На Землі існують рослини, які виживають за екстремально низьких температур, добре почуваються у пустелях і на солончаках, а також здатні вирости в досить агресивному середовищі. Такі властивості фотосинтетиків можуть бути корисними при колонізації Марса або Місяця.
Представники рослинного світу вподобали на Землі не лише теплі, вологі та комфортні умови існування, а і найсуворіші та абсолютно неприязні куточки нашої планети. Фотосинтетичні організми пристосувалися до сухих, холодних, жарких місць із високою солоністю та мінімальною кількістю мікроелементів. Екстремальний холод Антарктиди, широкий діапазон коливання температур та сильна посуха пустель, засолені ґрунти абсолютно не лякають різні види судинних рослин. Наприклад, вид Thellungiella halophila (капустоцвіті) чудово витримує екстремальний холод (до −19 °С), засуху та солоність (концентрація солі 100-500 мМ). Ця рослина-екстремофіл зростає на лужних солончаках на території Юкон у Канаді. Біотоп характеризується напівпосушливим кліматом з дуже коротким вегетаційним періодом (період росту та розвитку рослин). Вічномерзлі ґрунти насичені карбонатом кальцію, сульфатом магнію та хлоридом натрію, а ще є дефіцит необхідних для рослини макроелементів. Два види судинних рослин, а саме — Deschampsia antarctica (луговик антарктичний, злакові) та Colobanthus quitensis (колобантус кіто, гвоздичні) мешкають в Антарктиці.
Дослідження механізмів стійкості рослин-екстремофілів може мати практичне застосування. Як відомо, абіотичні стреси (засуха, коливання температур, дефіцит елементів, сольовий та водний стреси тощо) різко знижують врожайність сільськогосподарських культур, що може становити загрозу продовольчій безпеці. До того ж за прогнозами ООН, до 2050 року приріст населення досягне 9,7 млрд людей, і попит на сільськогосподарську продукцію у світі збільшиться удвічі. Ця проблема, найімовірніше, буде поглиблена змінами клімату в майбутньому. На додачу деградація екосистем через надмірне випасання худоби або невідповідне управління зрошенням призвела до скорочення площ, придатних для вирощування сільськогосподарських культур. Тому вивчення рослин-екстремофілів дасть змогу застосувати їхні механізми стійкості для сільськогосподарських культур та розширити сільськогосподарські угіддя у засушливих районах і пустелях.
Деякі рослини здатні переживати несприятливі умови у криптобіозі — стані, за якого майже призупиняються всі метаболічні процеси організму, які відновлюються після припинення дії несприятливих чинників. Так, згадаймо про мохи Bryum pseudotriquetrum та Sanionia uncinata з Антарктики (острів Аделаїда), датовані XIV сторіччям. Вони вижили завдяки криптобіозу, перебуваючи протягом шести століть під льодовим покривом, і успішно відновили свою метаболічну активність.
Є повідомлення щодо виживання мохів та лишайників за допомогою того ж криптобіозу у лабораторних експериментах Кейліна. Вижили фрагменти мохів та лишайників, що були попередньо висушені та охолоджені до −273 °C та зберігалися близько двох годин за температури −272 °C. Регенерація мохів після криптобіозу була продемонстрована у лабораторних дослідах з гербарію (висушений стан) та замороженого матеріалу, що зберігався до двадцяти років. Папороті та покритонасінні рослини «оживали» після п’яти років перебування у стані криптобіозу. Довготривалий криптобіоз, що продовжувався століттями, описаний для насіння покритонасінних рослин, хоча схожість була отримана лише у лабораторних умовах за допомогою клонування та культивування in vitro.
Цікавий приклад «воскресіння» рослини Silene stenophylla (гвоздичні) з материнських тканин плодів пізнього плейстоцену, що збереглися у реліктовій вічній мерзлоті. Плоди рослини були знайдені на північному сході Сибіру в норі викопної білки на глибині 38 м, де температура становила −7 °C. Радіовуглецеве датування показало вік реліктових плодів: 31 800 ± 300 років. Неймовірно, але стародавню рослину відтворили за допомогою використання культури тканин in vitro та клонального мікророзмноження. Регенеровані рослини цвіли та давали плоди!
Майбутні перспективи явища криптобіозу, зокрема дослідження його механізмів, можуть застосовувати у медицині — для зберігання органів та тканин за допомогою кріоконсервації; у сільському господарстві, щоб зберігати сорти важливих сільськогосподарських культур; задля збереження біорізноманіття, а саме — зародкової плазми, ембріогенних клітин голонасінних та покритонасінних рослин. А також для освоєння космосу — мова про стан спокою під час космічних подорожей, застосування ангідробіозу (стан криптобіозу, який виникає за екстремального зневоднення) та кріобіозу (при заморожуванні) для захисту організмів від впливу космосу чи екзопланетного середовища.
Космічні дослідження вже проводилися над вищими рослинами. Вид Arabidopsis thaliana вирощували повністю в умовах мікрогравітації на МКС. Цікаво, що рослини, вирощені у космосі, мали морфологічні особливості, а саме — суцвіття росли перпендикулярно до головного стебла. Білкові включення «космічного» насіння були на 55% меншими, ніж у вирощеного на Землі. Однак вміст білка був лише на 9% меншим, ніж у контролі. Схожість «космічного» насіння була 92%, що свідчить про нормальний розвиток насіння в умовах мікрогравітації.
В іншому дослідженні насіння рослин Arabidopsis thaliana та Nicotiana tabacum (тютюн) пророщували після півтора року експозиції за межами МКС (рис. 9). Там діяв спектр екстремальних космічних чинників, зокрема УФ-випромінювання, галактичне космічне випромінювання, коливання температури, космічний вакуум тощо. З 2100 насінин лише 23% дали життєздатні рослини після повернення на Землю. Найбільший ступінь виживання був у тютюну (44%).
Іншим дослідженим об’єктом у космосі був рід моху Grimmia. Під час місії європейського космічного агентства EXPOSE-R2 на МКС провели експеримент BIOMEX (Biology and Mars Experiment), в якому досліджувалось можливе заселення Марсу та вивчення меж життя. В експерименті були змодельовані різні комбінації абіотичних космічних та марсіанських умов для аналізу стійкості низки модельних організмів, зокрема екстремальні температури (−25 °C до +60 °C), вакуум і марсіанське поверхневе ультрафіолетове випромінювання у різних атмосферах. Досліди показали, що УФ-випромінювання (200-400 нм) з максимальною дозою 5 і 6,8х105 кДж/м² було єдиним стресом для моху роду Grimmia. Негативний вплив на життєздатність проявлявся у зменшенні фотосинтетичної активності на 37% (земна атмосфера) та на 36% (космічна й марсіанська атмосфери). За кожного впливу УФ-випромінювання (200–400 нм) у дозі 105 кДж/м² життєздатність моху падала на 6%. Втім, цікаво, що жодних інших факторів стресу для рослини не було виявлено, що свідчить про високу стійкість роду Grimmia до екстремальних абіотичних чинників.
Навчитися вирощувати рослини в космосі є ключовою метою для забезпечення довготривалих космічних місій. Адже зростання врожаю в умовах місії допоможе з регенерацією повітря, виробництвом їжі та рециркуляцією води. Рослини — одні із головних претендентів серед живих організмів для майбутніх космічних місій! Досить пригадати, що саме зелені фотосинтетичні організми зробили колосальний внесок у зміну атмосфери древньої Землі, виділяючи кисень. Вірогідно, це стане у пригоді під час довготривалих космічних місій. Однак не слід забувати й про «зелені легені» Землі! Що, як не ліси та океанічний фітопланктон (мікроскопічні водорості та ціанобактерії), насичує киснем нашу планету? Тож захистимо цих зелених друзів, а можливо, і посадимо хоча б одне дерево.
Автор: дослідниця Національного антарктичного наукового центру МОН України, Анна Березкіна.
Ця стаття була опублікована у №6(187) 2021 року журналу Universe Space Tech. Придбати цей номер в електронній чи паперовій версії можна у нашому магазині.
