Вперше про вирощування рослин у космосі написав у своїй фантастичній повісті “Цегляний Місяць” Едвард Гейл. А майже через півтора століття ми вже на великому екрані спостерігали, як герой Метта Деймона у фільмі “Марсіанин” вирощував на Марсі картоплю, щоб дожити до наступної місії і повернутися на Землю. Режисерові Рідлі Скотту вдалося дуже реалістично показати цей процес, і навіть пояснити, завдяки чому такі городні експерименти стали можливими.
Насправді люди ще досить далекі від масового обробітку культур у космосі. Але є й хороші новини: космічні сади — не таке вже й фантастичне явище, яким здавалося з позаминулого сторіччя. Сьогодні вирощувати рослини в космосі вже можна, але все ще складно, і ці проєкти та експерименти досі мають дослідницький, не глобальний характер. Про це – у статті видання MaxPolyakov.space.
Навіщо вирощувати рослини у космосі
Основна причина та сама, що й у фільмі “Марсіанин”: забезпечити продовольством людину, яка вирушила в далекий космос і проведе там багато місяців або навіть років. Перед запланованими польотами на Місяць і Марс у межах місій Artemis питання забезпечення астронавтів достатньою кількістю їжі порушується дедалі частіше. І не просто їжею, а й необхідними вітамінами та мікроелементами, які з нею отримують люди. Зараз ця проблема вирішується доставкою запасів сублімованих і попередньо упакованих різноманітних страв, а також таблетованих вітамінних препаратів.
Джерело: the-cinematograph.com
Свіжі партії продовольства регулярно вирушають на МКС, де астронавти тижнями, а то й місяцями безперервно займаються дослідженнями. Але це дуже дорого: відправка на космічну станцію кілограма харчових продуктів ще кілька років тому коштувала від $20 000 до $40 000. Хоча відтоді вартість і знизилася завдяки багаторазовим ракетам-носіям, вона все одно зросте пропорційно відстані від Землі до місця призначення в далеких місіях. Та ще й згодом їжа частково втрачає свою поживну цінність і смакові якості — навіть улюблені продукти можуть здаватися несмачними і втомлюють одноманітністю. А ще проблема в упаковці: саме вона руйнується насамперед. Утім, їжа може залишатися придатною для вживання досить довго — до 18 місяців, хоча й такі терміни вже не здаються значними через тривалість місій. Не варто й нагадувати, що зіпсовані продукти можуть зашкодити здоров’ю астронавтів, яким аж ніяк не бажано хворіти за кількасот тисяч кілометрів від дому. Водночас це ризик для всієї місії, цілі якої опиняються під загрозою.
Все це стало для NASA основним аргументом на користь експериментів з вирощування рослин в умовах мікрогравітації, в обмеженому просторі та без сонячного світла. Отже, чотири роки тому агентство організувало конкурс “Продовольчий виклик у глибокому космосі” для сприяння розвитку технологій вирощування у космосі рослин із поживною цінністю. Конкурс відбувся за кілька етапів з 2021 до 2024 року, а до списку фіналістів увійшли проєкт штучної системи фотосинтезу та система вибору пожежобезпечних страв з наявних інгредієнтів з тривалим терміном зберігання.
Окрім очевидної харчової цінності, зацікавленість рослинами у космосі пояснюється й іншими причинами. Наприклад, вони природно виробляють кисень і знижують концентрацію вуглекислого газу в повітрі. Тобто можуть стати частиною екосистеми життєзабезпечення астронавтів. І, нарешті, догляд за космічним садом позитивно впливає на психічне здоров’я астронавтів: так їм легше прийняти факт ізоляції подалі від звичних речей і коханих людей.
Джерело: nasa.gov
Що заважає системно вирощувати рослини у космосі
Проблеми дуже різні й сильно різняться залежно від дальності та тривалості місії. Головний дослідник австралійського Центру передового досвіду в галузі рослин для космосу (Centre of Excellence in Plants for Space, P4S) Дженні Мортімер пояснює, що “все залежить від того, де ви хочете їх [рослини] вирощувати — на низькій навколоземній орбіті, на поверхні планети або в транспортному засобі, адже кожен із цих варіантів має свої складнощі, хоча є й загальні для всіх цих ситуацій”.
Головною перешкодою вчені називають суворі умови космічного середовища, серед яких практично повний вакуум, екстремально високі або, навпаки, низькі температури та руйнівна сонячна радіація. З іншого боку, на Землі рослини розвиваються під дією гравітації. Вона впливає на біогеохімічні процеси, що протікають у клітинах рослин, і на те, як коренева система отримує поживні речовини для зростання. В умовах невагомості рослини втрачають здатність орієнтуватися в просторі, а інстинкт, за яким коріння природно росте вниз, а стебло вгору, зникає.
Високі дози радіації теж мають значення — в NASA підтвердили, що рослини, які їх одержали, змінюються на рівні ДНК. І вчені мають з’ясувати, чи передаються ці зміни наступним поколінням. У той час як необхідні для зростання ресурси в космосі обмежені, хоча їх можна частково компенсувати завдяки методам безґрунтового землеробства (гідропоніка та аеропоніка) і світлодіодним лампам, порівнянним за ефективністю із сонячним світлом. І останній фактор: ресурсів, тобто води, світла й вуглекислого газу, треба у строго визначених певних дозах. Їх хтось повинен постійно контролювати: або автоматизовані системи, які вже застосовують, або самі астронавти, а вони ж досить заклопотані люди.
Ранні експерименти
Перше насіння побувало у космосі в 1946 році — тоді його доставили на висоту 134 км на американській ракеті V-2, але вчені так і не змогли проростити їх згодом на Землі. Зате це вдалося з насінням кукурудзи, яке відправили на низьку навколоземну орбіту за чотири тижні після першої партії. А потім — із житом і бавовною. Експериментами тоді займалися Гарвардський університет і Військово-морська дослідницька лабораторія — вони з’ясовували, як радіація впливає на живі організми. До речі, 1947 року в космосі побували й перші тварини (вірніше, комахи) — плодові мушки, які мають багато загальних генетичних ознак із людьми.
Майже через 20 років, 1966-го на борту космічного корабля “Космос-110” на низьку навколоземну орбіту вирушили дві собаки — Вітерець і Вуглик, а з ними й нова партія попередньо зволоженого насіння. Деякі з насінин проросли і вже на Землі дали врожай салату, капусти й бобів.
Ці експерименти не передбачали вирощування рослин безпосередньо в космосі, але допомогли з’ясувати, як його умови впливають на насіння та його подальший розвиток, сходження і врожайність. Ще один цікавий експеримент відомий як вирощування “місячних” дерев. Їх висаджували на Землі двічі: після подорожей на Apollo 14 у 1971 році та на Artemis I у 2022-му. Першого разу ініціатором був керівник Лісової служби США Едвард П. Кліфф — він попросив астронавтів взяти на борт космічного корабля каністру з 500 насінинами п’яти видів дерев. Пізніше NASA цей експеримент вирішило повторити, тож відправило близько 2000 насінин на борту космічного корабля Orion на ракеті-носії Space Launch System. Зрештою це насіння, що представляло флору 48 американських штатів, провело в космосі шість тижнів і було передано для посадки державним та освітнім установам на конкурсній основі. Тоді як насіння з першої партії висадили і в інших країнах — наприклад, на території Великої Британії можна зустріти таблички поряд з “місячними” деревами.
Джерело: nasa.gov
Після “місячних” дерев були й інші дослідження. У 1982 році на радянській станції “Салют-7” виростили кілька видів крес-салату (Arabidopsis) — і він став першою рослиною, яка зацвіла і дала насіння в космосі. Ще раніше був рис на станції Skylab, де астронавти вивчали вплив на його паростки гравітації і світла. Експериментували з насінням у космосі й європейські вчені: у 2018 році Німецький центр авіації та космонавтики відправив на низьку навколоземну орбіту супутник EuCROPIS, на якому моделювали та випробовували роботу двох теплиць. Там вирощували томати в умовах гравітації, що максимально схожа з гравітацією на поверхні Місяця. Проте експеримент не дав очікуваних результатів: теплиці працювали нормально, а от система зрошення — ні.
МКС — основний майданчик для вирощування рослин у космосі
Експерименти з відправкою та пророщуванням у космосі насіння показали хороші результати, тому дослідження перенеслися безпосередньо у космос. І основним майданчиком для їхнього проведення стала Міжнародна космічна станція. Інтерес до теми останні кілька років підігрівається новинами про майбутні місії у далекий космос, під час яких люди почнуть вирощувати рослини на Місяці, а в перспективі — і на Марсі.
У 2010 році увінчалися успіхом перші спроби виростити на МКС капусту та кілька інших видів рослин. Наприклад, 2012-го астронавт Дональд Петтіт зміг зафіксувати на камеру не лише проростання, а й цвітіння соняшника.
Джерело: wikipedia.org
В 2014-му на МКС стартував і досі триває проєкт космічного саду Veggie. За його допомогою NASA вивчає зростання рослин в умовах мікрогравітації, щоб вносити різноманітність у раціон людей, які працюють на космічній станції. У серпні 2015 року американські астронавти вперше з’їли вирощений на станції врожай червоного салату ромен. А через рік їм вдалося виростити на МКС цинію — популярну садову рослину, яка вважається частково їстівною.
У багатьох експериментах Veggie брав участь Майк Гопкінс, якого називають космічним садівником. На його думку, вирощування в космосі рослин допомагає астронавтам стати самостійними і отримати додаткове цінне джерело вітамінів, поки вони працюють на МКС. У межах експерименту VEG-03I він пересадив рослини, і їхня коренева система прижилася на новому місці. В експерименті VEG-03J він використав посівну плівку, розроблену у Космічному центрі імені Кеннеді у Флориді. Ця плівка дозволила освоїти новий метод посадки салату прямо на орбіті, тоді як раніше рослини висаджували в підготовлений ґрунт ще до відправки на МКС. А VEG-03K і VEG-03L вирощували на борту космічної станції гірчицю “Амара” та китайську капусту пак-чой сорту “Екстра-карлик” відповідно.
Джерело: nasa.gov
“Рослини, вирощені в космосі, є джерелом їжі, яке може покращити харчування астронавтів, одночасно роблячи майбутні екіпажі більш самодостатніми, — розповідає Гопкінс. — По-друге, ці рослини пов’язують нас із Землею. Їхній вигляд, відчуття при дотику, смак і запах нагадують нам про життя на Землі, і цей зв’язок корисний для нашого психічного здоров’я“.
Інші дослідження, Veg-04A та Veg-04B, дозволили з’ясувати, як якість освітлення і добрива впливають на зростання рослин у космосі. Так вчені виявили, що різні спектри кольорів — червоний і синій — частково визначають поживність листових культур. У процесі спільного проєкту NASA з ESA Plant Signaling вдалося детально вивчити вплив гравітації на пророщене насіння. А за участю Японського агентства аерокосмічних досліджень (JAXA) — підтвердити роль ауксинів, рослинних гормонів, у зростанні кореневої системи в умовах космосу.
У 2017-му на борту МКС на додаток до Veggie з’явилася ще одна система вирощування рослин — Advanced Plant Habitat (APH). Максимально автоматизована, вона потребує мінімальної участі людини. Ця замкнута система життєзабезпечення має камеру для різних експериментів, що дозволяють з’ясувати, що визначає смак рослин, вирощених у космосі, і як космічне середовище впливає на їхню генетичну структуру.
Джерело: sierraspace.com
Що у перспективі?
Дослідження ролі ауксинів, у якому брали участь японські вчені, у майбутньому допоможе будувати ефективніші космічні установки для вирощування рослин у космосі. А результати проєкту Plant Signaling — створювати більш стійкі до суворих умов види, використовуючи генну модифікацію. В австралійському Університеті Аделаїди група вчених P4S займається виведенням безвідходних і водночас поживних рослин, таких як ряска, щоб повністю переосмислити принципи їхнього вирощування під потреби астронавтів за сотні тисяч кілометрів від Землі. Наразі вчені з P4S та NASA спільно розробляють концепцію платформи, що дозволяє астронавтам самостійно вирощувати їжу для тривалих подорожей у далекий космос.
Джерело: nasa.gov
Також вивченням факторів, які найбільше впливають на розвиток рослин у космосі, займаються вчені із проєкту LEAF, відомого як “Вплив Місяця на сільськогосподарську флору”. Він охоплює основні сценарії вирощування рослин на Місяці та за його межами, і реалізується у партнерстві з NASA під керівництвом компанії Space Lab Technologies. Як розповідають у Space Lab, “після доставки зразків саджанців на Землю місією Artemis III, дослідницька група скористається передовими інструментами системної біології для вивчення фізіологічних реакцій на молекулярному рівні”.
У межах проєкту LEAF 40-кілограмову камеру об’ємом 35 л перенесуть з посадкового модуля на поверхню Місяця. Її електроживлення забезпечать дві сонячні панелі, а вода подаватиметься за допомогою поршневої системи — це дозволить вирощувати в далекому космосі рослини методом гідропоніки. Деякі рослини після космічної подорожі вирушать назад на Землю вже за кілька днів, але основна частина залишиться на Місяці для подальших досліджень. Види рослин, про які йдеться, раніше вже побували на МКС: це резуховидка (Arabidopsis), ряска (Wolffia) та один з різновидів ріпи городньої (Brassica rapa). Особливий інтерес становить ряска: вона дуже поживна, залишає мало відходів і швидко росте — біомаса подвоюється приблизно кожні дві доби.
Джерело: nasa.gov
Гриби, у природі тісно пов’язані з рослинами, також незабаром можуть стати природною частиною майбутніх космічних станцій — у прямому сенсі. З міцелію, вирощеного на Місяці чи Марсі, астронавти можуть будувати міцні, безпечні та екологічні конструкції там же, на місці. Цей напрямок NASA досліджує у межах проєкту Mycotecture Off Planet. Очікується, що в майбутньому астронавти матимуть змогу подорожувати з компактною конструкцією з легкого матеріалу зі спорами грибів усередині. Після додавання води вона збільшиться і перетвориться на повноцінне середовище для існування людини.
Ще одна цікава перспектива передбачає вирощування космічних садів і городів з медичною метою. І тут уже йдеться не лише про позитивний психологічний вплив на астронавтів, які перебувають у тривалій ізоляції, а й про джерело фармацевтичних препаратів. Зараз у Food and Pharmaceutical Synthesis Division (FPSD) на експериментальному рівні синтезують їх із рослин та мікроорганізмів — наприклад, зі спіруліни, яка може бути основою для виробництва аспірину. Також розглядається можливість відправки в космос попередньо модифікованого генетично насіння, з якого можна вирощувати рослини в медичних цілях. Це дозволить астронавтам на Місяці чи Марсі доволі оперативно реагувати на загрози здоров’ю. Щоправда, для цього доведеться створити належні умови та навчити їх виробляти й очищати ліки з рослин.
Джерело: MaxPolyakov.space
Читайте також:
Астронавти NASA вирощують їстівні рослини в космосі
Учені виявили рослину, здатну вижити на Марсі
Бактерії можуть допомогти колонізувати Місяць і Марс
Як виживають рослини в Антарктиці?
Рослини в Антарктиді – вчені склали карту озеленення континенту
Раніше невідомі рослини та гриби: нові види, відкриті минулого року
