента отработали все этапы полета на Марс, включая выход на поверхность красной планеты, обрыв связи с Землей и даже пожар на корабле. В программу «полета» были включены и научные эксперименты, в том числе отработка методики выращивания китайской капусты в космической оранжерее, специально сконструированной для выращивания растений в невесомости. К сожалению, полакомиться свежей зеленью «космонавтам» не удалось: растения выросли мелкими и чахлыми. Предполагают, что причина этого - наличие в атмосфере «корабля» этилена и других газов, угнетающих рост растений. В реальном космическом корабле потребуется поставить воздушные фильтры на входе в отсек с оранжереей. Кроме капусты «космонавты» выращивали в обычной, земной оранжерее другие овощи - лук, сладкий перец, редис, томаты и пр. А в кают-компании стояла небольшая оранжерея для цветов.
По-настоящему же на Марс пока - кроме роботов - никто не летал. На межпланетной станции «Фобос-грунт», которую планировали отправить к одному из спутников Марса - Фобосу, должны были лететь различные живые организмы, в том числе семена редиса и ячменя. Запуск состоялся 9 ноября 2011 года, но во время запуска не сработала маршевая пусковая установка, и станция осталась на низкой околоземной орбите. В январе 2012 года ее обломки упали в Тихий океан, семена погибли вместе с ними. Так что освоение Марса живыми существами еще впереди.
Первые растения, вышедшие в открытый космос,
- несколько сельскохозяйственных растений и модельных объектов: горчица, рис, томат, редис, ячмень, арабидопсис и никандра. В 2007-2008 годах их семена провели тринадцать месяцев в специальном контейнере на внешней обшивке МКС, в рамках второго этапа эксперимента «Биориск». Первый этап, завершившийся в 2006 году, включал только бактерии и грибы - ученые пытались понять, насколько эти микроорганизмы могут повредить внешнюю обшивку станции. На втором этапе к эксперименту добавили и другие биологические объекты: семена растений, икринки рыб, яйца раков, личинки насекомых. Томаты не выдержали условий открытого космоса, а вот семена других растений сохранили всхожесть, и из них уже на Земле выросли нормальные растения.
Первые растения, выросшие в «марсианской» и «лунной» почвах, - 14 видов растений, участники эксперимента, который в 2013 году провели голландские ученые под руководством Вигера Вамелинка. Для эксперимента они взяли томаты, рожь, морковь, кресс-салат и несколько видов дикорастущих растений. Их вырастили на созданных в НАСА образцах почвы, по составу такой же, как марсианский и лунный грунт. На лунной почве семена плохо прорастали, растения выросли мелкими и хилыми.
Горшки с проростками в «марсианской» (M), «лунной» (L) и «земной» (Е) почве из эксперимента Вамелинка. Фото: Wamelink et al. / PLoS ONE / CC BY 4.0А вот в марсианском грунте растения чувствовали себя хорошо и дали биомассу не хуже, чем у контрольных растений, выращенных в земном грунте с речного дна. А кресс-салат и дикорастущее растение полевая горчица даже дали семена. То есть в марсианской почве вполне реально пытаться вырастить растения, что будет полезно для будущих обитателей марсианской колонии. Но необходимы еще эксперименты, которые бы учли не только состав марсианской почвы, но и гравитацию, освещенность, состав атмосферы и другие условия.
Человечеству потребовались все знания, собранные учёными за сотни лет, чтобы начать космические полёты. И тогда человек столкнулся с новой проблемой - для колонизации других планет и дальних перелётов нужно разработать замкнутую экосистему, в том числе - обеспечить космонавтов едой, водой и кислородом. Доставлять еду на Марс, который находится за 200 миллионов километров от Земли, дорого и сложно, логичнее будет найти такие способы производства продуктов, которые легко реализовать в полёте и на Красной планете.
Как на семена влияет микрогравитация? Какие овощи будут безвредны, если их вырастить в богатой тяжёлыми металлами почве Марса? Как обустроить плантацию на борту космического корабля? Учёные и космонавты уже более пятидесяти лет ищут ответы на эти вопросы.
На иллюстрации - российский космонавт Максим Сураев обнимает растения в установке «Лада» на борту Международной космической станции, 2014 год.
Константин Циолковский в «Целях звездоплавания» писал: «Вообразим себе длинную коническую поверхность или воронку, основание или широкое отверстие которой прикрыто прозрачной шаровой поверхностью. Она прямо обращена к Солнцу, а воронка вращается вокруг своей длинной оси (высоты). На непрозрачных внутренних стенках конуса - слой влажной почвы с насаженными в ней растениями». Так он предлагал искусственно создавать гравитацию для растений. Растения должны быть подобраны плодовитые, мелкие, без толстых стволов и не работающих на солнце частей. Так колонизаторов можно частично обеспечить биологически активными веществами и микроэлементами и регенерировать кислород и воду.
В 1962 году главный конструктор ОКБ-1 Сергей Королёв ставил задачу: «Надо бы начать разработку «Оранжереи (ОР) по Циолковскому», с наращиваемыми постепенно звеньями или блоками, и надо начинать работать над «космическими урожаями».
Рукопись К.Э. Циолковского «Альбом космических путешествий», 1933 год.
СССР вывел на орбиту первый искусственный спутник Земли 4 октября 1957 года, спустя двадцать два года после смерти Циолковского. Уже в ноябре того же года в космос отправили дворняжку Лайку, первую из собак, которые должны были открыть путь в космос людям. Лайка погибла от перегрева всего за пять часов, хотя полёт рассчитали на неделю - на это время хватило бы кислорода и еды.
Учёные предположили, что проблема возникла из-за генетически заложенной ориентации - проросток должен тянуться к свету, а корень - в противоположную сторону. Они усовершенствовали «Оазис», и следующая экспедиция взяла на орбиту новые семена.
Лук вырос. Виталий Севастьянов сообщил на Землю, что стрелки достигли десяти-пятнадцати сантиметров. «Какие стрелки, какого лука? Понимаем, это шутка, мы же вам давали горох, а не луковицы», - говорили с Земли. Бортинженер ответил, что из дома космонавты прихватили две луковицы, чтобы посадить их сверх плана, и успокоил учёных - горошины почти все взошли.
Но растения отказывались цвести. На этой стадии они погибали. Такая же судьба ждала тюльпаны, которые в установке «Лютик» на Северном полюсе распустились, а в космосе - нет.
Зато лук можно было есть, что успешно делали в 1978 году космонавты В. Коваленок и А. Иванченков: «Вот хорошо поработали. Может быть, теперь нам в награду и луковицу разрешат съесть».
Техника - молодёжи, 1983-04, страница 6 . Горох в установке «Оазис»
Космонавты В. Рюмин и Л. Попов в апреле 1980 года получили установку «Малахит» с цветущими орхидеями. Орхидеи крепятся в коре деревьев и в дуплах, и учёные посчитали, что они могут быть менее подвержены геотропизму - способности органов растений располагаться и расти в определённом направлении относительно центра земного шара. Цветки через несколько дней опали, но при этом у орхидей образовались новые листья и воздушные корни. Ещё чуть позже советско-вьетнамский экипаж из В. Горбатко и Фам Туай привёзли с собой подрощенный арабидопсис.
Растения не хотели цвести. Семена всходили, но, например, орхидея не зацвела в космосе. Учёным нужно было помочь растениям справиться с невесомостью. Это делали в том числе с помощью электростимуляции корневой зоны: учёные считали, что электромагнитное поле Земли может влиять на рост. Ещё один способ предполагал описанный Циолковским план по созданию искусственной гравитации - растения выращивались в центрифуге. Центрифуга помогла - ростки ориентировались вдоль вектора центробежной силы. Наконец космонавты добились своего. В «Светоблоке» зацвёл Арабидопсис.
Слева на изображении ниже - оранжерея «Фитон» на борту «Салют-7». Впервые в этой орбитальной оранжерее Резуховидка Таля (Арабидопсис) прошла полный цикл развития и дала семена. Посредине - «Светоблок», в которой на борту «Салют-6» Арабидопсис впервые зацвёл. Справа - бортовая оранжерея «Оазис-1А» на станции «Салют-7»: она была оснащена системой дозированного полуавтоматического полива, аэрации и электростимулирования корней и могла перемещать вегетационные сосуды с растениями относительно источника света.
«Фитон», «Светоблок» и «Оазис-1А»
Установка «Трапеция» для исследования роста и развития растений.
Наборы с семенами
Бортовой журнал станции «Салют-7», зарисовки Светланы Савицкой
На станции «Мир» была установлена первая в мире автоматическая оранжерея «Свет». Российские космонавты в 1990-2000-х годах провели в этой оранжерее шесть экспериментов. Они растили салаты, редис и пшеницу. В 1996-1997 годах Институт медико-биологических проблем РАН планировал вырастить семена растений, полученные в космосе - то есть поработать с двумя поколениями растений. Для эксперимента выбрали гибрид дикой капусты высотой около двадцати сантиметров. У растения был один минус - космонавтам нужно было заниматься опылением.
Результат был интересный - семена второго поколения в космосе получили, и они даже взошли. Но растения выросли до шести сантиметров вместо двадцати пяти. Маргарита Левинских, научный сотрудник Института медико-биологических проблем РАН, рассказывает , что ювелирную работу по опылению растений выполнял американский астронавт Майкл Фоссум.
Видео Роскосмоса о выращивании растений в космосе. На 4:38 - растения на станции «Мир»
В апреле 2014 года грузовой корабль Dragon SpaceX доставил на Международную космическую станцию установку для выращивания зелени Veggie, а в марте астронавты начали тестировать орбитальную плантацию. Установка контролирует свет и поступление питательных веществ. В августе 2015 в меню астронавтов включили свежую зелень , выращенную в условиях микрогравитации.
Выращенный на Международной космической станции салат
Так плантация на космической станции может выглядеть в будущем
В российском сегменте Международной космической станции действует оранжерея «Лада» для эксперимента «Растения-2» . В конце 2016 или начале 2017 года на борту появится версия «Лада-2». Над этими проектами работает Институт медико-биологических проблем РАН.
Космическая растениеводство не ограничивается экспериментами в невесомости. Человеку для колонизации других планет придётся развивать сельское хозяйство на грунте, который отличается от земного, и в атмосфере, имеющей иной состав. В 2014 году биолог Майкл Маутнер вырастил спаржу с картофелем на метеоритном грунте. Чтоб получить пригодную для выращивания почву, метеорит был размолот в порошок. Опытным путём он сумел доказать, что на грунте внеземного происхождения могут произрасти бактерии, микроскопические грибы и растения. Материал большинства астероидов содержит фосфаты, нитраты и иногда воду.
Спаржа, выросшая на метеоритном грунте
В случае с Марсом, где много песка и пыли, измельчение породы не понадобится. Но возникнет другая проблема - состав почвы. В грунте Марса есть тяжёлые металлы, повышенное количество которых в растениях опасно для человека. Учёные из Голландии имитировали марсианскую почву и с 2013 года вырастили на ней десять урожаев нескольких видов растений.
В результате эксперимента учёные выяснили, что содержание тяжёлых металлов в выращенных на имитированном марсианском грунте горохе, редисе, ржи и помидорах не опасно для человека. Картофель и другие культуры учёные продолжают исследовать.
Исследователь Вагер Вамелинк инспектирует растения, выращиваемые на имитированной марсианской почве. Фото: Joep Frissel/AFP/Getty Images
Содержание металлов в урожае, собранном на Земле и на симуляциях почвы Луны и Марса
Одной из важных задач является создание замкнутого цикла жизнеобеспечения. Растения получают углекислый газ и отходы жизнедеятельности экипажа, взамен отдают кислород и производят еду. Учёные проверяли возможность использования в пищу одноклеточной водоросли хлореллы, содержащей 45% белка и по 20% жиров и углеводов. Но эта в теории питательная еда не усваивается человеком из-за плотной клеточной стенки. Существуют способы решения данной проблемы. Можно расщеплять клеточные стенки технологическими методами, используя термообработку, мелки помол или другие способы. Можно брать с собой разработанные специально для хлореллы ферменты, которые космонавты будут принимать с едой. Учёные могут и вывести ГМО-хлореллу, стенку которой человеческие ферменты смогут расщепить. Хлореллой для питания в космосе сейчас не занимаются, но используют в замкнутых экосистемах для производства кислорода.
Эксперимент с хлореллой проводили на борту орбитальной станции «Салют-6». В 1970-е годы ещё считали, что пребывание в микрогравитации не оказывает отрицательного влияния на человеческий организм - слишком было мало информации. Изучить влияние на живые организмы пытались и с помощью хлореллы, жизненный цикл которой длится всего четыре часа. Её удобно было сравнивать с хлореллой, выращенной на Земле.
Прибор ИФС-2 предназначался для выращивания грибов, культур тканей и микроорганизмов, водных животных.
С 70-х годов в СССР проводили эксперименты по замкнутым системам. В 1972 году началась работа «БИОС-3» - эта система действует и сейчас . Комплекс оснащён камерами для выращивания растений в регулируемых искусственных условиях - фитотронами. В них выращивали пшеницу, сою, салат чуфу, морковь, редис, свёклу, картофель, огурцы, щавель, капусту, укроп и лук. Учёные смогли достичь почти на 100% замкнутый цикл по воде и воздуху и до 50-80% - по питанию. Главные цели Международного центра замкнутых экологических систем - изучить принципы функционирования таких систем различной степени сложности и разработать научные основы их создания.
Одним из громких экспериментов, симулирующих перелёт к Марсу и возвращение на Землю, был «Марс-500» . В течение 519 дней шесть добровольцев находились в замкнутом комплексе. Эксперимент организовали Рокосмос и Российская академия наук, а партнёром стало Европейское космическое агентство. На “борту корабля” были две оранжереи - в одной рос салат, в другой - горох. В данном случае целью было не вырастить растения в приближенных к космическим условиям, а выяснить, насколько растения важны для экипажа. Поэтому дверцы оранжереи заклеили непрозрачной плёнкой и установили датчик, фиксирующий каждое открывание. На фото слева член экипажа «Марс-500» Марина Тугушева работает с оранжереями в рамках эксперимента.
Ещё один эксперимент на «борту» «Марс-500» - GreenHouse. В видео ниже член экспедиции Алексей Ситнев рассказывает об эксперименте и показывает оранжерею с различными растениями. Добавить метки
Человечеству потребовались все знания, собранные учёными за сотни лет, чтобы начать космические полёты. И тогда человек столкнулся с новой проблемой - для колонизации других планет и дальних перелётов нужно разработать замкнутую экосистему, в том числе - обеспечить космонавтов едой, водой и кислородом. Доставлять еду на Марс, который находится за 200 миллионов километров от Земли, дорого и сложно, логичнее будет такие способы производства продуктов, которые легко реализовать в полёте и на Красной планете.
Как на семена влияет микрогравитация? Какие овощи будут безвредны, если их вырастить в богатой тяжёлыми металлами почве Марса? Как обустроить плантацию на борту космического корабля? Учёные и космонавты уже более пятидесяти лет ищут ответы на эти вопросы.
Константин Циолковский в «Целях звездоплавания» писал: «Вообразим себе длинную коническую поверхность или воронку, основание или широкое отверстие которой прикрыто прозрачной шаровой поверхностью. Она прямо обращена к Солнцу, а воронка вращается вокруг своей длинной оси (высоты). На непрозрачных внутренних стенках конуса - слой влажной почвы с насаженными в ней растениями». Так он предлагал искусственно создавать гравитацию для растений. Растения должны быть подобраны плодовитые, мелкие, без толстых стволов и не работающих на солнце частей. Так колонизаторов можно частично обеспечить биологически активными веществами и микроэлементами и регенерировать кислород и воду.
В 1962 году главный конструктор ОКБ-1 Сергей Королёв ставил задачу: «Надо бы начать разработку «Оранжереи (ОР) по Циолковскому», с наращиваемыми постепенно звеньями или блоками, и надо начинать работать над «космическими урожаями».
Рукопись К.Э. Циолковского «Альбом космических путешествий», 1933 год. Источник
СССР вывел на орбиту первый искусственный спутник Земли 4 октября 1957 года, спустя двадцать два года после смерти Циолковского. Уже в ноябре того же года в космос отправили дворняжку Лайку, первую из собак, которые должны были открыть путь в космос людям. Лайка погибла от перегрева всего за пять часов, хотя полёт рассчитали на неделю - на это время хватило бы кислорода и еды.
Полёт Белки и Стрелки в августе 1960 года был более успешен и для собак, и для сопровождающих их животных - сорока мышей и двух крыс. Вместе с этим «Ноевым ковчегом» советские учёные отправили в космос семена кукурузы, пшеницы, гороха и лука. На Землю вся команда спустилась в контейнере, разработанном для будущих полётов человека. Но этого было мало - заниматься сельским хозяйством в космосе должен был начать человек.
Собака Лайка, первая собака на орбите Земли
В книге «Космос - землянам» лётчик-космонавт, член экспедиции «Союз-3» Георгий Береговой писал о том, что человеку свойственно ощущать причастность к земной природе, где бы он ни был: «Но когда оказываешься за пределами родной планеты, это воспринимается особенно остро. Обратите внимание, с каким волнением и теплотой рассказывают космонавты о том, как выглядит Земля с высоты орбиты. Ну а если вместе с ними путешествует в безжизненной пустоте космоса кусочек живого мира, то забота о «земляках» становится прямо-таки нежной. Даже когда эти «земляки» - зеленые стебли обыкновенного гороха. Именно его, кстати, выращивали на «Салюте-4» А. Губарев и Г. Гречко, а затем вновь посадили участники следующей экспедиций - П. Климук и В. Севастьянов».
На орбитальной станции «Салют-4», запущенной в 1974 году, была установка «Оазис» для культивирования растений в невесомости. Георгий Гречко писал в книге «Космонавт №34», что работа с системой была одним из самых интересных экспериментов в его полёте. Установка была гидропоническая, земли не было, горошины должны были прорастать в пропитанной марле. Вскоре после начала работы с «Оазисом» космонавт заметил, что в одну кювету вода не поступает, а в другую поступает слишком обильно, заставляя горошины подгнивать. Из установки срывались огромные капли воды, за которыми Гречко гонялся по станции с салфетками. Он отрезал шланг и стал поливать горошины вручную, пока несколько часов возился с аппаратом.
Космонавт признаётся, что из-за ненависти к биологии в школе чуть не загубил эксперимент. Он посчитал, что ростки путаются в ткани, растут неправильно, и освободил их от марли, но это не помогало. Оказалось, что он перепутал корешки со стеблями.
Эксперимент завершился успешно. Впервые в космосе растения прошли цикл от семени до взрослого стебля гороха. Но из 36 зерен взошли и выросли только три.
«Оазис-1» в Мемориальном музее космонавтики. Источник
Учёные предположили, что проблема возникла из-за генетически заложенной ориентации - проросток должен тянуться к свету, а корень - в противоположную сторону. Они усовершенствовали «Оазис», и следующая экспедиция взяла на орбиту новые семена.
Лук вырос. Виталий Севастьянов сообщил на Землю, что стрелки достигли десяти-пятнадцати сантиметров. «Какие стрелки, какого лука? Понимаем, это шутка, мы же вам давали горох, а не луковицы», - говорили с Земли. Бортинженер ответил, что из дома космонавты прихватили две луковицы, чтобы посадить их сверх плана, и успокоил учёных - горошины почти все взошли.
Но растения отказывались цвести. На этой стадии они погибали. Такая же судьба ждала тюльпаны, которые в установке «Лютик» на Северном полюсе распустились, а в космосе - нет.
Зато лук можно было есть, что успешно делали в 1978 году космонавты В. Коваленок и А. Иванченков: «Вот хорошо поработали. Может быть, теперь нам в награду и луковицу разрешат съесть».
Техника - молодёжи, 1983-04, страница 6. Горох в установке «Оазис»
Космонавты В. Рюмин и Л. Попов в апреле 1980 года получили установку «Малахит» с цветущими орхидеями. Орхидеи крепятся в коре деревьев и в дуплах, и учёные посчитали, что они могут быть менее подвержены геотропизму - способности органов растений располагаться и расти в определённом направлении относительно центра земного шара. Цветки через несколько дней опали, но при этом у орхидей образовались новые листья и воздушные корни. Ещё чуть позже советско-вьетнамский экипаж из В. Горбатко и Фам Туай привёзли с собой подрощенный арабидопсис.
Растения не хотели цвести. Семена всходили, но, например, орхидея не зацвела в космосе. Учёным нужно было помочь растениям справиться с невесомостью. Это делали в том числе с помощью электростимуляции корневой зоны: учёные считали, что электромагнитное поле Земли может влиять на рост. Ещё один способ предполагал описанный Циолковским план по созданию искусственной гравитации - растения выращивались в центрифуге. Центрифуга помогла - ростки ориентировались вдоль вектора центробежной силы. Наконец космонавты добились своего. В «Светоблоке» зацвёл Арабидопсис.
Слева на изображении ниже - оранжерея «Фитон» на борту «Салют-7». Впервые в этой орбитальной оранжерее Резуховидка Таля (Арабидопсис) прошла полный цикл развития и дала семена. Посредине - «Светоблок», в которой на борту «Салют-6» Арабидопсис впервые зацвёл. Справа - бортовая оранжерея «Оазис-1А» на станции «Салют-7»: она была оснащена системой дозированного полуавтоматического полива, аэрации и электростимулирования корней и могла перемещать вегетационные сосуды с растениями относительно источника света.
«Фитон», «Светоблок» и «Оазис-1А»
Установка «Трапеция» для исследования роста и развития растений. Источник
Наборы с семенами
Бортовой журнал станции «Салют-7», зарисовки Светланы Савицкой
На станции «Мир» была установлена первая в мире автоматическая оранжерея «Свет». Российские космонавты в 1990-2000-х годах провели в этой оранжерее шесть экспериментов. Они растили салаты, редис и пшеницу. В 1996-1997 годах Институт медико-биологических проблем РАН планировал вырастить семена растений, полученные в космосе - то есть поработать с двумя поколениями растений. Для эксперимента выбрали гибрид дикой капусты высотой около двадцати сантиметров. У растения был один минус - космонавтам нужно было заниматься опылением.
Результат был интересный - семена второго поколения в космосе получили, и они даже взошли. Но растения выросли до шести сантиметров вместо двадцати пяти. Маргарита Левинских, научный сотрудник Института медико-биологических проблем РАН, рассказывает, что ювелирную работу по опылению растений выполнял американский астронавт Майкл Фоссум.
Видео Роскосмоса о выращивании растений в космосе. На 4:38 - растения на станции «Мир»
В апреле 2014 года грузовой корабль Dragon SpaceX доставил на Международную космическую станцию установку для выращивания зелени Veggie, а в марте астронавты начали тестировать орбитальную плантацию. Установка контролирует свет и поступление питательных веществ. В августе 2015 в меню астронавтов включили свежую зелень, выращенную в условиях микрогравитации.
Выращенный на Международной космической станции салат
Так плантация на космической станции может выглядеть в будущем
В российском сегменте Международной космической станции действует оранжерея «Лада» для эксперимента «Растения-2». В конце 2016 или начале 2017 года на борту появится версия «Лада-2». Над этими проектами работает Институт медико-биологических проблем РАН.
Космическая растениеводство не ограничивается экспериментами в невесомости. Человеку для колонизации других планет придётся развивать сельское хозяйство на грунте, который отличается от земного, и в атмосфере, имеющей иной состав. В 2014 году биолог Майкл Маутнер вырастил спаржу с картофелем на метеоритном грунте. Чтоб получить пригодную для выращивания почву, метеорит был размолот в порошок. Опытным путём он сумел доказать, что на грунте внеземного происхождения могут произрасти бактерии, микроскопические грибы и растения. Материал большинства астероидов содержит фосфаты, нитраты и иногда воду.
Спаржа, выросшая на метеоритном грунте
В случае с Марсом, где много песка и пыли, измельчение породы не понадобится. Но возникнет другая проблема - состав почвы. В грунте Марса есть тяжёлые металлы, повышенное количество которых в растениях опасно для человека. Учёные из Голландии имитировали марсианскую почву и с 2013 года вырастили на ней десять урожаев нескольких видов растений.
В результате эксперимента учёные выяснили, что содержание тяжёлых металлов в выращенных на имитированном марсианском грунте горохе, редисе, ржи и помидорах не опасно для человека. Картофель и другие культуры учёные продолжают исследовать.
Исследователь Вагер Вамелинк инспектирует растения, выращиваемые на имитированной марсианской почве. Фото: Joep Frissel/AFP/Getty Images
Содержание металлов в урожае, собранном на Земле и на симуляциях почвы Луны и Марса
Одной из важных задач является создание замкнутого цикла жизнеобеспечения. Растения получают углекислый газ и отходы жизнедеятельности экипажа, взамен отдают кислород и производят еду. Учёные проверяли возможность использования в пищу одноклеточной водоросли хлореллы, содержащей 45% белка и по 20% жиров и углеводов. Но эта в теории питательная еда не усваивается человеком из-за плотной клеточной стенки. Существуют способы решения данной проблемы. Можно расщеплять клеточные стенки технологическими методами, используя термообработку, мелки помол или другие способы. Можно брать с собой разработанные специально для хлореллы ферменты, которые космонавты будут принимать с едой. Учёные могут и вывести ГМО-хлореллу, стенку которой человеческие ферменты смогут расщепить. Хлореллой для питания в космосе сейчас не занимаются, но используют в замкнутых экосистемах для производства кислорода.
Эксперимент с хлореллой проводили на борту орбитальной станции «Салют-6». В 1970-е годы ещё считали, что пребывание в микрогравитации не оказывает отрицательного влияния на человеческий организм - слишком было мало информации. Изучить влияние на живые организмы пытались и с помощью хлореллы, жизненный цикл которой длится всего четыре часа. Её удобно было сравнивать с хлореллой, выращенной на Земле.
Источник
Прибор ИФС-2 предназначался для выращивания грибов, культур тканей и микроорганизмов, водных животных. Источник
С 70-х годов в СССР проводили эксперименты по замкнутым системам. В 1972 году началась работа «БИОС-3» - эта система действует и сейчас. Комплекс оснащён камерами для выращивания растений в регулируемых искусственных условиях - фитотронами. В них выращивали пшеницу, сою, салат чуфу, морковь, редис, свёклу, картофель, огурцы, щавель, капусту, укроп и лук. Учёные смогли достичь почти на 100% замкнутый цикл по воде и воздуху и до 50-80% - по питанию. Главные цели Международного центра замкнутых экологических систем - изучить принципы функционирования таких систем различной степени сложности и разработать научные основы их создания.
Одним из громких экспериментов, симулирующих перелёт к Марсу и возвращение на Землю, был «Марс-500». В течение 519 дней шесть добровольцев находились в замкнутом комплексе. Эксперимент организовали Рокосмос и Российская академия наук, а партнёром стало Европейское космическое агентство. На “борту корабля” были две оранжереи - в одной рос салат, в другой - горох. В данном случае целью было не вырастить растения в приближенных к космическим условиям, а выяснить, насколько растения важны для экипажа. Поэтому дверцы оранжереи заклеили непрозрачной плёнкой и установили датчик, фиксирующий каждое открывание. На фото слева член экипажа «Марс-500» Марина Тугушева работает с оранжереями в рамках эксперимента.
Ещё один эксперимент на «борту» «Марс-500» - GreenHouse. В видео ниже член экспедиции Алексей Ситнев рассказывает об эксперименте и показывает оранжерею с различными растениями.
У человека будет много шансов умереть на Марсе. Он рискует разбиться при посадке, замёрзнуть на поверхности или же просто не долететь. И, конечно, умереть от голода. Растениеводство необходимо для образования колонии, и учёные и космонавты работают в этом направлении, показывая удачные примеры выращивания некоторых видов не только в условиях микрогравитации, но и в имитированном грунте Марса и Луны. У космических колонистов определенно будет возможность повторить успех Марка Уотни.
Растения в космосе - это не только важная тема современных прикладных научных исследований, но и уникальная возможность проникнуть в глобальные тайны растительного мира.
Почему растения в космосе не цветут? Как и по какой причине меняется биохимическая структура их организма? Возможна ли полноценная растительная жизнь в космосе? На эти и многие другие вопросы предстояло или еще предстоит ответить ученым, прежде чем зазеленеют межпланетные космические корабли, а в будущем, возможно, и далекие планеты.
Наш мир полон загадок, невидимых связей, не выявленных закономерностей. Даже притом, что обычно мы ограничиваем свои представления окружающим нас земным миром, а ведь за его пределами еще лежит Космос, в отношении которого у нас куда больше теорий, догадок и предположений, нежели чем реальных фактов.
Рождение «растительной космонавтики»
К. Э. Циолковский, «отец космонавтики», первым заговорил о необходимости использования высших растений в качестве средства обеспечения людей кислородом и питанием в длительных космических полетах.
Более полувека назад под руководством С. П. Королева на втором космическом корабле-спутнике начались первые эксперименты по воздействию факторов космического полета на растения. Тогда стали «космонавтами» и успешно вернулись на Землю традесканция, хлорелла, семена лука, гороха, пшеницы, кукурузы.
Проведенный на Земле анализ показал, что, несмотря на внешнее сходство с контрольными, «космические» растения отличались по структуре клеток, биохимическому составу и другим характеристикам.
Дальнейшие эксперименты выявили проблему, которую не удавалось решить на протяжении десятилетий - растения в космосе не только не давали «потомства», то есть семян, но и вовсе отказывались цвести.
Цветы в космосе — не цветы
В 1979 году в Главном ботаническом саду АН СССР подготовили тюльпаны для выгонки на борту станции «Салют-6». Цветам оставалось лишь распуститься в космосе, но этого-то они и «не захотели» сделать по неизвестной причине. Почему — понять до сих пор не удалось. При этом в аналогичном эксперименте на Северном полюсе тюльпаны порадовали полярников дружным цветением.
Хочется рассказать еще об одном занимательном эксперименте прошлого, когда ученые остановили выбор на тропических орхидеях, поскольку полагали, что эпифитный образ жизни орхидей может сделать их более устойчивыми к условиям космоса.
Операция «Орхидея», хоть и вошла в историю космического растениеводства как одно из самых ярких событий, не завершилась успехом.
Экзотические растения в космосе не зацвели, но зато продержались на «Салюте-6» почти полгода. Стоило орхидеям вернуться в оранжерею родного ботанического сада в Киеве, как они тут же покрылись цветами.
Космический успех арабидопсиса
Слава первого растения, зацветшего в космосе, выпала на долю не великолепной орхидеи, а невзрачного растения - арабидопсиса. Арабидопсис, он же резушка, - скромный род сорных растений из семейства Крестоцветные. Кстати, это еще и первое растение, геном которого был полностью расшифрован, правда случилось данное событие значительно позже.
Прибывшей на станцию «Салют -6» Светлане Савицкой космонавты вручили небольшой букетик из цветов арабидопсиса. На Земле в стручках арабидопсиса обнаружили 200 семян. Этот опыт наконец-то опроверг мнение о невозможности прохождения растениями в невесомости всех стадий развития — от семени до семени.
Фотография K.U.Leuven Campus Kortrijk
Введение в Марсианские хроники
Сегодняшние опыты с растениями в космосе, хотя и оставляют еще множество загадок, становятся все более успешными. Например, горох, выращиваемый на Международной космической станции, относится уже к третьему поколению космической флоры.
По мнению многих исследователей, растения обладают восприятием, чувствами, памятью - уникальными свойствами, ничем в их сравнительно примитивном организме не обусловленными.
Ученые полагают, что даже межпланетный перелет на Марс - давнюю мечту человечества - ряд растений в состоянии не только успешно пережить самим, но и помочь в этом космонавтам. При длительных космических полетах растения становятся не просто предметом эксперимента, они должны решать ряд задач, связанных с жизнеобеспечением экипажа корабля (вспомните слова Циолковского, сказанные чуть меньше столетия назад). И может быть то, что совершается сегодня, уже войдет в будущие «Марсианские хроники».
Расшифровывая ДНК и до последней клетки «разбирая» строение живых организмов, ученые пока очень мало продвинулись в другой области, лежащей за гранью физического мира. По мнению многих исследователей, растения обладают восприятием, чувствами, памятью - уникальными свойствами, ничем в их сравнительно примитивном организме не обусловленными. И если мы не нашли души цветка внутри него, может быть ответ есть где-то там, во Вселенной?
Эксперимент по выращиванию растений получил название Veg-01 и стал возможным благодаря системе Veggie. Цель - изучить то, как ведут себя растения на орбите.
Система Veggie была доставлена на МКС в рамках миссии SpaceX в апреле 2014 года. На тот момент возраст семян составлял уже 15 месяцев. В Veggie они погружены на специальную платформу и освещаются красными, синими и зелёными лампами.
Красные и синие лампы нужны для обеспечения качественного роста растений и в то же время потребляют наименьшее количество энергии. Зелёные нужны лишь для визуального восприятия (мы привыкли к зелёным растениям), но, по сути, на рост не оказывают никакого влияния.
Это второй эксперимент по выращиванию растений на МКС. Первый также прошёл удачно, но через 33 дня полученные ростки отправили во Флориду, чтобы провести исследования. Листья салата из проекта Veg-01 также росли в течение 33 дней перед тем, как космонавты их собрали.
Сами астронавты отнеслись к проекту Veggie с теплотой. В одном из интервью канадец Крис Хэдфилд говорил, что на МКС никогда не бывает скучно: всегда есть задачи, которые нужно выполнить. Однако все они сводятся к анализу показаний приборов и работе с оборудованием. Возможность ухаживать за растениями пришлась по душе всем ещё и потому, что это разнообразит жизнь на станции.
Почему это важно
Первая мысль, которая пришла вам в голову наверняка верна. Важность выращивания еды в космосе сложно переоценить. Сейчас космонавты получают еду с Земли, однако в будущем, когда более длительные космические миссии будут подразумевать перелёты на другие планеты, этот способ будет становиться всё более дорогостоящим.
В 2030 году NASA готовится отправить группу космонавтов на Марс. К этому времени нужно создать стабильную систему по производству еды, ведь полёт в одну сторону займёт от 150 до 300 дней - это зависит от положения Марса.
Челл Линдгрен, Скотт Келли и Кимия Юи едят салат
