Когда глобальные космические агентства планируют миссии на Луну и Марс, главной задачей является поиск решения, как кормить членов экипажа в течение недель, месяцев и даже лет, которые они проведут в космосе.
Астронавты на Международной космической станции (МКС) в основном едят расфасованную пищу, что требует регулярного пополнения запасов. Ее качество постепенно ухудшается, а доставка становится все дороже. Исследователи изучают возможность того, чтобы экипажи выращивали часть продуктов питания во время миссии, и пытаются преодолеть некоторые проблемы, имеющие место в космическом сельском хозяйстве.
Раджкумар Хассамани из Института сельскохозяйственной биотехнологии Университета сельскохозяйственных наук в Индии рассказал "Аль-Джазире", что доставка одного килограмма расфасованной пищи на МКС стоит от 20 000 до 40 000 долларов. Каждому экипажу требуется 1,8 килограмма (включая упаковочные материалы) в сутки, а поскольку МКС находится примерно в 400 километрах от Земли, то можно представить, сколько будет стоить отправка грузов на Луну и Марс.
"Согласно оценкам, экипажу из четырех человек, отправляющемуся на Марс в трехлетнее путешествие, потребуется от 10 000 до 12 000 килограммов еды, что логистически невозможно и вообще экономически нецелесообразно. Поэтому выращивание продуктов питания на космическом корабле или на поверхности планеты имеет важное значение для долгосрочных миссий по исследованию космоса", – добавил Хассамани.
Две главные проблемы
Есть две проблемы для космического сельского хозяйства: создание сильной и эффективной экосистемы, поддерживающей рост растений, и повышение толерантности сельскохозяйственных культур к контролируемой среде, чтобы иметь возможность регулировать метаболизм растений для удовлетворения широкого и меняющегося спектра потребностей.
Существуют некоторые физические ограничения, мешающие решению первой проблемы, и поэтому важно их учитывать, например, энергия, вода, свет, температура, контроль над атмосферой, стратегия минимизации отходов, стоимость создание среды обитания, способной поддерживать рост растений.
"Мы довольно успешно решили некоторые проблемы для культивирования растений в космосе. Система производства овощей от NASA, известная как "Veggie", которая располагается сейчас на МКС, является тому доказательством", – говорит Хассамани.
Цель "Veggie" – обеспечить астронавтов самодостаточным и устойчивым источником пищи, а также средством отдыха с помощью лечебного садоводства.
Основной проблемой, над которой в настоящее время работают исследовательские группы по всему миру, является физиологические ограничения. Среди них, например:
- Необходимость разработать решение, которое позволит выдерживать высокий уровень углекислого газа.
- Пребывание в космосе нередко приводит к гипоксии. Получится ли создать растения, которые смогут эффективно бороться с низким уровнем кислорода?
- Можно ли что-то разработать, чтобы можно было разместить растения в несколько слоев в небольшом пространстве?
- Повреждение ДНК и митохондриальная дисфункция широко распространены среди астронавтов.
- Обширное ремоделирование клеточной стенки и изменения в составе и структуре полисахаридов напрямую повлияют на пищеварительную систему астронавтов. Можем ли мы создать растения с высоким содержанием клетчатки?
- Потеря вкуса, текстуры и аромата еды. Однообразный рацион – распространенная проблема среди астронавтов. Как мы можем ее решить?
- Потеря многих минералов и фитохимических веществ в космосе. Так как же собрать эти минералы, фитохимические вещества и микроэлементы в самом растении, чтобы удовлетворить потребности астронавтов в питании?
"Наша лаборатория и другие лаборатории по всему миру решают эти вопросы. Мы считаем, что биотехнология, синтетическая биология и метаболическая инженерия могут помочь ответить на них и создать растения, подходящие для космического сельского хозяйства", – говорит Хассамани.
Со своей стороны, Хавьер Медина, возглавляющий исследовательскую группу из Центра биологических исследований Маргариты Салас в Испании, поделился некоторыми преимуществами космического сельского хозяйства.
"Растения играют важную роль. Прежде всего, они являются высококачественной пищей, поскольку обеспечивают астронавтов необходимыми питательными веществами. Свежие продукты намного лучше сублимированных. Растения влияют и на другие аспекты жизнеобеспечения, обеспечивая кислород, влажность и поглощая углекислый газ, побочный продукт человеческой жизнедеятельности", – отметил он.
Медина принял участие в серии экспериментов на МКС, чтобы изучить влияние отсутствия гравитации (невесомости или микрогравитации) на рост и развитие растений, а также понять механизмы адаптации растений к космической среде.
"Гравитация – важный экологический фактор для растений, определяющий направление их роста. Гравитация заставляет корни расти вниз (к почве, из которой они поглощают воду и минеральные соли), а стебли – вверх (к солнечному свету, необходимому для фотосинтеза). Гравитация исчезает в условиях невесомости, поэтому растения могут выживать и расти пока только в условиях микрогравитации комического корабля", – отметил Медина.
Он добавил: "Хотя мы обнаружили, что микрогравитация оказывает неблагоприятное воздействие на рост растений, например, усиливает дисбаланс роста и размножения клеток в корнях или способствует значительному перепрограммированию генов, в результате чего одни гены подавляются, а другие активируются, тот факт, что растения способны выживать и завершать свой жизненный цикл в условиях микрогравитации означает, что у растений есть механизмы адаптации к этим новым условиям окружающей среды. Нашей основной задачей является выявление факторов (например, свет), которые могут компенсировать негативные последствия микрогравитации, помогая растениям быстрее адаптироваться".
Стимуляция красным спектром
Исследовательский проект NASA и Европейского космического агентства (ЕКА) "The Seedling Growth", в котором участвовал Медина и состоящий из серии космических экспериментов на МКС (2013-2018 гг.), выявил, что красный спектр положительно влияет на растения в условиях космического полета.
Различные клеточные и молекулярные маркеры растений сравнивались в условиях микрогравитации, лунной и марсианской гравитации, а также земной гравитации, со стимуляцией красным светом или без нее. Исследователи обнаружили, что красный спектр восстанавливает баланс между пролиферацией клеток и ростом корней, что важно для развития всего растения. Модификации экспрессии генов вызывают различные адаптивные реакции на разные уровни гравитации, включая изменения в регуляции различных наборов генов, и во всех случаях они, по-видимому, модулируются активацией красного света.
"Лунная гравитация вызывала более серьезные последствия, чем, например, марсианская или микрогравитация. Во всех случаях адаптивная реакция усиливалась фотостимуляцией красным спектром", – говорит Медина.
Многочисленные преимущества
Это исследование стало еще одним шагом на пути к обеспечению астронавтов свежей пищей во время экспедиций на Луну и Марс, но многие люди считают их "роскошью" и говорят, что они не имеют никакой практической ценности. Оба ученых в корне с этим не согласны.
"Благодаря изучению космоса в нашей повседневной жизни на Земле происходят положительные изменения. Например, в результате космических исследований появился целый ряд технологических разработок, таких как электронные устройства, и достижения в области связи. Они также способствовали прогрессу в медицине. Лечение старческих болезней, проблем с опорно-двигательным аппаратом, сердечно-сосудистых и иммунных заболеваний смогло шагнуть вперед", – говорит Медина.
Он добавил: "Космические исследования позволили значительно продвинуться в понимании реакций растений на различные типы стрессов, а также в способах их выращивания. Мы можем применить наши новые знания на Земле, чтобы добиться более эффективного и устойчивого сельского хозяйства в условиях изменения климата".
Хассамани, в свою очередь, фокусируется на использовании результатов исследований в области космического сельского хозяйства в наземном сельском хозяйстве, и ограничивает их следующими моментами:
- Исследования в области космического сельского хозяйства помогут разработать технологии, которые могут быть полезны для модели замкнутого цикла в аграрном секторе экономики. Потеря ресурсов может быть минимальной или даже нулевой, и это имеет прямое отношение к защите сельского хозяйства на Земле.
- Космическая селекция – еще одно применение, основанное непосредственно на исследованиях в области космического сельского хозяйства. В Китае занимаются космической селекцией, которая помогает выводить лучшие сорта с более высокой урожайностью, устойчивостью к болезням и так далее.
- Скорость воспроизводства – еще один побочный продукт, который помогает селекционерам быстро выводить лучшие сорта, сокращая время, необходимое для выведения новых сортов.
Автор: Хазем Бадр (حازم بدر)
