Hvorfor dyrkes planter på en orbital romstasjon? "romplanter", eller en grønnsakshage i null tyngdekraft

Plantedyrkingseksperimentet fikk navnet Veg-01 og ble gjort mulig takket være Veggie-systemet. Målet er å studere hvordan planter oppfører seg i bane.

Veggie-systemet ble levert til ISS som en del av et SpaceX-oppdrag i april 2014. På den tiden var frøene allerede 15 måneder gamle. I Veggie blir de lastet på en spesiell plattform og opplyst av røde, blå og grønne lamper.

Røde og blå lamper er nødvendig for å sikre høykvalitets plantevekst og samtidig forbruke minst mulig energi. Grønne er bare nødvendig for visuell persepsjon (vi er vant til grønne planter), men har faktisk ingen effekt på veksten.

Dette er det andre eksperimentet med å dyrke planter på ISS. Den første gikk også bra, men etter 33 dager ble de resulterende spirene sendt til Florida for å forske. Salatbladene fra Project Veg-01 vokste også i 33 dager før astronautene samlet dem.

Astronautene selv reagerte varmt på Veggie-prosjektet. I et av intervjuene hans sa kanadiske Chris Hadfield at det aldri er et kjedelig øyeblikk på ISS: det er alltid oppgaver som må fullføres. Imidlertid koker de alle ned til å analysere instrumentavlesninger og arbeide med utstyr. Alle likte også muligheten til å ta vare på planter fordi det gir variasjon til livet på stasjonen.

Hvorfor er dette viktig

Den første tanken som dukker opp er sannsynligvis riktig. Viktigheten av å dyrke mat i verdensrommet kan ikke overvurderes. For tiden får astronauter mat fra jorden, men i fremtiden, når lengre romferder innebærer reiser til andre planeter, vil denne metoden bli stadig dyrere.

I 2030 forbereder NASA seg på å sende en gruppe astronauter til Mars. På dette tidspunktet er det nødvendig å lage et stabilt matproduksjonssystem, fordi en enveisflyvning vil ta fra 150 til 300 dager - dette avhenger av Mars posisjon.

Planter oppnådd takket være romprogrammet kan overraske, forbløffe og gi estetisk nytelse.

I sin søken etter å mestre verdensrommet folk tok ikke bare hensyn til utformingen av romskip, men også til behovet for å tilpasse planter til nye levekår. Det er ikke overraskende at et slikt felt som kosmobotani dukket opp, og det første levende plante fløy i bane mye tidligere enn mennesket.

Opprinnelsen og utviklingen av kosmobotanikken

Rollen til den "komiske hagen" er mye viktigere enn det kan virke ved første øyekast, og dette er definitivt ikke frukten av forskernes gale fantasi. Stor rolle planter ble notert i verkene hans av K. E. Tsiolkovsky, som forsto at bare planter kan hjelpe en person på lang sikt romflyvninger, samt gi pust og næring i orbitale strukturer. For rundt 100 år siden, tilbake i 1915-1917, prøvde F.A. Zander å skape det første "drivhuset av flyletthet", og dette var bare begynnelsen...

S.P. Korolev ga også behørig oppmerksomhet til romeksperimenter med planter, under hvis ledelse de første plantene fløy ut i verdensrommet i 1960 og, viktigst av alt, kom tilbake til jorden. De første "kosmonautene" fra planteverdenen var chlorella, tradescantia, frø av mais, hvete, løk og erter. Planter reiste ut i verdensrommet på alle biosatellitter i Cosmos-serien, orbitalstasjoner og romfartøy. Det var et program for agroteknisk og botanisk forskning i verdensrommet. Under forskningen var det nødvendig ikke bare å studere påvirkningen av nye forhold på planter, men også for å oppnå langvarige reversible avlinger og, naturligvis, "komiske utbytter."

I tiden med den første prøving og feiling ble spesielle installasjoner kalt "Oasis" utstyrt for dyrking av planter, noe som ga nødvendig belysning, ventilasjon og fukting, fordi det er umulig å vanne på vanlig måte, og luftbevegelse oppstår ikke. Slike installasjoner skulle bidra til å overvinne særegenhetene som er karakteristiske for det komiske rommet.

Space frø

Selv om planter fulgte mennesket på romferdene og til og med vokste godt, noe som gjorde astronautene veldig glade, og økte moralen deres, var det fortsatt vanskelig for dem i verdensrommet, ofte mye vanskeligere enn for mennesker. Det var mulig å få grønne skudd og vegetativ masse, men dette er ikke poenget med en lukket syklus. Det var nødvendig å skaffe blomster og frø.

Skeptikere sa at blomster og frø ikke er det viktigste grønn masse er nok. Tross alt er frøene ganske lette og kan lagres i lang tid, så de kan bringes fra jorden om nødvendig. Det var også optimister som hevdet at du bare trenger å velge riktig tilnærming og "kosmiske frø" vil dukke opp før eller siden.

Geotropisme og mangel på tyngdekraft hadde en negativ innvirkning på utviklingen. Plantene nektet hardnakket å blomstre. Selv de medbrakte tulipanene med knopper ønsket ikke å åpne seg i forhold med vektløshet. Og så vendte forskere oppmerksomheten mot eksotiske orkideer. Selvfølgelig, fra et agronomisk synspunkt, kan man bare forvente estetisk nytelse fra dem, men det er ikke for ingenting at de kalles "luftens døtre." Forskere mente at tilpasning til en epifytisk eksistensmåte ville være nyttig i verdensrommet. Dessverre falt blomstene som ble levert i bane av, selv om plantene selv fortsatte å øke sin vegetative masse.

Virkeligheten var, som alltid, et sted i midten. Den viktigste "komiske blomsten" var en beskjeden plante fra belgfruktfamilien - Arabidopsis. På Salyut-7-stasjonen klarte kosmonautene A. Berezovoy og V. Lebedev i 1982, ved hjelp av Fiton-installasjonen, ikke bare å få Arabidopsis til å blomstre, men også å samle de første romfrøene. Selvfølgelig er denne planten en av de mest upretensiøse under normale jordiske forhold, men for verdensrommet er dette en virkelig prestasjon.

Hjelp fra verdensrommet, eller underverkene ved kosmisk utvalg

Det er ingen gartner eller gartner som ikke vil være fornøyd med en frukt på gigantisk størrelse. Selvfølgelig vil det kreve mye innsats for å vokse en rekordholder, men det vil være folk som mistenker fremmedintervensjon og hjelp fra verdensrommet. Disse utsagnene vil virke fantastiske og til og med morsomme i forhold til vanlige kulturer, men hvis en idé er i luften, vil noen definitivt implementere den.

Etter å ha fanget ideen har kineserne sluttet seg til kappløpet om plassvalg, fordi matproblemet i denne nasjonen er veldig akutt og "romgrønnsaker" vil komme godt med. Kinesiske forskere har sendt frø til verdensrommet siden 2001 ulike planter, som, etter å ha blitt utsatt for kosmisk bestråling, igjen falt til bakken og ble sådd på spesielle avlsplantasjer. Volumene av frø som ble levert i bane var svært betydelige. I 2006 lanserte Kina den første utelukkende landbrukssatellitten med 2000 frø. Og et år senere dukket de første romgrønnsakene opp på salg. Utvalg av plass gjorde det mulig å få nye varianter av landbruksvekster som oversteg de vanlige landbaserte variantene når det gjelder frukting.

Amerikanerne tok en mye mer sofistikert tilnærming til romvalg. De sendte frøene til de første transgene tomatene i bane, som takket være endringer i genomet ikke skulle reagere negativt på mangelen på tyngdekraften. Romeksperimentet mislyktes og plantene som ble dyrket i verdensrommet døde, men frøene som kom tilbake til jorden produserte vakre planter med ganske uvanlige egenskaper.

Hvis egenskapene til romgrønnsaker ikke er studert nok, så nytt prydplanter, oppnådd takket være romprogrammet, kan overraske, forbløffe og levere estetisk nytelse. Det er verdt å nevne Optimara Space Violet-programmet, dedikert til oppdrett av romfioler. Frøene til Uzambara-fioler tilbrakte 6 lange år i rombane og, som det viste seg, ikke forgjeves. Som et resultat, varianter med et stort antall blomster og stilker (opptil 20 om gangen), som kan blomstre nesten kontinuerlig.

Sikkert vil det gå mye tid, og vi vil begynne å kalle plantene som bor i Lunar Greenhouse "kosmiske", og ikke bare de som en gang besøkte verdensrommet.

Mange astronauter har prøvd å dyrke planter om bord romskip Kuban-innbyggerne våre tok også vare på sine grønne venner. Vi har allerede skrevet om forskningen til Viktor Gorbatko og Pham Tuan, og nå tilbyr vi materiale om romplantedyrkingseksperimentene til Vitaly Sevastyanov og Anatoly Berezovoy

G. Beregovoy snakker interessant om de første eksperimentene med å dyrke erter av astronauter i boken "Space for Earthlings":

«Det ligger i menneskets natur å føle tilhørighet til jordisk natur, hvor enn han er. Men når du befinner deg utenfor hjemmeplaneten din, oppfattes dette spesielt akutt. Legg merke til hvor begeistret og varmt astronautene snakker om hvordan jorden ser ut fra bane. Vel, hvis et stykke av den levende verden reiser med dem i den livløse tomheten i rommet, blir omsorgen for "landsmennene" rett og slett øm. Selv når disse "landsmennene" er grønne stengler av vanlige erter. Forresten, det var denne planten som ble dyrket på Salyut-4 av A. Gubarev og G. Grechko, og deretter plantet igjen av deltakerne på neste ekspedisjon P. Klimuk og V. Sevastyanov.

Om bord romstasjon det er en spesiell installasjon for dyrking av planter i null tyngdekraft - "Oasis". Normale forhold skapes for plantene i den, og astronautene overvåker og pleier sine grønne kjæledyr hver dag.

Uten pålitelige data om hvordan vektløshet påvirker utviklingen av planter, satte forfatterne av eksperimentet korn inn i deres "Oasis" tilfeldig (det er derfor de første skuddene var uviktige: av 36 korn spiret bare 3). På jorden går naturlig nok roten alltid ned i jorden, ned, og frøplanten når mot lyset. Men hva med en ert i verdensrommet, der det verken er opp eller ned? Hvor skal det vokse?

Det viste seg at erten blir fortalt hva den skal gjøre, ikke av tyngdekraften, men av den såkalte polare orienteringen genetisk innebygd i den: hvis frøplanten er rettet mot lyset, er roten absolutt i motsatt retning. Det betyr at du bare må hjelpe erten – orientere den på forhånd slik at roten berører jorda og frøplanten går mot lyset – og frøplanter er garantert. Ellers vil planten dø.

Forskernes antagelse ble testet av den andre ekspedisjonen på Salyut-4. P. Klimuk og V. Sevastyanov tok den forbedrede "Oasis" og frømaterialet i bane. Ordnet kornene etter instruksjonene. Og på den tiende dagen spør biologer astronautene: hvordan er plantene der?

"Alt er bra," rapporterer V. Sevastyanov rolig, "du kan høste avlingen - løkskuddene har allerede nådd 10-15 cm."

– Hvilke piler, hvilken bue? - de ble først lamslått på jorden, men kom raskt til fornuft: - Vi forstår, dette er en spøk, vi ga deg erter, ikke løk.

"Vi hadde ertefrø, det er sant," forbarmet flyingeniøren seg over biologene, "men vi tok med oss ​​to løk hjemmefra og plantet dem så å si utover planen." Nesten alle ertene har spiret og vokser nå. Så det er mulig å leve i verdensrommet.

Ytterligere eksperimenter med planter, utført på lengre flyvninger ombord på Salyut-6 orbitalstasjon, ga imidlertid forskerne mange nye overraskelser. De samme ertene, til tross for forsikringene fra V. Sevastyanov om at det er mulig å leve i verdensrommet, kunne av en eller annen grunn ikke overleve der. Om og om igjen plantet de den i "hagen over skyene", frøene spiret, plantene utviklet seg normalt og... døde. Det var ingen måte å produsere "rom"-frø, selv om omsorgen for plantene ikke bare var grundig, men til og med... han var ekstremt omsorgsfull. Astronautene flikket hver dag i "hagen" deres og pleiet hver spire, men resultatet var fortsatt det samme - de kunne ikke bevares. Noen rakitt vokste i vektløshet...

Likevel ga verken forskerne eller kosmonautene opp eller mistet håpet.»

Vil jordboere noen gang kunne så åkre på andre planeter? Slik at du kan synge, etter kosmonautene og drømmerne, at "epletrær også vil blomstre på Mars"? Kanskje veldig snart vil vi svare på dette spørsmålet. I mellomtiden, la oss snakke om noen spesifikke romforskning, som hadde som mål å studere oppførselen til planter under gravitasjonsforhold.

Dette arbeidet er publisert som en del av en konkurranse for populærvitenskapelige artikler holdt på konferansen Biology - Science of the 21st Century i 2015.

Mange har sikkert et spørsmål: har planter også atferd? Er ikke denne egenskapen til levende vesener privilegiet til representanter utelukkende for dyreverdenen? Det viser seg - nei! Tenk deg, planter har også sine egne "triks", inkludert: følsomhet for ytre stimuli, forskjellige reseptorprosesser, spesifikke reaksjoner på lys, temperatur, tyngdekraft. Og - det som er veldig nysgjerrig - planter har en fantastisk evne til å bestemme sin posisjon i rommet. Om dette fantastiske fenomenet flora Jeg foreslår at vi snakker.

Tyngdekraft: et lite skritt for en plante, et gigantisk sprang for en vitenskapsmann

Forresten, Arabidopsis er den aller første planten som ikke bare viste seg i eksperimenter på effekten av fravær av tyngdekraften på veksten, men også passerte full syklus utvikling i verdensrommet, med hell tåle effekten av alle ugunstige utenomjordiske forhold.

Fytohormoner: planter føles også!

Figur 3. Rotstatocytt i vertikal posisjon. EN - proksimal del av cellen (plassert nærmere midten). I - distale del av cellen (perifer). 1 - cellevegg, 2 - endoplasmatisk retikulum, 3 - plasmodesma, 4 - kjerne, 5 - mitokondrion, 6 - cytoplasma, 7 - statolit, 8 - rot, 9 - rothette, 10 - statocytt. Tegning fra Wikipedia.

La oss tenke på spørsmålet: hvordan forstår planter hvor de er nede og hvor de er oppe? En person, for eksempel, kan når som helst avgjøre om han står på bakken eller ligger hjelpeløs (vi kan takke det vestibulære apparatet for denne evnen til å bestemme sin plass i rommet). Og immobiliserte og stille planter må ty til andre metoder.

Så, representanter for planteriket har spesiell gruppe statocyttceller, som inneholder spesifikke tunge strukturer som raskt legger seg under påvirkning av tyngdekraften (fig. 3). Disse formasjonene kalles statolitter.

La oss si at planten bøyde seg ned til bakken - store statolitter spiller inn, som "faller" ned (det vil si setter seg) under påvirkning av tyngdekraften. Som et resultat dannes ny bunn (hvor statolitter) og topp (der det ikke er noen). Deretter lanseres en hel kaskade av reaksjoner designet for å transformere fysisk prosess utfelling av statolitter til biokjemiske prosesser som til slutt fører til en gravitropisk respons. Dette fenomenet er svært komplekst og ikke fullt ut forstått; Alt som kan sies med sikkerhet er at det involverer et helt nettverk av forskjellige mellomledd, sekundære budbringere og, selvfølgelig, fytohormoner. Ja, ja, tenk, planter har også sine egne hormoner – om enn ikke så populært forskningsmessig som dyrehormoner, men likevel ikke mindre interessant og viktig. Disse stoffene er i stand til å utøve en hel rekke biologiske effekter. Men jeg foreslår at vi snakker om auxin(aka - indol-3-eddiksyre, IAA) som en viktig deltaker i den gravitropiske reaksjonen.

Når planten "snur seg", akkumuleres IAA på undersiden av det gravistimulerte organet (vi har allerede diskutert ovenfor hvordan planten bestemmer toppen og bunnen). Dette fører til forskjellig hastighet cellevekst på motsatte sider av skudd og rot. Det viser seg at Auxin er en avgjørende faktor i dannelsen av gravitropisk bøyning. Det ville imidlertid være urettferdig å legge bort auxin-hjelpere - spesielle PIN-proteiner(fra engelsk pin- pin), som transporterer den til støtstedet. Det er mange slike bærerproteiner i cellen, deres klassifisering er ganske komplisert, men poenget er at det avhenger av typen og mengden av disse proteinene, hvor skal han gå auxin. Det viser seg at hvis det er mange PIN-proteiner på undersiden av roten, så vil det være auxin der for å stimulere veksten.

Og til slutt kommer vi til et så interessant punkt som fordelingen av PIN-proteiner i cellerommet. Tross alt er proteinene selv, selv om de kalles bærere, fratatt evnen til å bevege seg vilkårlig. Fordelingen deres reguleres av cytoskjelettet. Planteceller har også sitt eget skjelett, og det er ikke representert av bein og brusk, men av spesielle stoffer: aktin, tubulin og myosin. Det er viktig at det er disse strukturelle polymerene som bestemmer mobiliteten til de fleste cellekomponenter. Aktincytoskjelettet er som et enormt nettverk av veier spredt over hele volumet av cellen, langs hvilke transporten av de fleste forbindelser er sikret.

Og likevel er aktincytoskjelettet veldig vanskelig å se: selv bruken av et veldig kraftig mikroskop ville ikke være nok for dette. Poenget er ikke engang i den ekstremt lille størrelsen på denne strukturen, men i visualisering * - tross alt er det menneskelige øyet ikke i stand til å skille disse tynne trådene som utgjør mikrofilamenter, selv ved veldig høy forstørrelse. Og her kommer transgene planter til unnsetning. Jeg er sikker på at mange av dere har hørt om dem på en eller annen måte, og det meste dårlig. Faktisk er transgene planter en universell biologs verktøykasse, uten hvilken det er umulig å forestille seg arbeidet til et moderne fysiologisk laboratorium.

* - Vi skrev hvordan man kan overvinne diffraksjonsbarrieren og skille detaljer mindre enn en halv bølgelengde i artikkelen " Det er bedre å se en gang, eller ultrahøy oppløsningsmikroskopi", og om nobelprisvinnerne for utvikling av superoppløsningsmikroskopimetoder - i materialet" Beyond the Diffraction Barrier: Nobelprisen i kjemi 2014". I meldingen " » beskrevet ny metode klargjøring av mikroobjektglass, som kan forbedre oppløsningen betydelig. - Ed.

Så "transgener" er de samme plantene (i vårt tilfelle, Arabidopsis), ganske enkelt utstyrt med spesielle proteiner for å lage en ny eksperimentell modell. Det viser seg at vi tar Tals rhizom og introduserer det grønne fluorescerende proteingenet i DNA-et ( GFP, grønt fluorescerende protein). Og så undersøker vi den transformerte planten under et spesielt konfokalt mikroskop, belyst med en laser. Og, som de sier, voila - vi får et digitalt bilde ved utgangen, som tydelig viser de indre strukturene, spesielt aktincytoskjelettet, som er det vi trengte (fig. 4).

* - Betydningen av GFP for biologiske eksperimenter viste seg å være så høy at Nobelprisen ble tildelt for oppdagelsen av denne markøren: " ". Forskere var imidlertid ikke fornøyde og viste verden nye generasjoner av fluorescerende proteiner: " » . - Rød.

Figur 4. Slik ser aktincytoskjelettet til en rot ut når det belyses med laser fra et konfokalt mikroskop. Lyse tynne tråder er mikrofilamenter; cellegrenser lyser mindre sterkt. Skalaen er 50 µm. Foto av forfatteren.

Nye retninger: hva skjer videre?

Kanskje noen vil være interessert i hvorfor slike studier ved hjelp av konfokalmikroskopi er nødvendig og hvor de utføres? Planters oppførsel i verdensrommet - globalt tema forskning som mange vitenskapelige hoder jobber med. Imidlertid kan jeg nevne et spesifikt sted hvor den mest aktive studien av gravitropisme-prosesser også finner sted - dette er Institutt for fysiologi og biokjemi for planter i St. Petersburg statlig universitet. Det var her spesifikke eksperimentelle konklusjoner ble gjort, som vil bli diskutert nedenfor. Spesielt av den grunn at jeg er student ved denne avdelingen og jobber med masteroppgaven min (jeg vil gjerne takke ressurssenteret "Development of Molecular and Cellular Technologies" ved St. Petersburg State University for deres hjelp, og spesielt deres fantastiske Leica TCS SPE konfokalmikroskop).

Og nå, etter å ha blitt kjent med de grunnleggende verktøyene, la oss gå direkte til resultatene av eksperimentene. Grunnleggende problem En problemstilling som interesserte oss under arbeidet var planters oppførsel i rommet, og for å løse det gjennomførte vi eksperimenter på gravistimulering av planteprøver med ytterligere visualisering av aktincytoskjelettet. Oppgaven var å sammenligne røttene til kontroll (vertikalt voksende) og gravistimulerte (horisontalt plasserte) Arabidopsis-planter, samt å studere effekten av ulike reagenser på dem.

Det viste seg at i normalt (vertikalt) utviklende planter er det mange aksialt orienterte mikrofilamenter - det vil si de som er co-rettet med gravitasjonsvektoren. Men når det gjelder gravistimulering, når Arabidopsis finner seg selv å ligge på siden, skjer endringer - spesielt øker andelen av de aktinfilamentene som er plassert på skrå eller vinkelrett på jordoverflaten. Dette betyr at roten faktisk lærer at bunnen og toppen nå ikke er der de var før, og allerede 20–30 minutter etter dette "polskifte" begynner den å aktivt tilpasse seg nye forhold på grunn av reorienteringen av cytoskjelettet. Disse mekanismene ligger til grunn for dannelsen av en gravitropisk bøy - en struktur som vi har diskutert så lenge og vedvarende.

Enda mer interessante resultater ble oppnådd når de samme plantene ble eksponert for ulike reagenser (fig. 5). Det er kjent at under stress (for eksempel under gravistimulering), begynner et stresshormon å bli syntetisert i planteceller - etylen, som undertrykker prosessene med rotvekst og skuddutvikling, men forstyrrer ikke den gravitropiske reaksjonen. På tilleggsbehandling Arabidopsis-røtter behandlet med en løsning av etefon (som etylen dannes fra) viste nesten total demontering av cytoskjelettet, og jo lenger planten ble utsatt for denne effekten, desto flere aktinmikrofilamenter ble ødelagt. Det ble dannet en gravitropisk bøy, men roten var mye kortere.

Salisylsyre akselererte omorganiseringen av cytoskjelettet og undertrykte generelt den gravitrope reaksjonen ved å undertrykke etylensyntese. Det vil si at plantens røtter ikke oppfattet en 90-graders sving som stress: Tross alt ble etylen, som skal signalisere spenningsendringer, ikke frigjort. Men etter en time ble effekten av salisylatet svekket, og planten, som følte seg stresset, kunne danne en bøy.

Men når Ca 2+ ble fjernet fra celleveggene ved hjelp av en løsning av EGTA (som fremmer bindingen av kalsiumioner), ble dannelsen av en gravitropisk bøyning fullstendig hemmet.

For å oppsummere kan vi si at alle disse stoffene har sine egne effekter på planteveksten, og kan både undertrykke stress og forsterke effekten av gravistimulering.

Figur 5. Planter som har vært utsatt for ulike behandlinger. På topplinjen- normal (vertikal) plassering av røttene, nederst- gravistimulerte (inverterte) røtter. Når det gjelder EGTA, ble to fargestoffer brukt: cyan viser aktincytoskjelettet, og fuksia viser cellekjernene. Foto av forfatteren.

Alternativer for vertikal og horisontal (i tilfelle av å snu planten 90 grader med klokken) vekst av Arabidopsis i 12 timer. Kol-0 - vill type, GFP-fABD2- Col-0-planter transformert med GFP-fABD2-konstruksjonen. Når det gjelder gravistimulerte prøver ( høyre) dannelsen av en gravitropisk bøyning observeres under påvirkning av en endring i gravitasjonsvektoren. Pilen indikerer spissene av røttene, hvis celler fungerte som et objekt for å studere aktincytoskjelettet.

Faktisk er denne forskningen så vidt i gang. Vi har fortsatt nye eksperimenter å gjøre som involverer behandling av Thals jordstengler med ulike vekstaktivatorer og -hemmere, og regulatorer av auxintransport. Forresten, det er ingen formaliserte vitenskapelige artikler ennå: tross alt stopper ikke arbeidet, bokstavelig talt hver uke kan vi snakke om nye resultater.

Jeg tror spørsmålet kan oppstå: hvorfor trengs disse eksperimentene i det hele tatt? For bedre å forstå mekanismene til stressresponsen under forhold med en endring i gravitasjonsvektoren. Dette vil bidra til å bedre forstå hva planter opplever i null tyngdekraft.

Når blir det liv på Mars?

Ideen om et planlagt menneskelig oppdrag til Mars med sikte på å etablere en koloni der er ikke ny, men kontrovers rundt problemet har begynt helt siden ideen først ble uttrykt. Det var veldig, veldig mange skeptikere både da og nå.

En nylig publisert artikkel hevder at det er en viss sannsynlighet for at et Mars-skip kan bli et spøkelsesskip hvis et uplanlagt bluss oppstår på solen under flyturen. Stråledosen vil øke med en størrelsesorden og vil lett drepe mannskapet.

Teknologien utvikler seg imidlertid hele tiden – om enn sakte når det kommer til interplanetariske reiser, men likevel... Det er allerede laget prosjekter av romskip med en unik beskyttende skjermingsflate som kan gi pålitelig beskyttelse for hele varigheten av flyturen, og derfor kan strålingsproblemet vurderes teoretisk sett løst.

I samme artikkel gir forfatteren uttrykk for at en person i prinsippet ikke er i stand til å eksistere og jobbe med de samme menneskene over lang tid. Astronauter kan en dag drepe hverandre bare fordi noen tråkker på en annens fot. Og alt er på grunn av stress, spesielt fordi i "musefellen" til Mars-raketten er det ingen steder å vente på hjelp, og det er ingen fluktkapsler for å rømme til jorden.

Stress dreper, det er sant. Men la oss ta en titt på prosjektsiden Mars One(Fig. 6), i avsnittet "Utvalg av kandidater" - og vi vil se at evnen til å takle komplekse og konfliktsituasjoner(såkalt stressmotstand) er kanskje hovedkriteriet for å velge fremtidige astronauter. I tillegg er prosjektdeltakerne mennesker som selv ønsket å radikalt endre livene sine, i motsetning til profesjonelle kosmonauter som får spesifikke oppgaver, ofte uavhengig av deres personlige meninger.

Uansett er tiden ennå ikke kommet for koloniseringen av Mars, og vi har minst ti år foran oss. Vel, kandidater som allerede er valgt ut gjennom en konkurranse for å delta i prosjektet vil gjennomgå langvarig opplæring og grundig opplæring på jorden. Vi får se hva som kommer ut av det!

For å gå tilbake til resultatene av våre rene laboratorieeksperimenter, skal det sies at de har viktig spesielt for grunnleggende vitenskap. Jeg vil imidlertid håpe at disse studiene en dag vil danne grunnlaget for prosjekter for vekst friske grønnsaker og frukt på romskip eller til og med på andre planeter (la meg minne deg på at så langt har bare noen få eksperimentelle prøver av hvete og salat vært i stand til å gå gjennom hele vegetasjonssyklusen under romforhold). Interessen for utenomjordiske rom fulgte utviklingen av sivilisasjonen, selv om helt andre ting var ment med dette rommet. Nå, for å tilfredsstille sin interesse, er menneskeheten i stand til å utvikle spesifikke planer, simulere forhold, og deretter, i henhold til beregninger og eksperimentelle resultater, "spre sugerør" der det er mulig. Ser du Mars-hagen blomstrer?

Internasjonalt romprogram Mars One har allerede blitt diskutert nok i pressen. Rekrutteringen av kandidater som har bestemt seg for å kjøpe enveisbillett er fullført. Prosjektledere står nå overfor den enorme oppgaven med å forberede alle nødvendige forhold for å lette begynnelsen på koloniseringen av den røde planeten (fig. 7). Kolonistene satte store oppgaver for å transformere Mars: de skal smelte isen der, forårsake drivhuseffekt og når vannets syklus stabiliserer seg, så planter du planeten med planter. Foreløpig studerer vi rett og slett oppførselen til planteorganismer i håp om vellykket utforskning av nye romrom.

Figur 7. En av hovedoppgavene til den vitenskapelige ekspedisjonen er å studere Mars innflytelse på planter, og deretter på deres egen kropp. Tegning fra eggheado.com. . ;

Menneskeheten trengte all kunnskapen samlet inn av forskere gjennom hundrevis av år for å starte romflyvninger. Og så møtte mannen nytt problem- for kolonisering av andre planeter og langdistanseflyvninger er det nødvendig å utvikle et lukket økosystem, inkludert å gi astronautene mat, vann og oksygen. Å levere mat til Mars, som ligger 200 millioner kilometer fra Jorden, er dyrt og vanskelig det ville være mer logisk å bruke metoder for å produsere produkter som er enkle å implementere i flukt og på den røde planeten.

Hvordan påvirker mikrogravitasjon frø? Hvilke grønnsaker ville være ufarlige hvis de dyrkes i tungmetallrik jord på Mars? Hvordan sette opp en plantasje om bord i et romskip? Forskere og astronauter har lett etter svar på disse spørsmålene i mer enn femti år.

Konstantin Tsiolkovsky skrev i "The Goals of Astronomy": "La oss forestille oss en lang konisk overflate eller trakt, hvis base eller brede åpning er dekket med en gjennomsiktig sfærisk overflate. Den vender rett mot solen, og trakten roterer rundt sin lange akse (høyde). På de ugjennomsiktige innerveggene til kjeglen er det et lag med fuktig jord med planter plantet i den.» Så han foreslo kunstig å skape gravitasjon for planter. Det bør velges planter som er produktive, små, uten tykke stammer og deler som ikke er utsatt for solen. På denne måten kan kolonisatorer delvis forsynes med biologisk aktive stoffer og mikroelementer og oksygen og vann kan regenereres.

I 1962 sjefdesigner OKB-1 Sergei Korolev satte oppgaven: "Vi må begynne å utvikle "Drivhuset (OR) ifølge Tsiolkovsky," med gradvis økende koblinger eller blokker, og vi må begynne å jobbe med "kosmiske høstinger."

Manuskript av K.E. Tsiolkovsky "Album" romfart", 1933. Kilde

USSR lanserte den første kunstig satellitt Jorden den 4. oktober 1957, tjueto år etter Tsiolkovskys død. Allerede i november samme år ble blandingen Laika sendt ut i verdensrommet, den første av hundene som skulle åpne veien til verdensrommet for mennesker. Laika døde av overoppheting på bare fem timer, selv om flyturen var planlagt for en uke - for denne gangen ville det vært nok oksygen og mat.

Flykten til Belka og Strelka i august 1960 var mer vellykket for både hundene og dyrene som fulgte dem - førti mus og to rotter. Sammen med denne «Noahs ark» sendte sovjetiske forskere frø av mais, hvete, erter og løk ut i verdensrommet. Hele teamet gikk ned til jorden i en container designet for fremtidige menneskelige flyreiser. Men dette var ikke nok – mennesker måtte begynne å drive jordbruk i verdensrommet.

Hunden Laika, den første hunden i jordens bane

I boken "Space to Earthlings" skrev kosmonautpiloten, medlem av Soyuz-3-ekspedisjonen Georgy Beregovoy at det er menneskelig natur å føle seg involvert i den jordiske naturen, uansett hvor han er: "Men når du befinner deg utenfor hjemmeplaneten din. , dette oppleves spesielt krydret. Legg merke til hvor begeistret og varmt astronautene snakker om hvordan jorden ser ut fra bane. Vel, hvis et stykke av den levende verden reiser med dem i den livløse tomheten i rommet, blir omsorgen for "landsmennene" rett og slett øm. Selv når disse "landsmennene" er grønne stengler av vanlige erter. Forresten, det var denne planten som ble dyrket på Salyut-4 av A. Gubarev og G. Grechko, og deretter plantet igjen av deltakerne på neste ekspedisjon - P. Klimuk og V. Sevastyanov."

Orbitalstasjonen Salyut 4, lansert i 1974, hadde en Oasis-installasjon for dyrking av planter i null tyngdekraft. Georgy Grechko skrev i boken "Cosmonaut No. 34" at arbeidet med systemet var en av de mest interessante eksperimenter i flukten hans. Installasjonen var hydroponisk, det var ingen land, ertene måtte spire i gjennomvåt gasbind. Rett etter å ha startet arbeidet med Oasis, la kosmonauten merke til at vann ikke strømmet inn i den ene kyvetten, mens vann strømmet inn i den andre for rikelig, noe som fikk ertene til å råtne. Store vanndråper sprakk fra installasjonen, som Grechko jaget rundt på stasjonen med servietter. Han kuttet av slangen og begynte å vanne ertene for hånd mens han puslet med maskinen i flere timer.

Astronauten innrømmer at på grunn av hans hat mot biologi på skolen, ødela han nesten et eksperiment. Han vurderte at spirene ble viklet inn i stoffet og vokste feil, og frigjorde dem fra gasbindet, men dette hjalp ikke. Det viste seg at han hadde forvekslet røttene med stilkene.

Eksperimentet ble fullført. For første gang i verdensrommet har planter syklet fra frø til voksen ertestamme. Men av 36 korn var det bare tre som spiret og vokste.

"Oasis-1" inn Minnemuseum astronautikk. Kilde

Forskere har antydet at problemet oppsto på grunn av en genetisk bestemt orientering - frøplanten skal strekke seg mot lyset, og roten - i motsatt retning. De forbedret Oasis, og neste ekspedisjon tok nye frø i bane.

Løken har vokst. Vitaly Sevastyanov rapporterte til jorden at pilene hadde nådd ti til femten centimeter. «Hvilke piler, hvilken bue? Vi forstår, dette er en spøk, vi ga deg erter, ikke løk,” sa de fra jorden. Flyingeniøren svarte at astronautene hadde tatt to løker hjemmefra for å plante dem utover planen, og beroliget forskerne - nesten alle ertene hadde spiret.

Men plantene nektet å blomstre. På dette stadiet døde de. Samme skjebne ventet tulipanene, som blomstret i Smørblomst-installasjonen på Nordpolen, men ikke i verdensrommet.

Men du kunne spise løk, noe kosmonautene V. Kovalenok og A. Ivanchenkov med suksess gjorde i 1978: «Du gjorde en god jobb. Kanskje nå får vi lov til å spise en løk som belønning.»

Teknologi - ungdom, 1983-04, side 6. Erter i «Oasis»-installasjonen

Kosmonautene V. Ryumin og L. Popov mottok i april 1980 malakittinstallasjonen med blomstrende orkideer. Orkideer er festet til barken på trær og i huler, og forskere tror at de kan være mindre utsatt for geotropisme - planteorganers evne til å lokalisere og vokse i en bestemt retning i forhold til sentrum kloden. Blomstene falt av etter noen dager, men orkideene dannet nye blader og luftrøtter. Litt senere hadde det sovjet-vietnamesiske mannskapet fra V. Gorbatko og Pham Tuay med seg en voksen Arabidopsis.

Plantene ville ikke blomstre. Frøene spiret, men orkideen blomstret for eksempel ikke i verdensrommet. Forskere trengte å hjelpe planter med å takle vektløshet. Dette ble blant annet gjort ved hjelp av elektrisk stimulering av rotsonen: forskere mente at jordens elektromagnetiske felt kunne påvirke veksten. En annen metode involverte planen beskrevet av Tsiolkovsky for å skape kunstig gravitasjon - planter ble dyrket i en sentrifuge. Sentrifugen hjalp - spirene ble orientert langs vektoren sentrifugalkraft. Til slutt nådde astronautene målet sitt. Arabidopsis har blomstret i lysblokken.

Til venstre i bildet nedenfor er Fiton-drivhuset om bord på Salyut 7. For første gang i dette orbitale drivhuset gikk Thals rhizoid (Arabidopsis) gjennom en full utviklingssyklus og produserte frø. I midten er "Svetoblok", der Arabidopsis blomstret for første gang om bord på Salyut-6. Til høyre er drivhuset "Oasis-1A" ombord ved Salyut-7-stasjonen: det var utstyrt med et system med dosert halvautomatisk vanning, lufting og elektrisk stimulering av røtter og kunne flytte vegetasjonskar med planter i forhold til lyskilde.

"Fiton", "Svetoblok" og "Oasis-1A"

Installasjon "Trapezium" for å studere vekst og utvikling av planter. Kilde

Sett med frø

Flylogg for Salyut-7-stasjonen, skisser av Svetlana Savitskaya

Verdens første automatiske drivhus, Svet, ble installert på Mir-stasjonen. Russiske kosmonauter på 1990-2000-tallet ble det utført seks eksperimenter i dette drivhuset. De dyrket salat, reddiker og hvete. I 1996-1997 planla Institutt for medisinske og biologiske problemer ved det russiske vitenskapsakademiet å dyrke plantefrø oppnådd i verdensrommet - det vil si å jobbe med to generasjoner planter. Til forsøket valgte vi en hybrid av villkål på omtrent tjue centimeter høy. Anlegget hadde én ulempe - astronautene trengte å pollinere.

Resultatet var interessant - frøene til andre generasjon ble mottatt i verdensrommet, og de spiret til og med. Men plantene vokste til seks centimeter i stedet for tjuefem. Margarita Levinskikh, en forsker ved Institutt for medisinske og biologiske problemer ved det russiske vitenskapsakademiet, sier at den amerikanske astronauten Michael Fossum utførte det storslåtte arbeidet med plantepollinering.

Roscosmos-video om dyrking av planter i verdensrommet. Klokken 4:38 - planter på Mir-stasjonen

I april 2014 leverte SpaceX sitt Dragon-lasteskip Veggie til den internasjonale romstasjonen, og i mars begynte astronauter å teste orbital-planteren. Installasjonen styrer lys og forsyning næringsstoffer. I august 2015 ble friske grønnsaker dyrket i mikrogravitasjon inkludert i astronautenes meny.

Salat dyrket på den internasjonale romstasjonen

Slik kan en plantasje på en romstasjon se ut i fremtiden.

I den russiske delen av den internasjonale romstasjonen er det et Lada-drivhus for Plants-2-eksperimentet. I slutten av 2016 eller begynnelsen av 2017 vil Lada-2-versjonen vises om bord. Institutt for medisinske og biologiske problemer ved det russiske vitenskapsakademiet jobber med disse prosjektene.

Romhagebruk er ikke begrenset til eksperimenter med null tyngdekraft. For å kolonisere andre planeter, må mennesket utvikle seg jordbruk på jord som er forskjellig fra jordens, og i en atmosfære som har en annen sammensetning. I 2014 dyrket biolog Michael Mauthner asparges og poteter på meteorittjord. For å få jord egnet for dyrking ble meteoritten malt til pulver. Han var i stand til å eksperimentelt bevise at bakterier, mikroskopiske sopp og planter kan vokse på jord av utenomjordisk opprinnelse. Materialet til de fleste asteroider inneholder fosfater, nitrater og noen ganger vann.

Asparges dyrket på meteorittjord

Når det gjelder Mars, hvor det er mye sand og støv, vil det ikke være nødvendig å slipe steinen. Men et annet problem vil oppstå - sammensetningen av jorda. Jordsmonnet på Mars inneholder tungmetaller, hvorav en økt mengde i planter er farlig for mennesker. Forskere fra Holland har imitert marsjord og har siden 2013 dyrket ti avlinger av flere typer planter på den.

Som et resultat av eksperimentet fant forskerne at innholdet tungmetaller i erter, reddiker, rug og tomater dyrket på simulert marsjord er ikke farlig for mennesker. Forskere fortsetter å studere poteter og andre avlinger.

Forsker Wager Wamelink inspiserer planter dyrket i simulert marsjord. Foto: Joep Frissel/AFP/Getty Images

Metallinnhold i avlinger høstet på jorden og i simulert måne- og marsjord

En av de viktige oppgavene er å skape en lukket livsstøttesyklus. Planter mottar karbondioksid og mannskapsavfall, til gjengjeld gir de oksygen og produserer mat. Forskere testet muligheten for å bruke den til mat encellede alger chlorella, som inneholder 45 % protein og 20 % fett og karbohydrater. Men denne teoretisk næringsrike maten fordøyes ikke av mennesker på grunn av den tette celleveggen. Det finnes måter å løse dette problemet på. Cellevegger kan brytes ned ved hjelp av teknologiske metoder ved bruk av varmebehandling, finsliping eller andre metoder. Du kan ta med deg enzymer utviklet spesielt for chlorella, som astronauter vil ta med mat. Forskere kan også utvikle GMO chlorella, hvis vegg kan brytes ned av menneskelige enzymer. Chlorella brukes i dag ikke til ernæring i verdensrommet, men brukes i lukkede økosystemerå produsere oksygen.

Eksperimentet med chlorella ble utført om bord på Salyut-6 orbitalstasjon. På 1970-tallet trodde man fortsatt at det å være i mikrogravitasjon ikke hadde noen effekt på negativ påvirkning på menneskekroppen– Det var for lite informasjon. De prøvde også å studere effekten på levende organismer ved å bruke chlorella, livssyklus som varer bare fire timer. Det var praktisk å sammenligne det med chlorella dyrket på jorden.

Kilde

IFS-2-enheten var beregnet på dyrking av sopp, vevskulturer og mikroorganismer, og vannlevende dyr. Kilde

Siden 70-tallet har det blitt utført eksperimenter i USSR på lukkede systemer. I 1972 begynte arbeidet med "BIOS-3" - dette systemet er fortsatt i kraft. Komplekset er utstyrt med kamre for dyrking av planter i regulert kunstige forhold- fytotroner. De dyrket hvete, soyabønner, chufu-salat, gulrøtter, reddiker, rødbeter, poteter, agurker, sorrel, kål, dill og løk. Forskere var i stand til å oppnå en nesten 100 % lukket syklus i vann og luft og opptil 50-80 % i ernæring. Hovedmålene til International Centre for Closed Ecological Systems er å studere prinsippene for drift av slike systemer av ulik grad av kompleksitet og utvikle vitenskapelig grunnlag skapelsen deres.

Et av de høyprofilerte eksperimentene som simulerte en flytur til Mars og retur til jorden var Mars-500. I 519 dager ble seks frivillige holdt i et lukket kompleks. Eksperimentet ble organisert av Rocosmos og Det russiske akademiet Sciences, og European Space Agency ble en partner. Det var to drivhus "ombord på skipet" - salat vokste i det ene, erter vokste i det andre. I dette tilfellet var ikke målet å dyrke planter under forhold nær verdensrommet, men å finne ut hvor viktige planter er for mannskapet. Derfor ble drivhusdørene forseglet med en ugjennomsiktig film og en sensor ble installert for å registrere hver åpning. På bildet til venstre jobber Mars 500-mannskapet Marina Tugusheva med drivhus som en del av et eksperiment.

Et annet eksperiment om bord på "Mars-500" er GreenHouse. I videoen nedenfor forteller ekspedisjonsmedlem Alexey Sitnev om eksperimentet og viser et drivhus med ulike planter.

En person vil ha mange sjanser til å dø på Mars. Den risikerer å krasje under landing, fryse på overflaten eller rett og slett ikke klare seg. Og selvfølgelig dø av sult. Planteproduksjon er nødvendig for dannelsen av en koloni, og forskere og astronauter jobber i denne retningen, og viser vellykkede eksempler vokser noen arter ikke bare under mikrogravitasjonsforhold, men også i simulert jord på Mars og Månen. Romkolonister vil definitivt ha muligheten til å gjenta Mark Watneys suksess.