Луна расположена настолько близко к нашей планете, что в книгах научных фантастов и предсказаниях футурологов она давно уже выглядит оживленной и развитой колонией Земли, куда можно добраться с ближайшей остановки желтого космического переполненного «богданчика». Но есть нечто общее во всех этих видениях будущего: в детально проработанных мирах часто не находится места для растений.
Но без них двигаться в космос нет смысла, ведь именно на их «мужественных» фотосинтетических «плечах» должна строиться новая внеземная экосистема. Одно дело — запаривать лапшу быстрого приготовления или мясной концентрат, и совсем другое — полакомиться свежим помидором или огурцом. Именно растения позволяют производить высокоэнергетические полезные пищевые продукты, которые будут поддерживать физическое и эмоциональное здоровье экипажа. Они даже драгоценный кислород вырабатывают как побочный продукт своей жизнедеятельности — действительно, какой-то джек-пот!
Но растения, хоть и способны выживать в экстремальных условиях лучше любого Бира Гриллса, в то же время являются крошечными и хрупкими существами. Поэтому надежды на яблоневые сады на Луне пока преждевременны.
Какие же препятствия могут помешать нам отведать плод белого налива, облокотившись на купол лунной станции?
Препятствия для создания лунных грядок
За пределами нашей планеты растения ожидает малоприятный бонус в виде меньшей силы тяжести и убийственных лучей космической радиации. Понимание воздействия этих явлений на флору имеет важное значение при подготовке к отправке человека за пределы низких околоземных орбит. Без защиты атмосферы и магнитного поля жизнь на лунном цветнике станет очень суровым испытанием.
Растения имеют набор приспособлений, успешно защищающих геном и биохимические цепочки их молекулярных машин от ионизирующего излучения. Но его уровень и интенсивность влияния на Луне будут существенно выше, чем в земных условиях. Во многих экспериментах на космических станциях растения успешно развивались, однако условия этих экспериментов все же сильно отличались от лунных. Работа С. Ксу (Xu et al., 2012) и его коллег показала, что у резушки Таля (Arabidopsis thaliana) при облучении белым светом и при полном отсутствии магнитного поля существенно меняется процесс синтеза белков.
Ряд опытов также показал, что пониженная или отсутствующая гравитация вызвала у подопытных растений стресс на генетическом уровне. Было обнаружено влияние на функционирование белков, участвующих в осуществлении фотосинтеза в папоротнике Ceratopteris richardii (Salmi, 2011). С зерновыми данные выглядели более утешительными — выращенная в условиях пониженной гравитации мягкая пшеница (Triticum aestivum) не продемонстрировала никаких существенных изменений в своей жизнедеятельности (Stutte et al., 2006). Но радостно кричать «Гоп!» еще рано: в другом опыте горох посевной (Pisum sativum) при микрогравитации тоже показывал обнадеживающие результаты в первом поколении, тогда как в четвертом показатели синтеза ряда его белков существенно отличались от гороха, выращенного на Земле.
Когда для цветочных растений моделируют условия Луны, то в экспериментах они неизменно показывают более высокий уровень мутаций. Повреждения хромосом бывают даже больше, чем при моделировании гравитации на околоземной орбите. У табака частота мутаций выросла на рекордные 23,4% по сравнению с земными растениями.
Большинство экспериментов указывает на существенное влияние излучения и пониженной гравитации на развитие корневой системы, побегов и листьев, но однозначно весь комплекс факторов, которые будут действовать на растения на Луне, можно смоделировать только на ее поверхности.
Кроме того, растениям необходимы удобрения, ведь лунный грунт немного не дотягивает по параметрам плодородия до полтавских черноземов.
Например, в 2014 году ученые из Нидерландского университета и Исследовательского центра Вагенинген попытались вырастить несколько диких растений и сельскохозяйственных культур на лунном субстрате. Но растения плохо прорастали и еще менее успешно росли. Причина была ясна — горные породы без органики плохо держат воду и не имеют достаточного количества питательных веществ. Когда добавили немного компоста — дела пошли лучше.
К счастью, лунная пыль вполне пригодна для создания комбинированного субстрата для выращивания флоры. Во многих экспериментах растения, высаженные на него, не демонстрировали никаких патологий и даже смогли получить ряд микроэлементов.
Одна из проблем, которую еще предстоит решить, заключается в том, что лунный субстрат содержит много тяжелых металлов, обязательно поглощаемых корнями растения, что может превратить урожай из полезного дополнения к рациону в отраву. Именно поэтому весьма перспективна разработка методов гидропоники (выращивания на водных растворах) и аэропоники (выращивания на водных аэрозолях), позволяющих уменьшить расход воды и контролировать химический состав питательных веществ, которые будут питать растения.
Конечно, эти проблемы не касаются выращивания водорослей в автономных биореакторах, ведь их организация проще, циклы развития — короче, а биомасса — больше. Однако мы рассмотрим возможности выращивания сосудистых растений, к которым мы так привыкли на нашей уютной планете.
В целом ученые пока склоняются к тому, что выращивать растения на Луне вполне возможно, однако мы еще далеки от понимания того, как облегчить им нелегкое дело колонизации спутника Земли хотя бы в условиях теплицы (Кордюм, 2013). Но именно для решения этих проблем существует ряд современных научных программ.
Растения уже растут на Луне?
На орбите растения выращивают достаточно давно. Например, на МКС успешно функционирует система ISS’s Vegetable Production System (Veggie). Благодаря ей космонавты смогли успешно вырастить красный салат в 2014 году. Первый урожай был собран, заморожен и возвращен на Землю для опытов. Только через год удалось полакомиться свежим салатом на орбите. Но выращивание в условиях МКС имеет существенный недостаток — здесь и гравитация не лунная, и нет возможности проверить, достаточно ли будет света для существования растений. Ведь в теплицах орбитальной станции используется только искусственное освещение.
Тем временем на Земле проводятся другие эксперименты по выращиванию растений на почвах, присутствующих на Луне или Марсе. Предыдущие космические миссии определили состав порошкообразных реголитов лунной и марсианской поверхности, поэтому их можно воспроизвести как симулирующие грунты в лаборатории.
Единственный эксперимент по выращиванию растений на Луне показал, что они могут там расти, но быстро погибают. Первая в истории плантация продержалась на естественном спутнике Земли всего несколько дней. В январе 2019 года китайский аппарат «Чанъэ-4» осуществил бесконтактную доставку семян хлопчатника, рапса, помидора, картофеля и резушки Таля. 7 января ученые получили обнадеживающее изображение первых проростков. Это был маленький шаг для хлопчатника, но гигантский — для космической ботаники.
Но триумфальный парад был прерван из-за недоработок исследования. 13 января температура в капсуле проращивания упала до -52°C, что означало неизбежную гибель ростков. Эксперимент, в котором не использовались батареи, длился всего 212 часов 45 минут. Первая плантация растений на Луне теперь постепенно разлагается, но, поскольку их остатки находятся внутри герметичного контейнера, они не загрязняют лунную поверхность.
Что может помочь растениям на Луне?
Ученые неустанно трудятся над разработками, которые помогли бы растениям пережить тяжкую долю космических путешествий и колонизаций.
Одна из активных программ — ADVA SC (Advanced Astroculture), возглавляемая Вейджия Чжоу, доктором наук Висконсинского центра космической автоматики и робототехники. Задача этой программы — определить условия, при которых смертность растений будет меньше, а урожай — существенно выше. Эксперименты ADVA SC осуществлялись на протяжении нескольких экспедиций на МКС. Во время них было выращено два поколения резушки Таля. Получить семена из растений, выращенных во внеземных условиях – это уже большой успех.
Но на этом ученые не остановились. Они решили продлить жизнь растений. Одним из функциональных решений стало устройство для удаления этилена. Этот бесцветный газ существенно ускоряет созревание плодов, а следовательно, приближает гибель растений и уменьшает срок хранения семян. Именно этиленом обрабатывают привезенные из тропических стран зеленющие бананы, чтобы они как можно скорее приобрели желтую окраску. Но в условиях лунной станции, где легкое дыхание ветра не будет разносить посторонние газы по всему внутреннему объему и они будут накапливаться в воздухе, растения начнут быстрее стареть, а урожай — портиться.
Разработанное учеными устройство позволяет устранить эти неприятности. В аппарате воздух постоянно пропускается сквозь трубки, покрытые тонким слоем диоксида титана. Внутренняя поверхность трубок подвергается воздействию ультрафиолетового излучения, запускающего химическую реакцию превращения этилена и кислорода в воду и углекислый газ. Из этих двух простых ингредиентов любое растение уже легко «приготовит» свое самое простое и любимое блюдо — глюкозу.
Разработанным устройством уже заинтересовались не только сотрудники космической отрасли, но и владельцы цветочных магазинов и супермаркетов. Ведь им, как и жителям лунной станции, важно хранить растения максимально долго.
Компании KES Science & Technology Inc і Akida Holdings из США сейчас продают NASA свою технологию Airocide. Поскольку на космическом корабле или на лунной базе наличие «безбилетных пассажиров» в виде вредителей и возбудителей болезней не приветствуется, был создан воздухоочиститель, полностью уничтожающий бактерии, споры и токсины грибов, вирусы, летучие органические соединения. В устройстве нет фильтров, требующих замены, оно не производит вредных побочных продуктов (таких, как озон). Airocide уже оценили работники цветочных магазинов, ведь всего за 24 часа работы он уменьшает количество спор грибов в воздухе на 92%, а бактерий — на 58%.
Разработка технологий выращивания растений за пределами нашей планеты крайне важна для решения фундаментального вопроса: сможем ли мы вообще когда-нибудь покинуть пределы Земли? Без растений этот замысел никогда не воплотится в жизнь. Космические технологии всегда двигали нашу цивилизацию вперед, ведь многие бытовые приборы оказались побочным продуктом инноваций, созданных для освоения внеземного пространства. Вот и два практичных изобретения для улучшения выращивания растений в космосе вполне способны помочь при создании лунной базы и уже позволяют решать бытовые проблемы на Земле. С изменениями климата, увеличением химического загрязнения экосистем, глобальным развитием процессов эрозии почв растениеводство в сложных условиях становится важным общим заданием как земной, так и космической ботаники.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t. me/ustmagazine
