Выращивание растений в космосе
Добавил пользователь Alex Обновлено: 19.09.2024
Зачем космонавтам овощи и фрукты?
К тому же со временем замороженная пакетированная пища просто надоедает.
Это не просто грустно — из-за недостатка аппетита космонавты часто теряют в весе, замечает норвежский биолог Силье Вольф. Эти проблемы во многом могут решить собственные грядки на борту.
Сегодня технологии космического земледелия разрабатывают для станций на орбите Земли, но у биологов есть и другие цели, куда более масштабные. Исследователи и энтузиасты всё чаще говорят о колонизации других планет. В планах и проектах появляются конкретные цифры: сколько будет длиться перелет и сколько людей смогут стать первыми колонистами. Дорога, например, на Марс займет долгие месяцы, еще дольше людям придется обживать новую колонию. Как считает эксперт программы МКС в NASA Джули Робинсон, даже самые современные технологии консервации и заморозки не позволят так долго сохранять все нужные питательные вещества в пище переселенцев.
На одних консервах новому поселению не выжить, полагаться на поставки с Земли рискованно, поэтому нужны методы, которые позволят выращивать растения самостоятельно. Тестировать их придется в самых суровых условиях — ведь на том же Марсе колонистов ждет пыль вместо плодородной почвы и жесткий ультрафиолет вместо ласковых солнечных лучей, отфильтрованных земной атмосферой.
Почему садоводство в космосе — это так сложно?
На закрытых станциях есть и другая проблема — нарушения конвекции (теплообмена) , которые возникают, если замкнутое пространство плохо вентилируется. При этом вокруг растения накапливаются летучие органические вещества, способные затормозить его рост.
Наша земная почва, дающая жизнь растениям, — это сложная система, где одинаково важны и минералы, и органика. На Марсе, например, ситуация совсем другая. Поверхность Красной планеты покрыта реголитом — мелким песком и пылью, которые образуются, когда скальные породы разрушаются из-за ветра, колебаний температуры и ударов метеоритов. Эта пыль не просто безжизненна, для растений она опасна: в ней содержатся токсичные соединения, в том числе перхлораты — соли хлорной кислоты.
Китайские ученые выяснили, как похожая концентрация перхлоратов в воде отражается на нескольких видах растений: токсины заметно уменьшили и стебли, и корни. Кроме того, перхлораты накапливались в листьях, поэтому включить такие растения в рацион не получится. А еще соли хлорной кислоты не позволят заселить поверхность Марса земными бактериями, чтобы создать плодородный слой перегноя. Эксперименты шотландских астробиологов показали, что перхлораты усиливают бактерицидный эффект ультрафиолета, поэтому бактерии нашей почвы просто не выживут на поверхности Марса.
Возможно, от идеи огородов на марсианском реголите придется отказаться вовсе, сосредоточившись на других методах — в первую очередь на технологиях гидропоники и аэропоники.
Чем можно заменить почву
Сегодняшние способы космического садоводства можно условно разделить на те, для которых нужен относительно плотный субстрат (скажем, почва или глина), и те, где главную роль играют вода и жидкие растворы.
Установка Vegetable Production System (Veggie), которая с 2014 года снабжает МКС свежей зеленью, ближе к первому типу.
В Veggie семена прорастают в специальных подушечках, где кальцинированная глина смешана с капсулами, в которых находятся удобрения. Полимерная оболочка капсул постепенно разрушается, вовремя выпуская очередную порцию подкормки. Конструкцию освещают зеленые, красные и синие светодиоды — во время экспериментов астронавты периодически меняют режим освещения, чтобы выяснить, что лучше всего подходит определенным растениям. В установке есть система автоматического полива при помощи капилляров, но иногда астронавты поливают орбитальный огород сами. Например, так пришлось поступить Скотту Келли, чтобы спасти от неожиданной засухи цветы циннии.
Исследователи намерены привезти на Землю семена, созревшие на МКС, прорастить их в лаборатории и вернуть новое поколение семян на станцию, чтобы выяснить, как на них скажутся такие сильные перепады гравитации.
Просто добавь воды: гидро- и аэропоника
Еще более перспективной может оказаться аэропоника: в этом случае корни растений находятся не в воде или субстрате, а в воздухе. Рядом установлены распылители, которые время от времени обволакивают корни легкой дымкой из крохотных капель питательного раствора. Так растения получают и питание, и достаточное количество кислорода — риск задушить урожай слоем воды намного ниже, чем в случае с классической гидропоникой. Уменьшается и риск болезни растений, так как опасные микроорганизмы часто поселяются в воде или влажном субстрате.
Гидропонику и аэропонику уже давно успешно используют на Земле. Они позволяют собирать урожаи даже в экстремальных условиях — например, в Антарктике.
Ученые из немецкого Института полярных и морских исследований им. Альфреда Вегенера уже несколько лет выращивают огурцы, помидоры, сладкий перец и зелень на антарктической станции Neumayer-Station III.
Аэропоническую теплицу обустроили в отдельном здании, и, когда метель не дает ученым добраться туда из основного строения, поливом и освещением могут дистанционно управлять их коллеги из Германии. Биологи говорят, что одна из основных задач их работы — подготовить новые методики садоводства для тестирования в космических условиях.
Как на вулкане: эксперименты c аналогами реголитов
Ученые собрали уже более десятка урожаев, в их продуктовой корзине помидоры, горох, редис, рожь, зеленый лук и другие растения. Первые тесты показали, что уровень токсичных тяжелых металлов в овощах не превышает допустимые нормы (впрочем, новые урожаи еще проверят много раз).
В 2017 году в марсианский образец грунта поселили червей, и они не только выжили, но и дали потомство.
Руководитель проекта Вигер Вамелинк говорит, что дождевые черви могут стать важнейшим звеном земледелия на других планетах: они обогащают почву биогумусом, а их ходы помогают воде и воздуху лучше проникать в грунт.
Конечно, прогнозы Вамелинка очень оптимистичны. Условия на Красной планете суровые: растениям нужно будет не просто выжить в пылевом грунте, но и устоять перед натиском ультрафиолета — уровень излучения на Марсе намного выше, чем на Земле, поскольку нашу планету защищает озоновый слой. Не стоит забывать и о токсичных перхлоратах: неизвестно, найдется ли способ очистки грунта и сколько это будет стоить. Впрочем, даже если разбить на Марсе огороды по методу Вамелинка не выйдет, результаты его работы пригодятся на Земле — например, помогут выявить растения, дающие стабильный урожай на вулканических почвах.
Новая Земля: проекты терраформирования других планет
Самый популярный кандидат на роль Земли 2.0 — конечно, Марс. Он находится по космическим меркам недалеко от нас, обладает запасами водяного льда и атмосферой — очень разреженной, но все-таки способной хоть немного защитить от радиации. Проекты терраформирования в основном фокусируются как раз на уплотнении атмосферы. Например, группа Джима Грина, директора отдела по изучению планет NASA, предложила окружить Красную планету оболочкой искусственного магнитного поля. Создавать его, по плану Грина, будет космический аппарат, находящийся в точке Лагранжа L1 между Солнцем и Марсом. Как именно должно работать это устройство, астрофизик не уточнил.
Синезеленые водоросли способны выдержать очень суровые условия, некоторые из них являются экстремофилами — возможно, какие-то из них выживут и на Марсе.
Пока терраформинг остается скорее мечтой, чем конкретной стратегией. Но авторы этих концепций сходятся во мнении: земные технологии быстро развиваются, и спустя десятилетия мы сможем говорить об освоении других планет куда конкретнее. Кто знает, вдруг и марсианские яблони станут реальностью?
Галина Семеновна, когда у нас было время расцвета российских космических биологических исследований?
Расскажите, пожалуйста, какие вам изначально ставились задачи?
Вообще космонавтам очень много пришлось возиться с этими растениями, то то не ладилось, то это. Проведенный на Земле анализ показал, что, несмотря на внешнее сходство с контрольными, растения отличались по структуре клеток, биохимическому составу, ростовым характеристикам. Но в целом эксперимент удался, были получены взрослые, двадцатитрехдневные растения, стебли сочные, зеленые, в полном расцвете сил. Они очень нравились космонавтам. А Георгий Гречко первым отметил тогда, что забота о космическом огороде стала огромной психологической поддержкой, особенно к концу полета, ему неосознанно хотелось почаще побыть рядом с растениями.
Действовали методом проб и ошибок?
Первые наши установки были открытыми. Они просто находились рядом с космонавтами, безо всяких стеклянных боксов, и так далее. И мы первое время не могли добиться даже того, чтобы растения просто зацвели! Как оказалось, воздух, выдыхаемый человеком, его микрофлора, в условиях космоса угнетает растения, создает для них неблагоприятные условия. Играет роль и то, что влагу при поливе у растений в таких условиях отнимает почва. Такой есть достоверный факт. Чтобы почва не оттягивала всю влагу — увлажнение должно быть постоянным.
Но проблему цветения растений в космосе вы все же в итоге решили?
Теперь американская космическая оранжерея на МКС полностью изолирована, автоматизирована и так далее. Она как игрушка такая дорогая. Но чтобы сделать эту игрушку, они использовали наш 25-летний опыт, и по сравнению с результатами наших тогдашних работ, нового они пока ничего не получили.
Понятно, что за державу обидно. Но в чем причина таких интересных наследственных изменений у растения?
По нашему мнению, произошли мутации в двух разных хромосомах. Раз есть такие мутации — это означает, что система защиты корабля от космических излучений проницаема, особенно в моменты солнечной активности. Значит, они неизбежно воздействуют и на организм людей.
Космос приносил и приносит парадоксы. Вот, например, история с женьшенем. Женьшень у нас летал в космос на длительный срок. Собственно, это была культура клеток женьшеня, а не полноценные растения. В течение года она поддерживала свою жизнеспособность, а потом экипаж покинул станцию и просто забыл там женьшень! А следующий экипаж, обнаруживший эту культуру, обнаружил, что культура клеток жива. Последующий анализ показал увеличение биологической активности этой биомассы в 6 раз! Это просто удивительная история.
А что происходило с животными?
А кому в космосе жить хорошо?
Микроорганизмам. Они и на Земле находятся во взвешенном состоянии. А в космосе им просто раздолье — ведь они обитатели границ двух сред, например, воды и воздуха. Их благоденствие зависит от размеров поверхностей. А в невесомости поверхностей хоть отбавляй! Так что они плодятся и чувствуют себя прекрасно.
В общем, за 25 лет работы были получены результаты, о которых знают только те, кто специально интересуется?
Так будут ли на Марсе яблони цвести?
Конечно, будут. Но я боюсь, что первыми садовниками на Марсе окажутся китайцы.
Обзор
Автор
Редактор
Гравитация: маленький шаг для растения и огромный скачок для ученого
Естественной ответной реакцией растительного организма на действие силы тяжести является гравитропизм — направленный рост органов относительно вектора гравитации. Растения тянут свои стебли и стволы ввысь, против вектора силы тяжести, то есть обладают отрицательным гравитропизмом, а их корни устремляются вглубь, к центру планеты (в этом случае мы говорим о положительном гравитропизме). Можно, конечно, дополнить, что сила тяжести не действует на растения в одиночку, сама по себе, а работает в сочетании с другими внешними факторами, как, например, свет или вода — и в этом случае мы говорим о фототропизме или гидротропизме. Но это уже детали.
Давайте же разберемся с вопросом: а зачем все-таки растениям определять свое положение в пространстве, знать, где верх, а где низ? Ведь это не люди, которым действительно нужно как-то передвигаться, причем именно по земле, а не по воздуху, например. На самом деле всё очень просто: сверху находится солнце, которое не только дарит всем живым существам свет и радость, но и обеспечивает растение такой жизненно необходимой солнечной энергией, без которой невообразимы процессы фотосинтеза [1]. Вот почему побеги всегда тянутся ввысь, к теплым лучам, а цветочки могут поворачиваться вслед за солнцем.
Рисунок 1. Опытное растение Arabidopsis thaliana, растущее в вертикальном положении (А) и при гравистимуляции (Б). Фото Пожванова Г.А. (СПбГУ).
А что же происходит внизу? Во-первых, гораздо удобнее удерживать свое положение в пространстве за счет закрепления в грунте, а не в воздухе или в водоеме. А во-вторых, не будем забывать о том, что под ногами у нас почва — уникальнейшая питательная среда со множеством полезных соединений, минеральных солей, ну и, конечно же, с водой. А вода, как известно, источник жизни. Поэтому корни растений устремляются вниз — в поисках необходимой им воды с растворенными в ней веществами.
Вот мы и разобрались с таким известным проявлением гравитропизма, как тенденция к росту побегов растения вверх, а корней — вниз. Однако существует и другой вид гравитропизма, пусть менее известный, но зато знаковый и интересный для исследователей. Я говорю о формировании особых изгибов органов растения в ответ на изменение его ориентации в пространстве, которые называются гравитропическими изгибами. Что же это за изгибы такие? Посмотрим!
Космический успех арабидопсиса
За последние несколько лет опубликованы сотни научных статей, касающихся проблемы гравитропизма растений. Однако оставался открытым вопрос о влиянии силы притяжения Земли на два важных показателя корневой системы: ее завивание и отклонение.
Так называемое завивание корней — это всего лишь смена направления роста их кончиков, которая происходит, например, при встрече корня с препятствием в виде камня или твердой породы, сквозь которую нельзя прорасти. Происходит своеобразная смена курса роста, связанная с огибанием преграды, но после преодоления этой сложности корешок вновь устремляется вниз согласно вектору силы тяжести.
В свою очередь, отклонение — это процесс углового смещения корня, которое происходит, допустим, при ветвлении. Любой, кто хоть раз пропалывал грядки, может подтвердить, у выкопанных сорняков нет идеально прямых корней. Напротив, они сильно ветвятся, стараясь задержаться в почве прочнее и буквально пробивая себе путь в нижних твердых слоях земли (наверное, поэтому их и не любят — кому понравится битый час выдергивать намертво закрепившегося огородного нелегала).
Некоторое время назад ученые были уверены, что завивание и отклонение имеют в своей основе сходные сценарии развития. Однако такое убеждение дало трещину, когда исследователи из университета Флориды запустили наш любимый арабидопсис в космос. На орбите выключается действие силы притяжения, что дает простор для новых исследований, включая наблюдение за гравитационными процессами. Емкости с растениями находились в специальной установке с камерой, которая делала снимки каждые шесть часов на протяжении первых 15 дней роста растений. Полученные данные передавались с борта космической станции на Землю в Центр космических исследований (Kennedy Space Center), где одновременно проводились аналогичные эксперименты с такими же образцами, но уже в условиях нормальной земной гравитации.
Выяснилось, что в целом и на Земле, и в условиях невесомости арабидопсис успешно рос, просто образцы несколько отличались по своему внешнему виду за счет того, что в основе роста находились разные стимулы. Так, космические образцы при отсутствии вектора гравитации определяли направление для дальнейшего роста по падающему свету (фототропизм). Получается, что корни резуховидок Таля росли в противоположную от побегов сторону, то есть туда, где меньше света, который в этих условиях стал для них определяющим фактором. Но главное — арабидопсис действительно успешно рос даже при отсутствии земного притяжения [2]. Вывод: для завивания и отклонения корней гравитация не является основополагающим фактором. Также было отмечено, что если характер завивания для земных (контрольных) образцов и выросших в космосе растений примерно одинаков, то в случае отклонения можно говорить о разных механизмах данного процесса, поскольку для проростков, выращенных в невесомости, отклонение было гораздо выше (рис. 2).
Кстати говоря, арабидопсис — самое первое растение, которое не только проявило себя в опытах по влиянию отсутствия гравитации на рост, но и прошло полный цикл развития в космосе, успешно перенеся воздействие всех неблагоприятных внеземных условий.
Фитогормоны: растения тоже чувствуют!
Давайте задумаемся над вопросом: как же растения понимают, где у них низ, а где верх? Человек, например, в любой момент времени может определить, стоит ли он на земле или лежит беспомощный (за эту способность определять свое место в пространстве можно сказать спасибо вестибулярному аппарату). А обездвиженным и безмолвным растениям приходится изощряться другими способами.
Так, у представителей растительного царства есть специальная группа клеток-статоцитов, которые содержат специфические тяжелые структуры, быстро оседающие под действием гравитации (рис. 3). Эти образования называются статолитами.
И наконец мы подходим к такому интересному моменту, как распределение PIN-белков в пространстве клетки. Ведь сами белки, хоть и называются переносчиками, лишены возможности произвольного перемещения. Их распределение регулируется цитоскелетом. У клеток растений тоже есть свой скелет, и представлен он не костями и хрящами, а специальными веществами: актином, тубулином и миозином. Важно, что именно эти структурные полимеры определяют подвижность большинства компонентов клетки. Актиновый цитоскелет — это словно раскинувшаяся по всему объему клетки огромная сеть дорог, по которой обеспечивается транспорт большинства соединений [5].
А еще — актиновый цитоскелет очень сложно увидеть: для этого было бы недостаточно даже применения очень сильного микроскопа. Дело даже не в чрезвычайно малых размерах данной структуры, а в визуализации* — ведь человеческий глаз не способен различать эти тонкие ниточки, из которых состоят микрофиламенты, даже при очень большом увеличении. И здесь нам на помощь приходят трансгенные растения [6]. Уверена, что многие из вас так или иначе слышали о них, причем большей частью плохое. На самом же деле трансгенные растения — это универсальный инструментарий биолога, без которого нельзя представить работу любой современной физиологической лаборатории.
Рисунок 4. Так выглядит актиновый цитоскелет корня, если подсветить его лазером конфокального микроскопа. Яркие тонкие нити — микрофиламенты, границы клеток светятся менее ярко. Масштабная линейка равна 50 мкм. Фото автора.
Новые направления: что же будет дальше?
А теперь, познакомившись с основным инструментарием, обратимся непосредственно к результатам проведенных экспериментов. Фундаментальной проблемой, интересовавшей нас в ходе работы, было поведение растений в космосе, и для ее решения мы проводили опыты по гравистимуляции растительных образцов с дальнейшей визуализацией актинового цитоскелета. Была поставлена задача сравнить корни контрольных (вертикально растущих) и гравистимулированных (расположенных горизонтально) растений арабидопсиса, а также исследовать действие на них различных реагентов.
Еще более интересные результаты были получены в случае действия на такие же растения разнообразных реагентов (рис. 5). Известно, что при стрессе (например, во время гравистимуляции) в клетках растений начинает синтезироваться гормон стресса — этилен, который подавляет процессы роста корней и развитие побега, но не препятствует гравитропической реакции. При дополнительной обработке корней арабидопсиса раствором этефона (из которого образуется этилен) обнаруживалась почти тотальная разборка цитоскелета, и чем дольше растение подвергалось такому воздействию, тем больше разрушались актиновые микрофиламенты. Гравитропический изгиб образовывался, но корень был значительно короче.
Салициловая кислота ускоряла реорганизацию цитоскелета и в целом угнетала гравитропическую реакцию за счет подавления синтеза этилена. То есть корни растения не воспринимали переворот на 90 градусов в качестве стресса: ведь этилен, призванный сигнализировать о стрессовых изменениях, не выделялся. Однако по прошествии часа действие салицилата ослабевало, и растение, ощутив стресс, могло формировать изгиб.
А вот при удалении Cа 2+ из клеточных стенок с помощью раствора EGTA (которая способствует связыванию ионов кальция) образование гравитропического изгиба полностью ингибировалось.
Подводя итог, можно сказать, что все эти вещества оказывают свои собственные эффекты на рост растения, причем способны как подавлять стресс, так и усиливать действие гравистимуляции.
Рисунок 5. Растения, которые подверглись различным воздействиям. В верхней строчке — нормальное (вертикальное) положение корней, в нижней — гравистимулированные (перевернутые) корни. В случае EGTA использовали два красителя: циановым цветом показан актиновый цитоскелет, а цветом фуксии — ядра клеток. Фото автора.
Варианты вертикального и горизонтального (в случае поворота растения на 90 градусов по часовой стрелке) роста арабидопсиса в течение 12 часов. Col-0 — дикий тип, GFP-fABD2 — растения Col-0, трансформированные конструкцией GFP-fABD2. В случае гравистимулированных образцов (справа) наблюдается формирование гравитропического изгиба под влиянием изменения вектора гравитации. Стрелкой показаны кончики корней, клетки которых служили объектом для исследования актинового цитоскелета.
На самом деле, это исследование только начинается. Нам еще предстоят новые эксперименты, связанные с обработкой резуховидок Таля различными активаторами и ингибиторами роста, регуляторами транспорта ауксина. К слову, оформленных научных статей еще нет: ведь работа не прекращается, буквально каждую неделю можно говорить о новых результатах.
Думаю, может возникнуть вопрос: зачем вообще нужны эти эксперименты? Чтобы лучше разобраться в механизмах стрессовой реакции в условиях смены вектора гравитации. Это поможет лучше понять, что именно испытывают растения в условиях невесомости.
Когда будет жизнь на Марсе?
Идея запланированного полета людей на Марс с целью создания там колонии не нова, однако споры вокруг этого вопроса начались с того самого момента, как идея впервые была высказана. Скептиков и тогда, и сейчас находится очень и очень много.
В одной из недавно опубликованных статей утверждается, что с некоторой долей вероятности марсианский корабль может стать кораблем-призраком, если на Солнце во время полета произойдет незапланированная вспышка [12]. Доза радиации при этом возрастет на порядок и легко убьет экипаж.
Однако технологии постоянно развиваются — пусть медленно, если речь идет о межпланетных путешествиях, но всё же. Уже созданы проекты космических кораблей с уникальной защитной экранирующей поверхностью, способной обеспечить надежную защиту на весь срок полета, а потому проблему радиации можно считать теоретически решенной.
Во всяком случае, время для колонизации Марса пока еще не настало, и впереди у нас как минимум десять лет. Ну а кандидатам, уже выбранным по конкурсу для участия в проекте, предстоят длительные тренинги и тщательное обучение на Земле. Что из этого получится — увидим!
Международная космическая программа Mars One уже достаточно обсуждалась в прессе. Набор кандидатов, решивших приобрести билет в один конец, завершен. Теперь руководителям проекта предстоит колоссальная задача по подготовке всех необходимых условий, чтобы облегчить начало колонизации Красной планеты (рис. 7). Колонисты ставят масштабные задачи по преобразованию Марса: предполагается растопить там лед, вызвать парниковый эффект и, когда стабилизируется круговорот воды, засеять планету растениями. А пока что мы просто изучаем поведение растительных организмов в надежде на успешное освоение новых космических пространств.
Кто знает — быть может, наступят и для нас такие времена, когда межпланетные путешествия станут обыденностью, а космос превратится в родную стихию? Ну а наш любимый арабидопсис заслужит свое почетное место в анналах земной науки и продолжит свою скромную, но такую важную работу в качестве универсального научного образца.
Развитие управляющих функций мозга ребёнка: полезные советы и упражнения для педагогов
Сертификат и скидка на обучение каждому участнику
Выберите документ из архива для просмотра:
Выбранный для просмотра документ Огород на орбите.pptx
Описание презентации по отдельным слайдам:
Огород на орбите Растения в космосе Исследовательский проект ученицы 8 класса МОУ-СОШ с. Подлесное Клычковой Оксаны Руководитель Максимова П.А.
Космическая эра человечества космосе В. Поляков 348 суток МКС Международный экипаж
Актуальность Выращивание растений на орбите одна из самых важных проблем в создании среды обитания человека в длительных космических экспедициях
Цель Изучить результаты эколого-биологического эксперимента по выращиванию растений на борту международной космической станции
Гипотеза Растения на борту космической станции обеспечат экипаж пищей, воздухом, создадут экологический и психологический микроклимат
Лабораторные исследования К. Циолковский родоначальник космонавтики Прибор — клиностат
Выращивание растений в космосе
Проростки в невесомости тянутся хаотично во все стороны
Космонавты В. Коваленок и А. Иванченков выращивали на станции Салют-6 Резушку Таля
Приборы для выращивания растений
Светлане Савицкой космонавты вручили небольшой букетик из цветов резушки Светлана Савицкая
Огородничество на орбите источник хорошего настроения
Выживаемость организмов в открытом космосе
Идея об освоении и заселении других планет вполне реальна.
Вывод При межпланетных полетах растения обеспечат космонавтов свежей, богатой витаминами пищей, кислородом, очистят воздух от пыли и углекислого газа Растения оказывают позитивное воздействие на психическое состояние человека на МКС Они позволят расширить возможности освоения космоса
И на Марсе будут яблони цвести!
Выбранный для просмотра документ работа Огород на орбите.docx
Полет человека в околоземное космическое пространство – это величайшее событие не только XX века, но и всей истории человечества.
Полет Гагарина показал, что человек может летать в космос, может сохранять работоспособность и нормальное психическое состояние на всех этапах космического полета.
С начала космической эры пройдена огромная дистанция от 108 мин. Юрия Гагарина до 438 суток работы в космосе врача-космонавта Валерия Полякова. Общее время работы космонавтов на орбите уже превысила 42 года. Масштабы работ в космосе растут. Расширяется программа комплексных научных и прикладных исследований и экспериментов на пилотируемых орбитальных станциях: в области внеатмосферной астрономии, медицины, биологии, космической технологии, контроля природных ресурсов Земли. Увеличивается объем операций, проводимых на станциях: сборочные и монтажные работы по развертыванию крупногабаритных космических конструкций, ремонту спутников, обслуживанию межорбитальных буксиров.
Технические задачи определяют облик постоянно действующего орбитального комплекса. В его состав будут входить научно-исследовательские лаборатории, специализированные модули комфортабельные жилые блоки, мощная энергоустановка, заправочная станция, ремонтные мастерские, строительные площадки для сборки крупногабаритных конструкций (антенн, панелей солнечных батарей, базовых). Численностью экипажа составляет 9—12 человек.
Наряду с техническими возможностями предстоит создать более биологически полноценную и экологически обоснованную среду обитания, адекватную долговременным биологическим потребностям человека. На борту марсианского космического корабля необходимо создать аналог земной биосферы, активными компонентами которого будут человек, животные, растения, микроорганизмы. При этом на смену существующим системам придут системы жизнеобеспечения замкнутого цикла – круговорот веществ.
В связи с этим возникает необходимость углубленного изучения механизмов влияния условий космического полета, прежде всего невесомости, на процессы жизнедеятельности организмов различного уровня организации (микроорганизмы, грибы, высшие растения, насекомые, рыбы, земноводные и млекопитающие).
Актуальность. Изучив соответствующую литературу, я пришла к выводу, что проблема изучения приспособленности и выращивания растений на орбите, одна из самых важных в создании среды обитания человека в длительных космических экспедициях. Только растения способны производить органические вещества, необходимые для питания всех живых организмов. Только растения поглощают углекислый газ, очищают воздух и насыщают атмосферу кислородом.
Растения – главное звено в создании земной биосферы.
Цель: изучить результаты эколого-биологического эксперимента по выращиванию растений на борту международной космической станции.
Задачи:
Выяснить условия и методы проведения эколого-биологических экспериментов по выращиванию растений на борту МКС;
познакомится с устройствами, позволяющими выращивать растения в условиях невесомости;
изучить замкнутый биолого-технический комплекс для выращивания растений на борту МКС;
понять возможно ли использовать полученные знания для практического применения и проектирования решения экологических проблем.
Объект исследования: биологические эксперименты на МКС.
Предмет исследования: выращивание растений в условиях невесомости.
Методы исследования:
1. Изучение специальной литературы, интернет –ресурсов.
2. Обобщение и систематизация материала по данной теме.
Гипотеза: растения на борту космической станции обеспечат экипаж пищей, воздухом, создадут экологический и психологический микроклимат.
Лабораторные исследование
Идея выращивать растения в космосе принадлежит Константину Циолковскому. Задолго до начала пилотируемых полётов он заявил, что зеленая флора в будущем станет главным источником питания и поддержания состава атмосферы на космических кораблях.
На растения в космическом пространстве действует ряд факторов, отсутствующих в земных условиях. Один из них — невесомость. Как растения переносят невесомость? Будут ли они нормально расти и развиваться в условиях космического полета? Вот почему ученые задумывались над ними еще до того, как был осуществлен полет человека в космос.
В лабораторных условиях невесомость имитируется вращением горизонтально расположенных растений вокруг своей продольной оси с помощью особого прибора — клиностата. Растение, вращаемое на клиностате, все время испытывает влияние земного притяжения, но не с одной стороны, а с разных. Вследствие этого оно растет горизонтально, тогда как без вращения корень изгибается вниз, а стебель — вверх.
Первые эксперименты по выращиванию растений в космосе
Для проведения экспериментов с растениями на космических станциях инженеры разработали ряд приборов, которые совершенствуются до сих пор. Первые попытки выращивания растений проводились в простых фитокассетах.
Проведенные в космосе опыты показали, что прорастание и первые фазы роста всходов гороха и пшеницы проходят без существенных отклонений от нормы, разница лишь в том, что земные проростки, испытывающие силу тяжести, ориентированы определенным образом: их стебельки располагаются параллельно друг другу. Иная картина в космосе: проростки хаотично тянутся во все стороны.
Успешно перенесли кратковременное пребывание в космосе лук, морковь, салат, огурцы, горчица, бобы. Вернувшись на Землю, они продолжали развиваться без существенных отклонений от нормы. Однако длительное пребывание в условиях невесомости оказало на них губительное воздействие: через две-три недели они начинали увядать, подобно тому, как они погибали на клиностате.
Космонавты В. Коваленок и А. Иванченков выращивали на орбитальной станции Салют - 6 резушку Таля (Arabidopsis tha- liana) — крошечное неприхотливое растение из семейства крестоцветных, встречающееся на железнодорожных насыпях. В земных условиях весь его жизненный цикл (от семени до семени) завершается всего за месяц. В космосе семена резушки успешно прорастали. У проростков формировались корни, стебли и листья. Однако, когда дело дошло до цветения, растения погибли.
Добиться в космосе цветения растений было весьма заманчиво. Ввыбор остановили на эпифитных тропических орхидеях. Ботаники полагали, что эпифигный, то есть неназемный, образ жизни орхидей должен ослабить геотропическую реакцию. Ведь закрепление их корней в расщелинах коры, дуплах, развилках ветвей обусловлено прежде всего присутствием питательных веществ и воды. Корни орхидей способны расти в боковых направлениях и даже вверх в поисках подходящего субстрата. Эти растения обладают рекордной длительностью цветения — до шести месяцев. С учетом этих положений и было отобрано восемь видов орхидей.
Он был. искусно сделан космонавтами из бумаги.
Космические первоцветы
Огород на орбите
Сегодня экспериментами с растениями занимается Институт медико-биологических проблем и все экипажи МКС. Для космонавтов, огородничество на орбите еще и источник хорошего настроения. Подготовка семян начинается еще на земле, и на орбиту они поставляются уже готовые к выращиванию. Основные растения для космонавтов: пшеница, горох и салат. Невесомость и гравитация никак не сказывается на всхожести растений. Выращивание нескольких поколений этих культур на орбите показало, что они не подвергаются генетическим изменениям и мутациям, и пригодны для выращивания и потребления в условиях длительных космических полётов. За время исследований было получено четыре вегетации гороха. Растения в каждом следующем поколении показали тот же уровень урожайности и репродуктивности.
В 2015 году в обновленной оранжерее космонавты начали культивировать такие культуры как рис, томаты и сладкий перец: их еще никогда не выращивали в космосе. Полученные данные будут необходимы для обеспечения биокультурами экипажей длительных экспедиций, в том числе и для полетов к Марсу.
К внеземным оранжереям будущего
На протяжении полутора лет на МКС проводился эксперимент, призванный выяснить, способны ли живые организмы выжить в условиях открытого космоса. В 2008 году ученые отправили на орбиту комплект различных биологических материалов: споры бактерий, семена, лишайники.
Образцы были помещены на наружной поверхности космической станции в специальном штативе. На протяжении всех полутора лет они постоянно подвергались воздействию жесткого излучения и огромным перепадам температур. В 2009-м году образцы были возвращены на Землю и переданы для лабораторных исследований. Самыми выносливыми из всех организмов, побывавших в космосе, оказались лишайники. Многие из них выжили и продолжили нормальный рост по возвращении на Землю.
Этот эксперимент показал, что идея об освоении и заселении других планет вполне реальна.
Зеленое растение — необходимое звено замкнутой системы жизнеобеспечения в космосе. Именно оно должно снабжать космонавтов свежей, богатой витаминами пищей, производить кислород, поглощать углекислый газ. Научиться выращивать растения в невесомости очень важно уже сейчас, без этого совершенно не обойтись на длительно действующих станциях или при межпланетных полетах.
В ходе эксперимента ученые исследуют и воздействие растений на психическое состояние человека в условиях изоляции. Много лет собирают высказывания космонавтов о благотворном влиянии растений на психику. Такие эксперименты могут способствовать поддержанию хорошего морального состояния членов экипажа в течение длительного периода времени пребывания в космосе.
Исследование устойчивости земных организмов к условиям открытого космоса имеет большое практическое и научное значение. Живучие организмы ученые смогут использовать для подготовки к заселению других планет. Кроме того, обнаруженная у лишайников устойчивость к солнечной радиации уже заинтересовала компании, производящие солнцезащитные кремы.
Понимание важности и пользы выращивания растений в космосе позволит продолжить эксперимент и в дальнейшем расширить возможности освоение космоса.
Читайте также: