Нужна ли гравитация для растений в космосе

Как растения растут в состоянии невесомости?

Гравитация неотъемлема для всех организмов на Земле. Она влияет на каждый аспект нашей физиологии, поведения и развития — независимо от того, что вы такое, вы развиваетесь в среде, которая тесно уходит гравитационными корнями в землю. Но что произойдет, если вы откажетесь от привычной среды и окажетесь в ситуации за пределами эволюционного опыта? Биологи, выращивающие растения в лаборатории, частенько задаются таким вопросом. Эксперименты начинаются на земле, но постепенно переходят в космос. Что может быть новее для растения, чем условия микрогравитации в космосе?

Изучая, как растения реагируют на жизнь в космосе, мы можем узнать больше о том, как они приспосабливаются к изменениям окружающей среды. Растения не только имеют важное значение для земной жизни; они также могут быть важными для нашего освоения Вселенной. Пока мы готовимся к будущей колонизации, нам важно понять, как наши растения могут приспособиться к жизни на других планетах, ведь именно они могут стать неизменным источником еды, воды и воздуха для будущих колонистов.

Таким образом, даже пока мы находимся на земле, на борту той же Международной космической станции исследования идут полным ходом. Они уже преподнесли нам несколько сюрпризов на тему роста в условиях микрогравитации и изменили наше мышление о росте растений на Земле.

Учиться безмятежности растений

Однако растения могут изменить «внутреннюю среду», и растения — мастера по манипуляциям со своим метаболизмом, который помогает им справиться с пертурбациями окружения. По этой причине мы и используем растения в своих исследованиях; мы можем рассчитывать на них как на чувствительных репортеров экологических изменений, даже в относительно новых условиях вроде космического полета.

Людям было интересно, как растения реагируют на космический полет, ровно с того момента, как у нас появилась возможность туда отправиться.

Пока на Земле изучают растения, сами растения находятся в космосе

Космический полет требует специальных камер для роста, специальных инструментов для наблюдения и сбора образцов и, конечно, специальных людей, которые позаботятся о проведении эксперимента на орбите.

После стыковки астронавт загружает чашки в оборудование для выращивания растений. Свет стимулирует семена раскрыться, камеры постоянно записывают процесс всхода ростков, и в конце эксперимента астронавт собирает 12-дневные растения и сохраняет их в консервационных тубах.

По возвращении на Землю мы можем сколько угодно экспериментировать с сохраненными образцами, изучать их уникальные процессы метаболизма, которые протекали на орбите.

Собирая плоды

В 1880 году Чарльз Дарвин показал, что когда вы выращиваете растения вдоль наклонной поверхности, корни растут из семян не прямо, а скорее отклоняются в одну сторону. Эта стратегия роста называется «перекосом». Дарвин предположил, что причина тому — сочетание гравитации и касания корней — и 130 лет все остальные тоже так считали.

Но корни выросли с перекосом и без гравитации. В 2010 году мы увидели, что корни растений, выращенных на МКС, преодолели весь путь по поверхности чашки Петри с идеальным перекосом корней — без какой-либо гравитации. Это было сюрпризом. Очевидно, не гравитация стоит за паттерном роста корней.

У растений на МКС есть второй потенциальный источник информации, от которого они могли отталкиваться: свет. Мы предположили, в отсутствие силы тяжести, которая могла бы указать корням расти в направлении «прочь» от листьев, свет играет большую роль в ориентации корней.

Выяснилось, что да, свет очень важен, но не только свет — должен быть градиент интенсивности света, тогда он будет выступать в качестве ценного руководства. Представьте его как хороший запах: вы можете с закрытыми глазами найти на кухне источник запаха, если духовка с печеньем только открылась, но если весь дом будет в равной степени утоплен в аромате шоколадного печенья, вы вряд ли его найдете.

Настройка метаболизма на лету

Светящиеся растения позволяют нам узнать, какие гены активны, поэтому мы можем сказать, какие белки производятся.

Мы отслеживаем изменения экспрессии генов в режиме реального времени, отмечая конкретные белки флуоресцентной меткой. Растения с добавлением светящихся флуоресцентных белков могут «рассказывать» о том, как реагируют на свое окружение. Такие инженерские растения выступают как биологический сенсор — «биосенсор», если коротко. Специальные камеры и микроскопы позволяют нам наблюдать за тем, какое применение растение находит этим флуоресцентным белкам.

Взгляд из космоса

Такого рода исследование дает нам новое понимание того, как растение воспринимает и реагирует на внешние раздражители на фундаментальном, молекулярном уровне. Чем больше мы узнаем о том, как растение реагирует на новые и экстремальные условия, тем больше мы знаем о том, как растение будет реагировать на изменение условий и здесь, на Земле.

Конечно же, наши исследования в этой области вносят вклад в коллективные усилия по выведению биологии за пределы планеты. Тот факт, что гравитация не так важна для растений, как мы когда-то считали, это приятная новость для перспектив разведения культур на других планетах с низкой гравитацией и даже на кораблях вообще без гравитации. Люди готовы покинуть планету, и когда мы покинем орбиту Земли, будьте уверены, с нами будут растения.

О клетках, тканях и гравитации

Эволюционное развитие всех известных живых организмов на планете происходило в условиях постоянной борьбы с гравитацией, что привело к появлению особых компенсаторных механизмов (например развитие скелета у животных, а также механических тканей у растений), которые прекрасно выполняют свои функции в земных условиях. Примечательно, что из механических тканей растений изготавливают тросы (из кенафа), пеньку (из конопли) и ткань (из льна).

Если бы жизнь развивалась при отсутствии гравитации, то она кардинально отличалась от той, которую мы все знаем. На клеточном уровне цитоплазма не была бы такой вязкой, а цитоскелет (клеточный каркас клетки) не требовался бы вовсе. Так как именно цитоскелет поддерживает саму форму клетки.

Цитоскелет и размеры клетки

Чистота эксперимента в космосе

До сих пор не доказано влияние, а точнее отсутствие влияния гравитации на обмен веществ, функции иммунных клеток, так как стресс испытываемый живым организмов в условиях невесомости может значительно влиять даже на клеточный метаболизм.

Хотя экспериментально доказано, что некоторые клетки не способны к делению в космосе.

Растения способны “чувствовать” гравитацию. Они способны к этому за счет особой секреции гормонов. Одними из таких гормонов являются ауксины, которые обеспечивают рост и удлинение клеток корня. Ауксины синтезируются наземной части растения, откуда они мигрируют вниз к корням, накапливаются под действием гравитации и стимулируют рост клеток корня. Гормоны также ответственны за рост побегов растений в противоположном направлении по отношению к гравитации и корням.

Выращивание растений в космосе показало странные ответы на эффекты невесомости. В корнях ряда растительных клеток наблюдались изменения в хромосомах растительных образцов. Примечательно, что у некоторых растений корни в космосе растут на порядок быстрее, чем у тех же растений на Земле.

Выращивание растений в условиях невесомости

Оказывается, что почву нельзя использовать ни в каком качестве при отсутствии гравитации. Главный минус – это невозможность работы с сыпучими материалами в невесомости. Заменителем почвы выступают особые синтетические аналоги, похожие на тряпки, а все необходимые для растений вещества следует заранее растворять в жидкости.

Чем закончились попытки российских, американских и китайских космонавтов вырастить растение в космосе Материал редакции

Вырастили пшеницу, салат романо, цветы циннии и другие растения.

Космический эксперимент «Растения»

Проверочный тест для оранжереи «Лада» с модулем выращивания растений продолжался с октября 2008 года по март 2010 года. Разработчиками миссии стали NASA, Университет штата Юта и Институт медико-биологических проблем РАН.

Цели миссии

• Внедрить технологию, необходимую для роста растений в условиях микрогравитации.
• Изучить вопросы, которые касаются безопасности продуктов питания.
• Проанализировать непищевую ценность растений, которые выращиваются на орбите.

Результаты

• В ходе исследования установлено, что растения могут нормально расти и размножаться в космосе при наличии благоприятной среды.
• Появление теплиц на космическом корабле предполагает перераспределение материалов, увеличение функциональной нагрузки, тщательный отбор растений и усовершенствование оборудования.
• Несмотря на отсутствие видимых трансформаций и изменения ДНК, растения могут «испытывать стресс» в космосе.

Во время эксперимента с МКС состыковался космический корабль «Союз ТМА-16». Командир экипажа Максим Сураев в своём блоге на сайте «Роскосмоса» делился успехами в проращивании пшеницы. Её космонавт посадил на борту ещё в 2009 году вместе с салатными листьями мизуна.

А я, когда салат сажал, нашёл оставшиеся от какой-то экспедиции семена пшеницы. И контрабандой их тоже посадил. Думаю, они так по свету соскучились, что решили по-быстренькому расти.

И вот, наконец, с Земли дали команду её срезать и положить в пакет и в холодильник. Я её заберу на Землю. А уж там учёные будут разбираться.

Не без сожаления я срезал свою пшеничку. Всё-таки она со мной на станции прожила почти пять месяцев.

В марте 2010 года экипаж «Союза ТМА-16» вернулся на Землю. В июле 2010 года, по сообщениям агентства «РИА Новости», эксперимент «Растения» в российском сегменте МКС приостановили из-за усиленной работы с модулями «Рассвет» и «Поиск».

В январе 2017 года в российском секторе МКС также отложили эксперимент по выращиванию перца. Официальной причиной стала авария космического грузовика «Прогресс», на борту которого находилась новая оранжерея «Лада-2».

Блог Дона Петтита «Письма на Землю»

С декабря 2011 года по июль 2013 года астронавт Дон Петтит следил за ростом растений в рамках миссий МКС-30 и МКС-31 и параллельно вёл блог «Письма на Землю». «Дневник космического цукини» — одна из самых популярных рубрик. Автор пишет от лица цукини, проросшего на МКС.

Также Петтит выращивал семена брокколи и подсолнуха.

5 января 2012 года

«Я взошел, ворвался в этом мир, и никто со мной не посоветовался. Я далеко не красавец и совсем не тот, кто своим видом вселяет трепет в сердце человека. Маленькие мальчики давятся мною за ужином, поэтому отправляются спать без десерта. Я растение неприхотливое и с большой душой. Я цуккини — и я в космосе».

17 июня 2012 года

«Я немного беспокоюсь о Брокколи, о Подсолнухе и о себе. Если Садовник (так Петтит называет себя в блоге) уйдёт, то кто же о нас позаботится? А как насчёт малыша Цуккини? Теперь он большой росток, готовый к самостоятельному ветвлению. Садовник говорил о том, что на нас нужно оказать давление. Я не уверен, что это значит, но звучит это как-то нехорошо».

Учёные исследовали рост растений в отсутствие гравитации

На поверхности Земли все растения тянут свои стволы и стебли ввысь, при этом их корни стремятся к центру планеты, то есть обладают отрицательным геотропизмом.

Всё потому, что ориентация в пространстве и рост растения определяются не только генетическими факторами, но и условиями произрастания, одним из которых является гравитация.

За последние пять лет было опубликовано более 300 работ, касающихся выдающейся роли геотропизма в жизни царства растений. Но до сих пор оставался недостаточно изученным вопрос влияния силы притяжения Земли на два важных показателя корневой системы: её “завивание” и “отклонение”.

Так называемое завивание корней происходит из-за периодической смены направления роста их кончиков. Считается, что это явление связано с необходимостью преодолевать препятствия – после огибания корень, руководимый гравитацией, вновь устремляется вниз.

Отклонение, в свою очередь, – процесс углового смещения корня, когда он касается какой-либо поверхности, например, при ветвлении. Ранее учёные полагали, что завивание и отклонение корня происходит по одному и тому же сценарию.

Чтобы лучше разобраться в вопросах развития корневой системы растений и влияния на этот процесс гравитации, исследователи из университета Флориды (University of Florida) решили полностью исключить последний фактор и запустили своих подопечных в космос.

На Международную космическую станцию в 2010 году были отправлены два сорта небольшого цветкового растения, часто используемого в биологических экспериментах (резуховидки Таля). Подрастая, они опровергли сразу несколько устоявшихся убеждений.

Чтобы оборудованию легче было следить за ростом, на протяжении всего эксперимента растения находились в специальных ёмкостях с прозрачной питательной средой. Общая экспериментальная установка также содержала камеру, которая делала снимки каждые шесть часов на протяжении первых 15 дней роста растений.

Телеметрические данные в режиме реального времени передавались с борта МКС на Землю в Центр космических исследований Кеннеди (Kennedy Space Centre), где был поставлен параллельный эксперимент с контрольными образцами растений. Таким образом, учёные имели возможность сравнить показатели роста резуховидок под действием гравитации и без неё.

Выяснилось, что в условиях невесомости рост растения определяется направлением падающего света или фототропизмом. Это явление было известно учёным довольно давно, но его роль в ориентации корней была недостаточно изучена.

Исследователи обнаружили, что в отсутствии гравитации, но при наличии направленного света, корни резуховидок растут точно так же, как и на Земле, ровно в противоположную от побегов сторону (то есть туда, где меньше света).

По окончании эксперимента выяснилось, что общая длина растений в космосе меньше, чем у контрольных экземпляров на Земле. Но при этом корневая система всех растений обрела классическую витиеватость и наклон.

В статье в журнале BMC Plant Biology, исследователи делают вывод: для завивания и отклонения корней гравитация не является основополагающим фактором.

Ведущий автор работы Анна-Лиза Пол (Anna-Lisa Paul) также отмечает, что описанные выше признаки корневой системы различны для растений, выросших на Земле и в космосе. И если завивание для основного и контрольного экспериментов сопоставимо, то отклонение в условиях невесомости оказалось существенно больше. Этот факт говорит о разных механизмах этих процессов, что ранее было неизвестно.

Безусловно, пока результаты космического эксперимента с ростом корней растений имеют существенное значение именно для фундаментальной науки. Но кто знает, может когда-нибудь, люди будут засевать поля и на других планетах, и тогда полученные сейчас данные окажутся бесценными.

Также по теме: Космический “Ноев ковчег” готовится к старту Живые растения превратили в источник электричества Родить в космосе Учёные выяснили, что в космосе черви живут дольше, чем на Земле Обнаружено отрицательное воздействие невесомости на гены