Растения научат человека бороться со стрессом в космосе
Что можно выращивать в космической оранжерее и как растения приспосабливаются к условиям длительного космического полета, выясняют генетики.
Оранжереи, которые снабжают космонавтов кислородом, овощами и фруктами, а заодно служат местом отдыха, пока остаются областью научной фантастики. Но работы в этом направлении ведутся в нашей стране с 1980-х годов. Мини-оранжереи для научных исследований были на орбитальных станциях «Салют» и «Мир», а теперь в российском сегменте Международной космической станции (МКС) с 2001 размещена уникальная оранжерея «Лада», созданная совместными усилиями специалистов NASA и Института медико-биологических проблем РАН. В разное время члены экипажа МКС выращивали в ней редис, ячмень, горох, карликовую пшеницу, сою, картофель и других растения.
Эти эксперименты преследуют много разных целей. Здесь и чисто научные, фундаментальные исследования реакции растений на условия космического полета. Нужно понять, как поведут себя растения в условиях повышенной космической радиации и отсутствия гравитации. А есть практические вопросы, связанные с использованием оранжереи. Необходимо в первую очередь узнать, можно ли безопасно употреблять в пищу растения, выращенные на орбите. Особый интерес здесь представляет выращивание нескольких поколений растений, ведь вредные факторы могут накапливаться.
Также предстоит выяснить, способны ли растения расти, развиваться и размножаться в условиях космического полета, способны ли они обеспечить ту же продуктивность посева, как и на Земле. Поскольку «Лада» – оранжерея открытого типа, то можно изучать воздействие на растения загрязненной атмосферы на борту станции. Определить, какие виды микроорганизмов могут жить на растениях в космических условиях, и что можно сделать, чтобы уменьшить угрозу людям с их стороны. Необходимо разработать методы очистки и дезинфекции собранного урожая. В условиях жесткой экономии места и ресурсов важно добиться наибольшей урожайности минимальными средствами. Согласно диетологическим исследованиям, суточная норма потребления салатных культур для одного человека составляет в среднем около 100 г в сыром виде, что требует порядка 1 м2 посевной площади на борту. Кроме того, у космической оранжереи есть еще и непищевая цель. Она обеспечивает психологическую разгрузку космонавтам, повышая комфортность их пребывания на корабле, что особенно ценно для длительных полетов.
Возможно, в районе 2030 года все же состоится пилотируемый полет на Марс. Люди начнут осваивать красную планету, попытаются выращивать на ней растения. Тогда надо будет знать, как защищать семена, чтобы они выжили и сохранили свои свойства после длительного космического полета, который может продолжаться 500-600 дней.
В последние годы появились высокопроизводительные методы исследования и расшифровки генома, позволяющие в несколько дней решать проблемы, которые ранее занимали годы. Это сделало возможным оценку комплексной реакции генома растений на внешние стрессы, одним из которых является космический полет. Для такого эксперимента на борту МКС был выбран японский салат мизуна, у которого недавно был расшифрован геном. Он был выращен в феврале-марте 2010 года. Собранные растения были заморожены на орбите в специальном холодильнике MELFI при температуре -80oС, а затем в апреле доставлены в замороженном виде на Землю для исследований.
Над этим экспериментом работала большая международная команда. План эксперимента разработали специалисты Института медико-биологических проблем РАН под руководством В. Сычева, они же руководили выращиванием растения на борту МКС, которое осуществили российские космонавты. Доставку материала на Землю на шаттле «Discovery» и первичную обработку провели американские специалисты, а расшифровку генома проделали японские ученые из Национального института агробиологических наук. Дальнейший анализ результатов проводился сотрудниками университета Окаямы и Казанского федерального университета (КФУ) под руководством Олега Гусева. Результаты сравнивались с контрольными, растениями, выращенными на Земле.
Было выяснено, что растения развиваются нормально и не имеют отклонений от земной контрольной группы ни по внешнему и внутреннему строению (морфологии), ни по функционированию организма (физиологии). Не было обнаружено никаких болезнетворных микроорганизмов. Таким образом, растение успешно адаптировалось к условиям космического полета. Анализ работы генома позволил изучить различные способы реакции растения на воздействия окружающей среды через интерактивные молекулярные и клеточные изменения, повышающие устойчивость к стрессу. В то же время обнаружено, что с адаптацией связана активная работа антиоксидантной и некоторых других стрессовых систем растений, чего не наблюдалось в контрольной земной группе.
Растения, таким образом, во время длительных космических экспедиций могут выступать живыми биосенсорами, анализ которых с высокой достоверностью поможет выявлять, что происходит в организмах живых существ, в том числе космонавтов, во время полета и определять возможные риски для людей, связанные с длительным пребыванием в космосе. Напомним, что антиоксидантная система предназначена для защиты организма от повреждения клеток в результате окисления благодаря активным формам кислорода (так называемый окислительный стресс), с чем у человека связывают целый ряд серьезных заболеваний. Отметим любопытный факт. При проверке технических показателей оказалось, что во время проведения эксперимента на борту МКС было повышенное содержание этилена, что четко зафиксировалось в изменении работы соответствующих генов.
В 2013 году на МКС была установлена оранжерея нового поколения «Лада-2», которая позволит в ближайшие годы значительно расширить понимание комплекса адаптивных реакций растений в космосе. На данный момент эксперименты с растениями в оранжерее «Лада» не проводятся, но в 2015 году они возобновятся. Будет сделана попытка вырастить сладкий перец, томаты и карликовый рис, с последующим комплексным анализом работы генетического аппарата.
