Архив журнала

Когда на МКС заколосится ячмень?

Для космонавтов, надолго лишенных общения с природой, растения являются не только добавкой к пище. Они повышают настроение в длительных полетах. Кто-то может сказать: вырастить укроп-петрушку на станции проще пареной репы: посадил в горшочек, полил водичкой, подсветил лампочкой и жди, когда зернышки пойдут в рост. Ан нет. Не такое это простое дело, а очень даже серьезная научная и техническая проблема. И светлые головы бьются над ее разрешением не один десяток лет. Ведь в космосе на растения воздействуют не только невесомость, но и радиация, и отсутствие магнитного поля Земли, и масса других физических факторов. А еще растения, как лакмусовая бумага, чутко реагируют на загрязнение воздуха и другие неблагоприятные условия среды обитания.
Об этом и многом другом рассказал заместитель директора Института медико-биологических проблем (ИМБП) Владимир Сычёв, который отвечает за системы жизнеобеспечения, гравитационную биологию и научно-прикладные исследования биологических объектов на космических спутниках и орбитальных станциях.

— Владимир Николаевич, космонавты с особым удовольствием проводят эксперименты по выращиванию растений. Даже те, кто никогда этим не занимался.

— В будущем, когда люди полетят куда-то далеко, в оранжерее будут выращивать овощи и зелень, которые обеспечат экипаж витаминными добавками и легко усваиваемыми микроэлементами. Любая упаковка витаминов имеет ограниченный срок годности, как правило, один год. Хотя никто не исследовал, сколько сохранятся витамины в условиях космического полета, но на 2 года полета на Марс никто гарантий не даст. Поэтому самое простое?— выращивать зелень, богатую витамином С. Ведь вся остальная пища будет сублимированной и консервированной. Если мы хотим колонизировать космос, без биологических систем жизнеобеспечения (СЖО) не обойтись. На марсианском комплексе будут использоваться физико-химические системы, но к ним добавятся и высшие растения. Потребуются, конечно, дополнительные энергозатраты, другие подходы к формированию СЖО, иные технологии. Но это реально.
Каких только конструкций оранжерей не придумывали! Например, витацикл?— улиткообразную оранжерею. Есть такое понятие, как конвейерный посев. Вы сеете семя. Выросшее растение сдвигаете, а на это место сажаете следующее. То есть в первом отсеке вы постоянно сеете, а в последнем постоянно снимаете урожай. Технология отработанная, она используется и на Земле. Еще Циолковский предлагал оранжерею в виде спирали, потому что сначала растения маленькие, им расстояние до света нужно небольшое, а потом оно увеличивается. Такая конструкция позволяет экономить площадь. Если вам надо получить урожай, вы «запускаете конвейер» и каждый день снимаете определенное количество зеленой массы (в зависимости от размеров оранжереи). Но 500-суточный эксперимент подтвердил, что такая конструкция не работает. Есть и другие варианты: в нашем институте еще в 1970–1980-х годах сделали очень эффективную оранжерею «Самород-Арктика», которая имела очень хорошие показатели в условиях Севера. При установочной мощности 0,4 кВт она ежедневно давала 100 грамм зеленой массы (обычный салат).

— С какими трудностями столкнулись специалисты при выращивании растений?

— Еще лет 30 назад мало кто верил, что растения будут нормально расти и развиваться в космосе. Даже в 1998 году в своей статье это утверждала известный украинский биолог Е. Л. Кордюм. Семена в космосе впервые удалось получить у растения арабидопсис (но не в нормальных условиях, а на агар-агаре)

в 1980-х. И только в 1996 году (программа «Мир-NASA») дала семена капуста брассика рапа. Второе поколение семян получить не удалось из-за разгерметизации модуля «Спектр».
В конце 1980-х наступил полный коллапс отрасли, и никто не знал, сможем ли дальше работать на борту. К счастью, в 1992 году начались переговоры по программам «Мир-Шаттл» и «Мир-NASA». А вскоре сюда приехала группа ученых из университета штата Юта. Известный биолог Фрэнк Салсбери мечтал вырастить в космосе пшеницу и получить зерна. Пшеница?— хорошо изученный, но сложный объект с интересным циклом развития. Американцы предложили свою аппаратуру для измерений фотосинтеза в космосе. Мы создали систему датчиков и поместили их в почву оранжереи «Свет» вместе с системой управления поливом. На Земле она работала, а на борту возникли проблемы. Тем не менее Николай Бударин сумел собрать новую схему, и эксперимент продолжился. Пшеница выросла, но очень маленькая. Зато впервые нам удалось узнать, как распределяется влага в почве в условиях невесомости.
Во втором эксперименте за 90 суток вырастили пшеницу, но колосья не имели зерен. Позже выяснилось, что виной всему был этилен. Этот газ является растительным гормоном и вызывает стерильность пыльцы у пшеницы. Кроме того, этилен привел к изменениям морфологии растений: если обычно у пшеницы три стебля, то в полете выросло шесть-семь стеблей.
Впервые удалось получить зерна пшеницы экипажу Геннадия Падалки в 1998 году на станции «Мир» в эксперименте «Оранжерея-4» («Свет»). Во-первых, мы подобрали сорт, который меньше реагирует на этилен. Во-вторых, на станции тогда испытывали каталитический фильтр, благодаря которому концентрация метана и этилена в атмосфере резко упала. Благодаря этому в первый раз вызрели 500 семян. 10 зерен оставили на борту. Позже Сергей Авдеев провел в космосе их яровизацию (в холодильнике) и затем посеял. К сожалению, при посадке длинные тонкие корешки повредились, и выросло только одно растение. Но оно дало зерна. То есть мы смогли получить второе космическое поколение семян. Но технология выращивания имеет много разных аспектов.

— Что же оказалось самым сложным?

— Вы удивитесь?— найти датчики для измерений температуры внутри вегетационного сосуда. Оказалось, что датчиков для постоянной регистрации влажности в капиллярно-пористой среде (субстрате) нет. Те, что используются в сельском хозяйстве, не годятся. Все измерительные приборы, которые работают на Земле, в космосе не дают точных показаний. И тогда наш сотрудник Игорь Подольский, большой энтузиаст, предложил использовать термодатчики, у которых скорость нагрева меняется в зависимости от количества воды вокруг. Здесь интересы биологов в области фазовых процессов совпали с интересами физиков, и теперь мы работаем сообща.
Чтобы термодатчики хорошо работали, их надо периодически калибровать по температуре?— от нулевой точки, когда субстрат абсолютно сухой, до 100 %, когда он абсолютно мокрый. Для калибровки в космических условиях пришлось придумывать аппарат, который позволяет точно выставлять температуру датчика. Кстати, это необходимо и для аппаратуры спутников.
Но, кроме регистрации уровня влажности, нужно знать, как распространяется вода в субстрате. Если большинство пор заполнится водой, корням будет нечем дышать. На Земле все просто?— вода уходит под действием гравитации. А в невесомости все зависит от количества капилляров и от размера гранул «почвы». Изучению этого процесса были посвящены два эксперимента «Растения-МИС» (модуль исследования субстратов), где исследовалась скорость диффузии кислорода в капиллярно-пористых средах (сухих и влажных) в условиях невесомости.

— А может, отказаться от субстрата и получать урожай гидропонным способом?

— Тут тоже все не так просто. В растворе развивается паразитная масса корней, которая заполняет весь объем и забивает форсунки. Корневая система пшеницы составляет небольшой процент от общей биомассы, а при аэропонике?— почти половину.
Но есть и другая, не менее важная проблема. Любой живой организм осуществляет терморегуляцию за счет испарения. Человек потеет, кошки вылизывают себя, собаки высовывают язык и т.д. Когда же перегревается растение, влага испаряется через устьица на листьях. На Земле, в условиях гравитации, вода испаряется, горячий пар поднимается вверх, и поверхность охлаждается. А в невесомости конвективные потоки отсутствуют, и выделяемая влага никуда не уходит, поэтому нужна вентиляция. Ростки должны иметь хороший обдув. Но если он сильный, растения тоже страдают, но уже от суховея. Нужно соблюсти баланс и еще потому, что как только в гермообъеме появляется открытая влажная поверхность, тут же начинается рост грибов и бактерий. На МКС мы это имеем в полном объеме. То же самое произошло и в эксперименте «Марс-500». Поэтому в тех местах оранжереи, где растения выходят из корневого модуля, влажность должна сохраняться на определенном уровне. Однако при увеличении скорости конвективных потоков на фитилях начинает осаждаться соль, так как внутри вегетационного сосуда находятся растворенные в воде удобрения. Поддерживать определенный уровень воздушного потока достаточно сложно, ведь растения растут и плотность посева растений все время меняется.
В 1970-х годах, когда обсуждали будущий полет к Марсу, говорили, что обязательно на борту будет оранжерея типа «Самород-Арктика», где будут расти зеленные культуры. Но пресный на вкус салат через неделю надоест, хотя в нем много полезных веществ. А если дать возможность каждому члену экипажа выращивать то, что он хочет? Это предложили участникам эксперимента «Марс-500». И почти все захотели посадить… цветы. Что касается овощей, то оказалось, что салат никого не привлекает, всем хотелось чего-то другого. На ура шли щавель и томаты, реже?— редиска. Возможность выбора позволяла разнообразить стол и доставляла удовольствие. Но чтобы получить необходимое количество биомассы в виде плодов, корнеплодов или листьев и обеспечить суточную норму, придется увеличить площадь оранжереи (для шести членов экипажа при выращивании только салатных культур потребуется оранжерея площадью до 10 кв. метров).

— Для нее понадобится отдельный модуль, дополнительная энергетика?

— Предположим, что есть и модуль, и сколько хочешь энергии. Но куда девать излишнюю влагу? Ведь с 10 кв. метров в сутки будет испаряться около 100 литров воды. Это потребует серьезных изменений конфигурации всей системы жизнеобеспечения. Ведь вода, которая поступает в атмосферу в виде пара, должна конденсироваться и возвращаться. Причем растения вместе с паром выделяют различные химические соединения, в том числе фитонциды, которые могут вызывать аллергическую реакцию. И все эти проблемы надо решать. С маленькими оранжереями все просто?— там процессы массопереноса внутри корнеобитаемой среды не столь критичны, все проходит довольно быстро, и управлять этим процессом легко. А с большими?— сложно. Но отрабатывать все это надо: не сразу, постепенно, конечно, имея соответствующие ресурсы, финансы и возможности работы на борту. Все исследования типа «Термо-Лада», МИС идут параллельно с выращиванием растений. То есть мы пытаемся найти технологические решения, которые позволят перейти к строительству более серьезных установок.

— Почему сейчас на российском сегменте МКС нет биологических экспериментов?

— Оранжерея «Лада» отработала 10 лет и прекратила свое существование. С 2002 по 2011 год в ней провели 19 экспериментов и получили в космосе четыре поколения гороха, а Максим Сураев вырастил пшеницу. Трудно назвать другое оборудование, на котором в течение 10 лет в космосе проводили эксперименты каждую экспедицию. Так что по растениям мы «впереди планеты всей»!
Классический цикл подготовки оборудования для космического эксперимента составляет 5 лет. Единственный случай в моей практике, когда за 3 года удалось сделать «Ладу»,?— от нуля до поставки на борт. Мы были «заряжены» на эту работу и не связаны никакими контрактами, договорами, не ждали поступления денег, подписания бумаг и т.д. Все делалось с листа. Но тогда большую помощь нам оказали американские ученые и студенты университета штата Юта. Так что «Лада»?— это российское оборудование, сделанное на внебюджетные средства, фактически за американские деньги и работающее на российском сегменте.
Сейчас вторая, модернизированная оранжерея «Лада» проходит испытания. Надеюсь, в следующем, 2015 году она заработает на борту МКС. Оранжерея маленькая, но продуктивная. Это полностью модернизированный комплекс. Здесь новые источники света, шесть датчиков влагосодержания, замеры проводятся в автоматическом режиме. Но у космонавта есть возможность просматривать все параметры и вносить изменения.

— Вы упомянули о новых светодиодных светильниках. У них меньше потребление энергии и больше срок службы?

— Дело даже не в этом. Мы перепробовали большое число светодиодов. И вроде бы все нормально, но растения растут по-другому. Это отдельная проблема. У каждого растения, хотя они могут расти при разном освещении, свои потребности, каждому виду нужен свой спектр. Люминесцентные лампы хороши тем, что они универсальны и больше приближены к солнечному свету, а у светодиодов менее широкополосный спектр. Но люминесцентные лампы содержат ртуть (нужна защита, герметизация), больше потребляют энергии и чаще выходят из строя, чем светодиоды, зато проще и дешевле. За светодиодами будущее, хотя с выращиванием растений не все так просто и однозначно. Иногда непонятно, почему со светодиодами одно растение растет прекрасно, а другое плохо, а под люминесцентными лампами?— оба замечательно. Бывает и такое. Но это все технология.

— Какие растения можно выращивать в космосе?

— Набор культур, которые мы можем поставить на борт, у нас очень ограничен: это салаты, пшеница, редис, горох, ячмень?— вот и все. У томатов и риса совсем другие технологии выращивания. Так что впереди огромный объем работы. В первом эксперименте в модернизированной «Ладе» мы тоже планируем выращивать листовую культуру мизуна (растение из рода Brassica), хотя думаем и о карликовых томатах, перце и рисе.
В отличие от наших зарубежных коллег у нас есть возможность проводить серии экспериментов, целенаправленно решать некоторые задачи. Один эксперимент ничего не дает, результат зависит от множества самых разных и даже случайных факторов, которые учесть невозможно. Для науки это очень важно. Приведу пример. После гибели «Колумбии» наступил двухлетний перерыв в полетах шаттлов. За это время нам удалось вырастить на станции четыре космических поколения гороха. Растения отлично себя чувствовали, никаких изменений в растениях (в том числе в генотипе) мы не обнаружили. Следующий эксперимент провели с редисом, но редиска получилась неважная. Посадили горох?— и он тоже плохо растет, а в экспедиции Павла Виноградова совершенно неожиданно погиб! Нас это озадачило. А потом выяснилось, что с возобновлением полетов КК «Спейс-Шаттл» загрязненность атмосферы на борту увеличилась в 5 раз (!) по сравнению с нормой. Наши растения сработали как индикаторы! Они погибали не по нашей вине, а из-за грязной атмосферы, из-за повышения концентрации органики. Когда включили очистные системы на полную мощность, воздух очистился, и растения вновь стали прекрасно расти на борту МКС. Доказательством стали зерна у пшеницы суперкарлика, полученные Максимом Сураевым. А ведь эта та пшеница, которая на станции «Мир» семян не дала.