Растения в космосе


Название: Космические оранжереи: настоящее и будущее
Беркович Ю.А., Кривобок Н.М., Смолянина С.О., Ерохин А.Н.
Издательство: М.: Фирма «Слово»
Год: 2005
Формат: PDF
Страниц: 368
Для сайта: litmy.ru
Размер: 76 mb
Язык: русский
Книга посвящена актуальной в космической технике проблеме: созданию устройств для выращивания растений на борту пилотируемого космического летательного аппарата для воспроизводства витаминной зелени для питания экипажа. В ней даны классификация и обзор существующих космических оранжерей, описано воздействие факторов космического полета на рост и развитие растений. Сформулирована постановка задачи оптимального проектирования космических оранжерей и описаны особенности проектирования основных подсистем таких устройств. Представлен новый класс космических оранжерей с самораздвигающимися посевами растений на выпуклых посадочных поверхностях и проанализированы его преимущества методом компьютерного моделирования продуктивности посевов. Результаты анализа подтверждены опытными данными. Предложены новая система корневого питания, полива и аэрации растений для условий невесомости, а также методы расчета параметров ее конструкции и рабочего режима. Описаны конструкции салатных конвейерных цилиндрических оранжерей с различными искусственными источниками света и приведены результаты экспериментов по выращиванию в них посевов зеленых растений. Обсуждаются тенденции будущего конструктивного развития производственных космических оранжерей.
Содержание:
Вместо предисловия (О.Г.Газенко).
Введение.
Классификация и обзор существующих космических оранжерей.
Воздействие среды обитания на растения в космических оранжереях.
Космические оранжереи как объект проектирования.
Современные модели космических оранжерей, разработанных с российским участием, и космические оранжереи будущего.
Оптимизация характеристик космических оранжерей за счет организации самораздвигающихся посевов растений на выпуклых посадочных поверхностях.
Система корневого снабжения с реверсивной водоподачей через запорную мембрану для конвейерной космической оранжереи.
Заключение.
Литература.
Список цитируемых авторских свидетельств и патентов.
Человечеству потребовались все знания, собранные учёными за сотни лет, чтобы начать космические полёты. И тогда человек столкнулся с новой проблемой — для колонизации других планет и дальних перелётов нужно разработать замкнутую экосистему, в том числе — обеспечить космонавтов едой, водой и кислородом. Доставлять еду на Марс, который находится за 200 миллионов километров от Земли, дорого и сложно, логичнее будет найти такие способы производства продуктов, которые легко реализовать в полёте и на Красной планете.
Как на семена влияет микрогравитация? Какие овощи будут безвредны, если их вырастить в богатой тяжёлыми металлами почве Марса? Как обустроить плантацию на борту космического корабля? Учёные и космонавты уже более пятидесяти лет ищут ответы на эти вопросы.
На иллюстрации — российский космонавт Максим Сураев обнимает растения в установке «Лада» на борту Международной космической станции, 2014 год.
Константин Циолковский в «Целях звездоплавания» писал: «Вообразим себе длинную коническую поверхность или воронку, основание или широкое отверстие которой прикрыто прозрачной шаровой поверхностью. Она прямо обращена к Солнцу, а воронка вращается вокруг своей длинной оси (высоты). На непрозрачных внутренних стенках конуса — слой влажной почвы с насаженными в ней растениями». Так он предлагал искусственно создавать гравитацию для растений. Растения должны быть подобраны плодовитые, мелкие, без толстых стволов и не работающих на солнце частей. Так колонизаторов можно частично обеспечить биологически активными веществами и микроэлементами и регенерировать кислород и воду.
В 1962 году главный конструктор ОКБ-1 Сергей Королёв ставил задачу: «Надо бы начать разработку «Оранжереи (ОР) по Циолковскому», с наращиваемыми постепенно звеньями или блоками, и надо начинать работать над «космическими урожаями».

Рукопись К.Э. Циолковского «Альбом космических путешествий», 1933 год. Источник
СССР вывел на орбиту первый искусственный спутник Земли 4 октября 1957 года, спустя двадцать два года после смерти Циолковского. Уже в ноябре того же года в космос отправили дворняжку Лайку, первую из собак, которые должны были открыть путь в космос людям. Лайка погибла от перегрева всего за пять часов, хотя полёт рассчитали на неделю — на это время хватило бы кислорода и еды.

Полёт Белки и Стрелки в августе 1960 года был более успешен и для собак, и для сопровождающих их животных — сорока мышей и двух крыс. Вместе с этим «Ноевым ковчегом» советские учёные отправили в космос семена кукурузы, пшеницы, гороха и лука. На Землю вся команда спустилась в контейнере, разработанном для будущих полётов человека. Но этого было мало — заниматься сельским хозяйством в космосе должен был начать человек.

Собака Лайка, первая собака на орбите Земли
В книге «Космос — землянам» лётчик-космонавт, член экспедиции «Союз-3» Георгий Береговой писал о том, что человеку свойственно ощущать причастность к земной природе, где бы он ни был: «Но когда оказываешься за пределами родной планеты, это воспринимается особенно остро. Обратите внимание, с каким волнением и теплотой рассказывают космонавты о том, как выглядит Земля с высоты орбиты. Ну а если вместе с ними путешествует в безжизненной пустоте космоса кусочек живого мира, то забота о «земляках» становится прямо-таки нежной. Даже когда эти «земляки» — зеленые стебли обыкновенного гороха. Именно его, кстати, выращивали на «Салюте-4″ А. Губарев и Г. Гречко, а затем вновь посадили участники следующей экспедиций — П. Климук и В. Севастьянов».
На орбитальной станции «Салют-4», запущенной в 1974 году, была установка «Оазис» для культивирования растений в невесомости. Георгий Гречко писал в книге «Космонавт №34», что работа с системой была одним из самых интересных экспериментов в его полёте. Установка была гидропоническая, земли не было, горошины должны были прорастать в пропитанной марле. Вскоре после начала работы с «Оазисом» космонавт заметил, что в одну кювету вода не поступает, а в другую поступает слишком обильно, заставляя горошины подгнивать. Из установки срывались огромные капли воды, за которыми Гречко гонялся по станции с салфетками. Он отрезал шланг и стал поливать горошины вручную, пока несколько часов возился с аппаратом.
Космонавт признаётся, что из-за ненависти к биологии в школе чуть не загубил эксперимент. Он посчитал, что ростки путаются в ткани, растут неправильно, и освободил их от марли, но это не помогало. Оказалось, что он перепутал корешки со стеблями.
Эксперимент завершился успешно. Впервые в космосе растения прошли цикл от семени до взрослого стебля гороха. Но из 36 зерен взошли и выросли только три.

«Оазис-1» в Мемориальном музее космонавтики. Источник
Учёные предположили, что проблема возникла из-за генетически заложенной ориентации — проросток должен тянуться к свету, а корень — в противоположную сторону. Они усовершенствовали «Оазис», и следующая экспедиция взяла на орбиту новые семена.
Лук вырос. Виталий Севастьянов сообщил на Землю, что стрелки достигли десяти-пятнадцати сантиметров. «Какие стрелки, какого лука? Понимаем, это шутка, мы же вам давали горох, а не луковицы», — говорили с Земли. Бортинженер ответил, что из дома космонавты прихватили две луковицы, чтобы посадить их сверх плана, и успокоил учёных — горошины почти все взошли.
Но растения отказывались цвести. На этой стадии они погибали. Такая же судьба ждала тюльпаны, которые в установке «Лютик» на Северном полюсе распустились, а в космосе — нет.
Зато лук можно было есть, что успешно делали в 1978 году космонавты В. Коваленок и А. Иванченков: «Вот хорошо поработали. Может быть, теперь нам в награду и луковицу разрешат съесть».

Техника — молодёжи, 1983-04, страница 6. Горох в установке «Оазис»
Космонавты В. Рюмин и Л. Попов в апреле 1980 года получили установку «Малахит» с цветущими орхидеями. Орхидеи крепятся в коре деревьев и в дуплах, и учёные посчитали, что они могут быть менее подвержены геотропизму — способности органов растений располагаться и расти в определённом направлении относительно центра земного шара. Цветки через несколько дней опали, но при этом у орхидей образовались новые листья и воздушные корни. Ещё чуть позже советско-вьетнамский экипаж из В. Горбатко и Фам Туай привёзли с собой подрощенный арабидопсис.
Растения не хотели цвести. Семена всходили, но, например, орхидея не зацвела в космосе. Учёным нужно было помочь растениям справиться с невесомостью. Это делали в том числе с помощью электростимуляции корневой зоны: учёные считали, что электромагнитное поле Земли может влиять на рост. Ещё один способ предполагал описанный Циолковским план по созданию искусственной гравитации — растения выращивались в центрифуге. Центрифуга помогла — ростки ориентировались вдоль вектора центробежной силы. Наконец космонавты добились своего. В «Светоблоке» зацвёл Арабидопсис.
Слева на изображении ниже — оранжерея «Фитон» на борту «Салют-7». Впервые в этой орбитальной оранжерее Резуховидка Таля (Арабидопсис) прошла полный цикл развития и дала семена. Посредине — «Светоблок», в которой на борту «Салют-6» Арабидопсис впервые зацвёл. Справа — бортовая оранжерея «Оазис-1А» на станции «Салют-7»: она была оснащена системой дозированного полуавтоматического полива, аэрации и электростимулирования корней и могла перемещать вегетационные сосуды с растениями относительно источника света.

«Фитон», «Светоблок» и «Оазис-1А»

Установка «Трапеция» для исследования роста и развития растений. Источник

Наборы с семенами
Бортовой журнал станции «Салют-7», зарисовки Светланы Савицкой
На станции «Мир» была установлена первая в мире автоматическая оранжерея «Свет». Российские космонавты в 1990-2000-х годах провели в этой оранжерее шесть экспериментов. Они растили салаты, редис и пшеницу. В 1996-1997 годах Институт медико-биологических проблем РАН планировал вырастить семена растений, полученные в космосе — то есть поработать с двумя поколениями растений. Для эксперимента выбрали гибрид дикой капусты высотой около двадцати сантиметров. У растения был один минус — космонавтам нужно было заниматься опылением.
Результат был интересный — семена второго поколения в космосе получили, и они даже взошли. Но растения выросли до шести сантиметров вместо двадцати пяти. Маргарита Левинских, научный сотрудник Института медико-биологических проблем РАН, рассказывает, что ювелирную работу по опылению растений выполнял американский астронавт Майкл Фоссум.

Видео Роскосмоса о выращивании растений в космосе. На 4:38 — растения на станции «Мир»
В апреле 2014 года грузовой корабль Dragon SpaceX доставил на Международную космическую станцию установку для выращивания зелени Veggie, а в марте астронавты начали тестировать орбитальную плантацию. Установка контролирует свет и поступление питательных веществ. В августе 2015 в меню астронавтов включили свежую зелень, выращенную в условиях микрогравитации.

Выращенный на Международной космической станции салат
Так плантация на космической станции может выглядеть в будущем
В российском сегменте Международной космической станции действует оранжерея «Лада» для эксперимента «Растения-2». В конце 2016 или начале 2017 года на борту появится версия «Лада-2». Над этими проектами работает Институт медико-биологических проблем РАН.
Космическая растениеводство не ограничивается экспериментами в невесомости. Человеку для колонизации других планет придётся развивать сельское хозяйство на грунте, который отличается от земного, и в атмосфере, имеющей иной состав. В 2014 году биолог Майкл Маутнер вырастил спаржу с картофелем на метеоритном грунте. Чтоб получить пригодную для выращивания почву, метеорит был размолот в порошок. Опытным путём он сумел доказать, что на грунте внеземного происхождения могут произрасти бактерии, микроскопические грибы и растения. Материал большинства астероидов содержит фосфаты, нитраты и иногда воду.
Спаржа, выросшая на метеоритном грунте
В случае с Марсом, где много песка и пыли, измельчение породы не понадобится. Но возникнет другая проблема — состав почвы. В грунте Марса есть тяжёлые металлы, повышенное количество которых в растениях опасно для человека. Учёные из Голландии имитировали марсианскую почву и с 2013 года вырастили на ней десять урожаев нескольких видов растений.
В результате эксперимента учёные выяснили, что содержание тяжёлых металлов в выращенных на имитированном марсианском грунте горохе, редисе, ржи и помидорах не опасно для человека. Картофель и другие культуры учёные продолжают исследовать.
Исследователь Вагер Вамелинк инспектирует растения, выращиваемые на имитированной марсианской почве. Фото: Joep Frissel/AFP/Getty Images
Содержание металлов в урожае, собранном на Земле и на симуляциях почвы Луны и Марса
Одной из важных задач является создание замкнутого цикла жизнеобеспечения. Растения получают углекислый газ и отходы жизнедеятельности экипажа, взамен отдают кислород и производят еду. Учёные проверяли возможность использования в пищу одноклеточной водоросли хлореллы, содержащей 45% белка и по 20% жиров и углеводов. Но эта в теории питательная еда не усваивается человеком из-за плотной клеточной стенки. Существуют способы решения данной проблемы. Можно расщеплять клеточные стенки технологическими методами, используя термообработку, мелки помол или другие способы. Можно брать с собой разработанные специально для хлореллы ферменты, которые космонавты будут принимать с едой. Учёные могут и вывести ГМО-хлореллу, стенку которой человеческие ферменты смогут расщепить. Хлореллой для питания в космосе сейчас не занимаются, но используют в замкнутых экосистемах для производства кислорода.
Эксперимент с хлореллой проводили на борту орбитальной станции «Салют-6». В 1970-е годы ещё считали, что пребывание в микрогравитации не оказывает отрицательного влияния на человеческий организм — слишком было мало информации. Изучить влияние на живые организмы пытались и с помощью хлореллы, жизненный цикл которой длится всего четыре часа. Её удобно было сравнивать с хлореллой, выращенной на Земле.
Источник
Прибор ИФС-2 предназначался для выращивания грибов, культур тканей и микроорганизмов, водных животных. Источник
С 70-х годов в СССР проводили эксперименты по замкнутым системам. В 1972 году началась работа «БИОС-3» — эта система действует и сейчас. Комплекс оснащён камерами для выращивания растений в регулируемых искусственных условиях — фитотронами. В них выращивали пшеницу, сою, салат чуфу, морковь, редис, свёклу, картофель, огурцы, щавель, капусту, укроп и лук. Учёные смогли достичь почти на 100% замкнутый цикл по воде и воздуху и до 50-80% — по питанию. Главные цели Международного центра замкнутых экологических систем — изучить принципы функционирования таких систем различной степени сложности и разработать научные основы их создания.
Одним из громких экспериментов, симулирующих перелёт к Марсу и возвращение на Землю, был «Марс-500». В течение 519 дней шесть добровольцев находились в замкнутом комплексе. Эксперимент организовали Рокосмос и Российская академия наук, а партнёром стало Европейское космическое агентство. На «борту корабля” были две оранжереи — в одной рос салат, в другой — горох. В данном случае целью было не вырастить растения в приближенных к космическим условиям, а выяснить, насколько растения важны для экипажа. Поэтому дверцы оранжереи заклеили непрозрачной плёнкой и установили датчик, фиксирующий каждое открывание. На фото слева член экипажа «Марс-500» Марина Тугушева работает с оранжереями в рамках эксперимента.
Ещё один эксперимент на «борту» «Марс-500» — GreenHouse. В видео ниже член экспедиции Алексей Ситнев рассказывает об эксперименте и показывает оранжерею с различными растениями.

У человека будет много шансов умереть на Марсе. Он рискует разбиться при посадке, замёрзнуть на поверхности или же просто не долететь. И, конечно, умереть от голода. Растениеводство необходимо для образования колонии, и учёные и космонавты работают в этом направлении, показывая удачные примеры выращивания некоторых видов не только в условиях микрогравитации, но и в имитированном грунте Марса и Луны. У космических колонистов определенно будет возможность повторить успех Марка Уотни.

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

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

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

Учиться безмятежности растений

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

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

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

Пока на Земле изучают растения, сами растения находятся в космосе

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

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

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

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

Собирая плоды

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

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

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

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

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

Настройка метаболизма на лету

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

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

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

Взгляд из космоса

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

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

Москва, 18 января 2016, 17:56 — REGNUM Ряд СМИ накануне, 17 января, сообщил, что впервые в истории в космосе были выращены земные цветы. Сообщалось, что на борту Международной космической станции (МКС) американский астронавт NASA Скотт Келли успешно вырастил декоративную астру-цинию. И это якобы является первым опытом по выращиванию цветов в космосе.

Почтовая марка с советскими космонавтами Анатолием Березовым и Валентином Лебедевым

Однако выяснилось, что советским космонавтам удалось вырастить сразу несколько цветов на орбитальной станции «Салют-7» ещё в 1982 году. Соответствующая публикация была сделана в журнале «Техника молодёжи» № 4 1983 года.

С 13 мая по 10 декабря 1982 года полковник Анатолий Николаевич Березовой в качестве командира экипажа наряду с бортинженером Валентином Витальевичем Лебедевым совершил полёт в космос на орбитальном научно-исследовательском комплексе «Союз Т-5» — «Салют-7».

В ходе 211-суточного космического полёта экипаж выполнил около трёхсот экспериментов и исследований, среди которых были медико-биологические, гео — и астрофизические, технические и другие.

Один из экспериментов заключался в культивировании арабидопсиса в условиях невесомости. Для эксперимента была сконструирована специальная герметичная камера «Фитон-3». В ней было пять кюветов и собственный источник света. В кюветах был субстрат из агара, содержащий до 98% воды. ПО мере роста растений кюветы могли отодвигаться от источника света.

Прибыв на орбиту, космонавты поселяли семена арабидопсиса с помощью сеялки-пушки. Сперва растения росли медленно, но 2 августа 1982 года появилось большое количество бутонов и первые цветы. К 19 августа на растениях появились стручки, содержащие семена.

Когда на станцию прибыла космонавт Светлана Савицкая, ей был вручен букет первых космических цветов.

Уже на Земле при исследовании стручков в них было обнаружено около 200 семян. Таким образом, опыт опроверг мнение о невозможности прохождения растениями в невесомости всех стадий развития — от семени до семени.

Развитие растениеводства в космосе советская космонавтика продолжала до 1992 года. Однако развал Советского Союза и последовавший за ним постперестроечный хаос прервали это важное направление.

Таким образом, американскому астронавту удалось лишь повторить опыт советских космонавтов, сделанный почти 34 года назад.