Космическое зерно или пшеница уже была в космосе, а ты нет

Апрель - знаковый месяц для российской космической отрасли. Но будущее на орбите Земли и выше делают не в один громкий день, а в почти 4 сотни будней подряд - как на поверхности планеты, так и на борту космических станций и модулей - космонавты, ученые, инженеры, изобретатели.

Одно из направлений исследований в космической научной индустрии - эксперименты с растениями и животными. Какое отношение труды ученых на борту МКС, семена арабидопсиса и птенцы в невесомости имеют к АПК, мы обсудили с главным специалистом Института медико-биологических проблем Маргаритой Левинских.

- За 16 лет мы провели 23 эксперимента по исследованию растений на борту российских орбитальных станций МИР и МКС. Это очень много, и именно возможность проведения серии длительных экспериментов позволила установить все особенности роста растений в космосе. В среднем один эксперимент длился от 1 до 3 месяцев. Самые главные наши фанаты и помощники - сами космонавты. Каждым исследованием они горели и с удовольствием помогали в нём.

С чего всё начиналось?

- В растениеводстве? С очень удачного эксперимента по получению семян на модельном крошечном растении арабидопсис на борту станции Салют в начале 80-х. Но потом наступила длинная череда неудач по исследованию этого растения в космосе наших и американских ученых. Это даже породило теорию, что полноценный рост и развитие представителей флоры в условиях невесомости невозможны.

Вообще, космические исследования с земным сельским хозяйством связаны пока, конечно, слабо. Но сфера АПК уже сейчас может использовать те открытия, что произошли на борту - применять более стойкие к сложным условиям семена, обеспечивать оптимальный полив растений по «космическим» технологиям.

Но, в первую очередь, мы работаем для ответов на фундаментальные научные вопросы, а также для налаживания возможности самообеспечения космонавтов - как на орбите, так и в потенциальных будущих внеземных колониях.

С какими культурами довелось работать, и какие основные сложности появлялись во время исследований?

- Один из главных героев наших экспериментов - пшеница. Первая попытка в 1995 году оказалась неудачной по техническим причинам. В 1996 год эксперимент повторили. Вегетация пшеницы в космической оранжерее «Свет» длилась порядка 3 месяцев. Мы впервые обеспечили автоматический полив растений в невесомости, хорошее освещение посева. В итоге мы получили урожай - 300 колосьев, его доставили на Землю и тут мы с удивлением и огорчением обнаружили, что в них нет ни одного зерна.

В чем тогда была причина?

- Нам предстояло это установить. На тот момент научное сообщество было уверено, что вызревание семян не происходит в условиях космического полета, и вся причина кроется именно в том, что растение развивается вне Земли.

Ростом растений руководят две векторных величины - фототропизм и гравиатропизм: растение тянется к свету и ориентируется на планетарную гравитацию. Но мы уже знали, что в условиях космического полета рост растений происходит нормально – они оказались способны ориентироваться только с помощью фототропизма.

Наши коллеги в стране и в мире выделяли две возможных причины того, что пшеница не плодоносит:
• происходит нарушение транспорта гормонов внутри растения;
• у нас пока не получилось создать растениям необходимые условия культивирования.

Наша неудача по получению семян, как оказалось, была вызвана накоплением в атмосфере космической станции этилена в концентрации, абсолютно безвредной для человека, но способной вызывать стерильность пыльцы у растений. Этилен в атмосферу станции выделяет и сам человек, и все пластиковые поверхности интерьера станции.

Мы провели наземные эксперименты по изучению устойчивости различных сортов пшеницы к этилену и нашли подходящий сорт Апогей. Выращивание его в космических условиях на станции Мир позволило впервые в мире получить урожай биологически полноценных «космических» семян пшеницы.

Какие еще трудности готовит космос для растениеводов?

- Известно, что в условиях невесомости наблюдается отсутствие гравитационного стока воды – из-за этого влага распределяется в почве неравномерно, возникают зоны переувлажнения и зоны сухости в корневом модуле.

Дополнительным негативным фактором оказался ручной полив - где-то забыли, где-то неточно рассчитали. Тогда мы разработали систему датчиков, которой очень гордимся. За основу мы взяли всем уже известные термоимпульсные датчики. Но само решение применять именно их было прорывом. Система автополива была изготовлена у нас, в ИМБП. Таким образом, мы впервые в космических экспериментах добились оптимального увлажнения субстрата в корневых модулях.

Какие еще растения росли в условиях невесомости?

- В процессе космических экспериментов у нас образовался набор из трех хозяйственно полезных растений, которые в дальнейшем можно будет выращивать в перспективных системах жизнеобеспечения космических экипажей в длительных полетах и на других планетах. Это пшеница, горох и листовое салатное растение мизуна.

На Международной космической станции мы выращивали горох - изучали генетический ответ растений в течение 4х последовательных поколений, экспрессию генов. Было показано, что условия полета – невесомость, повышенный фон радиации – не вызывают изменений генетического статуса «зелёных».

Большое внимание уделялось выращиванию овощных культур для питания космонавтов. В условиях орбитального полета невыгодно и нецелесообразно выращивать на борту станции растения для еды, поскольку существуют серьезные ограничения по энергии и пространству для производственных оранжерей. Получается, что доставить запас пищи с Земли гораздо проще и дешевле. Но если человек отправится в дальний Космос возникнет необходимость в выращивании растений в экологических замкнутых системах жизнеобеспечения. Основным результатом нашей работы на МКС является то, что мы теперь знаем, как взращивать растения в космическом аппарате и убедились, что условия полета не нарушают их рост и развитие. Если возникнет потребность, растить вне Земли можно совершенно разные виды.

А если немного посмотреть на всё как на научную фантастику - может ли человек быть включен в некую автономную биосистему?

- Не такая уж это и фантастика. Есть опробованная модель, когда человека помещают в герметичную камеру, а водоросль хлорелла перерабатывает жидкие выделения и обеспечивает кислород, кроме того, человек может потреблять хлореллу в пищу в небольших количествах. Конечно, на борту космического корабля, на орбите, кислород можно получать путём гидролиза воды, но требуется вода. По сути, биологические системы единственные являются истинно регенеративными.

У ИМБП ведь нет прямой взаимосвязи с Минсельхозом? А можно было бы работать не только над ответами на чисто научные вопросы, но и оперировать актуальными вызовами сферы АПК.

- Да, к сожалению, у нас нет взаимодействия с аграрной сферой. А сделать вместе можно было бы очень многое.

А были ли исследования в области исследований сельскохозяйственных животных?

- Да, мы изучали адаптацию перепелов в условиях околоземной орбиты. А также пробовали выводить птенцов - доставляли на борт станции яйца для инкубирования и взрослых птиц.

Из яиц, доставленных на борт, птицы вылупились, был ожидаемый процент аномалий – по-видимому, последствия перегрузок при запуске с Земли, а не самого пребывания на станции. А вот дальше всё пошло вразрез с нашими расчетами Ученые планировали, что молодняк придавит к полу клеток потоком воздуха, так они смогут перемещаться и питаться. Но, увы, этого не произошло. А планы на них были масштабные - вырастить и следующее поколение вывести уже на космической станции.

Взрослые пернатые к невесомости смогли адаптироваться – самостоятельно питались и передвигались, но из-за стресса и небольшого срока нахождения на станции, к сожалению, не неслись.

Значит, пока подрастить поголовье птиц японского перепела в условиях космоса не удалось? А млекопитающие, большие - продуктивные животные не становились героями экспериментов?

- Пока нет. Для ответов на научные вопросы достаточно изучения стандартных модельных животных - мышей, крыс. Если возникнет идея создания космических ферм в будущем, то можно подумать о выращивании кроликов, рыб и пищевых улиток. Расчеты и наземные эксперименты показывают, что в принципе это возможно.

Какие проекты готовите в данный момент по части растениеводства?,

- В данный момент в нашем институте в лаборатории Ю.А.Берковича готовится к запуску на МКС цилиндрическая космическая оранжерея «Витацикл». Это будет очень интересный объект, но пусть сначала он всё-таки покинет планету успешно.

А что-то проходит прямо сейчас?

В реальном времени на внешней поверхности МКС в открытом космосе экспонируются семена самых разных растений.

В чем смысл такого космического путешествия и как оно проходит?

- Сейчас реализуем проект под названием “Биориск”. Это экспонирование семян и микроорганизмов за бортом станции. Семена находятся на внешней поверхности МКС в специальных металлических контейнерах. Наша цель - оценить возможные мутации после взаимодействия с оригинальным сложным комплексом космических факторов: вакуум, микрогравитация, повышенный фон радиации, колебания температуры. Запланировано три срока экспонирования, пока что идёт первый: семена отправились на орбиту в 2021 году и вернуться к нам в текущем, 2023. «Биориск» - не первый эксперимент такого рода. Нам необходимо оценить степень защиты самого семени, как работают его антиоксидантные системы. Всё это конечно может стать почвой для создания новых более устойчивых форм растений.

При проведении этого эксперимента мы работаем с коллегами из Сибирского федерального научного центра агробиотехнологий РАН, в частности с руководителем СФНЦА Кириллом Голохвастом.

А если представить не самые позитивные времена - и что те технологии, которые мы прочим колониям на Марсе и так далее, придется применять на Земле? Из-за глобального катаклизма, например? Применимы ли технологии создания генеративных систем в космосе - на планете? Сработает?

- Пережить ядерную зиму? Опыт по созданию подобных систем есть и на самой планете. Конечно, данные космических исследований можно также применить. Но достаточно и планетарных проектов. Биосфера-2, например. У нас такими проектами в настоящее время занимается Институт биофизики СО РАН в Красноярске. С Агрофизическим научно-исследовательским институтом у нас есть совместный проект эксплуатации оранжереи в сложных условиях станции в Антарктиде. Это полностью изолированная система под снегами. Оранжерея радует зимовщиков урожаями томатов и листовых растений в течение вот уже нескольких годовых экспедиций. И в Антарктиде, и в изоляционных экспериментах по моделированию длительных космических полетов в космос в нашем Институте (проект «Сириус») у нас есть возможность изучения роста и развития растений в таких необычных условиях, а также взаимодействия человека и растений в отсутствии привычного «земного» окружения. Оказалось, что растения и сами сельхозработы являются очень эффективным средством психологической поддержки экипажей в условиях изоляции.

Три вещи, которые вы должны знать экспериментах в космосе:
Семена сои, рапса и томатов прямо сейчас летают вокруг Земли.
На орбите уже более 10 лет выращивают пшеницу.
Доставлять еду на космическую станцию на околоземной орбите дешевле, чем её выращивать в космических оранжереях.

Источник: «АПК Эксперт»