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.
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.
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.
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 , 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 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 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.
Прибор ИФС-2 предназначался для выращивания грибов, культур тканей и микроорганизмов, водных животных.
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 . 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.
Растения в космосе - это не только важная тема современных прикладных научных исследований, но и уникальная возможность проникнуть в глобальные тайны растительного мира.
Почему растения в космосе не цветут? Как и по какой причине меняется биохимическая структура их организма? Возможна ли полноценная растительная жизнь в космосе? На эти и многие другие вопросы предстояло или еще предстоит ответить ученым, прежде чем зазеленеют межпланетные космические корабли, а в будущем, возможно, и далекие планеты.
Наш мир полон загадок, невидимых связей, не выявленных закономерностей. Даже притом, что обычно мы ограничиваем свои представления окружающим нас земным миром, а ведь за его пределами еще лежит Космос, в отношении которого у нас куда больше теорий, догадок и предположений, нежели чем реальных фактов.
Рождение «растительной космонавтики»
К. Э. Циолковский, «отец космонавтики», первым заговорил о необходимости использования высших растений в качестве средства обеспечения людей кислородом и питанием в длительных космических полетах.
Более полувека назад под руководством С. П. Королева на втором космическом корабле-спутнике начались первые эксперименты по воздействию факторов космического полета на растения. Тогда стали «космонавтами» и успешно вернулись на Землю традесканция, хлорелла, семена лука, гороха, пшеницы, кукурузы.
Проведенный на Земле анализ показал, что, несмотря на внешнее сходство с контрольными, «космические» растения отличались по структуре клеток, биохимическому составу и другим характеристикам.
Дальнейшие эксперименты выявили проблему, которую не удавалось решить на протяжении десятилетий - растения в космосе не только не давали «потомства», то есть семян, но и вовсе отказывались цвести.
Цветы в космосе — не цветы
В 1979 году в Главном ботаническом саду АН СССР подготовили тюльпаны для выгонки на борту станции «Салют-6». Цветам оставалось лишь распуститься в космосе, но этого-то они и «не захотели» сделать по неизвестной причине. Почему — понять до сих пор не удалось. При этом в аналогичном эксперименте на Северном полюсе тюльпаны порадовали полярников дружным цветением.
Хочется рассказать еще об одном занимательном эксперименте прошлого, когда ученые остановили выбор на тропических орхидеях, поскольку полагали, что эпифитный образ жизни орхидей может сделать их более устойчивыми к условиям космоса.
Операция «Орхидея», хоть и вошла в историю космического растениеводства как одно из самых ярких событий, не завершилась успехом.
Экзотические растения в космосе не зацвели, но зато продержались на «Салюте-6» почти полгода. Стоило орхидеям вернуться в оранжерею родного ботанического сада в Киеве, как они тут же покрылись цветами.
Космический успех арабидопсиса
Слава первого растения, зацветшего в космосе, выпала на долю не великолепной орхидеи, а невзрачного растения - арабидопсиса. Арабидопсис, он же резушка, - скромный род сорных растений из семейства Крестоцветные. Кстати, это еще и первое растение, геном которого был полностью расшифрован, правда случилось данное событие значительно позже.
Прибывшей на станцию «Салют -6» Светлане Савицкой космонавты вручили небольшой букетик из цветов арабидопсиса. На Земле в стручках арабидопсиса обнаружили 200 семян. Этот опыт наконец-то опроверг мнение о невозможности прохождения растениями в невесомости всех стадий развития — от семени до семени.
Фотография K.U.Leuven Campus Kortrijk
Введение в Марсианские хроники
Сегодняшние опыты с растениями в космосе, хотя и оставляют еще множество загадок, становятся все более успешными. Например, горох, выращиваемый на Международной космической станции, относится уже к третьему поколению космической флоры.
По мнению многих исследователей, растения обладают восприятием, чувствами, памятью - уникальными свойствами, ничем в их сравнительно примитивном организме не обусловленными.
Ученые полагают, что даже межпланетный перелет на Марс - давнюю мечту человечества - ряд растений в состоянии не только успешно пережить самим, но и помочь в этом космонавтам. При длительных космических полетах растения становятся не просто предметом эксперимента, они должны решать ряд задач, связанных с жизнеобеспечением экипажа корабля (вспомните слова Циолковского, сказанные чуть меньше столетия назад). И может быть то, что совершается сегодня, уже войдет в будущие «Марсианские хроники».
Расшифровывая ДНК и до последней клетки «разбирая» строение живых организмов, ученые пока очень мало продвинулись в другой области, лежащей за гранью физического мира. По мнению многих исследователей, растения обладают восприятием, чувствами, памятью - уникальными свойствами, ничем в их сравнительно примитивном организме не обусловленными. И если мы не нашли души цветка внутри него, может быть ответ есть где-то там, во Вселенной?
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 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.
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.
Номинация
Эксперимент в космосе
РАСТЕНИЯ В КОСМОСЕ
Сергеева Анастасия
Средняя общеобразовательная школа №6
Научный руководитель:
учитель физики
СОШ № 6 г. Шумерля
г. Чебоксары, 2010
Основополагающий вопрос:
Насколько важно выращивать в космосе растения и строить для них теплицы, оранжереи?
Цель: Узнать о поведении наших «зеленых братьев» в космосе.
Задачи:
Изучить мнение ученых, космонавтов о строительстве в космосе теплиц и оранжерей; Узнать о современных возможностях создания теплиц и оранжерей в космосе; Составить собственное рассуждение на эту тему и сформулировать выводы.
Методы исследования:
1. Поиск и сбор материала (Книги, Интернет-ресурсы, фотоматериалы).
2. Свой эксперимент с выращиванием фасоли;
3. Оформление исследовательской работы.
Полученный результат:
Исследовательская работа,
Введение……………………………………………………………………………………………….3
Основная часть:
«Лада» - маленькая, да удаленькая………………………………………………..............................4
Надежды и разочарования…………………………………………………………………………....5
Поиски ведут к успеху………………………………………………………………………………..6
К внеземным оранжереям будущего………………………………………………………………...7
Не только полезно выращивать растения, но и выгодно!................................................................7
Мутаций нет…………………………………………………………………………………………...8
Как много значит для человека природа, общение с ней!..............................................................10
Практическая часть. Эксперимент с фасолью…………………………………………………10
Заключение………………………………………………………………………………………….11
Библиографический список…………………………………………………………………….....11
Приложения………………………………………………………………………………………….12
Введение
Еще показал необходимость использования высших растений в качестве средства, призванного обеспечить дыхание и питание людей в длительных внеземных полетах. В трудах гениального ученого мы находим первые «технические условия» на создание космических оранжерей и жилых орбитальных сооружений с замкнутым экологическим циклом. А еще в 1915-1917 годах в своей московской квартире начал ставить эксперименты по созданию, как он говорил, оранжереи авиационной легкости. Во второй половине ХХ в. биология вышла за пределы земных проблем: биологические исследования стали проводиться и в космосе. То, о чем мечтали теоретики космонавтики, стало претворяться в жизнь под руководством. Эксперименты по воздействию факторов космического полета на растительные объекты начались в 1960 году на втором космическом корабле-спутнике. Тогда совершили свой полет и успешно возвратились на Землю традесканция, хлорелла, семена различных сортов лука, гороха, пшеницы, кукурузы. Культуры хлореллы летали в космос и на пилотируемом космическом корабле «Восток-5». После этого растительные организмы путешествовали в космос на всех наших космических кораблях, орбитальных станциях и биоспутниках серии «Космос». В 1962 году Главный конструктор наметил целую программу ботанических и агротехнических исследований в космосе и вскоре по инициативе Главного конструктора в Красноярске появился экспериментальный замкнутый биотехнический комплекс «Биос». Длительное время испытатели обеспечивались в нем кислородом, растительной пищей и водой за счет систем жизнеобеспечения с участием высших растений и микроводорослей.
Итак, выращивание растений - очень важный шаг в космонавтике. И в дальнейшем он поможет освоить другие планеты Солнечной Системы, а может, и всей Галактики. Люди смогут в будущем жить вне Земли.
«Лада» - маленькая, да удаленькая
В лаборатории биологических систем жизнеобеспечения Института медико-биологических проблем (ИМБП) разработали космическую тепличку – «Ладу», рассчитанную на 60 Вт, стоящую 50 тысяч долларов. if(docid!=221589){toggleElement("anons221589");} Глядя на маленькую, размером с микроволновку установку, дилетанту не понять, во что там вложены такие деньги. "Лада" состоит из собственно теплицы, снабженной двумя мини-компьютерами, блоками выращивания, емкостей для воды. Первым на борту МКС зацвел зеленый японский салат Мизуна. Сотрудник лаборатории, доктор биологических наук Маргарита Левинских выбрала растение из сотен других за неприхотливость, быстроту роста, вкусовые качества и большое содержание витаминов . Салат оправдал доверие: на борту МКС он пользуется огромным успехом. Командир российского экипажа Валерий Корзун, первым снявший дегустацию космического растения, признался, что готов был съесть весь кустик.
Подобные эксперименты российские специалисты проводят уже не первый год. На борту станции "Мир" в оранжерее "Свет", например, длительное время росла пшеница. Были планы продолжить опыты на других злаковых. Космонавты даже шутили, что скоро будут печь хлеб в космосе… Увы, уникальная аппаратура "Мира" погибла в океанских водах, однако опыт работы остался. Он и был использован при разработке "Лады".
"Это живой, постоянно развивающийся эксперимент, - рассказывает ведущий научный сотрудник лаборатории, кандидат технических наук Игорь Подольский. - По возможности мы будем досылать на МКС новые корневые модули, менять освещение, саму программу… Таким образом, собираемся исследовать влияние факторов космического полета на рост и развитие растений, отрабатывать технологии их культивирования в условиях космического полета. Ведь там все иначе, чем на Земле".
Возникает вопрос: а зачем вообще все это нужно? Разве на родной планете мало заброшенных полей, где можно выращивать тот же салат или горох не крошечными кустиками, а целыми плантациями?
"Если мы сочтем целесообразным освоение человеком космического пространства, то признаем и важность создания биологических систем жизнеобеспечения, - говорит Подольский. - Люди без растений долго не протянут. Чтобы длительно существовать вне Земли, нужны "зеленые братья". Это и пища, и мощный психологический фактор. Если среди металла на борту станции теплится маленький зеленый кустик, космонавт не так тоскует по дому. Кроме того, это тест на состояние окружающей среды: известно, что растения более ранимы к внешним факторам, чем животные. На станции "Мир" пшеница долго плохо росла. Причина выяснилась случайно: на станции появились установки по сжиганию метана, а заодно с ним снизилось содержание в воздухе этилена, - растение вдруг вовсю заколосилось. Космонавты не чувствовали повышенного содержания этих веществ, а вот пшеница хворала".
Маргарита Левинских считает, что растения каким-то образом улавливают эмоциональную информацию из внешнего мира. А в космосе человек и растения становятся более привязанными друг к другу.
Связь с живой природой помогает оставаться людьми даже вдали от голубой планет. Все как у Маленького принца Экзюпери, который нежно любил свою розу, думая, что она - единственная на целом свете. Для него так оно и было, хотя вдали, на другой планете, росли целые сады таких же роз". Существует мнение, что "космические семена" приобретают необычайные лечебные и питательные свойства, могут исцелить тело и душу человека. "На самом деле подобной информацией мы пока что не располагаем, - говорит Подольский. - Хотя, возможно, в недалеком будущем откроются не менее фантастические перспективы. Американские ученые уже пытаются создавать наземные модули оранжерей для выращивания растений на других планетах. Есть подобные разработки - правда, пока на бумаге - и у российских ученых. Так что, похоже, мечты отца отечественной космонавтики Константина Циолковского о космических поселениях когда-нибудь сбудутся.
Надежды и разочарования
В 1971 году на корабле «Союз-10» за пределы Земли отправилась установка «Вазон» с двумя тюльпанами. Но, к сожалению, стыковки со станцией «Салют» не произошло, распустившиеся цветы могли наблюдать уже на Земле лишь специалисты группы поиска.
На орбитальной станции «Салют-4» стоял довольно совершенный «Оазис», снабженный телеметрической и кинорегистрирующей системами. Исследования велись с горохом.
Поначалу многое не ладилось, - рассказывает космонавт Георгий Гречко.
Вода не поступала туда, куда было нужно, затем стали срываться огромные капли, и за ними пришлось гоняться с салфетками. Но в целом эксперимент удался, были получены взрослые, двадцатитрехдневные растения. Правда, цветов не было, но фильм с замедленной съемкой динамики роста растений снять удалось. Именно Гречко одним из первых свидетельствовал о психологической поддержке, которую космонавты получали у растений. Сам он, особенно к концу полета, старался при каждом удобном поводе подплыть к оранжерее, чтобы лишний раз бросить взгляд на зеленых друзей. Иногда он ловил себя на том, что делает это неосознанно.
Проведенный на Земле анализ показал, что, несмотря на внешнее сходство с контрольными, растения отличались по структуре клеток, биохимическому составу, ростовым характеристикам. Это, казалось, подтверждало скепсис тех ученых, которые и до того уже сомневались в возможности нормального роста растений в условиях невесомости. Дальнейшие эксперименты по культивированию растений в длительных космических экспедициях тоже не принесли ничего утешительного. У пшеницы и гороха никак не удавалось получить не только семян, но даже цветов. На стадий их образования растения просто погибали. И этот факт давал основание говорить о принципиальной невозможности роста и развития растений в условиях космического полета. Тогда-то к решению проблемы и подключились опытные научные коллективы , возглавляемые академиком, академиком АН Литовской ССР и академиком АН Украинской ССР. Прежде всего решили выяснить, влияет ли тут именно невесомость или же другие факторы, например, технология культивирования. Ведь сама эта технология для столь необычных условий еще только создавалась. А на нее-то невесомость оказывала явное влияние. Ведь при отсутствии гравитации водо - и газообмен у растений происходит по-иному, возникает проблема отвода метаболитов и обеспечения нужного теплового режима, поскольку естественная конвекция тоже отсутствует. Вновь попытались вернуться к культивации растений, в лукавицах которых сосредоточен почти полный запас необходимых для развития веществ.
Летом и осенью 1978 года во время полета космонавты В. Коваленок и А. Иванченков выращивали лук двумя способами: научным и, «как в деревне Белой», откуда был родом командир корабля.
Лук растет в двух сосудах, один по вашей методике, а другой по моей, крестьянской, - докладывал В. Коваленок. - Если его сверху не обрезать, то он начинает гнить, а если подрезать, растет хорошо, не гниет. В репортаже по телевидению командир шутил: «Сельхозтехника лучше работает, это мы проверили в результате соцсоревнования. Наш лучок-то растет быстрее, чем научный!» Но увы, ни по той, ни по другой методике строптивое растение до цветения довести так и не удалось.
На следующий год в Главном ботаническом саду АН СССР в установке под названием «Лютик» подготовили для выгонки на борту станции «Салют-6» тюльпаны. Им оставалось только распуститься в космосе, но этого-то они и «не захотели» сделать. Почему - понять до сих пор не удалось. Аналогичная установка почти в то же время побывала на Северном полюсе. И когда там появилась лыжная экспедиция под руководством И. Шпаро, тюльпаны порадовали отважных путешественников ярким пламенем своих цветов.
Поиски ведут к успеху
Но почему же растения так и не цветут? Чтобы ответить на этот вопрос, во время последних экспедиций на «Салюте-6» и на новой станции «Салют-7» было проведено много экспериментов с целым набором оригинальных устройств для культивирования растений. Вот их перечень: малая орбитальная оранжерея «Фитон» на борту станции «Салют-7», где впервые арабидопсис прошел полный цикл развития и дал семена, малая орбитальная оранжерея «Светоблок», в ней на борту станции «Салют-6» арабидопсис впервые зацвел, бортовая оранжерея «Оаэис-1А» станции «Салют-7», бортовая установка «Биогравистат» с вращающимися и неподвижными дисками для экспериментов по проращиванию семян в условиях искусственной силы тяжести. Конструкторы и ботаники предусмотрели систему дозированного полуавтоматического полива, аэрации и электростимулирования корневой зоны, смены перемещения вегетационных сосудов с растениями относительно источника автономного освещения.
Нужно было помочь растениям справиться с невесомостью. Прежде всего в «Оазисе» попытались применить стимуляцию электрическим полем. При этом исходили из предположения, что геотропическая реакция связана с биоэлектрической полярностью тканей, вызванной электромагнитным полем Земли. В космических экспериментах это предположение подтвердилось лишь частично.
Исследования велись и в других направлениях. Например, проростки некоторых растений выращивались на небольшой центрифуге «Биогравистат». Она создавала на борту корабля постоянное ускорение до 1 g. Оказалось, что в физиологическом смысле центробежные силы адекватны силе тяжести. В центрифуге проростки отчетливо ориентировались вдоль вектора центробежной силы. В стационарном блоке, напротив, наблюдалась полная дезориентация всходов.
А в устройстве «Магнитогравистат» изучалось ориентирующее действие другого фактора - неоднородного магнитного поля. Его влияние на проростки креписа, льна, сосны тоже компенсировало отсутствие гравитационного поля. Словом, упорству исследователей можно было позавидовать. Наконец, пришел успех. И выпал он на долю маленького, невзрачного растения арабидопсиса. Имея цикл развития всего около 30 дней, оно прекрасно растет на искусственных почвах. Во время последней экспедиции на «Салюте-6» арабидопсисы зацвели в камере установки «Светоблок». На станции «Салют-7», где работали А. Березовой и В. Лебедев, эксперимент по культивированию арабидопсиса подготовили особенно тщательно. Там была герметичная камера «Фитон-3» с пятью кюветами и своим . В кюветах - субстрат из агара, содержащий до 98% воды. По мере роста растений они могли отодвигаться от источника света. Семена с помощью сеялки-пушки посеяли сами космонавты. Вначале растения росли медленно. Но вот 2 августа 1982 года В. Лебедев сообщил:
Появилось много, много бутонов и первые цветы. Прибывшей на станцию Светлане Савицкой космонавты вручили небольшой букетик из цветов арабидопсиса. Она тщательно зарисовала его. При подсчете на Земле в стручках обнаружили 200 семян.
Этот опыт опроверг мнение о невозможности прохождения растениями в невесомости всех стадий развития - от семени до семени.
Правда, арабидопсис - самоопылитель, оплодотворение у него происходит еще до раскрытия бутона. Но все же успех огромен. И это успех не только научного коллектива Института ботаники АН Литовской ССР, возглавляемого академиком, но также космонавтов Анатолия Березового и Валентина Лебедева. Теперь можно говорить, что космическое растениеводство родилось практически, и оценивать его перспективы.
К внеземным оранжереям будущего
Вернувшийся из 211-суточного полета Валентин Лебедев на вопрос: - Нужна ли в длительном полете оранжерея? - ответил так: - Без сомнения, нужна. Ухаживая за растениями, ремонтируя и кое в чем совершенствуя ботанические установки, мы поняли, что без растений длительные космические экспедиции невозможны. Перед возвращением на Землю растения просто жалко было вырывать. Вынимали мы их очень осторожно, чтобы не повредить ни одного корешка.
Такие оранжереи, - считает космонавт, - займут целые отсеки внеземных станций. Ведь растениям нужна иная атмосфера, нежели людям, - с повышенным содержанием углекислоты и водяных паров. Наверное, другой должна быть и оптимальная для получения наибольшего урожая температура, а также продолжительность светового дня. А главное - им нужен настоящий солнечный свет.
Делать очень большие иллюминаторы или же целые стеклянные стены пока технически невозможно. Видимо, наряду с некоторым увеличением размеров иллюминаторов следует применить зеркальные концентраторы. Собранный ими и направленный внутрь отсека световой поток можно будет через систему световодов подводить к растениям подобно тому, как к ним подводится влага с питательными веществами. Вот тогда и исполнится предсказание Циолковского о том, что при подборе самых урожайных культур и оптимальных условий для их развития каждый квадратный метр внеземной плантации сможет полностью прокормить одного жителя космического поселения.
Все мы уверены, что так и будет!
Не только полезно выращивать растения, но и выгодно!
Чтобы растение успешно развивалось и давало больше плодов, одной богатой почвы недостаточно. Хорошо известно: чем больше листьев будет освещено солнечными лучами, тем больший урожай принесет растение осенью. Однако в посевах верхние листья, как правило, затеняют нижние, на полях с этим бороться бесполезно, но в теплицах такие попытки делались. Однако раздвигать растения по мере их роста оказалось и трудно, и дорого, поэтому экспериментировать перестали. Но потом об этом вспомнили космические ботаники, которые предложили устраивать внеземные оранжереи не на плоской, а на криволинейной поверхности. На Земле стебли растений, подчиняясь силе тяжести; вытягиваются вверх параллельно друг другу. Их космические собратья развиваются в невесомости, и направление их роста определяется только освещением. Поэтому их можно высаживать на сферические или цилиндрические «поля», окружая светильниками той же формы. Стебли растений в таких оранжереях расположатся по радиусам сферы или цилиндра и сами будут раздвигаться по мере роста. При этом освещенность нижних ярусов листьев и соответственно продуктивность посевов будут намного выше, чем на Земле. Возможность выращивания растений с радиальным расположением стеблей подтверждена в наземном эксперименте. Растения разных видов пшеницы культивировали в установке со сферической поверхностью, вращающейся вокруг трех взаимно перпендикулярных осей со скоростями порядка 2 оборота в сутки. Конечно, по первым опытам трудно судить, как пойдет дело дальше. Предстоит проверить идею в условиях реального космического полета. Но уже сейчас ее авторы подчеркивают, что «применение криволинейных посадочных поверхностей позволяет предложить весьма компактные и технологические конструкции конвейерных оранжерей для космических систем жизнеобеспечения экипажа».
Мутаций нет
На МКС получены ростки третьего поколения гороха, выращенного в орбитальных условиях. Геннадия Падалку журналисты уже называют знатным космическим агрономом. В 1999 году на станции "Мир" он вырастил первые колосья пшеницы. Космический земельный надел невелик, посевные площади до тетрадного листа не дотягивают, это в три тысячи раз меньше дачных "шести соток". Это - земной дублер космической оранжереи. На МКС - точно такая же. Здесь готовят следующий эксперимент, на очереди японская листовая капуста и редис. Главные требования к растениям-претендентам на космический полет - компактность и неприхотливость. Расти придется при скудном освещении и поливе, вода в космосе на строгом учете. Освещение оранжереи и два компьютера, которые следят за ростом растений, употребляют всего-навсего 60 ватт. Раз в неделю космонавты отправляют данные на Землю, вместе с фотографиями плантации. На станции сейчас зацветает уже третье поколение выращенного здесь гороха. Всего шесть растений, на каждом - по три стручка. Немного, но вполне достаточно для того, чтобы уже считать доказанным - в космических условиях растения не становятся мутантами. Эксперимент начался 15 месяцев назад, этого достаточно, чтобы пилотируемый корабль долетел до Марса. Ученые уже могут назвать возможные растения-претенденты.
Фиолетовые цветы заметно оживили интерьер станции.
Как показали земные эксперименты, при круглосуточном освещении растений «Фитоконвейер» может давать до 300 г свежей зелени каждые 4-5 суток, т. е. в 3 раза больше, чем при традиционной компоновке. Разработчики считают, что такая цилиндрическая конвейерная оранжерея перспективна для производства растительной продукции на марсианском корабле или орбитальной станции.
Как много значит для человека природа, общение с ней!
Зеленые растения создают хорошее настроение, отвлекают от однообразных и утомительных текущих дел, успокаивают. Плантация зеленых растений доставит большую радость экипажам космических кораблей и станций. И, не боясь преувеличения, можно предположить, что «ветка сирени» в космосе для человека будет значить гораздо больше, чем на Земле.
В оранжереях будущего растения будут снабжены специальными датчиками и приборами. Они будут не только сообщать о своем состоянии, но с помощью автоматики обеспечивать поступление воды и питательных веществ в необходимых для себя количествах. Они сами смогут регулировать микроклимат всего помещения оранжереи, подбирая наилучшие условия для своего роста. И это вполне реально, так как установлено, что все растения отвечают на изменения окружающих условий токами электрической природы - биотоками. Опыты, проведенные в лаборатории профессора Тимирязевской сельскохозяйственной академии И. Гунара, показали, что изменение температуры в зоне корней растений, а также некоторые химические вещества, воздействующие на корни, вызывают появление слабых биотоков, которые зарегистрированы чувствительными самописцами.
Для отведения биотоков использовались электроды, не травмирующие растения. Было установлено, что здоровые растения тотчас же реагировали на раздражения, на изменение условий, а больные - с задержкой, вяло. Интересно, что при воздействии на корни, например, насыщенным раствором питательных солей ответную реакцию растений в этих же опытах удавалось регистрировать на листьях. Выходит, информация об изменении условий в зоне корня была передана листьям. Значит, растения чувствуют? Вероятно.
В космических оранжереях целесообразно выращивать скороспелые овощные растения. Это однолетние растения - листовая капуста, кресс-салат, огуречная трава, укроп. Эти растения содержат значительное количество витаминов А, В1, В2, PP. В огуречной траве содержится меньше витаминов, чем в других растениях, но зато она обладает целебными свойствами, приятным запахом и вкусом свежих огурцов, что делает ее очень привлекательной для введения в рацион.
Так как в обычных условиях препараты витаминов плохо сохраняются, поэтому целесообразно их постоянно иметь в свежем виде. Значит, необходимо изучать возможности оранжереи обеспечивать потребности экипажа в витаминах в специфических условиях гермообъекта.
Растения оранжереи должны быть неприхотливыми, устойчивыми к заболеваниям и хорошо изученными в обычных условиях.
Практическая часть. Эксперимент с фасолью
На Земле стебли растений, подчиняясь силе тяжести; вытягиваются вверх параллельно друг другу. Их космические собратья развиваются в невесомости, и направление их роста определяется только освещением.
Я решила провести эксперимент с фасолью и наглядно показать, как это происходит. Я взяла семена фасоли, завернула их в мокрую марлю и поместила в стеклянную мензурку(2), при этом я периодически меняла положение мензурки. Через неделю семена проклюнулись(3) и я высадила их в грунт(4). Баночки с посаженными семенами я тоже переворачивала. Позже фасоль проросла(5).
В итоге растение росло и изгибалось во все стороны. Благодаря этой способности растения в космосе могут принести урожая больше чем на земле, вследствие компактности и отсутствия силы тяготения земли.
https://pandia.ru/text/78/432/images/image002_27.jpg" width="200" height="267 src=">
https://pandia.ru/text/78/432/images/image004_15.jpg" width="269 height=192" height="192">
https://pandia.ru/text/78/432/images/image006_14.jpg" width="272 height=192" height="192">
left" width="450 " style="width:337.85pt">
https://pandia.ru/text/78/432/images/image012_6.jpg" align="left" width="794" height="586 src=">
Теплица, которую я готовлю для дальнейших экспериментов
https://pandia.ru/text/78/432/images/image015_4.jpg" width="759 height=500" height="500">
https://pandia.ru/text/78/432/images/image017_2.jpg" align="left" width="696" height="404 src=">
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.
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.
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.
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.
Прибор ИФС-2 предназначался для выращивания грибов, культур тканей и микроорганизмов, водных животных.
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. Добавить метки