Космическая роль растений: в чем она заключается? Космические растения

«космические растения», или огород в невесомости

Растения, полученные благодаря космической программе, могут удивить, поразить и доставить эстетическое наслаждение.

Поздравляю всех с 12 апреля — днем космонавтики!

В своем стремлении к освоению космического пространства человек уделял внимание не только проектированию космических кораблей, но и необходимости адаптации растений к новым условиям существования. Не удивительно, что появилась такая отрасль как космоботаника, а первое живое растение полетело на орбиту гораздо раньше человека.

Зарождение и развитие космоботаники

Роль «комического огорода» гораздо важнее, чем может показаться на первый взгляд и это точно не плод безумной фантазии ученых. Огромную роль растений отметил в своих трудах еще К. Э. Циолковский, который понимал, что только растения смогут помочь человеку в длительных космических полетах, а также обеспечить дыхание и питание в орбитальных сооружениях. Около 100 лет назад, в далеких 1915-1917 гг., Ф. А. Цандер попытался создать первую «оранжерею авиационной легкости» и это было только начало…

Должное внимание космическим экспериментам с растениями уделял и С. П. Королев, под руководством которого в 1960 году полетели в космос первые растения, и что особенно важно, успешно вернулись на землю. Первыми «космонавтами» от мира растений стали хлорелла, традесканция, семена кукурузы, пшеницы, лука и гороха. Растения путешествовали в космос на всех биоспутниках серии «Космос», орбитальных станциях и космических кораблях. Существовала программа агротехнических и ботанических исследований в космосе. В ходе исследований нужно было не только изучить влияние новых условий на растения, но и получить обратимые посевы длительного существования и, естественно, «комические урожаи».

В эпоху первых проб и ошибок для выращивания растений были оборудованы специальные установки под названием «Оазис», которые обеспечивали необходимой освещение, проветривание и увлажнении, ведь осуществить полив привычным для нас способом невозможно, да и движение воздуха не происходит. Такие установки должны были помочь в преодолении особенностей характерных для комического пространства.

Космические семена

Хотя растения и сопровождали человека в его космических полетах и даже неплохо росли, чем очень радовали космонавтов, поднимая их моральный дух, но все же в космосе им было тяжеловато, часто гораздо тяжелее, чем человеку. Зеленые всходы и вегетативную массу получать удавалось, но ведь замкнутый цикл заключается не в этом. Необходимо было получить цветы и семена.

Скептики говорили, что цветы и семена не главное, вполне достаточно и зеленой массы. Ведь семена достаточно легковесны и долго хранятся, так что можно и с Земли привезти в случае необходимости. Существовали и оптимисты, которые утверждали, что необходимо просто подобрать нужный подход и «космические семена» рано или поздно появятся.

Геотропизм и отсутствие земного притяжения отрицательно сказывались на развитии. Растения упорно не желали цвести. Даже привезенные тюльпаны с бутонами не захотели раскрываться в условиях невесомости. И тут ученые обратили свой взор к экзотическим орхидеям. Конечно, с агрономической точки зрения от них можно ждать только эстетического наслаждения, но ведь не зря их называют «дочерями воздуха». Исследователи думали что адаптация к эпифитному способу существования будет полезна и в космосе. К сожалению, доставленные на орбиту цветы осыпались, хотя сами растения продолжали наращивать вегетативную массу.

Реальность оказалась как всегда где-то посредине. Главным «комическим цветком» стало скромное растение из семейства Бобовые – арабидопсис. На станции «Салют-7» космонавтам А. Березовому и В. Лебедеву в 1982 году с помощью установки «Фитон» удалось не только заставить зацвести арабидопсис, но и собрать первые космические семена. Конечно, это растение является одним из самых неприхотливых в обычных земных условиях, но для космоса это настоящее достижение.

Помощь из космоса, или чудеса космической селекции

Нет такого садовода или огородника, которого не обрадует плод гигантского размера. Конечно, для выращивания рекордсмена придется приложить немало усилий, но найдутся люди, которые заподозрят вмешательство пришельцев и помощь из космоса. Эти утверждения покажутся фантастическими и даже смешными по отношению к обычным культурам, но если идея витает в воздухе, её кто-то обязательно осуществит.

Ловя идею в гонку по космической селекции включились китайцы, ведь продовольственная проблема у этой нации стоит очень остро и «космические овощи» будут как нельзя кстати. Китайские ученые, начиная с 2001 года, отправляли в космос семена различных растений, которые, подвергнувшись космическому облучению, снова попадали на землю и высевались на специальных селекционных плантациях. Объемы семян, которые доставлялись на орбиту, были очень существенные. В 2006 году Китай запустил первый исключительно сельскохозяйственный спутник с 2 000 семян. И вот спустя год появились в продаже первые космические овощи. Космическая селекция позволила получить новые сорта сельскохозяйственных культур, которые превышали по показателям плодоношения привычные земные сорта.

Гораздо замысловатее подошли к космической селекции американцы. На орбиту они отправили семена первых трансгенных томатов, которые благодаря изменениям в геноме не должны были отрицательно реагировать на отсутствие гравитации. Космическй эксперимент не удался и выращенные в космосе растения погибли, но зато из вернувшихся на землю семян получились прекрасные растения с достаточно необычными свойствами.

Если свойства космических овощей изучены недостаточно, то новые декоративные растения, полученные благодаря космической программе, могут удивить, поразить и доставить эстетическое наслаждение. Стоит упомянуть о программе Optimara Space Violet, посвященной выведению космических фиалок. Семена узамбарских фиалок провели на космической орбите долгие 6 лет и, как оказалось, не напрасно. В результате были получены сорта с большим количеством цветов и цветоносов (до 20 одновременно), которые способны цвести практически непрерывно.

Наверняка пройдет совсем немного времени и космическими мы станем называть растения обитающие в Лунной оранжерее, а не просто однажды побывавшие в космосе.

✿ Важные дополнения к этому материалу:

dacha5.ru

Сельское хозяйство в космосе / Geektimes

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. 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»

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.

geektimes.com

Как растения растут в состоянии невесомости?

Гравитация неотъемлема для всех организмов на Земле. Она влияет на каждый аспект нашей физиологии, поведения и развития — независимо от того, что вы такое, вы развиваетесь в среде, которая тесно уходит гравитационными корнями в землю. Но что произойдет, если вы откажетесь от привычной среды и окажетесь в ситуации за пределами эволюционного опыта? Биологи, выращивающие растения в лаборатории, частенько задаются таким вопросом. Эксперименты начинаются на земле, но постепенно переходят в космос. Что может быть новее для растения, чем условия микрогравитации в космосе?

Изучая, как растения реагируют на жизнь в космосе, мы можем узнать больше о том, как они приспосабливаются к изменениям окружающей среды. Растения не только имеют важное значение для земной жизни; они также могут быть важными для нашего освоения Вселенной. Пока мы готовимся к будущей колонизации, нам важно понять, как наши растения могут приспособиться к жизни на других планетах, ведь именно они могут стать неизменным источником еды, воды и воздуха для будущих колонистов.

Таким образом, даже пока мы находимся на земле, на борту той же Международной космической станции исследования идут полным ходом. Они уже преподнесли нам несколько сюрпризов на тему роста в условиях микрогравитации и изменили наше мышление о росте растений на Земле.

Учиться безмятежности растений

Растения хорошо подходят для изучения экологической напряженности. Поскольку они торчат в одном месте — биологи называют такие организмы сессильными, — растениям приходится с умом подходить ко всему, что окружающая среда им преподносит. Переехать в более удачное место не получится, изменить окружающую среду тоже.

Однако растения могут изменить «внутреннюю среду», и растения — мастера по манипуляциям со своим метаболизмом, который помогает им справиться с пертурбациями окружения. По этой причине мы и используем растения в своих исследованиях; мы можем рассчитывать на них как на чувствительных репортеров экологических изменений, даже в относительно новых условиях вроде космического полета.

Людям было интересно, как растения реагируют на космический полет, ровно с того момента, как у нас появилась возможность туда отправиться.

Пока на Земле изучают растения, сами растения находятся в космосе

Космический полет требует специальных камер для роста, специальных инструментов для наблюдения и сбора образцов и, конечно, специальных людей, которые позаботятся о проведении эксперимента на орбите.

Типичный эксперимент начинается на Земле в лаборатории с высадки спящих семян арабидопсиса в чашках Петри с питательным гелем. Этот гель (в отличие от почвы) держится на месте в невесомости и предоставляет растению необходимую воду и питательные вещества. Эти растения затем оборачиваются темной тканью, доставляются в космический центр Кеннеди и загружаются в капсулу Dragon на вершине ракеты Falcon 9, которая летит на МКС.

После стыковки астронавт загружает чашки в оборудование для выращивания растений. Свет стимулирует семена раскрыться, камеры постоянно записывают процесс всхода ростков, и в конце эксперимента астронавт собирает 12-дневные растения и сохраняет их в консервационных тубах.

По возвращении на Землю мы можем сколько угодно экспериментировать с сохраненными образцами, изучать их уникальные процессы метаболизма, которые протекали на орбите.

Собирая плоды

Одно из первых, что мы обнаружили, так это то, что некоторые стратегии роста корней, которые, как мы полагали, требуют гравитацию, не требуют ее вообще. В поиске воды и питательных веществ растения отращивают корни, отправляя их в места поблизости. На Земле гравитация является важным «указателем» направления роста, но растения также используют прикосновения (представьте кончик корня как чувствительный палец) для навигации вокруг препятствий.

В 1880 году Чарльз Дарвин показал, что когда вы выращиваете растения вдоль наклонной поверхности, корни растут из семян не прямо, а скорее отклоняются в одну сторону. Эта стратегия роста называется «перекосом». Дарвин предположил, что причина тому — сочетание гравитации и касания корней — и 130 лет все остальные тоже так считали.

Но корни выросли с перекосом и без гравитации. В 2010 году мы увидели, что корни растений, выращенных на МКС, преодолели весь путь по поверхности чашки Петри с идеальным перекосом корней — без какой-либо гравитации. Это было сюрпризом. Очевидно, не гравитация стоит за паттерном роста корней.

У растений на МКС есть второй потенциальный источник информации, от которого они могли отталкиваться: свет. Мы предположили, в отсутствие силы тяжести, которая могла бы указать корням расти в направлении «прочь» от листьев, свет играет большую роль в ориентации корней.

Выяснилось, что да, свет очень важен, но не только свет — должен быть градиент интенсивности света, тогда он будет выступать в качестве ценного руководства. Представьте его как хороший запах: вы можете с закрытыми глазами найти на кухне источник запаха, если духовка с печеньем только открылась, но если весь дом будет в равной степени утоплен в аромате шоколадного печенья, вы вряд ли его найдете.

Настройка метаболизма на лету

Светящиеся растения позволяют нам узнать, какие гены активны, поэтому мы можем сказать, какие белки производятся.

Мы нашли ряд генов, вовлеченных в производство и реконструкцию клеточных стенок, которые по-другому экспрессируются у выращенных в космосе растений. Другие гены, чувствительные к свету, — которые обычно экспрессируются в листьях на Земле — экспрессировались в корнях на МКС. В листьях оказались репрессированы многие гены сигнализации фитогормона, а гены, отвечающие за защиту от насекомых, оказались более активными. Эти схемы генов и белков кое о чем сообщают: в условиях микрогравитации растения ослабляют клеточные стенки и вырабатывают новые способы чувствовать окружение.

Мы отслеживаем изменения экспрессии генов в режиме реального времени, отмечая конкретные белки флуоресцентной меткой. Растения с добавлением светящихся флуоресцентных белков могут «рассказывать» о том, как реагируют на свое окружение. Такие инженерские растения выступают как биологический сенсор — «биосенсор», если коротко. Специальные камеры и микроскопы позволяют нам наблюдать за тем, какое применение растение находит этим флуоресцентным белкам.

Взгляд из космоса

Такого рода исследование дает нам новое понимание того, как растение воспринимает и реагирует на внешние раздражители на фундаментальном, молекулярном уровне. Чем больше мы узнаем о том, как растение реагирует на новые и экстремальные условия, тем больше мы знаем о том, как растение будет реагировать на изменение условий и здесь, на Земле.

Конечно же, наши исследования в этой области вносят вклад в коллективные усилия по выведению биологии за пределы планеты. Тот факт, что гравитация не так важна для растений, как мы когда-то считали, это приятная новость для перспектив разведения культур на других планетах с низкой гравитацией и даже на кораблях вообще без гравитации. Люди готовы покинуть планету, и когда мы покинем орбиту Земли, будьте уверены, с нами будут растения.

hi-news.ru

Растения и космос

splants.info

Растения в космосе: инструкция по применению

Смогут ли земляне когда-нибудь засеивать поля на других планетах? Чтобы можно было вслед за космонавтами и мечтателями пропеть, что «и на Марсе будут яблони цвести»? Возможно, совсем скоро мы ответим на этот вопрос. А пока — давайте поговорим о некоторых конкретных космических исследованиях, которые ставили своей целью изучение поведения растений в условиях гравитации.

Наверное, у многих возник вопрос: неужели у растений тоже есть поведение? Разве это свойство живых существ не является прерогативой представителей исключительно животного мира? Оказывается — нет! Представьте себе, у растений тоже есть свои «фишки», в том числе: чувствительность к внешним раздражителям, разные рецепторные процессы, специфические реакции на свет, температуру, силу тяжести. И — что очень любопытно — растения обладают удивительной способностью определять свое положение в пространстве. Вот об этом удивительном феномене растительного мира я и предлагаю поговорить.

Гравитация: маленький шаг для растения и огромный скачок для ученого

Гравитация, как известно многим, — это не только название известного фильма, но и универсальное взаимодействие между материальными телами. Причем неважно, говорим ли мы о неодушевленных предметах или живых существах, о растениях или животных. Именно гравитация необычайно важна для нормального развития растительных организмов, поскольку помогает им правильно «оценивать» свое положение в пространстве. А в случае необходимости — вносить особые поправки за счет поляризованного роста.

Естественной ответной реакцией растительного организма на действие силы тяжести является гравитропизм — направленный рост органов относительно вектора гравитации. Растения тянут свои стебли и стволы ввысь, против вектора силы тяжести, то есть обладают отрицательным гравитропизмом, а их корни устремляются вглубь, к центру планеты (в этом случае мы говорим о положительном гравитропизме). Можно, конечно, дополнить, что сила тяжести не действует на растения в одиночку, сама по себе, а работает в сочетании с другими внешними факторами, как, например, свет или вода — и в этом случае мы говорим о фототропизме или гидротропизме. Но это уже детали...

Давайте же разберемся с вопросом: а зачем все-таки растениям определять свое положение в пространстве, знать, где верх, а где низ? Ведь это не люди, которым действительно нужно как-то передвигаться, причем именно по земле, а не по воздуху, например. На самом деле всё очень просто: сверху находится солнце, которое не только дарит всем живым существам свет и радость, но и обеспечивает растение такой жизненно необходимой солнечной энергией, без которой невообразимы процессы фотосинтеза [1]. Вот почему побеги всегда тянутся ввысь, к теплым лучам, а цветочки могут поворачиваться вслед за солнцем.

Рисунок 1. Опытное растение Arabidopsis thaliana, растущее в вертикальном положении (А) и при гравистимуляции (Б). Фото Пожванова Г.А. (СПбГУ).

А что же происходит внизу? Во-первых, гораздо удобнее удерживать свое положение в пространстве за счет закрепления в грунте, а не в воздухе или в водоеме. А во-вторых, не будем забывать о том, что под ногами у нас почва — уникальнейшая питательная среда со множеством полезных соединений, минеральных солей, ну и, конечно же, с водой. А вода, как известно, источник жизни. Поэтому корни растений устремляются вниз — в поисках необходимой им воды с растворенными в ней веществами.

Вот мы и разобрались с таким известным проявлением гравитропизма, как тенденция к росту побегов растения вверх, а корней — вниз. Однако существует и другой вид гравитропизма, пусть менее известный, но зато знаковый и интересный для исследователей. Я говорю о формировании особых изгибов органов растения в ответ на изменение его ориентации в пространстве, которые называются гравитропическими изгибами. Что же это за изгибы такие? Посмотрим!

Группой Григория Пожванова из Санкт-Петербургского государственного университета была проведена серия экспериментов с арабидопсисом (Arabidopsis thaliana, или резуховидка Таля). Собственно говоря, это растение никому не нужно, кроме ученых, которые используют его в качестве модельного объекта, что позволяет порой получать чрезвычайно интересные результаты. Так вот, этот самый арабидопсис, нескольких дней от роду, с уже сформированным корешком и раскрывшимися листочками, выращенный в специальных емкостях с прозрачной средой (чтобы легче было следить за особенностями роста), переворачивали горизонтально (рис. 1). То есть растение оказывалось лежащим «на боку».

Выяснилось, что бедный опрокинутый арабидопсис (на котором, кстати говоря, и не такие опыты ставили) уже через 6–7 часов изменял направление роста корня и побега таким образом, чтобы корешок вновь начинал расти вниз, а побег всё так же устремлялся вверх. Удивительно, не правда ли? Именно такое «перевернутое» положение с направленными вниз и вверх векторами роста и называют гравитропическим изгибом, призванным восстановить вертикальный рост побегов и корней.

Космический успех арабидопсиса

За последние несколько лет опубликованы сотни научных статей, касающихся проблемы гравитропизма растений. Однако оставался открытым вопрос о влиянии силы притяжения Земли на два важных показателя корневой системы: ее завивание и отклонение.

Так называемое завивание корней — это всего лишь смена направления роста их кончиков, которая происходит, например, при встрече корня с препятствием в виде камня или твердой породы, сквозь которую нельзя прорасти. Происходит своеобразная смена курса роста, связанная с огибанием преграды, но после преодоления этой сложности корешок вновь устремляется вниз согласно вектору силы тяжести.

В свою очередь, отклонение — это процесс углового смещения корня, которое происходит, допустим, при ветвлении. Любой, кто хоть раз пропалывал грядки, может подтвердить, у выкопанных сорняков нет идеально прямых корней. Напротив, они сильно ветвятся, стараясь задержаться в почве прочнее и буквально пробивая себе путь в нижних твердых слоях земли (наверное, поэтому их и не любят — кому понравится битый час выдергивать намертво закрепившегося огородного нелегала).

Некоторое время назад ученые были уверены, что завивание и отклонение имеют в своей основе сходные сценарии развития. Однако такое убеждение дало трещину, когда исследователи из университета Флориды запустили наш любимый арабидопсис в космос. На орбите выключается действие силы притяжения, что дает простор для новых исследований, включая наблюдение за гравитационными процессами. Емкости с растениями находились в специальной установке с камерой, которая делала снимки каждые шесть часов на протяжении первых 15 дней роста растений. Полученные данные передавались с борта космической станции на Землю в Центр космических исследований (Kennedy Space Center), где одновременно проводились аналогичные эксперименты с такими же образцами, но уже в условиях нормальной земной гравитации.

Выяснилось, что в целом и на Земле, и в условиях невесомости арабидопсис успешно рос, просто образцы несколько отличались по своему внешнему виду за счет того, что в основе роста находились разные стимулы. Так, космические образцы при отсутствии вектора гравитации определяли направление для дальнейшего роста по падающему свету (фототропизм). Получается, что корни резуховидок Таля росли в противоположную от побегов сторону, то есть туда, где меньше света, который в этих условиях стал для них определяющим фактором. Но главное — арабидопсис действительно успешно рос даже при отсутствии земного притяжения [2]. Вывод: для завивания и отклонения корней гравитация не является основополагающим фактором. Также было отмечено, что если характер завивания для земных (контрольных) образцов и выросших в космосе растений примерно одинаков, то в случае отклонения можно говорить о разных механизмах данного процесса, поскольку для проростков, выращенных в невесомости, отклонение было гораздо выше (рис. 2).

Рисунок 2. Растения арабидопсиса, выращенные в условиях Земли (А) и на борту космической станции (В). Заметно несколько бóльшее отклонение корней «космических» проростков, но в остальном растения очень похожи. Рисунок с сайта cdn1.vesti.ru.

Кстати говоря, арабидопсис — самое первое растение, которое не только проявило себя в опытах по влиянию отсутствия гравитации на рост, но и прошло полный цикл развития в космосе, успешно перенеся воздействие всех неблагоприятных внеземных условий.

Фитогормоны: растения тоже чувствуют!

Рисунок 3. Корневой статоцит в вертикальном положении. А — проксимальная часть клетки (расположенная ближе к центру). В — дистальная часть клетки (периферическая). 1 — клеточная стенка, 2 — эндоплазматический ретикулум, 3 — плазмодесма, 4 — ядро, 5 — митохондрия, 6 — цитоплазма, 7 — статолит, 8 — корень, 9 — корневой чехлик, 10 — статоцит. Рисунок из «Википедии».

Давайте задумаемся над вопросом: как же растения понимают, где у них низ, а где верх? Человек, например, в любой момент времени может определить, стоит ли он на земле или лежит беспомощный (за эту способность определять свое место в пространстве можно сказать спасибо вестибулярному аппарату). А обездвиженным и безмолвным растениям приходится изощряться другими способами.

Так, у представителей растительного царства есть специальная группа клеток-статоцитов, которые содержат специфические тяжелые структуры, быстро оседающие под действием гравитации (рис. 3). Эти образования называются статолитами.

Допустим, растение пригнулось к земле — отлично, в игру вступают статолиты, которые «падают» вниз (то есть осаждаются) под воздействием силы тяжести. В итоге формируются новые низ (там, где статолиты) и верх (где их нет). Далее запускается целый каскад реакций, призванных преобразовать физический процесс осаждения статолитов в биохимические процессы, которые в итоге ведут к гравитропическому ответу. Это явление очень сложно и до конца не изучено; можно с определенностью сказать лишь то, что в нем задействуется целая сеть различных посредников, вторичных мессенджеров и, конечно же, фитогормонов. Да-да, представьте себе, у растений тоже есть свои гормоны — пусть не такие популярные в плане исследований, как гормоны животных, но всё же не менее интересные и важные. Эти вещества способны оказывать целый спектр биологических воздействий. Но я предлагаю поговорить об ауксине (он же — индол-3-уксусная кислота, ИУК) как о важном участнике гравитропической реакции [3].

Так, при «перевороте» растения происходит накопление ИУК на нижней стороне гравистимулированного органа (как растение определяет свой верх и низ, мы уже обсуждали выше). Это приводит к различной скорости роста клеток на противоположных сторонах побега и корня. Получается, что ауксин — это определяющий фактор формирования гравитропического изгиба. Однако было бы несправедливо оставить в стороне помощников ауксина — специальные PIN-белки (от англ. pin — булавка), которые транспортируют его к месту воздействия [4]. Таких белков-переносчиков в клетке очень много, их классификация довольно сложна, но суть заключается в том, что именно от типа и количества этих белков зависит, куда пойдет ауксин. Получается, что если PIN-белков много на нижней стороне корня, то там будет и ауксин, чтобы простимулировать его рост.

И наконец мы подходим к такому интересному моменту, как распределение PIN-белков в пространстве клетки. Ведь сами белки, хоть и называются переносчиками, лишены возможности произвольного перемещения. Их распределение регулируется цитоскелетом. У клеток растений тоже есть свой скелет, и представлен он не костями и хрящами, а специальными веществами: актином, тубулином и миозином. Важно, что именно эти структурные полимеры определяют подвижность большинства компонентов клетки. Актиновый цитоскелет — это словно раскинувшаяся по всему объему клетки огромная сеть дорог, по которой обеспечивается транспорт большинства соединений [5].

А еще — актиновый цитоскелет очень сложно увидеть: для этого было бы недостаточно даже применения очень сильного микроскопа. Дело даже не в чрезвычайно малых размерах данной структуры, а в визуализации* — ведь человеческий глаз не способен различать эти тонкие ниточки, из которых состоят микрофиламенты, даже при очень большом увеличении. И здесь нам на помощь приходят трансгенные растения [6]. Уверена, что многие из вас так или иначе слышали о них, причем большей частью плохое. На самом же деле трансгенные растения — это универсальный инструментарий биолога, без которого нельзя представить работу любой современной физиологической лаборатории.

Итак, «трансгены» — это те же самые растения (в нашем случае — арабидопсис), просто снабженные специальными белками для создания новой экспериментальной модели. Получается, мы берем резуховидку Таля и внедряем в ее ДНК ген зеленого флуоресцентного белка (GFP, green fluorescent protein). А затем исследуем трансформированное растение под особым конфокальным микроскопом, подсвечивая лазером. И, как говорится, voila — получаем на выходе цифровое изображение, на котором прекрасно видны внутренние структуры, в частности актиновый цитоскелет, который и был нам нужен (рис. 4) [3].

Рисунок 4. Так выглядит актиновый цитоскелет корня, если подсветить его лазером конфокального микроскопа. Яркие тонкие нити — микрофиламенты, границы клеток светятся менее ярко. Масштабная линейка равна 50 мкм. Фото автора.

Новые направления: что же будет дальше?

Возможно, кого-то заинтересует, зачем нужны подобные исследования с использованием конфокальной микроскопии и где они выполняются? Поведение растений в космосе — глобальная тема исследований, над которой работают многие научные умы. Однако я могу назвать конкретное место, где тоже происходит активнейшее изучение процессов гравитропизма, — это кафедра физиологии и биохимии растений Санкт-Петербургского государственного университета. Именно здесь были сделаны конкретные экспериментальные заключения, о которых и пойдет речь ниже. В том числе по той причине, что я — студентка этой кафедры и работаю над магистерской диссертацией (за помощь хочется поблагодарить Ресурсный центр «Развитие молекулярных и клеточных технологий» СПбГУ, а особенно — их замечательный конфокальный микроскоп Leica TCS SPE).

А теперь, познакомившись с основным инструментарием, обратимся непосредственно к результатам проведенных экспериментов. Фундаментальной проблемой, интересовавшей нас в ходе работы, было поведение растений в космосе, и для ее решения мы проводили опыты по гравистимуляции растительных образцов с дальнейшей визуализацией актинового цитоскелета. Была поставлена задача сравнить корни контрольных (вертикально растущих) и гравистимулированных (расположенных горизонтально) растений арабидопсиса, а также исследовать действие на них различных реагентов.

Выяснилось, что в нормально (вертикально) развивающихся растениях находится очень много аксиально ориентированных микрофиламентов — то есть тех, которые сонаправлены с вектором силы тяжести. А вот в случае гравистимуляции, когда арабидопсис оказывается лежащим на боку, происходят изменения — в частности, увеличивается доля тех актиновых нитей, которые расположены наклонно или перпендикулярно поверхности Земли. Это значит, что корень действительно узнает, что низ и верх теперь не там, где были раньше, и уже через 20–30 минут после этой «смены полюсов» начинает активно подстраиваться под новые условия за счет переориентации своего цитоскелета. Данные механизмы лежат в основе формирования гравитропического изгиба — структуры, которую мы так долго и упорно обсуждали.

Еще более интересные результаты были получены в случае действия на такие же растения разнообразных реагентов (рис. 5). Известно, что при стрессе (например, во время гравистимуляции) в клетках растений начинает синтезироваться гормон стресса — этилен, который подавляет процессы роста корней и развитие побега, но не препятствует гравитропической реакции. При дополнительной обработке корней арабидопсиса раствором этефона (из которого образуется этилен) обнаруживалась почти тотальная разборка цитоскелета, и чем дольше растение подвергалось такому воздействию, тем больше разрушались актиновые микрофиламенты. Гравитропический изгиб образовывался, но корень был значительно короче.

Салициловая кислота ускоряла реорганизацию цитоскелета и в целом угнетала гравитропическую реакцию за счет подавления синтеза этилена. То есть корни растения не воспринимали переворот на 90 градусов в качестве стресса: ведь этилен, призванный сигнализировать о стрессовых изменениях, не выделялся. Однако по прошествии часа действие салицилата ослабевало, и растение, ощутив стресс, могло формировать изгиб.

А вот при удалении Cа2+ из клеточных стенок с помощью раствора EGTA (которая способствует связыванию ионов кальция) образование гравитропического изгиба полностью ингибировалось.

Подводя итог, можно сказать, что все эти вещества оказывают свои собственные эффекты на рост растения, причем способны как подавлять стресс, так и усиливать действие гравистимуляции.

Рисунок 5. Растения, которые подверглись различным воздействиям. В верхней строчке — нормальное (вертикальное) положение корней, в нижней — гравистимулированные (перевернутые) корни. В случае EGTA использовали два красителя: циановым цветом показан актиновый цитоскелет, а цветом фуксии — ядра клеток. Фото автора.

Варианты вертикального и горизонтального (в случае поворота растения на 90 градусов по часовой стрелке) роста арабидопсиса в течение 12 часов. Col-0 — дикий тип, GFP-fABD2 — растения Col-0, трансформированные конструкцией GFP-fABD2. В случае гравистимулированных образцов (справа) наблюдается формирование гравитропического изгиба под влиянием изменения вектора гравитации. Стрелкой показаны кончики корней, клетки которых служили объектом для исследования актинового цитоскелета.

На самом деле, это исследование только начинается. Нам еще предстоят новые эксперименты, связанные с обработкой резуховидок Таля различными активаторами и ингибиторами роста, регуляторами транспорта ауксина. К слову, оформленных научных статей еще нет: ведь работа не прекращается, буквально каждую неделю можно говорить о новых результатах.

Думаю, может возникнуть вопрос: зачем вообще нужны эти эксперименты? Чтобы лучше разобраться в механизмах стрессовой реакции в условиях смены вектора гравитации. Это поможет лучше понять, что именно испытывают растения в условиях невесомости.

Когда будет жизнь на Марсе?

Идея запланированного полета людей на Марс с целью создания там колонии не нова, однако споры вокруг этого вопроса начались с того самого момента, как идея впервые была высказана. Скептиков и тогда, и сейчас находится очень и очень много.

В одной из недавно опубликованных статей утверждается, что с некоторой долей вероятности марсианский корабль может стать кораблем-призраком, если на Солнце во время полета произойдет незапланированная вспышка [12]. Доза радиации при этом возрастет на порядок и легко убьет экипаж.

Рисунок 6. Официальная эмблема международного космического проекта Mars One. Рисунок с сайта eggheado.com.

Однако технологии постоянно развиваются — пусть медленно, если речь идет о межпланетных путешествиях, но всё же... Уже созданы проекты космических кораблей с уникальной защитной экранирующей поверхностью, способной обеспечить надежную защиту на весь срок полета, а потому проблему радиации можно считать теоретически решенной.

В той же статье автор высказыват мнение о том, что человек в принципе не способен долгое время существовать и работать рядом с одними и теми же людьми. Космонавты в один прекрасный день могут поубивать друг друга просто из-за того, что кто-то кому-то наступит на ногу. А всему виною стресс, особенно от того, что в «мышеловке» марсолёта помощи ждать неоткуда и спасательных капсул для побега на Землю не предусмотрено.

Стресс убивает, это правда. Но давайте заглянем на страничку проекта Mars One (рис. 6), в раздел «Отбор кандидатов» — и мы увидим, что способность справляться со сложными и конфликтными ситуациями (так называемая стрессоустойчивость) является, пожалуй, основным критерием отбора будущих астронавтов. К тому же участники проекта — это люди, которые сами захотели кардинально изменить свою жизнь, в отличие от профессиональных космонавтов, которым ставят конкретные задачи, часто не считаясь с их личным мнением.

Во всяком случае, время для колонизации Марса пока еще не настало, и впереди у нас как минимум десять лет. Ну а кандидатам, уже выбранным по конкурсу для участия в проекте, предстоят длительные тренинги и тщательное обучение на Земле. Что из этого получится — увидим!

Возвращаясь к результатам наших сугубо лабораторных экспериментов, следует сказать, что они имеют важное значение именно для фундаментальной науки. Однако хочется надеяться, что когда-нибудь именно эти исследования лягут в основу проектов по выращиванию свежих овощей и фруктов на космических кораблях или даже на других планетах (напомню, что пока лишь единичные экспериментальные образцы пшеницы и салата смогли пройти полный цикл вегетации в космических условиях). Интерес к внеземным пространствам сопровождал развитие цивилизации, хоть под этим пространством и подразумевалось совершенно разное. Сейчас же для удовлетворения своего интереса человечество способно разрабатывать конкретные планы, моделировать условия, чтобы потом согласно расчетам и результатам экспериментов «расстелить соломку» везде, где только можно. Глядишь, и зацветет марсианский сад?..

Международная космическая программа Mars One уже достаточно обсуждалась в прессе. Набор кандидатов, решивших приобрести билет в один конец, завершен. Теперь руководителям проекта предстоит колоссальная задача по подготовке всех необходимых условий, чтобы облегчить начало колонизации Красной планеты (рис. 7). Колонисты ставят масштабные задачи по преобразованию Марса: предполагается растопить там лед, вызвать парниковый эффект и, когда стабилизируется круговорот воды, засеять планету растениями. А пока что мы просто изучаем поведение растительных организмов в надежде на успешное освоение новых космических пространств.

Рисунок 7. Одна из основных задач научной экспедиции — изучить влияние Марса на растения, а затем и на собственные тела. Рисунок с сайта eggheado.com.

Кто знает — быть может, наступят и для нас такие времена, когда межпланетные путешествия станут обыденностью, а космос превратится в родную стихию? Ну а наш любимый арабидопсис заслужит свое почетное место в анналах земной науки и продолжит свою скромную, но такую важную работу в качестве универсального научного образца...

1. Волонтер фотосинтеза;
2. Загорская Д. (2012). Ученые исследовали рост растений в отсутствие гравитации. Сайт «Вести.ру»;
3. Пожванов Г.А., Суслов Д.В., Медведев С.С. (2013). Перестройки актинового цитоскелета в ходе гравитропической реакции корней арабидопсиса. Цитология. 55, 28–35;
4. Коврижных В.В., Омельянчук Н.А., Пастернак Т.П., Миронова В.В. (2014). Ключевая роль PIN-белков в транспорте ауксина в корне Arabidopsis thaliana L. Вавиловский журнал генетики и селекции. 18, 797–806;
5. Kandasamy M.K., Deal R.B., McKinney E.C. (2004). Plant actin-related proteins. Trends Plant Sci. 9, 196–202;
6. Трансгенные растения — спасители планеты или бомбы замедленного действия?;
7. Лучше один раз увидеть, или микроскопия сверхвысокого разрешения;
8. По ту сторону дифракционного барьера: Нобелевская премия по химии 2014;
9. Экспансионная микроскопия, или Как увидеть новое сквозь старую линзу;
10. Флуоресцирующая Нобелевская премия по химии;
11. Флуоресцентные белки: разнообразнее, чем вы думали!;
12. Паевский А. (2015). Замечтались. Научно-образовательный проект ТАСС «Чердак»..

biomolecula.ru

Космическая роль растений: в чем она заключается?

Космическая роль растений уже давно доказана многими учеными. Особую роль в исследовании этого процесса сыграл российский исследователь Климент Тимирязев. Именно он доказал, что данный процесс имеет жизненно важное значение. На каких же особенностях строения основано это уникальное свойство растительных организмов?

Космическая роль зеленых растений

Все живые организмы характеризуются определенными признаками. Однако все они нуждаются в кислороде для осуществления процесса дыхания. Космическая роль растений и заключается в обеспечении всех организмов этим жизненно важным веществом. Только растения способны производить его в ходе уникального процесса, который называется фотосинтез.

Представители растений: характерные черты строения

Почему же другие организмы не производят кислород в процессе своей жизнедеятельности? Потому что только растения имеют уникальные черты строения. Прежде всего это наличие в клетке зеленых пластид хлоропластов. На внутренней поверхности этих органелл происходит процесс фотосинтеза, которым определяется космическая роль растений. Характерными признаками представителей этого царства живой природы является также наличие углевода целлюлозы в клеточной стенке. Это вещество придает поверхностному аппарату прочность и жесткость. В качестве запасного питательного вещества в цитоплазме клеток откладываются гранулы крахмала. Этот полисахарид образуется из многочисленных молекул глюкозы, синтезирующейся в процессе фотосинтеза. Для растений также характерен неограниченный рост. Это значит, что процесс количественных изменений у них происходит в течение всей жизни.

Суть процесса фотосинтеза

Итак, космическая роль растений проявляется в ходе фотосинтеза. Само название этого процесса свидетельствует об участии солнечного излучения в нем. И действительно, фотосинтез заключается в образовании органических веществ из минеральных при условии наличия квантов света. Происходит он только в зеленых пластидах хлоропластах. На их внутренней поверхности углекислый газ взаимодействует с водой. Продуктами этой уникальной химической реакции является моносахарид глюкоза и кислород. Первое вещество растения используют в качестве источника энергии для осуществления процессов жизнедеятельности. А кислород участвует в процессах дыхания абсолютно всех живых организмов.

Условия протекания фотосинтеза

Синтез органических веществ и кислорода, в котором заключается космическая роль растений на земле, возможен только при наличии солнечного света. Учеными доказано, что от его количества зависит и интенсивность фотосинтеза. Она возрастает до освещенности в 15 тысяч люкс, а после идет на спад. Осенью происходит естественное уменьшение количества солнечного света. В результате листья меняют цвет и опадают. Суть этого процесса заключается в превращении зеленых пластид в желтые и багряные, которые называются хромопласты. При этом лист уже не может выполнять свои функции и прекращает жизнедеятельность. Листопад имеет защитное значение для растений в холодный период, поскольку этот процесс практически прекращает транспирацию. Ведь терять влагу в период ее недостатка очень неразумно.

Солнечное излучение необходимо только на первой фазе фотосинтеза. Она так и называется - световая. В течение этого периода происходит накопление энергии для запуска сложной химической реакции и активации хлорофилла. После этого свет уже не нужен. Наступает темновая фаза, в ходе которой происходит накопление углеводов. Также обязательными условиями протекания фотосинтеза является наличие воды и углекислого газа.

Фотосинтез: космическая роль растений

Растения осуществляют удивительный круговорот. Они выделяют кислород, все живые организмы используют это вещество для окисления органических веществ, в результате чего выделяют углекислый газ. Именно он является необходимым условием и реагентом в процессе фотосинтеза. Способны к этому только растения. По типу питания они являются автотрофами, способными самостоятельно производить органические вещества. Космическая роль зеленых растений заключается в обеспечении необходимых условий для жизни живых организмов. Причем, если традиционно считается, что именно леса являются "легкими планеты", то на самом деле огромная часть производимого на планете кислорода приходится на долю водных растений.

Итак, космическая роль растений заключается в осуществлении процесса фотосинтеза. В его ходе в пластидах хлоропластах при наличии воды и углекислого газа происходит волшебное появление глюкозы и кислорода, необходимого для дыхания всех живых организмов, обитающих в биосфере.

fb.ru

Сельское хозяйство в космосе

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.

se7en.ws

Смотрите также

• Морское растение
• 
  Растения лох
• 
  Большинство растений
• 
  Горец растения
• 
  Срез растения
• 
  Лечение растениями
• 
  Растение томат
• 
  Растения водоросли
• 
  Желтые растения
• 
  Желтое растение
• 
  Любимое растение