Кто и зачем выращивает растения в космосе

Впервые о выращивании растений в космосе написал в своей фантастической повести «Кирпичная Луна» Эдвард Хейл. А почти полтора века спустя мы уже на большом экране наблюдали, как герой Мэтта Дэймона в фильме «Марсианин» выращивал на Марсе картофель, чтобы дожить до следующей миссии и вернуться на Землю. Режиссеру Ридли Скотту удалось очень реалистично показать этот процесс, и даже объяснить, благодаря чему подобные огородные эксперименты стали возможными.

В реальности люди еще довольно далеки от массового возделывания культур в космосе. Но есть и хорошие новости: космические сады — не такое уж фантастическое явление, каким казалось из позапрошлого века. Сегодня выращивать растения в космосе уже можно, но по-прежнему сложно, и эти проекты и эксперименты все еще носят исследовательский, не глобальный характер.

Зачем выращивать растения в космосе

Основная причина такая же, как в фильме «Марсианин»: обеспечить продовольствием человека, который отправился в дальний космос и проведет там много месяцев или даже лет. Перед запланированными полетами на Луну и Марс в рамках миссий Artemis вопрос обеспечения астронавтов достаточным количеством пищи поднимается все чаще. И не просто едой, а и необходимыми витаминами и микроэлементами, которые с ней получают люди. Сейчас эта проблема решается доставкой запасов сублимированных и предварительно упакованных разнообразных блюд, а также таблетированных витаминных препаратов. 

Свежие партии продовольствия регулярно отправляются на МКС, где астронавты недели, а то и месяцы напролет занимаются исследованиями. Но это очень дорого: отправка на космическую станцию килограмма пищевых продуктов еще несколько лет назад обходилась в суммы от $20 000 до $40 000. Хотя с тех пор стоимость и снизилась благодаря многоразовым ракетам-носителям, она все равно вырастет пропорционально расстоянию от Земли до точки назначения в дальних миссиях. В дополнение к этому со временем пища частично теряет свою питательную ценность и вкусовые качества — даже любимые продукты могут показаться безвкусными и утомляют однообразием. А еще проблема в упаковке: именно она разрушается в первую очередь. При этом еда может оставаться пригодной для употребления достаточно долго — до 18 месяцев, хотя и такие сроки уже не выглядят значительными ввиду длительности миссий. Не стоит и упоминать, что испорченные продукты могут навредить здоровью астронавтов, которым отнюдь не желательно болеть за несколько сотен тысяч километров от дома. Также это риск для всей миссии, цели которой оказываются под угрозой.

Все это стало для NASA основным аргументом в пользу экспериментов по выращиванию растений в условиях микрогравитации, в ограниченном пространстве и без солнечного света. Для этого четыре года назад был организован конкурс «Продовольственный вызов в глубоком космосе» для содействия развитию технологий выращивания в космосе растений с питательной ценностью. Конкурс проходил в несколько этапов с 2021 по 2024 год, а в число финалистов вошли проект искусственной системы фотосинтеза и система выбора пожаробезопасных блюд из имеющихся ингредиентов с длительным сроком хранения.

Помимо очевидной пищевой ценности, заинтересованность растениями в космосе объясняется и другими причинами. Например, они естественным образом вырабатывают кислород и снижают концентрацию углекислого газа в воздухе. То есть вполне могут стать частью экосистемы жизнеобеспечения астронавтов. И, наконец, уход за космическим садом положительно влияет на психическое здоровье астронавтов: так им легче принять факт изоляции вдали от привычных вещей и любимых людей. 

Что мешает системно выращивать растения в космосе

Проблемы очень разные и сильно разнятся в зависимости от дальности и продолжительности миссии. Главный исследователь австралийского Центра передового опыта в области растений для космоса (Centre of Excellence in Plants for Space, P4S) Дженни Мортимер поясняет, что «все зависит от того, где вы хотите их [растения] выращивать — на низкой околоземной орбите, на поверхности планеты или в транспортном средстве, ведь у каждого из этих вариантов есть свои сложности, хотя имеются и общие для всех этих ситуаций».

Главным препятствием ученые называют суровые условия космической среды, которые включают практически полный вакуум, экстремально высокие или, наоборот, низкие температуры и разрушительную солнечную радиацию. Кроме того, на Земле растения развиваются под действием гравитации. Она влияет на протекающие в клетках растений биогеохимические процессы, и на то, как корневая система получает питательные вещества для роста. В условиях невесомости растения теряют способность ориентироваться в пространстве, а инстинкт, при котором корни естественным образом растут вниз, а стебель вверх, исчезает. 

Высокие дозы радиации тоже имеют значение — в NASA подтвердили, что растения, которые их получили, меняются на уровне ДНК. И ученым предстоит выяснить, передаются ли эти изменения следующим поколениям. В то время как необходимые для роста ресурсы в космосе ограничены, хотя их можно частично компенсировать благодаря методам беспочвенного земледелия (гидропоника и аэропоника) и светодиодным лампам, сопоставимым по эффективности с солнечным светом. И последний фактор: ресурсы, то есть вода, свет и углекислый газ, требуются в строго определенных дозах. Их кто-то должен постоянно контролировать: либо автоматизированные системы, которые уже применяют, либо сами астронавты — а они довольно занятые люди.

Ранние эксперименты

Первые семена побывали в космосе в 1946 году — тогда их доставили на высоту 134 км на американской ракете V-2, но ученые так и не смогли потом прорастить их на Земле. Зато это удалось с семенами кукурузы, которые отправили на низкую околоземную орбиту четыре недели спустя после первой партии. А потом — с рожью и хлопком. Экспериментами тогда занимались Гарвардский университет и Военно-морская исследовательская лаборатория — им предстояло выяснить, как радиация воздействует на живые организмы. Кстати, в 1947 году в космосе побывали и первые животные (вернее, насекомые) — плодовые мушки, у которых много общих генетических признаков с людьми.

Спустя почти 20 лет, в 1966-м на борту космического корабля «Космос-110» на низкую околоземную орбиту отправились две собаки — Ветерок и Уголек, а с ними и новая партия предварительно увлажненных семян. Некоторые из семечек проросли и уже на Земле дали урожай салата, капусты и бобов.

Эти эксперименты не предполагали выращивание растений непосредственно в космосе, но помогли понять, как его условия влияют на семена и их дальнейшее развитие, всхожесть и урожайность. Еще один интересный эксперимент известен как выращивание «лунных» деревьев. Их высаживали на Земле дважды: после путешествий на Apollo 14 в 1971 году и на Artemis I в 2022-м. В первый раз инициатором был руководитель Лесной службы США Эдвард П. Клифф — он попросил астронавтов взять на борт космического корабля канистру с 500 семенами пяти видов деревьев. Позже NASA решило повторить этот эксперимент, и отправило около 2000 семян на борту космического корабля Orion на ракете-носителе Space Launch System. В итоге указанные семена, представлявшие флору 48 американских штатов, провели в космосе шесть недель и были переданы для посадки государственным и образовательным учреждениям на конкурсной основе. Что до семян из первой партии — они были высажены и в других странах. Например, на территории Великобритании можно встретить таблички рядом с «лунными» деревьями.

После «лунных» деревьев были и другие исследования. В 1982 году на советской станции «Салют-7» вырастили несколько видов кресс-салата (Arabidopsis) — и он стал первым растением, которое зацвело и дало семена в космосе. Еще раньше был рис на станции Skylab, где астронавты изучали влияние гравитации и света на его ростки. Экспериментировали с семенами в космосе и европейские ученые: в 2018 году Немецкий центр авиации и космонавтики отправил на низкую околоземную орбиту спутник EuCROPIS, на котором моделировали и испытывали работу двух теплиц. Там выращивали томаты в условиях гравитации, максимально схожей с гравитацией на поверхности Луны. Но эксперимент не дал ожидаемых результатов: теплицы работали нормально, а вот система орошения — нет.

МКС — основная площадка для выращивания растений в космосе

Эксперименты с отправкой и проращиванием в космосе семян показали хорошие результаты, поэтому исследования перенесли непосредственно в космос. И основной площадкой для их проведения стала Международная космическая станция. Интерес к теме в последние несколько лет подогревается новостями о будущих миссиях в дальний космос, в ходе которых люди начнут выращивать растения на Луне, а в перспективе — и на Марсе. 

В 2010 году увенчались успехом первые попытки вырастить на МКС капусту и несколько других видов растений. Например, в 2012-м астронавт Дональд Петтит смог зафиксировать на камеру не только прорастание, но и цветение подсолнечника. 

В 2014-м на МКС стартовал и до сих пор продолжается проект космического сада Veggie. Он помогает NASA изучать рост растений в условиях микрогравитации и вносить разнообразие в рацион людей, работающих на космической станции. В августе 2015 года американские астронавты впервые съели выращенный на станции урожай красного салата ромэн. А год спустя им удалось вырастить на МКС циннию — популярное садовое растение, которое считается частично съедобным.

Во многих экспериментах Veggie принимал участие Майк Хопкинс, которого называют космическим садовником. По его мнению, выращивание в космосе растений помогает астронавтам стать более самостоятельными и получить дополнительно ценный источник витаминов, пока они работают на МКС. В рамках эксперимента VEG-03I он пересадил растения, и их корневая система прижилась на новом месте. В эксперименте VEG-03J он использовал посевную пленку, разработанную в Космическом центре имени Кеннеди во Флориде. Эта пленка позволила освоить новый метод посадки салата прямо на орбите, в то время как раньше растения высаживали в подготовленный грунт еще до отправки на МКС. А VEG-03K и VEG-03L включали выращивание на борту космической станции горчицу «Амара» и китайской капусты пак-чой сорта «Экстра-карлик» соответственно.

«Растения, выращенные в космосе, служат источником пищи, который может улучшить питание астронавтов, одновременно делая будущие экипажи более самодостаточными, — рассказывает Хопкинс. — Во-вторых, эти растения связывают нас с Землей. Их вид, ощущения при прикосновении, вкус и запах напоминают нам о жизни на Земле, и эта связь полезна для нашего психического здоровья».

Другие исследования, Veg-04A и Veg-04B, позволили выяснить, как качество освещения и удобрения влияют на рост растений в космосе. Так ученые обнаружили, что разные цветовые спектры — красный и синий — частично определяют питательность листовых культур. В ходе совместного проекта NASA и ESA Plant Signaling удалось детально изучить воздействие гравитации на пророщенные семена. А при участии Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA) — подтвердить роль ауксинов, растительных гормонов, в росте корневой системы в условиях космоса. 

В 2017-м на борту МКС в дополнение к Veggie появилась еще одна система выращивания растений — Advanced Plant Habitat (APH), максимально автоматизированная и требующая минимального участия человека. Это замкнутая система жизнеобеспечения с камерой для разных экспериментов, позволяющих выяснить, что определяет вкус растений, выращенных в космосе, и как космическая среда влияет на их генетическую структуру.

Что в перспективе?

Исследование роли ауксинов, в котором участвовали японские ученые, в будущем поможет строить более эффективные космические установки для выращивания растений в космосе. А результаты проекта Plant Signaling — создавать более устойчивые к суровым условиям виды, используя генную модификацию. В австралийском Университете Аделаиды группа ученых P4S занимается выведением безотходных и одновременно питательных растений, таких как ряска, чтобы полностью переосмыслить принципы их выращивания под нужды астронавтов за сотни тысяч километров от Земли. Сейчас ученые из P4S и NASA совместно разрабатывают концепцию платформы, позволяющей астронавтам самостоятельно выращивать еду для длительных путешествий в дальний космос.

Также изучением факторов, которые больше всего влияют на развитие растений в космосе, занимаются ученые из проекта LEAF, известного как «Влияние Луны на сельскохозяйственную флору». Он будет охватывать основные сценарии выращивания растений на Луне и за ее пределами, и реализуется в партнерстве с NASA под руководством компании Space Lab Technologies. Как рассказывают в Space Lab, «после доставки образцов саженцев на Землю миссией Artemis III, исследовательская группа воспользуется передовыми инструментами системной биологии для изучения физиологических реакций на молекулярном уровне». 

В рамках проекта LEAF 40-килограммовая камера объемом 35 л будет перенесена с посадочного модуля на поверхность Луны. Ее электропитание обеспечат две солнечные панели, а вода будет подаваться с помощью поршневой системы — это позволит выращивать в дальнем космосе растения по методу гидропоники. Некоторые растения после космического путешествия отправятся обратно на Землю уже через несколько дней, но основная часть останется на Луне для дальнейших исследований. Виды растений, о которых идет речь, ранее уже побывали на МКС: это резуховидка (Arabidopsis), ряска (Wolffia) и одна из разновидностей репы огородной (Brassica rapa). Особый интерес представляет ряска: она очень питательная, оставляет мало отходов и быстро растет — биомасса удваивается примерно каждые двое суток. 

Грибы, в природе тесно связанные с растениями, также могут вскоре стать естественной частью будущих космических станций — в прямом смысле. Из мицелия, выращенного на Луне или Марсе, астронавты смогут строить прочные, безопасные и экологичные конструкции там же, на месте. Это направление NASA исследует в рамках проекта Mycotecture Off Planet. Ожидается, что в будущем астронавты смогут путешествовать с компактной конструкцией из легкого материала со спорами грибов внутри. После добавления воды она увеличится и превратится в полноценную среду обитания для человека. 

Еще одна интересная перспектива предполагает выращивание космических садов и огородов в медицинских целях. И речь уже не только о позитивном психологическом воздействии на астронавтов, пребывающих в длительной изоляции, но и об источнике фармацевтических препаратов. Сейчас в Food and Pharmaceutical Synthesis Division (FPSD) на экспериментальном уровне синтезируют их из растений и микроорганизмов — например, из спирулины, которая может служить основой для производства аспирина. Также рассматривается возможность отправки в космос предварительно модифицированных на генном уровне семян, из которых можно выращивать растения в медицинских целях. Это позволит астронавтам на Луне или Марсе относительно оперативно реагировать на угрозы здоровью. Правда, предварительно придется создать надлежащие условия и научить их производить и очищать лекарства из растений.