Эксперименты на станции «Мир»: космическая пшеница

В 1998 году на борту станции «Мир» получили первые зерна пшеницы. Но этому предшествовали годы борьбы с невесомостью, которая биологам, в отличие от материаловедов, только мешает.

Космическое почвоведение

Чтобы вырастить пшеницу в космосе, нужно ублажить и вершки, и корешки. У всякого приличного растения корешки живут в почве, откуда черпают воду и питательные вещества. Вода в почву попадает с дождем, а также из глубинных слоев грунта. Поэтому если растение выращивают в теплице, его надо поливать. И в том и в другом случае за перемещение воды в почве отвечает сила тяжести — именно она проталкивает влагу в капилляры и поры земли.

А как будет вода распределяться в почве, если гравитации нет? Не зная ответа на этот вопрос, невозможно подобрать правильную агротехнику. Поэтому первый этап подготовки к выращиванию высших растений в космосе назывался так: «Выяснение механизмов миграции влаги в капиллярно-пористых телах». Первые шесть экспериментов, которые провели в конце восьмидесятых — начале девяностых годов на станциях «Салют-7» и «Мир», помогли понять проблему на качественном уровне.

Оказалось, что если вода попадает в грунт в условиях невесомости, то она никуда не растекается, а остается в виде лужи, рассосать которую капиллярные силы почвы не могут. Получаются застойные зоны вперемешку с сухими участками. В этих зонах не просто много воды — там заполнены все капилляры и поэтому нарушен обмен газами с окружающей средой. Поэтому во влажном участке корешки задыхаются, а в соседнем сухом погибают от засухи.

Потом нужно было получать количественные оценки, то есть ставить датчики влажности. Но годится ли здесь обычный датчик, применяемый в земных теплицах? Что этот датчик, приспособленный к работе на Земле, будет мерить там, в невесомости? Так ли он смачивается водой в невесомости, как при гравитации? Не повлияет ли введение датчика в грунт на распределение влаги и соответственно на результат измерения? Ответить на эти вопросы удалось в 1995 году, и появился датчик-регулятор. С его помощью определили, сколько воды и с какой скоростью следует подавать в грунт, чтобы она распределялась там равномерно.

Теперь можно было приступать к работе с корешками. Но поначалу следовало понять, смогут ли они в отсутствие вектора гравитации расти в глубь грунта. Для этого в космосе провели такой эксперимент: в грунт с нерастворимыми удобрениями посадили семена, а после возвращения на Землю послойно проанализировали, сколько питательных веществ осталось в грунте. Оказалось, что их содержание уменьшилось во всем объеме, значит, корни заполнили весь субстрат, то есть они росли, ориентируясь не на вектор гравитации, а на содержание питательных веществ и влаги.

Пора было переходить к решающим экспериментам, но тут выяснилось, что нет возможности найти те искусственные грунты, на которых отрабатывали режимы полива. Дело в том, что в советское время различные корнеобитаемые среды разрабатывали в Киеве, в Институте физической химии, и в Минске, в Институте физико-органической химии. В первом случае это были нейтральные среды с медленно действующими удобрениями, а во втором — ионообменные среды, насыщенные питательными элементами. Эти институты работали для теплиц, а исследователи космоса отбирали те грунты, которые им больше всего подходили. Распад страны никак не способствовал продолжению сотрудничества, поэтому пришлось взять грунт, который в свое время забраковали. К счастью, методика, позволяющая выбирать режим полива, была так хорошо отлажена во время предварительных экспериментов, что очень быстро удалось сделать этот грунт пригодным для использования в космосе.

Проблема вершков

А теперь поговорим о вершках. Как растение будет ориентировать себя в невесомости? Оказалось, что вектор гравитации вполне заменяет освещенность — как только проросток выберется из грунта, он начинает тянуться к свету. Те растения, что оказались в центре, тянутся вверх, а те, что сбоку, — вбок, потому что там есть зеркала, отражающие свет от лампы. Раз растение ориентируется на свет, то очень важно правильно посадить семя; если корешок станет расти по направлению к свету, растение не сможет правильно сориентироваться в невесомости и погибнет.

Вторая проблема — охлаждение. На Земле растение избавляется от тепла, испаряя влагу. Выделяющаяся при этом энергия рассеивается в пространстве конвекцией — горячий пар уходит вверх за счет диффузии более быстрых молекул. А в невесомости конвекции нет, поэтому вокруг растения образуется облако горячего пара и оно получает тепловой удар. Значит, нужен поток воздуха. Но чем сильнее вентиляция, тем скорее испаряется влага, и возникает эффект суховея — растение засыхает, хотя влаги в грунте предостаточно. А если посев будет очень плотным, то воздушный поток не сможет пробить весь массив и на растениях заведутся грибы.

На первый взгляд может показаться, что все эти эффекты очевидны. Но на самом деле каждый прием агротехники оплачен загубленными растениями и дорогостоящими экспериментами на орбите — неизведанный путь чреват непредсказуемыми поворотами.

Пшеница с этиленом

Первый космический урожай пшеницы удалось снять в 1996 году во время экспериментов по программе «Мир»—НАСА. Космонавты посеяли семена американского суперкарлика, у которого на Земле высота кустиков достигает 24 см — на 15 см ниже, чем можно вырастить в космической оранжерее. Семена проросли, и по мере роста ученые зафиксировали первый принципиальный результат — в космосе растение развивалось так же, как и на Земле. В конце концов через положенные 90 дней космонавты «скосили» около трехсот колосков. Но все они оказались пустыми — у пшеницы не зародилось ни одного зерна. Да и сами космические растения отличались от земных: у них было в два-три раза больше побегов. Может, так проявилось биологическое действие космоса? Но все оказалось проще — виновницей была конструкция системы жизнеобеспечения станции.

В то время на «Мире» стояли пассивные фильтры очистки воздуха. Они хорошо очищают от высокомолекулярных соединений, а вот низкомолекулярные, например метан, пропускают. Для конструкторов это было не столь важно — таких веществ человек и обшивка станции выделяют мало, они малотоксичны и не принадлежат к списку веществ, содержание которых контролируется в атмосфере станции.

Оказалось, что среди этих неконтролируемых веществ есть этилен, концентрация которого, как потом выяснили, в момент проведения эксперимента была 1 мг на кубометр. Для человека это количество не страшно — ПДК этилена равна 20 мг на кубометр. А вот для пшеницы его оказалось слишком много.

Дело в том, что этилен — мощный гормон растений, который при содержании более 0,3 мг на кубометр может вызывать мужскую стерильность и повышенную кустистость пшеницы. Этот факт хорошо известен — селекционеры издавна используют вещества, выделяющие этилен для получения новых гибридов. Но кто же мог знать, что именно этилена на станции окажется так много, что это повлияет на ход эксперимента? Поняв, в чем дело, ученые на Земле провели эксперимент с этиленом и суперкарликом и получили такие же кустистые растения с пустыми колосьями.

Пшеница без этилена

Теперь до получения полноценного урожая оставался один шаг. К этому времени американцы отказались продолжать сотрудничество. Но контакты между учеными России и США сохранились. С помощью коллег из университета штата Юта отыскали карликовую пшеницу «Апогей», которая меньше всего реагировала на этилен — снижала урожай в его присутствии на 70%. Эту пшеницу в свое время специально вывели по заданию НАСА для космической системы жизнеобеспечения. Устойчивость к этилену в нее никто не закладывал, она сама по себе получилась такой, зато после космических исследований наших ученых американские стали получать гранты на исследование именно этой устойчивости.

«Апогей» был несколько высоковат для оранжереи — 45 см, но искать другой сорт уже не было времени: станцию «Мир» со дня на день должны были закрыть, а перспективы продолжить эксперименты на строящейся Международной космической станции (МКС) крайне туманны. Поэтому ученые решили, что этилен свое возьмет и растения не вытянутся в полный рост. Новый эксперимент начали 20 ноября 1998 года. Он пошел крайне неудачно — семена посадили неправильно, проросло их очень мало, начало отказывать оборудование. Хорошо, что на борту еще оставались семена, и делянку засеяли вновь. Выросло 12 растений, которые с самого начала совершенно не отличались от земных, и очень скоро стало ясно, что колосья наполнены полноценным зерном. Удалось собрать более 500 семян, то есть по 40 штук на растение. А на Земле собирали по 70. Получилось, что этилен на борту на сей раз оказал совсем малое воздействие. Неужели все-таки проявилось биологическое действие космоса? Опять нет. Из разговора с космонавтами выяснилось, что за неделю до эксперимента к пассивным фильтрам на станции добавили электрокаталитические, которые удаляют из воздуха низкомолекулярные соединения. Конструкторы боролись с метаном — его стало слишком много в атмосфере станции, но заодно удалили и часть вредного для урожая этилена.

После завершения этого эксперимента космонавт Геннадий Падалка оставил 10 семян на станции, а остальные забрал на Землю. Следующая экспедиция ставила эксперименты уже с семенами трех типов: свежепривезенными с Земли, оставленными на борту и теми, что слетали на Землю и вернулись на станцию.

Пшеницу нельзя сажать сразу — зернам полагается период покоя. Чтобы прервать его, и земные, и космические семена замочили и держали несколько дней при температуре +3°С. В результате все десять остававшихся на станции зерен проросли, но при посадке в грунт выжило только одно растение. И в июне созрели зерна второго космического урожая. Собрать же его удалось только в августе — ученые боялись, что положенные в пакет зерна заплесневеют, поэтому держали засохший колос в оранжерее. Часть зерен высыпалось, и осталось только пять зерен, про которые точно известно, что это второе поколение, выращенное в космосе. Из них на Земле вырастили вполне нормальные растения. То есть никакое воздействие космоса на растения не проявилось и через два поколения. Всего же коллекция наших ученых насчитывает около 1000 семян космического происхождения, над исследованиями которых работают многие специалисты.

Что дальше?

Если после реанимации «Мира» станут возможными длительные экспедиции, ученые попытаются вырастить в космосе еще растения второго поколения. Кроме того, им интересно узнать, на сколько хватит грунта и сколько времени оборудование проработает без ремонта.

Если позволят средства, ученые хотели бы попробовать вырастить на станции рис. Он тоже входит в число элементов системы жизнеобеспечения, но растет совсем по-другому — в воде. Вообще, для каждого растения нужно придумывать свою космическую агротехнику. Например, в 90-м году на станции попытались выращивать салат и редиску. Выяснилось, что, несмотря на невесомость, питательные вещества все-таки оттекают к корнеплоду, то есть на перенос веществ влияет не гравитация, а внутренняя среда растения — капилляры и осмос. Редиска получилась красной, но мелкой. Чтобы сделать ее большой, нужно понизить температуру грунта, а в имеющейся оранжерее это невозможно.

К сожалению, выращивание растений на борту стоит очень дорого — ежесуточно оранжерея потребляет до 120 Вт энергии и 0,8 литра воды. Поэтому до тех пор, пока у космического корабля не появятся могучие источники энергии, выращивать пищу на борту не удастся. Однако не будем забывать о психологической роли растений. Вот что вспоминает космонавт Николай Бударин: «Днем я наработаюсь, а вечером к оранжерее подлечу, открою ее — сижу, смотрю и радуюсь». Так же говорит и американский астронавт Майкл Фоул: «Это особое занятие — быть садовником, сжиться со своими растениями; работа с ними сильно отличается от обычной деятельности в той экстремально техногенной, многого лишенной среде обитания, которая имеется в космическом полете». Этот эффект очень трудно оценить в денежном выражении, но, видимо, ближайшая перспектива космического сельского хозяйства — выращивание космонавтами растений «для себя».

Человек будет осваивать космос и жить там. Живое существо нельзя загонять в экстремальные условия — сажать его в металлическую бочку. Люди должны жить в комфортных условиях, и чем дальше будет развиваться космонавтика, тем больше будут возрастать требования к условиям жизни в космосе.

Вегетационный сосуд с грунтом и оранжерея «Свет», в которой выращивали пшеницу. Вода через перфорированные трубки попадает в поливинилформалевые жгуты и по фитилям, выходящим на поверхность грунта, распределяется по его объему. При посадке семян нужна гарантированная влажность. Поэтому сначала корни прорастают в фитили, а уже потом попадают в грунт. Чтобы выбрать материал, сквозь который корни легко проходят, проводили специальное исследование. В стенках сосуда сделаны дырочки для охлаждения грунта за счет испарения.

Оранжерею освещает лампочка со специально подобранным спектром излучения. Чтобы свет не рассеивался, оранжерея со всех сторон закрыта стенками, на которые наклеена фольга. Окно наблюдений обычно тоже закрыто щитком.