Місяць знаходиться настільки близько до нашої планети, що в книгах наукових фантастів і передбаченнях футурологів він давно вже виглядає жвавою та розвиненою колонією Землі, куди можна дістатися з найближчої зупинки жовтого космічного переповненого «богданчика». Та є щось спільне у всіх цих візіях майбутнього: у детально пропрацьованих світах часто не знаходиться місця для рослин.
Але без них прямувати у космос немає сенсу, адже саме на їхніх «мужніх» фотосинтетичних «плечах» має будуватися нова позаземна екосистема. Одна річ — запарювати локшину швидкого харчування чи м’ясний концентрат, а зовсім інша — поласувати свіжим помідором чи огірком. Саме рослини надають можливість виробляти високоенергетичні, корисні харчові продукти, які будуть підтримувати фізичне й емоційне здоров’я екіпажу. Та вони навіть дорогоцінний кисень утворюють як побічний продукт своєї життєдіяльності — це справді якийсь джек-пот.
Але рослини, хоч і здатні виживати в екстремальних умовах краще за будь-якого Біра Гріллса, водночас є крихітними та тендітними істотами. Тому сподівання на яблуневі сади на Місяці поки передчасні.
Які ж перешкоди можуть завадити нам скуштувати плід білого наливу, обпершись на купол місячної станції?
Перешкоди для створення місячних грядок
Поза межами нашої планети на рослини чекає малоприємний бонус у вигляді меншої сили тяжіння та вбивчих променів космічної радіації. Розуміння впливу цих явищ на флору має важливе значення у підготовці до відправки людини за межі низьких навколоземних орбіт. Без захисту атмосфери та магнітного поля життя на місячному квітнику стане дуже суворим випробуванням.
Рослини мають набір пристосувань, що успішно захищають геном і біохімічні ланцюжки їхніх молекулярних машин від іонізуючого випромінювання. Але його рівень та інтенсивність впливу на Місяці будуть суттєво вищими за земні умови. У багатьох експериментах на космічних станціях рослини успішно розвивалися, проте умови цих експериментів все ж сильно відрізнялися від місячних. Робота С. Ксу (Xu et al., 2012) та його колег показала, що в різушки Таля (Arabidopsis thaliana) при опроміненні білим світлом і за повної відсутності магнітного поля суттєво змінюється процес синтезу білків.
Низка дослідів також показала, що знижена чи відсутня гравітація викликала у піддослідних рослин стрес на генетичному рівні. Був виявлений вплив на функціонування білків, які беруть участь у здійсненні фотосинтезу в папороті Ceratopteris richardii (Salmi, 2011). Із зерновими дані були більш втішними — вирощена в умовах зниженої гравітації пшениця м’яка (Triticum aestivum) не продемонструвала жодних важливих змін у своїй життєдіяльності (Stutte et al., 2006). Але радісно кричати «Гоп!» тут зарано, адже в іншому досліді горох посівний (Pisum sativum) у мікрогравітації теж показував обнадійливі результати у першому поколінні, тоді як у четвертому показники синтезу ряду його білків суттєво відрізнялися від гороху, вирощеного на Землі.
Коли для квіткових рослин моделюють умови Місяця, то в експериментах вони незмінно показують вищий рівень мутацій. Пошкодження хромосом бувають навіть більшими, ніж під час моделювання гравітації на навколоземній орбіті. У тютюну частота мутацій зросла на рекордні 23,4% у порівнянні з земними рослинами.
Більшість експериментів указують на суттєвий вплив випромінювання та зниженої гравітації на розвиток кореневої системи, пагонів і листків, але однозначно весь комплекс факторів, які будуть діяти на рослини на Місяці, можна змоделювати лише на його поверхні.
Окрім того, рослинам необхідні добрива, адже місячний ґрунт трішки не дотягує за параметрами родючості до полтавських чорноземів.
Наприклад, 2014 року вчені Нідерландського університету та Дослідницького центру Вагенінген спробували виростити кілька диких рослин і сільськогосподарських культур на місячному субстраті. Але рослини погано проростали й ще менш успішно росли. Причина була зрозуміла — гірські породи без органіки погано тримають воду та не мають достатньо поживних речовин. Коли додали трішки компосту — справи пішли краще.
На щастя, місячний пил цілком придатний для створення комбінованого субстрату для вирощування флори. У багатьох експериментах рослини, висаджені на ньому, не демонстрували жодних патологій і навіть змогли отримати ряд мікроелементів.
Одна з проблем, яку ще потрібно вирішити, полягає в тому, що місячний субстрат містить багато важких металів, які рослини обов’язково поглинуть своїм корінням, що може перетворити врожай із корисного доповнення до раціону на отруту. Саме тому перспективною є розробка методів гідропоніки (вирощування на водних розчинах) і аеропоніки (вирощування на водних аерозолях), які дозволять зменшити витрати води та контролювати хімічний склад поживних речовин, що живитимуть рослини.
Звісно, ці проблеми не стосуються вирощування водоростей в автономних біореакторах, адже їхня організація простіша, цикли розвитку — коротші, а біомаса — більша. Проте ми розглянемо можливості вирощування судинних рослин, до яких так звикли на нашій затишній планеті.
Загалом учені поки схиляються до того, що вирощувати рослини на Місяці цілком можливо, однак ми ще далекі від розуміння, як полегшити їм нелегку справу колонізації супутника Землі хоч би в умовах теплиці (Кордюм, 2013). Але саме для вирішення цих проблем існує низка сучасних наукових програм.
Рослини вже ростуть на Місяці?
На орбіті рослини вирощують досить давно. Наприклад, на МКС успішно функціонує система ISS’s Vegetable Production System (Veggie). Завдяки їй космонавти змогли успішно виростити червоний салат у 2014 році. Перший врожай був зібраний, заморожений і повернений на Землю для дослідів. Лише через рік вдалося поласувати свіжим салатом на орбіті. Але вирощування в умовах МКС має суттєвий недолік — тут і гравітація не місячна, і немає можливості перевірити, чи достатньо буде світла для існування рослин. Адже в теплицях орбітальної станції використовується лише штучне освітлення.
Тим часом на Землі проводяться інші експерименти по вирощуванню рослин на ґрунтах, які присутні на Місяці чи Марсі. Попередні космічні місії визначили склад порошкоподібних реголітів місячної та марсіанської поверхні, тому їх можна відтворити як симулюючі ґрунти в лабораторії.
Єдиний експеримент з вирощування рослин на Місяці показав, що вони можуть там рости, але швидко помирають. Перша в історії плантація протрималася на супутнику Землі лише кілька днів. У січні 2019 року китайський апарат «Чан’е-4» здійснив безконтактну доставку насіння бавовника, рапсу, помідора, картоплі та різушки Таля. 7 січня науковці отримали обнадійливу світлину перших проростків. Це був маленький крок для бавовника, але гігантський — для космічної ботаніки.
Але тріумфальний парад був перерваний через недоліки дослідження. 13 січня температура в капсулі пророщування впала до -52°C, що означало неминучу загибель проростків. Експеримент, у якому не використовувалися батареї, тривав загалом 212 годин 45 хвилин. Перша плантація рослин на Місяці тепер поступово розкладається, але, оскільки їхні рештки перебувають усередині герметичного контейнера, вони не забруднюють місячну поверхню.
Що може допомогти рослинам на Місяці?
Вчені невпинно працюють над розробками, які б допомогли рослинам пережити тяжку недолю космічних подорожей і колонізацій.
Одна з активних програм — ADVA SC (Advanced Astroculture), яку очолює Вейджіа Чжоу, доктор наук Вісконсинського центру космічної автоматики та робототехніки. Задача цієї програми — визначити умови, за яких смертність рослин буде меншою, а врожай — суттєво більшим. Експерименти ADVA SC здійснювалися впродовж кількох експедицій на МКС. Під час них було вирощено два покоління різушки Таля. Отримати насіння з рослин, вирощених у позаземних умовах — це вже великий успіх.
Але на цьому вчені не зупинилися. Вони вирішили продовжити життя рослин. Одним із функціональних рішень став пристрій для видалення етилену. Цей безбарвний газ суттєво прискорює дозрівання плодів, а отже, пришвидшує загибель рослин і зменшує термін зберігання насіння. Саме етиленом обробляють привезені з тропічних країн зеленющі банани, щоб вони якомога швидше набули жовтого забарвлення. Але в умовах місячної станції, де легкий подих вітру не буде розносити сторонні гази по всіх усюдах і вони накопичуватимуться в повітрі, рослини почнуть швидше старішати, а врожай — псуватися.
Розроблений науковцями пристрій дозволяє усунути ці прикрощі. В апараті повітря постійно пропускається крізь трубки, вкриті тонким шаром діоксиду титану. Внутрішня поверхня трубок піддається впливу ультрафіолетового випромінювання, що запускає просту хімічну реакцію перетворення етилену та кисню на воду та вуглекислий газ. Із цих двох простих інгредієнтів будь-яка рослина вже легко «приготує» свою найпростішу та найулюбленішу страву — глюкозу.
Розробленим пристроєм уже цікавляться не лише працівники космічної галузі, а й власники квіткових магазинів і супермаркетів. Адже їм, як і мешканцям місячної станції, важливо зберігати рослини максимально довго.
Компанії KES Science & Technology Inc і Akida Holdings зі США зараз продають NASA свою технологію Airocide. Оскільки на космічному кораблі чи на місячній базі наявність «безквиткових пасажирів» у вигляді шкідників і збудників хвороб не вітається, було створено очищувач повітря, який повністю знищує бактерії, спори та токсини грибів, віруси, летючі органічні сполуки. У пристрої немає фільтрів, що потребують заміни, він не виробляє шкідливих побічних продуктів (таких, як озон). Airocide уже оцінили працівники квіткових магазинів, адже лише за 24 години роботи він зменшує кількість спор грибів у повітрі на 92%, а бактерій — на 58%.
Розробка технологій вирощування рослин поза межами нашої планети вкрай важлива для вирішення фундаментального питання: чи зможемо ми взагалі колись полишити межі Землі? Без рослин цей задум ніколи не втілиться в життя. Космічні технології завжди рухали нашу цивілізацію вперед, адже багато побутових приладів виявилися «побічним продуктом» інновацій, створених для освоєння позаземного простору. Ось і два практичних винаходи для покращення вирощування рослин у космосі цілком можуть допомогти при створенні бази на Місяці й уже дозволяють вирішувати побутові проблеми на Землі. Зі змінами клімату, збільшенням хімічного забруднення екосистем, глобальним розвитком процесів ерозії ґрунтів рослинництво у складних умовах стає важливим спільним завданням як земної, так і космічної ботаніки.
Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!
Приєднуйтесь: https://t.me/ustmagazine
