Космическое сельское хозяйство открывает человечеству возможность заселять и колонизировать соседние планеты. Однако реализовать весь комплекс по выращиванию свежих фруктов и овощей трудно: нужно правильно поливать растения, изучить состав почвы новой планеты или обустроить плантацию на борту корабля или на небесном теле. Рассказываем, как человечество продвинулось в космическом сельском хозяйстве.
Что такое космическое сельское хозяйство?
Космическое сельское хозяйство относится к культивированию зерновых культур для еды и других материалов в космосе или на астрономических объектах вне земли — эквивалентный сельскому хозяйству на Земле.
Земледелие на небесных телах, таких как Луна или Марс, имеет много общего с сельским хозяйством на космической станции или в космической колонии. Но, в зависимости от размеров небесного тела, может отсутствовать сложность микрогравитации, присущая последнему.
Каждая среда будет иметь различия в доступности ресурсов для процесса космического сельского хозяйства: неорганический материал, необходимый для роста растений, почвенная среда, инсоляция, относительная доступность углекислого газа, азота и кислорода и так далее.
Как проблемы есть у космического сельхозхозяйства?
Микрогравитация
На околоземной орбите и потенциальных планетах-колониях сила тяжести меньше привычной нам. Слабая гравитация влияет на многие особенности развития организмов, и растения не исключение. В экспериментах, где одни и те же культуры высаживали на Земле и на МКС, некоторые виды на орбите заметно теряли во вкусе и питательности. Например, в «космических» зародышах репы Brassica rapa оказалось гораздо меньше крахмала и белка (на 24 %).
Нарушение теплообмена
Эта проблема возникает, если замкнутое пространство плохо вентилируется. При этом вокруг растения накапливаются летучие органические вещества, способные затормозить его рост.
Радиация
Наблюдения показывают, что постоянное излучение может вызывать повреждения ДНК и мутации, а также влияет на уровень экспрессии генов. Учитывая всё это, невозможно предсказать, как со временем изменятся привезенные с Земли растения.
Почва
Наша земная почва, дающая жизнь растениям, — это сложная система, где одинаково важны и минералы, и органика. На Марсе, например, ситуация совсем другая. Поверхность Красной планеты покрыта реголитом — мелким песком и пылью, которые образуются, когда скальные породы разрушаются из-за ветра, колебаний температуры и ударов метеоритов. Эта пыль не просто безжизненна, для растений она опасна: в ней содержатся токсичные соединения, в том числе перхлораты — соли хлорной кислоты.
Как заменить почву?
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-го в меню астронавтов включили свежую зелень, выращенную в условиях микрогравитации.
Когда Veggie отслужит свое, ее планируют заменить более крупной установкой — полностью автоматической «теплицей» Advanced Plant Habitat (APH). В ней можно будет регулировать множество параметров, в том числе влажность, давление, освещенность, объем подаваемого кислорода и питательных веществ, и даже измерять температуру отдельных листьев.
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.
Как выращивать растения на инородной почве?
Космическое растениеводство не ограничивается экспериментами в невесомости. Человеку для колонизации других планет придется развивать сельское хозяйство на грунте, который отличается от земного, и в атмосфере, имеющей иной состав. В 2014 году биолог Майкл Маутнер вырастил спаржу с картофелем на метеоритном грунте. Чтоб получить пригодную для выращивания почву, метеорит был размолот в порошок.
Опытным путем он сумел доказать, что на грунте внеземного происхождения могут произрасти бактерии, микроскопические грибы и растения. Материал большинства астероидов содержит фосфаты, нитраты и иногда воду.
Марс
В случае с Марсом, где много песка и пыли, измельчение породы не понадобится. Но возникнет другая проблема — состав почвы. В грунте Марса есть тяжелые металлы, повышенное количество которых в растениях опасно для человека. Ученые из Голландии имитировали марсианскую почву и с 2013 года вырастили на ней десять урожаев нескольких видов растений.
В результате эксперимента ученые выяснили, что содержание тяжелых металлов в выращенных на имитированном марсианском грунте горохе, редисе, ржи и помидорах не опасно для человека. Картофель и другие культуры ученые продолжают исследовать.
Луна
В аналоге лунной почвы ученым уже удавалось прорастить хлопок, однако главная проблема в том, что никакое растение не выживет при лунных перепадах температур. Например, ночью на спутнике температура может опуститься до –170 градусов.
Так, благодаря китайскому аппарату «Чанъэ-4» впервые удалось вырастить растение в условиях лунной гравитации: всходы дали семена хлопка. В рамках эксперимента китайские ученые применили герметичный контейнер со специальной питательной средой. Кроме семян хлопка, в него поместили семена картофеля, рапса и резуховидки Таля. Также для эксперимента использовали личинки плодовой мухи и дрожжевые грибки.
Как растения собираются выращивать в будущем?
Гидропоника
При таком методе растения растут в воде. Можно держать корни в воде постоянно или использовать методику прилива-отлива, а также использовать разнообразные субстраты, удерживающие нужное количество жидкости.
Аэропоника
В этом случае корни растений находятся не в воде или субстрате, а в воздухе. Рядом установлены распылители, которые время от времени обволакивают корни легкой дымкой из крохотных капель питательного раствора. Так растения получают и питание, и достаточное количество кислорода.
Антропоника
Источником воды и удобрений для гидропонных установок становятся отходы жизнедеятельности экипажа. Моча астронавтов может стать основой азотных удобрений, такой опыт уже провели на Земле итальянские ученые.
Несмотря на перспективы гидропоники, среди ученых есть и сторонники садоводства на основе грунта других планет. Такие эксперименты с 2013 года идут в Нидерландах. Биологи из Вагенингенского университета выращивают овощи в искусственном грунте, максимально напоминающем по составу реголиты с поверхности Марса и Луны.
«Марсианский» грунт делают из вулканического пепла и песка с Гавайев, а «лунный» — из песка пустыни в Аризоне. Чтобы повторить текстуру реголита, материал дополнительно измельчают в пыль. Ученые собрали уже более десятка урожаев, в их продуктовой корзине помидоры, горох, редис, рожь, зеленый лук и другие растения.
Еще одна смелая идея — изменить марсианскую атмосферу с помощью цианобактерий (сине-зеленых водорослей). Эти небольшие организмы способны к фотосинтезу: считается, что именно они «надышали» значительную часть того кислорода, который способствовал «кислородной революции» в начале протерозоя. В 2018 году международная группа ученых выяснила, что цианобактерии могут производить газ при очень низком уровне освещенности.
Последние достижения
В наземной лаборатории взошли некоторые из семян риса, побывавшие на Луне в рамках миссии «Чанъэ-5». Китайская автоматическая межпланетная станция (АМС) «Чанъэ-5» стала первым китайским космическим аппаратом, достигшим Луны и вернувшимся на Землю. Запуск миссии состоялся в ноябре 2020 года, а возвращаемая капсула с пробами лунного грунта была доставлена на Землю в декабре.
Одной из целей миссии являлось проведение экспериментов по селекции сельскохозяйственных культур в условиях космоса. В частности, на борту «Чанъэ-5» находилось около 40 г семян риса, которые были возвращены на Землю после лунной миссии.
Cемена были переданы научно-исследовательскому центру Южно-Китайского сельскохозяйственного университета. И некоторые из этих семян успешно проросли. Как считают ученые, результаты этого эксперимента помогут выявить влияние космических условий на сельскохозяйственные структуры, а также вывести сорта риса с уникальными свойствами.
Источник: https://hightech.fm/
