54 года назад, 12 апреля 1961 года Юрий Алексеевич Гагарин – первый космонавт Земли, совершил первый в мире полет в космос на корабле «Восток». Наш космонавт очень интересовался цветами. А какие цветы он любил больше всего, вы узнаете из подборки любопытных фактов дуэта «растение и космос».
Интересные факты о растениях и космосе:
- В 1980 году на борт космической станции «Салют-6» были отправлены тюльпаны. Ученые предполагали, что цветы зацветут в космосе. К сожалению, тогда чуда не случилось – тюльпаны завяли на следующий день. По возвращении из полета, космонавт В. Ляхов отчаянно произнес: «Судя по всему, в космосе никто жить не может!». Но Герои Советского Союза тоже могут ошибаться.
- Но космонавты, вооружившись терпением, продолжили исследования. Иначе как можно исследовать такую глубину, как космос? И, надев цветочные скафандры, в космос отравились . Они продержались в суровых условиях космоса целых полгода! Даже образовались новые листочки и воздушные корни. Однако цветы опали сразу же по прибытию в космос.
- Арабидопсис (Arabidopsis Thaliana) – Гагарин среди цветов. Он побывал в космосе в 1982 году. Арабидопсис расцвел и даже дал семена в условиях полного отсутствия гравитации.
- А Юрию Алексеевичу по нраву были ромашки. Согласитесь, скромные маленькие солнышки замечательно характеризуют их поклонника: такой же скромный и лучезарный.
- Интересно, а на ромашки растут? Если растут на Марсе, то они там синего или фиолетового цвета от листьев до корней. А если на , то желтого или оранжевого.
- В космосе цветы и пахнуть будут иначе, чем на Земле. Аромат цветка зависит от многих условий. И некоторые умело этим пользуются. Запахи различных видов роз, выращенных на космическом корабле Дискавери, дали основу для духов «Zen» от Shiseido.
- Деревья тоже хотят в космос! В 2004 году бонсай-сосна отправилась на воздушных шарах бороздить просторы Вселенной. Эта идея пришла в голову японскому художнику, который совместно с компанией, запускающей в полет космические корабли, ее и осуществил. За компанию с сосной полетел большой цветочный букет. Эта великолепная композиция летала на высоте 30 километров над Землей.
- Оказывается, есть цветок, который тесно связан с неизведанным космосом, но при этом, он никуда и не думал летать. Этот цветок – космос. Во-первых, он так и называется. Во-вторых, он такой же загадочный и манящий. Шоколадный космос (Chocolate Cosmos) долгое время считался исчезнувшим. Но, к счастью, предусмотрительные биологи начала XX века успели собрать семена с последнего экземпляра этого неуловимого растения. Цветок в буквальном смысле хочется съесть – он имеет ярко выраженный запах шоколада.
- За растениями для разработки новых лекарств – в космос! Клетки женьшеня, прожив 75 дней на МКС, стали более продуктивными и эффективными. Осталось только сохранить эти чудесные свойства, чтобы создавать волшебные пилюли от всех болезней.
- Канадские ученые разработали «Лунный оазис». Это своего рода переносной парник, в котором учтены все условия для выращивания различных культур и растений. В будущем они надеются отправить парник на Луну, чтобы проверить работоспособность оазиса. По словам разработчиков, это позволит обеспечивать свежими фруктами и овощами будущих переселенцев с Земли.
- Похожие исследования ведут и российские ученые. Еще с конца 90-х годов они трудятся над созданием космической оранжереи. На МКС есть оранжерея «Лада», в которой выращивают картофель, редис, ячмень и др. Однако целей преследуют много: от чисто научных интересов до снятия стресса космонавтов во внеземных условиях.
- Японские ученые совместно с индийскими проводят исследования в условиях микрогравитации. «Космические умы» этих стран хотят проследить изменения биологических функций растений. Для начала выращивать будут обыкновенные водоросли. Посмотрим, может и суши можно будет поесть в космическом ресторане?
Растения, полученные благодаря космической программе, могут удивить, поразить и доставить эстетическое наслаждение.
В своем стремлении к освоению космического пространства человек уделял внимание не только проектированию космических кораблей, но и необходимости адаптации растений к новым условиям существования. Не удивительно, что появилась такая отрасль как космоботаника, а первое живое растение полетело на орбиту гораздо раньше человека.
Зарождение и развитие космоботаники
Роль «комического огорода» гораздо важнее, чем может показаться на первый взгляд и это точно не плод безумной фантазии ученых. Огромную роль растений отметил в своих трудах еще К. Э. Циолковский, который понимал, что только растения смогут помочь человеку в длительных космических полетах, а также обеспечить дыхание и питание в орбитальных сооружениях. Около 100 лет назад, в далеких 1915-1917 гг., Ф. А. Цандер попытался создать первую «оранжерею авиационной легкости» и это было только начало…
Должное внимание космическим экспериментам с растениями уделял и С. П. Королев, под руководством которого в 1960 году полетели в космос первые растения, и что особенно важно, успешно вернулись на землю. Первыми «космонавтами» от мира растений стали хлорелла, традесканция, семена кукурузы, пшеницы, лука и гороха. Растения путешествовали в космос на всех биоспутниках серии «Космос», орбитальных станциях и космических кораблях. Существовала программа агротехнических и ботанических исследований в космосе. В ходе исследований нужно было не только изучить влияние новых условий на растения, но и получить обратимые посевы длительного существования и, естественно, «комические урожаи».
В эпоху первых проб и ошибок для выращивания растений были оборудованы специальные установки под названием «Оазис», которые обеспечивали необходимой освещение, проветривание и увлажнении, ведь осуществить полив привычным для нас способом невозможно, да и движение воздуха не происходит. Такие установки должны были помочь в преодолении особенностей характерных для комического пространства.
Космические семена
Хотя растения и сопровождали человека в его космических полетах и даже неплохо росли, чем очень радовали космонавтов, поднимая их моральный дух, но все же в космосе им было тяжеловато, часто гораздо тяжелее, чем человеку. Зеленые всходы и вегетативную массу получать удавалось, но ведь замкнутый цикл заключается не в этом. Необходимо было получить цветы и семена.
Скептики говорили, что цветы и семена не главное, вполне достаточно и зеленой массы. Ведь семена достаточно легковесны и долго хранятся, так что можно и с Земли привезти в случае необходимости. Существовали и оптимисты, которые утверждали, что необходимо просто подобрать нужный подход и «космические семена» рано или поздно появятся.
Геотропизм и отсутствие земного притяжения отрицательно сказывались на развитии. Растения упорно не желали цвести. Даже привезенные тюльпаны с бутонами не захотели раскрываться в условиях невесомости. И тут ученые обратили свой взор к экзотическим орхидеям. Конечно, с агрономической точки зрения от них можно ждать только эстетического наслаждения, но ведь не зря их называют «дочерями воздуха». Исследователи думали что адаптация к эпифитному способу существования будет полезна и в космосе. К сожалению, доставленные на орбиту цветы осыпались, хотя сами растения продолжали наращивать вегетативную массу.
Реальность оказалась как всегда где-то посредине. Главным «комическим цветком» стало скромное растение из семейства Бобовые – арабидопсис. На станции «Салют-7» космонавтам А. Березовому и В. Лебедеву в 1982 году с помощью установки «Фитон» удалось не только заставить зацвести арабидопсис, но и собрать первые космические семена. Конечно, это растение является одним из самых неприхотливых в обычных земных условиях, но для космоса это настоящее достижение.
Помощь из космоса, или чудеса космической селекции
Нет такого садовода или огородника, которого не обрадует плод гигантского размера. Конечно, для выращивания рекордсмена придется приложить немало усилий, но найдутся люди, которые заподозрят вмешательство пришельцев и помощь из космоса. Эти утверждения покажутся фантастическими и даже смешными по отношению к обычным культурам, но если идея витает в воздухе, её кто-то обязательно осуществит.
Ловя идею в гонку по космической селекции включились китайцы, ведь продовольственная проблема у этой нации стоит очень остро и «космические овощи» будут как нельзя кстати. Китайские ученые, начиная с 2001 года, отправляли в космос семена различных растений, которые, подвергнувшись космическому облучению, снова попадали на землю и высевались на специальных селекционных плантациях. Объемы семян, которые доставлялись на орбиту, были очень существенные. В 2006 году Китай запустил первый исключительно сельскохозяйственный спутник с 2 000 семян. И вот спустя год появились в продаже первые космические овощи. Космическая селекция позволила получить новые сорта сельскохозяйственных культур, которые превышали по показателям плодоношения привычные земные сорта.
Гораздо замысловатее подошли к космической селекции американцы. На орбиту они отправили семена первых трансгенных томатов, которые благодаря изменениям в геноме не должны были отрицательно реагировать на отсутствие гравитации. Космическй эксперимент не удался и выращенные в космосе растения погибли, но зато из вернувшихся на землю семян получились прекрасные растения с достаточно необычными свойствами.
Если свойства космических овощей изучены недостаточно, то новые декоративные растения, полученные благодаря космической программе, могут удивить, поразить и доставить эстетическое наслаждение. Стоит упомянуть о программе Optimara Space Violet, посвященной выведению космических фиалок. Семена узамбарских фиалок провели на космической орбите долгие 6 лет и, как оказалось, не напрасно. В результате были получены сорта с большим количеством цветов и цветоносов (до 20 одновременно), которые способны цвести практически непрерывно.
Наверняка пройдет совсем немного времени и космическими мы станем называть растения обитающие в Лунной оранжерее, а не просто однажды побывавшие в космосе.
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.
