Как растения завоевывали космос: горох и орхидеи в невесомости. Растения в космосе

Цветущие космонавты

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. «Чердак» вспоминает основные вехи космического растениеводства и рассказывает о его героях.

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.

Микрооранжерея «Фитон». Фото: Малышев Николай, Сабаляускас Альгирдас/Фотохроника ТАСС

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.

1979 год. Космонавты Владимир Ковалёнок (слева), Александр Иванченков и — лук. Фотохроника ТАСС

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 4.0

Первое 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.

«Марс-500». Ромен Шарль с оранжереей «Фитоцикл-СД», подготовленной к посадке семян. Фото: ИМБП

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 4.0

А 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.

chrdk.ru

Растения в космосе: возможности космического сельского хозяйства

«Земля — это колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели».К. Э. Циолковский.

Наша планета прекрасна, но уже становится тесноватой. Люди издавна всматривались в небесную высь, пытаясь рассмотреть там возможность жизни. И к определённому моменту человечество скопило достаточный багаж знаний, чтобы полёты в космос из грёз стали реальностью.

Мы стоим в самом начале освоения космоса

57 лет назад человек вырвался из своей земной колыбели: 108 минут, проведённые первым космонавтом планеты Юрием Гагариным на околоземной орбите, открыли новую эру для человечества. С 1962 года по Указу Президиума Верховного Совета СССР 12 апреля отмечается День космонавтики. Но эта дата памятна не только для нашей страны, ведь в космосе пока нет границ. По резолюции ООН с 2011 года в этот день отмечают Международный день полёта человека в космос. А ещё земляне празднуют Юрьеву ночь — альтернативный, но ставший уже вполне официальным, праздник, получивший своё название по имени первого человека, покорившего космос. Он посвящён полёту Ю. Гагарина на корабле «Восток-1» и старту первого пилотируемого космического корабля американской программы Space Shuttle («Спейс шаттл»), совершённому в тот же апрельский день, но 20 лет спустя.

Будут ли расти деревья на Марсе?

Возможность полёта человека в космос предсказал в своих трудах ещё К. Э. Циолковский, но гениальный учёный-самоучка считал, что это событие произойдёт гораздо позже. В своей фантастической повести «Вне Земли» (1918 год) он предположил, что впервые это сможет осуществиться только в 2017 году.

Сегодня повседневная работа на околоземной орбите и даже полёты космических аппаратов к другим планетам Солнечной системы стали уже вполне привычным делом. Не за горами попытка колонизации Марса или застройка Луны обитаемыми базами. Тем не менее сейчас мы стоим в самом начале пути освоения космоса, и в том числе — изучения возможностей космического сельского хозяйства и растениеводства.

Вне Земли

На эволюцию всех форм жизни оказывают влияние разные факторы нашей родной планеты: интенсивность света, температура, солнечная радиация, гравитация. Как будут чувствовать себя земные живые организмы в космическом пространстве? Этот вопрос волновал умы учёных ещё в докосмическую эпоху, когда полёты за пределы нашей планеты были для человека невозможны.

Снаряд Жюля Верна для полётов в космос. Фото с сайта scifi.stackexchange.com

Как видно из иллюстрации к роману Жюля Верна «Из пушки на Луну», уже тогда задумывались о том, что кроме запасов пищи и воды космическим путешественникам понадобятся растения. Одна из подписей на рисунке гласит: «Кустарники для посадки на Луне». Растения на космическом корабле нужны и в качестве источника пищи для путешественников, и как элемент системы, регенерирующей атмосферу корабля, и для утилизации отходов человеческой жизнедеятельности. А ещё (по наблюдениям многих космонавтов) зелёные пассажиры положительно влияют на психологический комфорт экипажа. В общем, всё точно так же, как и на Земле.

Зелёные пассажиры положительно влияют на психологический комфорт экипажа. Фото с сайта 3dnews.ru В случае реализации проектов по устройству колоний на других планетах (например, на Марсе) наиболее важными задачами для первопоселенцев станут следующие: создание озонового слоя для защиты от жёсткого солнечного излучения, формирование атмосферы, пригодной для дыхания, и автономное производство продуктов питания. И в решении этих задач колонистам помогут растения — так же как и на планете-прародительнице.

Путь к звёздам

В работах основоположника современной теоретической космонавтики К. Э. Циолковского есть проект космической оранжереи. «Как земная атмосфера очищается растениями при помощи Солнца, так может возобновляться и наша искусственная атмосфера», — писал он в своей работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами» в 1911 году.

Страница рукописи К. Э. Циолковского «Альбом космических путешествий». 1933 год. Фото с сайта tsiolkovsky.tass.ru

Правда, до сих пор выращивать растения на орбитальных станциях в таком количестве, чтобы они создавали искусственную атмосферу, не получается. Идею космических оранжерей Циолковского более подробно разрабатывал Фридрих Артурович Цандер — создатель первой советской жидкотопливной ракеты. В своей квартире в 1915-1917 годах он проводил эксперименты по выращиванию овощей на субстрате из древесного угля и конструировал оранжерею «авиационной легкости».

Промышленное освоение космоса

Оказалось, что запустить человека в космос было проще (ведь это произошло почти на полвека раньше, чем об этом мечтал Циолковский), чем развести там растения. Тем не менее они стали космонавтами раньше людей: первые растительные путешественники были на пятом советском космическом аппарате в экипаже с собаками Белкой и Стрелкой, сорока мышами и двумя крысами. «Спутник-5» был запущен в августе 1960 года. Традесканция, семена лука, пшеницы, гороха, кукурузы и зелёная водоросль хлорелла вместе с остальными животными-космонавтами успешно вернулись на Землю.

В 1963 году космонавтом В. Ф. Быковским на «Востоке-5» был совершён самый длительный одиночный полёт. Этот рекорд не побит до сих пор, и единственным спутником Валерия Фёдоровича в течении 5 суток полёта была водоросль хлорелла.

Космические оранжереи «Фитон», «Светоблок» и «Оазис-1А». Фото с сайта testpilot.ru

Планомерные работы по космическому растениеводству начались в 1962 году. Приведу цитаты из записных книжек С. П. Королёва.

«14.9.62 г. Надо бы начать разработку «Оранжереи по Циолковскому» (ОР) с наращиваемыми постепенно звеньями или блоками, и надо начинать работать над «космическими урожаями» (?): каков состав этих посевов, какие культуры? их эффективность, полезность? обратимость (повторяемость) посевов из своих же семян из расчета длительного существования ОР? какие организации будут вести эти работы? по линии растениеводства (и вопросов почвы, влаги и т. д.), по линии механизации и пр. ОР, по линии «свето-тепло-солнечной» техники и систем ее регулирования и т. д. для ОР.Видимо, к ОР надо одновременно начать разработку и «космической фермы» (КФ) для животных и птицы. Надо бы эту задачу уточнить — имеет ли она практический смысл для экологического цикла (институты Академии наук и Академии медицинских наук). Что можно иметь на борту ТМК или ТОО (либо в ОР) из декоративных растений, требующих минимума затрат и ухода?»

Установка для выращивания растений на борту космической станции. Музей космонавтики. Фото с сайта magspace.ru

Эти заметки привели к созданию в 1972 году биотехнического комплекса замкнутого цикла «БИОС-3» — четырёх отсеков, заключённых в стальной параллелепипед с площадью основания 315 м². «БИОС-3» представлял собой замкнутый самодостаточный биотоп. В одном из четырёх отсеков размещался экипаж — три каюты, мастерская, туалет, душ, кают-компания. В другом около 30 м³ занимали колонии водорослей, ещё в двух отсеках — высшие растения. На посевных площадях в 1/5 сотки выращивались такие культуры, как пшеница, свекла, лук, морковь, огурцы, редис, листовая капуста, щавель и укроп. Комплекс прошёл успешные испытания, во время которых участники эксперимента обеспечивались растительной пищей, водой и воздухом почти полностью автономно — на 95%.

Свободное пространство

К сожалению, космические корабли имеют строго ограниченный запас места и грузоподъёмности, поэтому небесные оранжереи, в которых космонавты проводят ботанические эксперименты, больше похожи на банку. Кроме ограниченного объёма, с выращиванием растений в космосе возникло множество сложностей как технического, так и физиологического характера. Питательный раствор в невесомости никак не хотел попадать к корням и разлетался водяными шариками, за которыми Г. Гречко гонялся с бумажными салфетками, горошины переувлажнялись и подгнивали.

Ростки гороха и пшеницы в установке «Оазис-1». Фото с сайта zhurnalko.net

Космонавтам удалось вырастить на борту горох, пшеницу, листовую капусту и лук. Но появилась новая проблема — растения полноценно развивались, внешне ничем не отличаясь от контрольных земных образцов, но не цвели. Чего только не пробовали: на орбитальную станцию отправляли тюльпаны со сформировавшимися бутонами, цветущие орхидеи (эпифиты, для которых в условиях Земли не важно, куда направлять корни). Но выгнанные луковицы тюльпанов так и не расцвели, а у орхидей на орбитальной станции осыпались лепестки уже имеющихся цветов. Ботаники предположили, что виной всему невесомость.

Альбом космических путешествий

Ещё Дарвин предположил, что земное притяжение влияет на направление роста корней и побегов, это явление называется геотропизм. Без тяготения растению сложно сориентироваться, куда направить свой рост, а кроме этого, в зелёном организме происходит нарушение газожидкостного обмена. Для решения этой проблемы стали использовать центрифугу, с помощью неё создавая силу тяжести. А также попробовали посредством электромагнитной стимуляции создать имитацию электромагнитного поля Земли.

Резуховидка Таля. Фото с сайта kuleuven-kulak.be

Успех пришёл в 1982 году на орбитальной станции «Салют-7» во время экспедиции А. Березового и В. Лебедева. В устройстве «Фитотрон-3» зацвела и дала стручки с семенами резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana). Это маленькое невзрачное растение используется ботаниками наподобие белых лабораторных мышей — арабидопсис присутствует во всех экспериментах.

Контейнер с цветущей резуховидкой космонавты галантно вручили второй женщине-космонавту Светлане Савицкой, когда она прибыла на станцию. Получив положительный результат с арабидопсисом, в космосе смогли вырастить и получить семена гороха, пшеницы, льна, а также заставить цвести декоративные растения.

В следующем видеоролике вы можете увидеть видео-отчёт о первых свежих продуктах, выращенные в среде микрогравитации в космосе и попавших в меню космонавтов NASA, находящихся на борту Международной космической станции.

Сегодня космонавты выращивают для своего стола самые разные овощи. А главное, продолжают исследования влияния микрогравитации на физиологию растений и функционирование всего биоценоза — взаимодействия почвенных организмов, высших растений, грибов, мхов. Все эти исследования станут базой для развития нового сельского хозяйства — космического.

Кстати, в истории отечественной космонавтики есть один символичный казус, впоследствии ставший традицией. Советские космонавты, помимо самых разных правительственных наград, имеют Медаль за освоение целинных земель — награду, вручавшуюся передовикам сельскохозяйственных работ за освоение целинных и залежных земель. В первый раз её вручил Гагарину прямо на месте приземления спускаемого аппарата председатель местного колхоза. После 1977 года таких медалей космонавтам больше не вручали.

P.S. В качестве наименований разделов публикации использованы названия научных работ и фантастических рассказов К. Э. Циолковского.

7dach.ru

Растения и космос

54 года назад, 12 апреля 1961 года Юрий Алексеевич Гагарин – первый космонавт Земли, совершил первый в мире полет в космос на корабле «Восток». Наш космонавт очень интересовался цветами. А какие цветы он любил больше всего, вы узнаете из подборки любопытных фактов дуэта «растение и космос».

Интересные факты о растениях и космосе:

В 1980 году на борт космической станции «Салют-6» были отправлены тюльпаны. Ученые предполагали, что цветы зацветут в космосе. К сожалению, тогда чуда не случилось – тюльпаны завяли на следующий день. По возвращении из полета, космонавт В. Ляхов отчаянно произнес: «Судя по всему, в космосе никто жить не может!». Но Герои Советского Союза тоже могут ошибаться.
Но космонавты, вооружившись терпением, продолжили исследования. Иначе как можно исследовать такую глубину, как космос? И, надев цветочные скафандры, в космос отравились орхидеи. Они продержались в суровых условиях космоса целых полгода! Даже образовались новые листочки и воздушные корни. Однако цветы опали сразу же по прибытию в космос.
Арабидопсис (Arabidopsis Thaliana) – Гагарин среди цветов. Он побывал в космосе в 1982 году. Арабидопсис расцвел и даже дал семена в условиях полного отсутствия гравитации.
А Юрию Алексеевичу по нраву были ромашки. Согласитесь, скромные маленькие солнышки замечательно характеризуют их поклонника: такой же скромный и лучезарный.
Интересно, а на Марсе ромашки растут? Если растут на Марсе, то они там синего или фиолетового цвета от листьев до корней. А если на Венере, то желтого или оранжевого.
В космосе цветы и пахнуть будут иначе, чем на Земле. Аромат цветка зависит от многих условий. И некоторые умело этим пользуются. Запахи различных видов роз, выращенных на космическом корабле Дискавери, дали основу для духов «Zen» от Shiseido.
Деревья тоже хотят в космос! В 2004 году бонсай-сосна отправилась на воздушных шарах бороздить просторы Вселенной. Эта идея пришла в голову японскому художнику, который совместно с компанией, запускающей в полет космические корабли, ее и осуществил. За компанию с сосной полетел большой цветочный букет. Эта великолепная композиция летала на высоте 30 километров над Землей.
Оказывается, есть цветок, который тесно связан с неизведанным космосом, но при этом, он никуда и не думал летать. Этот цветок – космос. Во-первых, он так и называется. Во-вторых, он такой же загадочный и манящий. Шоколадный космос (Chocolate Cosmos) долгое время считался исчезнувшим. Но, к счастью, предусмотрительные биологи начала XX века успели собрать семена с последнего экземпляра этого неуловимого растения. Цветок в буквальном смысле хочется съесть – он имеет ярко выраженный запах шоколада.
За растениями для разработки новых лекарств – в космос! Клетки женьшеня, прожив 75 дней на МКС, стали более продуктивными и эффективными. Осталось только сохранить эти чудесные свойства, чтобы создавать волшебные пилюли от всех болезней.
Канадские ученые разработали «Лунный оазис». Это своего рода переносной парник, в котором учтены все условия для выращивания различных культур и растений. В будущем они надеются отправить парник на Луну, чтобы проверить работоспособность оазиса. По словам разработчиков, это позволит обеспечивать свежими фруктами и овощами будущих переселенцев с Земли.
Похожие исследования ведут и российские ученые. Еще с конца 90-х годов они трудятся над созданием космической оранжереи. На МКС есть оранжерея «Лада», в которой выращивают картофель, редис, ячмень и др. Однако целей преследуют много: от чисто научных интересов до снятия стресса космонавтов во внеземных условиях.
Японские ученые совместно с индийскими проводят исследования в условиях микрогравитации. «Космические умы» этих стран хотят проследить изменения биологических функций растений. Для начала выращивать будут обыкновенные водоросли. Посмотрим, может и суши можно будет поесть в космическом ресторане?

Автор: Иван Чернов

splants.info

Исследовательская рабоа "огород на орбите или Растения в космосе"

«Растения в космосе» или «Огород на орбите»

Введение

Полет человека в околоземное космическое пространство – это величайшее событие не только XX века, но и всей истории человечества.

Полет Гагарина показал, что человек может летать в космос, может сохранять работоспособность и нормальное психическое состояние на всех этапах космического полета.

С начала космической эры пройдена огромная дистанция от 108 мин. Юрия Гагарина до 438 суток работы в космосе врача-космонавта Валерия Полякова. Общее время работы космонавтов на орбите уже превысила 42 года. Масштабы работ в космосе растут. Расширяется программа комплексных научных и прикладных исследований и экспериментов на пилотируемых орбитальных станциях: в области внеатмосферной астрономии, медицины, биологии, космической технологии, контроля природных ресурсов Земли. Увеличивается объем операций, проводимых на станциях: сборочные и монтажные работы по развертыванию крупногабаритных космических конструкций, ремонту спутников, обслуживанию межорбитальных буксиров.

Технические задачи определяют облик постоянно действующего орбитального комплекса. В его состав будут входить научно-исследовательские лаборатории, специализированные модули комфортабельные жилые блоки, мощная энергоустановка, заправочная станция, ремонтные мастерские, строительные площадки для сборки крупногабаритных конструкций (антенн, панелей солнечных батарей, базовых). Численностью экипажа составляет 9—12 человек.

Наряду с техническими возможностями предстоит создать более биологически полноценную и экологически обоснованную среду обитания, адекватную долговременным биологическим потребностям человека. На борту марсианского космического корабля необходимо создать аналог земной биосферы, активными компонентами которого будут человек, животные, растения, микроорганизмы. При этом на смену существующим системам придут системы жизнеобеспечения замкнутого цикла – круговорот веществ.

В связи с этим возникает необходимость углубленного изучения механизмов влияния условий космического полета, прежде всего невесомости, на процессы жизнедеятельности организмов различного уровня организации (микроорганизмы, грибы, высшие растения, насекомые, рыбы, земноводные и млекопитающие).

Актуальность. Изучив соответствующую литературу, я пришла к выводу, что проблема изучения приспособленности и выращивания растений на орбите, одна из самых важных в создании среды обитания человека в длительных космических экспедициях. Только растения способны производить органические вещества, необходимые для питания всех живых организмов. Только растения поглощают углекислый газ, очищают воздух и насыщают атмосферу кислородом.

Растения – главное звено в создании земной биосферы.

Цель: изучить результаты эколого-биологического эксперимента по выращиванию растений на борту международной космической станции.

Задачи:

Выяснить условия и методы проведения эколого-биологических экспериментов по выращиванию растений на борту МКС;
познакомится с устройствами, позволяющими выращивать растения в условиях невесомости;
изучить замкнутый биолого-технический комплекс для выращивания растений на борту МКС;
понять возможно ли использовать полученные знания для практического применения и проектирования решения экологических проблем.

Объект исследования: биологические эксперименты на МКС.

Предмет исследования: выращивание растений в условиях невесомости.

Методы исследования:

1. Изучение специальной литературы, интернет –ресурсов.

2. Обобщение и систематизация материала по данной теме.

Гипотеза: растения на борту космической станции обеспечат экипаж пищей, воздухом, создадут экологический и психологический микроклимат.

Основная часть «Растения в космосе»

Лабораторные исследование

На растения в космическом пространстве действует ряд факторов, отсутствующих в земных условиях. Один из них — невесомость. Как растения переносят невесомость? Будут ли они нормально расти и развиваться в условиях космического полета? Вот почему ученые задумывались над ними еще до того, как был осуществлен полет человека в космос.

В лабораторных условиях невесомость имитируется вращением горизонтально расположенных растений вокруг своей продольной оси с помощью особого прибора — клиностата. Растение, вращаемое на клиностате, все время испытывает влияние земного притяжения, но не с одной стороны, а с разных. Вследствие этого оно растет горизонтально, тогда как без вращения корень изгибается вниз, а стебель — вверх.

Установлено, что «невесомость» подобного рода не сказалась на прорастании семян, однако в дальнейшем растения заметно отставали в развитии от экземпляров, находившихся в стационарных условиях или вращаемых вокруг вертикальной оси. Хотя внешние признаки отклонения от нормы отсутствовали, однако 35—40 процентов опытных растений начинали быстро желтеть.

Первые эксперименты по выращиванию растений в космосе

Для проведения экспериментов с растениями на космических станциях инженеры разработали ряд приборов, которые совершенствуются до сих пор. Первые попытки выращивания растений проводились в простых фитокассетах.

Проведенные в космосе опыты показали, что прорастание и первые фазы роста всходов гороха и пшеницы проходят без существенных отклонений от нормы, разница лишь в том, что земные проростки, испытывающие силу тяжести, ориентированы определенным образом: их стебельки располагаются параллельно друг другу. Иная картина в космосе: проростки хаотично тянутся во все стороны.

Успешно перенесли кратковременное пребывание в космосе лук, морковь, салат, огурцы, горчица, бобы. Вернувшись на Землю, они продолжали развиваться без существенных отклонений от нормы. Однако длительное пребывание в условиях невесомости оказало на них губительное воздействие: через две-три недели они начинали увядать, подобно тому, как они погибали на клиностате.

Космонавты В. Коваленок и А. Иванченков выращивали на орбитальной станции Салют - 6 резушку Таля (Arabidopsis tha- liana) — крошечное неприхотливое растение из семейства крестоцветных, встречающееся на железнодорожных насыпях. В земных условиях весь его жизненный цикл (от семени до семени) завершается всего за месяц. В космосе семена резушки успешно прорастали. У проростков формировались корни, стебли и листья. Однако, когда дело дошло до цветения, растения погибли.

На орбитальной станции «Салют-6» космонавты в соответствии с программой исследований, составленной учеными Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, изучали влияние факторов космического полета на рост грибов. Обычно их плодовые тела формируются в направлении, противоположном вектору силы тяжести. Ученые решили проверить, нельзя ли при помощи света компенсировать отсутствие гравитации. Эксперименты показали, что в некоторой степени это возможно. Так, на свету грибы образовывали плодовые тела, но значительно меньших размеров и неправильной формы — их ножки завивались вокруг оси. В то же время в темноте грибы не формировали плодовых тел.

Операция «Орхидея»

Добиться в космосе цветения растений было весьма заманчиво. Ввыбор остановили на эпифитных тропических орхидеях. Ботаники полагали, что эпифигный, то есть неназемный, образ жизни орхидей должен ослабить геотропическую реакцию. Ведь закрепление их корней в расщелинах коры, дуплах, развилках ветвей обусловлено прежде всего присутствием питательных веществ и воды. Корни орхидей способны расти в боковых направлениях и даже вверх в поисках подходящего субстрата. Эти растения обладают рекордной длительностью цветения — до шести месяцев. С учетом этих положений и было отобрано восемь видов орхидей.

Сконструировали, изготовили и испытали систему «Малахит-2» — фитокассету с двумя светильниками и четырьмя пеналами для растений. Пеналы заправили искусственной ионообменной почвой, которая в свое время была разработана для опытов в комплексе «Биос», а затем использовалась в установках «Оазис» и «Вазон».

Космонавты В. Рюмин и Л. Попов уже работают с «Малахитом» на борту орбитальной станции «Салют-6». Часть орхидей послали в космос расцветшими. Цветы опали почти сразу же, но сами растения дали прирост, у них образовались не только новые листья, но и воздушные корни. Даже без цветов они радовали космонавтов своей зеленью. Одно сознание того, что рядом с ними растения растут так же, как и на Земле, радовало космонавтов.

30 июля 1980 года В. Рюмин в телерепортаже сказал: «У нас есть система с растениями «Малахит». Так вот к прилету нашего друга Фам Туана из Вьетнама в ней даже цветок вырос». И он показал этот цветок.

Он был... искусно сделан космонавтами из бумаги.

Операция «Орхидея» многому научила. Хотя экзотические растения в космосе не зацвели, в отличие от своих наземных дублеров, почти непрерывно покрытых в течение всего эксперимента в контрольном «Малахите» яркими цветами, они продержались на «Салюте-6» почти полгода. Но стоило им вернуться в оранжерею ботанического сада на Земле, как растения сразу же вновь покрылись цветами.

Космические первоцветы

Существует ли выход из сложившейся ситуации? Да, есть. Он заключается в создании на космических летательных аппаратах искусственной силы тяжести. Об этом писал еще К. Э. Циолковский в работе «Цели воздухоплавания».

На борту орбитальной станции «Салют-7» отсутствие привычной для растений земной тяжести компенсировали центробежной силой, возникающей при вращении, и определенной формой магнитного поля. Для этого использовали установки «Биогравистат» и «Магнитогравистат». Космонавты стали свидетелями знаменательного события — в установке «Фитон» растение резушка Таля впервые прошло в космосе полный цикл развития — от семени до семени.

Чтобы помочь растениям справиться с невесомостью в установке «Оазис» применили электрическое поле подобное электромагнитному полю Земли. Прибывшей на станцию Светлане Савицкой космонавты вручили небольшой букетик из цветов резушки Таля.

Огород на орбите

Сегодня экспериментами с растениями занимается Институт медико-биологических проблем и все экипажи МКС. Для космонавтов, огородничество на орбите еще и источник хорошего настроения. Подготовка семян начинается еще на земле, и на орбиту они поставляются уже готовые к выращиванию. Основные растения для космонавтов: пшеница, горох и салат. Невесомость и гравитация никак не сказывается на всхожести растений. Выращивание нескольких поколений этих культур на орбите показало, что они не подвергаются генетическим изменениям и мутациям, и пригодны для выращивания и потребления в условиях длительных космических полётов. За время исследований было получено четыре вегетации гороха. Растения в каждом следующем поколении показали тот же уровень урожайности и репродуктивности.

В 2015 году в обновленной оранжерее космонавты начали культивировать такие культуры как рис, томаты и сладкий перец: их еще никогда не выращивали в космосе. Полученные данные будут необходимы для обеспечения биокультурами экипажей длительных экспедиций, в том числе и для полетов к Марсу.

К внеземным оранжереям будущего

На протяжении полутора лет на МКС проводился эксперимент, призванный выяснить, способны ли живые организмы выжить в условиях открытого космоса. В 2008 году ученые отправили на орбиту комплект различных биологических материалов: споры бактерий, семена, лишайники.

Образцы были помещены на наружной поверхности космической станции в специальном штативе. На протяжении всех полутора лет они постоянно подвергались воздействию жесткого излучения и огромным перепадам температур. В 2009-м году образцы были возвращены на Землю и переданы для лабораторных исследований. Самыми выносливыми из всех организмов, побывавших в космосе, оказались лишайники. Многие из них выжили и продолжили нормальный рост по возвращении на Землю.

Этот эксперимент показал, что идея об освоении и заселении других планет вполне реальна.

Заключение

Зеленое растение — необходимое звено замкнутой системы жизнеобеспечения в космосе. Именно оно должно снабжать космонавтов свежей, богатой витаминами пищей, производить кислород, поглощать углекислый газ. Научиться выращивать растения в невесомости очень важно уже сейчас, без этого совершенно не обойтись на длительно действующих станциях или при межпланетных полетах.

В ходе эксперимента ученые исследуют и воздействие растений на психическое состояние человека в условиях изоляции. Много лет собирают высказывания космонавтов о благотворном влиянии растений на психику. Такие эксперименты могут способствовать поддержанию хорошего морального состояния членов экипажа в течение длительного периода времени пребывания в космосе.

Исследование устойчивости земных организмов к условиям открытого космоса имеет большое практическое и научное значение. Живучие организмы ученые смогут использовать для подготовки к заселению других планет. Кроме того, обнаруженная у лишайников устойчивость к солнечной радиации уже заинтересовала компании, производящие солнцезащитные кремы.

Понимание важности и пользы выращивания растений в космосе позволит продолжить эксперимент и в дальнейшем расширить возможности освоение космоса.

infourok.ru

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.

Эта работа публикуется в рамках конкурса научно-популярных статей, проведенного на конференции «Биология — наука 21 века» в 2015 году.

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...

Волонтер фотосинтеза;
Загорская Д. (2012). Ученые исследовали рост растений в отсутствие гравитации. Сайт «Вести.ру»;
Пожванов Г.А., Суслов Д.В., Медведев С.С. (2013). Перестройки актинового цитоскелета в ходе гравитропической реакции корней арабидопсиса. Цитология. 55, 28–35;
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;
Kandasamy M.K., Deal R.B., McKinney E.C. (2004). Plant actin-related proteins. Trends Plant Sci. 9, 196–202;
Трансгенные растения — спасители планеты или бомбы замедленного действия?;
Лучше один раз увидеть, или микроскопия сверхвысокого разрешения;
По ту сторону дифракционного барьера: Нобелевская премия по химии 2014;
Экспансионная микроскопия, или Как увидеть новое сквозь старую линзу;
Флуоресцирующая Нобелевская премия по химии;
Флуоресцентные белки: разнообразнее, чем вы думали!;
Паевский А. (2015). Замечтались. Научно-образовательный проект ТАСС «Чердак»..

biomolecula.ru

Рождение космического растениеводства

"Техника-молодежи" 1983 г №4 с.2-7

РОЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКОГО РАСТЕНИЕВОДСТВА

АЛЕКСАНДР МАШИНСКИЙ, ГАЛИНА НЕЧИТАЙЛО, кандидаты биологических наук

начале декабря прошлого года мы, двое специалистов по биологическим экспериментам в космосе, готовились вылететь в Джезказган вместе с сотрудниками поисково-спасательной службы.

Нам предстояло встретить космонавтов Анатолия Березового и Валентина Лебедева, проработавших на космической орбите рекордное время: 211 суток.

После волнений, связанных с многократным откладыванием вылета из-за капризов московской погоды, уже в полете, нас начинают мучить сомнения. Успеем ли, будет ли работать наша группа встречи? Это зависит от того, с какого из нескольких возможных посадочных витков начнет спуск космический корабль. Если руководство полета по какой-либо причине задержит спуск, тогда придется действовать одной из дублирующих групп. Но хочется, очень хочется поработать самим.

К биологическим экспериментам практически у всех экипажей очень заинтересованное отношение. Это заметно и на занятиях в Центре подготовки, и на космодроме Байконур при снаряжении космических аппаратов перед стартом, и во время полета. В Центре управления полетом стали привычными разговоры экипажа с биологом, когда обсуждается ход того или иного эксперимента, уточняются методики, когда рассказываем друг другу о результатах: космонавты о том, что происходит на орбитальной станции, а мы — как идет контроль в лаборатории.

Бортовая витражная оранжерея «Малахит-2» обеспечивает оптимальные условия развития даже экзотическим орхидеям.

В. Лебедев работает с «подсобным хозяйством» на борту станции «Салют-7».

В пеналах космонавты выращивали кинзу, огуречную траву, огурцы, редис... Сюда же они поместили доставленные космическим грузовиком листья, чтобы дольше сохранить свежесть этого привета Земли.

В гостинице находим свою группу. Ее руководитель очень озабочен. Посадка предстоит особенная, ночная. Такое бывает редко. А тут еще скверная погода... Буквально за 10 мин до вылета к месту посадки вдруг опустился туман. Вертолеты один за другим пошли к расчетной точке. И хотя в работу включилась именно наша группа, встретиться с космонавтами на месте приземления нам помешал... недавно выпавший мягкий снег. От винтов поднялся такой снежный вихрь, что понять, где же эта самая земля, оказалось невозможным. Пришлось уйти на запасной аэродром и положиться на знающих специалистов поисково-спасательной группы. Раз уж они могут обеспечить нормальные условия космонавтам, то сделают это и для биологических объектов. И действительно, на следующий день мы получили свой материал в прекрасном состоянии.

ЭТО НАЧИНАЛОСЬ ТАК

Еще К. Э. Циолковский показал необходимость использования высших растений в качестве средства, призванного обеспечить дыхание и питание людей в длительных внеземных полетах. В трудах гениального ученого мы находим первые «технические условия» на создание космических оранжерей и жилых орбитальных сооружений с замкнутым экологическим циклом. А Ф. А. Цандер еще в 1915—1917 годах в своей московской квартире начал ставить эксперименты по созданию, как он говорил, оранжереи авиационной легкости.

То, о чем мечтали теоретики космонавтики, стало претворяться в жизнь под руководством С. П. Королева. Эксперименты по воздействию факторов космического полета на растительные объекты начались в 1960 году на втором космическом корабле-спутнике. Тогда совершили свой полет и впервые успешно возвратились на Землю традесканция, хлорелла, семена различных сортов лука, гороха, пшеницы, кукурузы. Культуры хлореллы летали в космос и на пилотируемом космическом корабле «Восток-5». После этого растительные организмы путешествовали в космос на всех наших космических кораблях, орбитальных станциях и биоспутниках серии «Космос».

Биолог А. Машинский у люка космического корабля перед извлечением из него биологических объектов, доставленных с орбитальной станции на Землю.

В 1962 году Главный конструктор наметил целую программу ботанических и агротехнических исследований в космосе. Он писал: «Надо бы начать разработку «Оранжереи (ОР) по Циолковскому», с наращиваемыми постепенно звеньями или блоками, и надо начинать работать над «космическими урожаями». Каков состав этих посевов, какие культуры? Их эффективность, полезность? Обратимость (повторяемость) посевов из своих же семян из расчета длительного существования ОР? Что можно иметь на борту станции или в ОР из декоративных растений, требующих минимума затрат и ухода? Какие организации будут вести эти работы: по линии растениеводства (и вопросов почвы, влаги и т. д.), по линии механизации и «светотеплосолнечной» техники и систем ее регулирования для ОР и т. д.?» (Среди других записей Королева этот фрагмент был опубликован в «ТМ», № 4 за 1981 год, с. 30—31.)

Вскоре по инициативе Главного конструктора в Красноярске появился экспериментальный замкнутый биотехнический комплекс «Биос». Длительное время испытатели обеспечивались в нем кислородом, растительной пищей и водой за счет систем жизнеобеспечения с участием высших растений и микроводорослей.

ЛЮДИ В ИСКУССТВЕННОЙ СРЕДЕ

Комплекс «Биос» состоял из четырех герметических отсеков, в одном из которых размещался экипаж, в двух других — фитотроны, в четвертом — культиваторы с водорослями. Весь комплекс был заключен в стальной герметичный корпус в форме прямоугольного параллелепипеда с длиной 15 и высотой 2,5 м. Его объем составил 315 м3.

В отсеке экипажа было три каюты, кухня-столовая, душ, совмещенный с туалетом, лабораторное помещение с мастерской и местом для отдыха.

В каждом фитотроне располагались металлические поддоны общей площадью 17 м2 для выращивания пшеницы, овощная плантация площадью 3,5 м2, в которой выращивались на керамзите свекла, морковь, укроп, репа, листовая капуста, белый редис, лук-батун, огурцы и щавель. Три хлорельных культиватора занимали 30 м2.

Теоретически не вызывало сомнений: человек может нормально жить в такой искусственной среде. Однако системы, обеспечивающие его жизнедеятельность, предстояло проверить в ходе наземного эксперимента, а уж затем создавать их для космических аппаратов.

«Биос» стал ареной нескольких успешных опытов с людьми. Самый длительный протекал 180 суток. Причем удалось добиться замыкания биотехнической системы по атмосфере и воде на 82—95%. Стремясь увеличить этот процент, исследователи столкнулись с довольно интересной проблемой.

Сообщество организмов, если оно превосходит по количеству особей некий минимум, представляет собой самовосстанавливающуюся систему. Говоря техническим языком, живые организмы, входящие в биотехническую систему, не только ремонтопригодны, но и ремонто-способны. А вот технические узлы, выработав свой ресурс, самовосстанавливаться не могут — их надо ремонтировать. Для полной гармонии техника должна подняться на новый уровень, когда появятся самовосстанавливающиеся машины.

А. Березовой и В. Лебедев на занятиях по работе с биологическим оборудованием в Центре подготовки космонавтов.

Взошедшие в невесомости в установке «Оазис» проростки пшеницы и гороха.

Установка «Электропотенциал» для экспериментов по электростимуляции растений.

ЧТО ТАКОЕ ГЕОТРОПИЗМ?

Человек из-за исключительной сложности и совершенства своего организма очень быстро и неоднозначно адаптируется к новым условиям. Выявить его специфические реакции на тот или иной действующий фактор очень трудно. Тем более что с людьми в космосе мы пока еще не имеем возможности ставить параллельно достаточно большое число опытов, отличающихся каким-то одним фактором. Для этого нужны гораздо более простые модели. Вот тут-то и приходят на помощь растения, работать с которыми подчас гораздо удобнее, чем, например, с мелкими лабораторными животными.

В процессе эволюции многие живые организмы выработали механизмы, ответственные за восприятие силы тяжести. Свойства растений реагировать на ее воздействие называют геотропизмом.

Еще Чарлз Дарвин связывал изгибы у растений, возникающие под действием силы тяжести, с наличием веществ, перемещающихся в зоны роста. Позже Д. Сакс сформулировал концепцию геотропической реакции, проявляющейся в виде последовательно протекающих процессов. А затем в этих исследованиях наметились два направления. Первое связано с именами Немеца и Габерландта, которые создали так называемую статолитовую теорию. Согласно ей геотропическая реакция возникает благодаря давлению подвижных зерен амилопластов-статолитов на протоплазму. Другая гипотеза, выдвинутая Холодным, исходила из различия физико-химических свойств протоплазмы корня и стебля, в результате чего происходит электрическая поляризация клеток. Вент дополнил ее предположением о том, что ростовые движения основаны на полярном перемещении особых веществ — ауксинов.

Первые эксперименты для изучения геотропической реакции ученые вели на центрифугах, приводимых в движение мельничным колесом. Так удавалось достичь ускорения 3,5 g. При ускорении 1 g корни и стебли фасоли изгибались точно по направлению вектора равнодействующей гравитационной и центробежной сил. Это прямо доказывало, что именно сила тяжести определяет направление роста. Но только практическая космонавтика дала возможность это проверить.

НАДЕЖДЫ И РАЗОЧАРОВАНИЯ

В 1971 году на корабле «Союз-10» за пределы Земли отправилась установка «Вазон» с двумя тюльпанами. Но, к сожалению, стыковки со станцией «Салют» не произошло, распустившиеся цветы могли наблюдать уже на Земле лишь специалисты группы поиска.

На орбитальной станции «Салют-4» стоял довольно совершенный «Оазис», снабженный телеметрической и кинорегистрирующей системами. Исследования велись с горохом.

— Поначалу многое не ладилось, — рассказывает космонавт Георгий Гречко. — Вода не поступала туда, куда было нужно, затем стали срываться огромные капли, и за ними пришлось гоняться с салфетками. Но в целом эксперимент удался, были получены взрослые, двадцатитрехдневные растения. Правда, цветов не было, но фильм с замедленной съемкой динамики роста растений снять удалось.

Именно Гречко одним из первых свидетельствовал о психологической поддержке, которую космонавты получали у растений. Сам он, особенно к концу полета, старался при каждом удобном поводе подплыть к оранжерее, чтобы лишний раз бросить взгляд на зеленых друзей. Иногда он ловил себя на том, что делает это неосознанно.

Проведенный на Земле анализ показал, что, несмотря на внешнее сходство с контрольными, растения отличались по структуре клеток, биохимическому составу, ростовым характеристикам. Это, казалось, подтверждало скепсис тех ученых, которые и до того уже сомневались в возможности нормального роста растений в условиях невесомости. Дальнейшие эксперименты по культивированию растений в длительных космических экспедициях тоже не принесли ничего утешительного. У пшеницы и гороха никак не удавалось получить не только семян, но даже цветов. На стадий их образования растения просто погибали. И этот факт давал основание говорить о принципиальной невозможности роста и развития растений в условиях космического полета. Тогда-то к решению проблемы и подключились опытные научные коллективы, возглавляемые академиком Н. П. Дубининым, академиком АН Литовской ССР А. И. Меркисом и академиком АН Украинской ССР К. М. Ситником.

Прежде всего решили выяснить, влияет ли тут именно невесомость или же другие факторы, например, технология культивирования. Ведь сама эта технология для столь необычных условий еще только создавалась. А на нее-то невесомость оказывала явное влияние. Ведь при отсутствии гравитации водо— и газообмен у растений происходит по-иному, возникает проблема отвода метаболитов и обеспечения нужного теплового режима, поскольку естественная конвекция тоже отсутствует. Вновь попытались вернуться к культивации растений, в лукавицах которых сосредоточен почти полный запас необходимых для развития веществ.

Летом и осенью 1978 года во время полета космонавты В, Коваленок и А. Иванченков выращивали лук двумя способами: научным и, «как в деревне Белой», откуда был родом командир корабля. Когда космонавты возвратились на станцию после выхода в открытый космос, то осторожно намекнули: «Вот хорошо поработали. Может быть, теперь нам в награду и луковицу разрешат съесть». Но собирать урожай тогда еще было рано.

— Лук растет в двух сосудах, один по вашей методике, а другой по моей, крестьянской, — докладывал В. Коваленок. — Если его сверху не обрезать, то он начинает гнить, а если подрезать, растет хорошо, не гниет.

— Ну что ж, хорошо. Если есть желание, несколько стрелок теперь можете съесть.

— Это мы уже сделали, из четырнадцати съели шесть.

А в репортаже по телевидению командир шутил: «Сельхозтехника лучше работает, это мы проверили в результате соцсоревнования. Наш лучок-то растет быстрее, чем научный!» Но увы, ни по той, ни по другой методике строптивое растение до цветения довести так и не удалось.

На следующий год в Главном ботаническом саду АН СССР в установке под названием «Лютик» подготовили для выгонки на борту станции «Салют-6» тюльпаны. Им оставалось только распуститься в космосе, но этого-то они и «не захотели» сделать. Почему — понять до сих пор не удалось. Аналогичная установка почти в то же время побывала на Северном полюсе. И когда там появилась лыжная экспедиция под руководством И. Шпаро, тюльпаны порадовали отважных путешественников ярким пламенем своих цветов.

ОПЕРАЦИЯ «ОРХИДЕЯ»

И все же добиться в космосе цветения растений было весьма заманчиво. В работу включились специалисты Центрального республиканского ботанического сада АН УССР. Свой выбор они остановили на эпифитных тропических орхидеях, многие из которых исключительно декоративны. Ботаники полагали, что эпифигный, то есть неназемный, образ жизни орхидей должен ослабить геотропическую реакцию. Ведь закрепление их корней в расщелинах коры, дуплах, развилках ветвей обусловлено прежде всего присутствием питательных веществ и воды. Корни орхидей способны расти в боковых направлениях и даже вверх в поисках подходящего субстрата.

Эти растения обладают рекордной длительностью цветения — до шести месяцев. С учетом этих положений и было отобрано восемь видов орхидей.

На этот раз, казалось, все было предусмотрено. Сконструировали, изготовили и испытали систему «Малахит-2» — фитокассету с двумя светильниками и четырьмя пеналами для растений. Пеналы заправили искусственной ионообменной почвой, которая в свое время была разработана для опытов в комплексе «Биос», а затем использовалась в установках «Оазис» и «Вазон».

И космонавты В. Рюмин и Л. Попов уже работают с «Малахитом» на борту орбитальной станции «Салют-6». Часть орхидей послали туда уже расцветшими. Цветы опали почти сразу же, но сами растения дали прирост, у них образовались не только новые листья, но и воздушные корни. Даже без цветов они радовали космонавтов своей зеленью. Одно сознание того, что рядом с ними растения растут так же, как и на Земле, радовало космонавтов, о чем они не раз сообщали в своих репортажах с орбиты.

Летчик-космонавт СССР С. Савицкая и биолог Г. Нечитайло обсуждают результаты опытов с растениями на орбите.

Страница из бортжурнала станции «Салют-7» с зарисовками С. Савицкой.

Что тут началось! Тут же сообщили в Киев, там определили название этого вида и с нетерпением стали ждать цветок на Земле. И получили. В одном из пеналов среди листьев виднелся красивый бледно-розовый цветок... Он был... искусно сделан космонавтами из бумаги.

Операция «Орхидея» многому нас научила. Хотя экзотические растения в космосе не зацвели, в отличие от своих наземных дублеров, почти непрерывно покрытых в течение всего эксперимента в контрольном «Малахите» яркими цветами, они продержались на «Салюте-6» почти полгода. Но стоило им вернуться в оранжерею своего ботанического сада в Киеве, как они сразу же вновь покрылись цветами.

А розыгрыш космонавтов, с одной стороны, еще раз показал нам, насколько велико их желание видеть на борту станции цветущие и, значит, полностью удовлетворенные созданными условиями растения, а с другой — липший раз предостерег от того, чтобы принимать желаемое и даже видимое за реально достигнутое.

Но почему же растения так и не цветут? Чтобы ответить на этот вопрос, во время последних экспедиций на «Салюте-6» и на новой станции «Салют-7» было проведено много экспериментов с целым набором оригинальных устройств для культивирования растений.

Малая орбитальная оранжерея «Фитон» на борту станции «Салют-7». Здесь впервые арабидопсис прошел полный цикл развития и дал семена.

Малая орбитальная оранжерея «Светоблок». В ней на борту станции «Салют-6» арабидопсис впервые зацвел.

Бортовая оранжерея «Оаэис-1А» станции «Салют-7». Конструкторы и ботаники предусмотрели систему дозированного полуавтоматического полива, аэрации и электростимулирования корневой зоны, смены и перемещения вегетационных сосудов с растениями относительно источника автономного освещения.

Бортовая установка «Биогравистат» с вращающимися и неподвижными дисками для экспериментов по проращиванию семян в условиях искусственной силы тяжести.

Оранжерея «Малахит» на борту станции «Салют-6» после трехмесячного пребывания на орбите.

Фотографии космонавтов и Владимира Орешкина.

ПОИСКИ ПРИВОДЯТ К УСПЕХУ

Нужно было помочь растениям справиться с невесомостью. Прежде всего в «Оазисе» попытались применить стимуляцию электрическим полем. При этом исходили из предположения, что геотропическая реакция связана с биоэлектрической полярностью тканей, вызванной электромагнитным полем Земли.

В космических экспериментах это предположение подтвердилось лишь частично.

Исследования велись и в других направлениях. Например, проростки некоторых растений выращивались на небольшой центрифуге «Биогравистат». Она создавала на борту корабля постоянное ускорение до 1 g. Оказалось, что в физиологическом смысле центробежные силы адекватны силе тяжести. В центрифуге проростки отчетливо ориентировались вдоль вектора центробежной силы. В стационарном блоке, напротив, наблюдалась полная дезориентация всходов.

А в устройстве «Магнитогравистат» изучалось ориентирующее действие другого фактора — неоднородного магнитного поля. Его влияние на проростки креписа, льна, сосны тоже компенсировало отсутствие гравитационного поля.

Словом, упорству исследователей можно было позавидовать.

Наконец, пришел успех. И выпал он на долю маленького, невзрачного растения арабидопсиса. Имея цикл развития всего около 30 дней, оно прекрасно растет на искусственных почвах. Во время последней экспедиции на «Салюте-6» арабидопсисы зацвели в камере установки «Светоблок».

На станции «Салют-7», где работали А. Березовой и В. Лебедев, эксперимент по культивированию арабидопсиса подготовили особенно тщательно. Там была герметичная камера «Фитон-3» с пятью кюветами и своим источником света. В кюветах — субстрат из агара, содержащий до 98% воды. По мере роста растений они могли отодвигаться от источника света. Семена с помощью сеялки-пушки посеяли сами космонавты. Вначале растения росли медленно. Но вот 2 августа 1982 года В. Лебедев сообщил:

— Появилось много, много бутонов и первые цветы.

А 19 августа с орбиты поинтересовались :

— Могут быть у арабидопсиса стручки?

— Конечно.

— А какого они цвета?

— Сперва зеленые, а потом темнеют до светло-коричневого.

— Значит, вас и нас можно поздравить с успехом. Семь зрелых стручков и много созревающих. Настоящая удача!

Прибывшей на станцию Светлане Савицкой космонавты вручили небольшой букетик из цветов арабидопсиса. Она тщательно зарисовала его. На рисунке семь цветущих растений высотой до 10 см, на них 27 стручков. При подсчете на Земле в стручках обнаружили 200 семян.

Этот опыт опроверг мнение о невозможности прохождения растениями в невесомости всех стадий развития — от семени до семени.

Правда, арабидопсис — самоопылитель, оплодотворение у него происходит еще до раскрытия бутона. Но все же успех огромен. И это успех не только научного коллектива Института ботаники АН Литовской ССР, возглавляемого академиком А. И. Меркисом, но также космонавтов Анатолия Березового и Валентина Лебедева. Теперь можно говорить, что космическое растениеводство родилось практически, и оценивать его перспективы.

К ВНЕЗЕМНЫМ ОРАНЖЕРЕЯМ БУДУЩЕГО

— Давайте пофантазируем, — предложили мы вернувшемуся из 211-суточного полета Валентину Лебедеву. — Нужна ли в длительном полете оранжерея?

— Без сомнения, нужна. Ухаживая за растениями, ремонтируя и кое в чем совершенствуя ваши ботанические установки, мы поняли, что без растений длительные космические экспедиции невозможны. Перед возвращением на Землю растения просто жалко было вырывать. Вынимали мы их очень осторожно, чтобы не повредить ни одного корешка.

Наконец-то у нас было достаточно времени, чтобы обсудить не только результаты выполненных и программы новых экспериментов, не и самые разные проекты космических оранжерей будущего.

— Такие оранжереи, — считает космонавт, — займут целые отсеки внеземных станций. Ведь растениям нужна иная атмосфера, нежели людям, — с повышенным содержанием углекислоты и водяных паров. Наверное, другой должна быть и оптимальная для получения наибольшего урожая температура, а также продолжительность светового дня. А главное — им нужен настоящий солнечный свет.

Делать очень большие иллюминаторы или же целые стеклянные стены пока технически невозможно. Видимо, наряду с некоторым увеличением размеров иллюминаторов следует применить зеркальные концентраторы. Собранный ими и направленный внутрь отсека световой поток можно будет через систему световодов подводить к растениям подобно тому, как к ним подводится влага с питательными веществами. Вот тогда и исполнится предсказание Циолковского о том, что при подборе самых урожайных культур и оптимальных условий для их развития каждый квадратный метр внеземной плантации сможет полностью прокормить одного жителя космического поселения.

Все мы уверены, что так и будет!

testpilot.ru

Как выращивают зелень в космосе / Устойчивое развитие

Идея выращивать растения в космосе принадлежит Константину Циолковскому. Задолго до начала пилотируемых полётов он заявил, что зеленая флора в будущем станет главным источником питания и поддержания состава атмосферы на космических кораблях. Сегодня экспериментами с растениями занимается Институт медико-биологических проблем и все экипажи МКС. Для космонавтов, огородничество на орбите еще и источник хорошего настроения. Blog by saharin: растения в космосе: Устойчивое развитие

Blog by saharin: растения в космосе: Устойчивое развитие

Читайте также:Через 50 лет мы будем жить на Луне, и быть на пути к Марсу. Стивен ХокингРоссия планирует высадить человека на Луну к 2030 году20 фактов о планете Земля, которые вы не знали до этого Подготовка семян начинается еще на земле, и на орбиту они поставляются уже готовые к выращиванию. Основные растения для космонавтов называют: пшеницу, горох и салат. Что примечательно невесомость и гравитация никак не сказывается на всхожести растений. Blog by saharin: выращивание растений в космосе: Устойчивое развитие

Blog by saharin: выращивание растений в космосе: Устойчивое развитие

По словам ведущего научного сотрудника Института медико-биологических проблем РАН (ИМБП) Маргариты Левинских, выращивание нескольких поколений этих культур на орбите показало, что они не подвергаются генетическим изменениям и мутациям, и пригодны для выращивания и, соответственно, потребления в условиях длительных космических полётов. То же относится и к гороху: за время исследований было получено четыре вегетации, причём растения в каждом следующем поколении показали тот же уровень урожайности и репродуктивности. Blog by saharin: выращивание растений в космосе: Устойчивое развитие

Во время общения с журналистами Левинских сообщила, что вскоре планируется модернизация неработающей сейчас на станции оранжереи «Лада»: «Мы планируем… доставить и установить новый светильник и ряд других компонентов в 2015 году. В обновленной оранжерее космонавты попробуют культивировать такие культуры как рис, томаты и сладкий перец: их еще никогда не пробовали выращивать в космосе. Полученные данные будут необходимы для обеспечения биокультурами экипажей длительных экспедиций, в том числе и для полетов к Марсу».

rodovid.me

Сведения об образовательной организации

Полезные ссылки

Безопасность

Противодействие коррупции

Доступная среда

Карта сайта

НСОКО