С момента освоения человечеством космического пространства возникло новое направление знаний — космическая биология и медицина. Это область биомедицинских исследований и технологий, изучающая взаимодействие живой системы со такими факторами космического пространства, как невесомость, космическое излучение, искусственная среда обитания в герметичном замкнутом объеме космического аппарата.
За годы развития космическая биология внесла большой вклад в развитие других наук. Например, в гравитационную биологию, изучающую зависимость функций и поведения живых организмов от величины и направления гравитационных воздействий.
Работы по созданию искусственных замкнутых экосистем, которые могли бы удовлетворить потребности человека в воздухе, воде и пище, начались в Советском Союзе в 1960-х годах. Красноярк — один центров исследований. И. А. Терсков и И. И. Гительзон создали новое направление в биофизике, их работы стали основой проекта БИОС [3].
Первая простейшая установка БИОС-1 состояла из двух звеньев, одноклеточной водоросли хлореллы и человека. Водоросли поглощали углекислый газ и выделяли кислород. Но проблема питания и утилизации продуктов жизнедеятельности не решалась.
При проведении биологических экспериментов на биоспутнике «Биос-2» (1967) был установлен искусственный источник гамма-излучения. В ходе исследований установили, что невесомость на биообъекты действует по-разному, у одних снижается радиочувствительность, у других — повышается.
Следующим этапом были биологические исследования в космосе на трассе Земля — Луна — Земля. Исследования шли в полётах советских автоматических станций серии «3онд» с сентября 1968 по октябрь 1970.
На борту станций размещали лук репчатый, семена растений и др. биологические объекты. Полёт стимулировал рост и развитие семян пшеницы, ячменя, лука, появление в них хромосомных нарушений. Эти изменения, как правило, не отличались от сдвигов, зарегистрированных в растениях, побывавших на низких околоземных орбитах. Относительно большое число перестроек хромосом отмечалось у семян сосны, ячменя, увеличение числа мутантов — у хлореллы.
Комплекс экспериментов с различными биообъектами (семена, высшие растения) был проведён на советском ИСЗ «Космос-368» (1970), ККС «Союз» и первой в мире орбитальной станции «Салют» (1971).
В 1972 году была создана уникальная биолого-техническая система БИОС-3, которая способна обеспечить необходимые условия для жизни экипажа из трех человек в замкнутом пространстве в течение нескольких месяцев. Бункер был разделен на четыре равных по площади отсека: жилой и еще три с растениями и водорослями. Каюты для экипажа, водорослевые культиваторы по очистке воды и выделению кислорода, высокопродуктивные установки на гидропонике с высшими растениями занимали площадь 300 кв. м.
Самый длительный и известный эксперимент занял 180 суток — с 24 декабря 1972 года по 22 июня 1973 года. Удалось достичь полного замыкания системы по кислороду и углекислому газу и почти полного (95 %) по воде. Экипаж получал 100 % необходимой растительной пищи (огурцы, редис, лук), выращенной в БИОСе.
В конце 1980-х годов финансирование проекта практически прекратилось и БИОС законсервировали [8].
По данным 2018 г. эксперименты велись только в технологическом корпусе: выращивают пшеницу и чуфу. Начали выводить тараканов в качестве источника животного белка.
Полноценный подобный эксперимент проводится в Китае: там построен аналогичный герметичный бункер. Китайские ученые добавили в эксперимент животный белок. Помимо пшеницы в замкнутой системе есть гусеницы.
«Чанъэ́-4» — китайская автоматическая межпланетная станция для изучения Луны.
Китайские ученые попытались создать замкнутую биосферу на борту посадочного модуля — контейнер высотой 198 мм и диаметром 173 мм. Он содержал воду, почву, воздух и организмы шести видов (семена хлопчатника, рапса, картофеля, резуховидки, яйца плодовой мухи (дрозофилы) и дрожжевые грибки), две маленькие камеры и систему контроля тепла для поддержания 25 градусов Цельсия.
В рамках биологического эксперимента на лунном модуле «Чанъэ-4» проросли семена хлопчатника. Он стал первым растением, проросшим на Луне и вообще за переделами Земли. Но с наступлением лунной ночи организмы погибли [12].
Основная идея проекта
Меня интересует создание лаборатории космической биологии, где будут выращивать различные растения. Сейчас существует достаточно много лабораторий, связанных с космической биологией, но практически все они находятся на нашей планете. Их почти не создают на других планетах, если же космонавты и летают в космос, то почти всегда они находятся на космических аппаратах.
Самой большой космической лабораторией является лаборатория на МКС. Мне было интересно создать проект лаборатории так, чтобы её можно было установить не на Земле, а на другой планете. Я остановилась на выборе Марса.
На Марсе, куда ещё не ступала нога человека, космических аппаратов и роботов побывало уже немало. Так же там есть космические лаборатории. Зачем же нужна еще одна?
Основная идея моей лаборатории — использование кристаллов.
Растения сейчас на других планетах нужны. Их используют для изучения, для получения пищи, и, что самое главное — для выработки кислорода. Человек на данной лаборатории не сможет находиться без скафандра (по крайней мере, пока растения не выработают достаточно кислорода, и температура не станет пригодной для существования человека), поэтому все работы должна выполнять автоматика.
Для упрощения конструкции можно использовать кристаллы. Можно вводить в них все необходимые макро-и микроэлементы, роботам останется только положить кристалл. Но о них чуть позже.
Выбор растений для полёта
На выбор растений я смотрела с точки зрения двух задач, для которых они будут использоваться.
Растения первой группы нужны для активной выработки кислорода, а растения второй группы — для пищи, которая нужна будет для будущих колонизаторов Марса.
В первую группу растений хорошо подойдут: алоэ вера, туласи, ним, орхидея, сансевиерия, фикус, оранжевая гербера, каланхоэ, а также растения семейства кактусовых и пальмовых [7].
Для растений второй группы подходят: пшеница, салат, горох, клубника.
Пшеница хорошо подойдет для проращивания. Она относится к семейству злаковых растений. Химический состав пшеницы полон витаминов и микроэлементов, в нее входит кальций, фосфор и магний, витамин В6 и В2, А, D и Е — в зародышах зерна, более 15 микроэлементов, некоторые из которых не синтезируются в организме самостоятельно.
Проросшая пшеница высококалорийная — 300 ккал в 100 граммах. Это связано с тем, что она полна полиненасыщенных жирных кислот и жиров. Многие из таких жиров содержатся только в рыбе дорогих сортов [11].
В дальнейшем при расширении лабораторий можно выращивать пшеницу, печь хлеб и другие хлебобулочные изделия.
Свежий горох можно употреблять в пищу в виде гарнира, варёным, для салатов. Сладкие «стручковые» сорта гороха можно использовать при жарке. Стручки гороха плохо хранятся, для дальнейшего использования в пищу лучше их сушить, замораживать в течение нескольких часов после сбора урожая.
Листовой салат [13] относится к ценным овощным культурам. В настоящее время является одной из самых распространенных овощных культур в мире. Он содержит витамины группы B, E, K, A, PP, C, минеральные вещества: железо, марганец, селен, медь, цинк. Калорийность листового салата — 15 ккал на 100 г продукта.
Салат хорошо сочетается с другими овощными культурами. Но хранится не дольше 2–4 дней, быстро теряет свои вкусовые и питательные качества.
Клубника содержит много клетчатки, необходимой для здоровья кишечника. В ней много витамина С, что полезно для иммунитета, здоровья кожи, волос и ногтей. Клубника знаменита своими антиоксидантными свойствами. Эллаговая кислота, флавоноиды (антоцианы) препятствуют росту бактерий, предотвращают воспалительные явления.
У клубники еще есть плюс — ее выращивание не требует слишком много места. В будущем, так как у нас будет лаборатория, мы можем позволить себе и более крупные растения — помидоры, огурцы, и даже, возможно какие-то ягоды, помимо клубники.
Выращивание кристаллов
Первые установки на «огородах» МКС были открытыми. Они были без стеклянных боксов, рядом с космонавтами. И не зацветали. Как оказалось, воздух, выдыхаемый человеком, его микрофлора, в условиях космоса угнетает растения, создает для них неблагоприятные условия. Кроме того, влагу при поливе у растений в таких условиях отнимает почва. Чтобы почва не оттягивала всю влагу — увлажнение должно быть постоянным.
Кристаллы важны для облегчения работы по выращиванию растений. Кристаллы необходимо обогатить водой, необходимыми для растений макро-и микро элементами. Таким образом, будет достаточно положить кристалл в землю к растениям для их выращивания.
Кристаллы будут заменять удобрения. В них будет содержатся всё то, что нужно растениям. А еще выращивание кристаллов — это менее затратно с экономической точки зрения. Необходимые для выращивания кристаллов химические элементы будут отправлять на Марс, в лабораторию. Для каждого растения нужны индивидуальные кристаллы, в которых будут содержаться нужные химические элементы.
Кристаллы достаточно просты в производстве. Для их изготовления нам понадобятся нужные химические элементы, термометр для воды, вода, средство её нагрева. Необходимо нагреть воду до 40 градусов, добавить в нужном количестве химические элементы. Через какое-либо время (зависит от кристаллов), мы получим раствор, который должен настояться 3–4 дня, в нём уже появятся кристаллы.
Есть уже созданные кристаллы, в которых содержатся нужные растениям элементы. К примеру, для оранжевой герберы и орхидеи можно использовать уже готовые кристаллы, это могут быть квасцы и специальный грунт для растений — пеностекло.
В пеностекле 60–70 % состава — кремний, который очень нужен растениям. Ещё в пеностекле содержатся оксиды железа, кальция, алюминия, магния, калия и натрия. В пеностекло достаточно лишь ввести достаточное количество водорода.
Отдельные кристаллы нужно создавать для алоэ вера, ним, туласи, клубники, помидоров, огурцов, малины и т. д.
Для таких растений как клубника, малина, огурцы и помидоры нужно не только макро-и микро элементы, но и настоящее солнце. В таком случае для растений необходимо выбрать подходящее место для лаборатории, либо добавить много дополнительного света.
Пшеница тоже будет важна на Марсе. Кристаллы можно завозить на Марс, потому что на самом Марсе необходимых химических элементов для создания кристаллов нет. Я предлагаю вывозить нужные химические элементы и вырабатывать кристаллы уже в лаборатории. Почти все кристаллы получают благодаря высокой температуре. Нужно нагреть воду (что можно сделать даже в обыкновенной кастрюле), добавить в эту нагретую воду химические элементы. После чего они должны настоятся, кристаллы готовы.
Внесение минеральных и органических удобрений способствует ускоренному и более дружному появлению всходов высеваемых культур, улучшают развития надземной вегетационной массы растений, лучше развивается корневая система культур [14].
Результаты эксперимента
Для эксперимента я выбрала горох.
Лучше всего в невесомости на борту МКС растёт горох, суперкарликовая пшеница и японская карликовая капуста «Мизуна». По словам ведущего научного сотрудника Института медико-биологических проблем РАН (ИМБП) Маргариты Левинских они не подвергаются генетическим изменениям и мутациям и пригодны для выращивания и, соответственно, потребления в условиях длительных космических полётов. Например, по гороху. За время исследований было получено четыре вегетации, причём в каждом следующем поколении растений был тот же уровень урожайности и репродуктивности [4].
Горох может быть востребован и как источник растительного белка и других полезных веществ, и как сидерат — лучший предшественник для любой другой огородной культуры [6].
Для выращивания гороха нужно яркое освещение, легкая почва, регулярный полив (один раз в неделю). В засушливую погоду и в период цветения и формирования плодов — два раза в неделю.
С помощью папы я изготовила макет экспериментального модуля. Он мне нужен был для проверки всхожести семян.
Мы изготовили короб, который обклеили внутри фольгой и на «потолок» подключили светодиоды, которые включали в темное время суток (ранее утро, вечер и часть ночи). Поскольку семенам гороха нужно много солнечного света, то использование светодиодов «продлевает» день, а фольга, отражая свет, увеличивает его «количество».
Рис 1. Макет экспериментального модуля
Перед посадкой семена я прогрела в течение пяти минут в горячем (40 ºC) растворе борной кислоты (2 г кислоты на 10 л воды). Эта мера снижает вероятность поражения гороха болезнями.
Для ускорения проращивания я замочила семена гороха в чашке Петри (рис. 2).
Рис. 2. Семена гороха в чашке Петри
Рис 3. Проросший горох в чашке Петри
На первоначальном этапе мы проверяли всхожесть семян при комнатной температуре. Нам нужно было подтвердить, что семена взойдут при использовании кристаллов, определить уровень их всхожести. Дальше я планирую провести эксперимент при 0 — +10 С температуре, «утеплив» макет экспериментального модуля.
Для эксперимента часть семян я оставила в чашке Петри. И определила, что всхожесть семян в чашке Петри была более 90 %. А всхожесть в коробе макета ниже — около 75 %
Для опыта выращивания квасцов мне понадобился: мерный химический стакан, 200 кальянные баночки, небольшая кастрюля, алюмокалиевые квасцы (K 2 SO 4 *Al 2 (SO 4 ) 3 *24H 2 O), кипяченая вода, пластмассовый шпатель, бинт, газета, термометр, емкость для хранения кристаллов.
Я поместила в кастрюлю жестяную банку. Кастрюлю поставила на электрическую плиту. Ждала до тех пор, пока температура воды не станет 40 градусов. Затем я стала добавлять каждую 1–2 минуты химические элементы алюмокалиевых квасцов и следила за тем, чтобы вода была не выше 50–60 градусов. Через 20 минут я получила готовый раствор. Я вытащила баночку и накрыла её сверху бинтом. Я оставила её на несколько дней, после чего в баночке появились к готовые кристаллы (квасцы).
В них содержатся углекислый газ, водород, кальций, бор и др. Кроме того, я ввела в состав квасцов калий и магний. Эти элементы — для выращивания растений. При введении в почву они преобразуются в жидкость. Т. е., по сути, в воду, насыщенную микро и макроэлементами.
В процессе эксперимента семена гороха выросли на 10 см., но половина из них зачахли. Значит, эксперимент частично удался. Но требует дальнейших исследований.
Литература:
- Большая советская энциклопедия. Космическая биология. https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/065/124.htm
- Взгляд в прошлое: эксперимент БИОС. Выход статьи 15.09.2018. https://clck.ru/RkXad
- Взгляд в прошлое: эксперимент БИОС. Выход статьи 15.09.2018. https://clck.ru/RkXad
- В космосе лучше всего растет горох и пшеница. //https://clck.ru/S8vbN
- Волошин А. Выращивание кристаллов в космосе: лекция // https:// https://clck.ru/S2v9g
- Горох: выращивание, хранение, сорта. // https://clck.ru/S8vfx
- Девять комнатных растений, которые выделяют кислород даже ночью.// hhttps://clck.ru/S8vGj
- Истории самых громких научных открытий в Красноярске.//Новости Сибирской науки. 21.10.2019.// https://clck.ru/S8uta
- Космическая медицина и биология. Сборник статей. Издательство «Знание». Серия «Космонавтика, астрономия». № 10, 1978 г..// http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/znan/1978/10/10-kosm-med.html
- Космические огороды — Научная Россия — 28.04.2016. //https://scientificrussia.ru/articles/kosmicheskie-ogorody
- Польза и вред ростков пшеницы для организма детей, советы по употреблению продукта в пищу. // https://clck.ru/S8vMn
- Растения на «Чанъэ-4» погибли. — Naked Science/// https://clck.ru/RkYeL
- Салат листовой. // https://clck.ru/S8vTJ
- Технология выращивания гороха. // https://clck.ru/S8vrh
- Участники проекта «Космическая одиссея» начали эксперимент в БИОС. // Новости Сибирской науки. 23.03.2017. // http://www.sib-science.info/ru/institutes/kosmicheskaya-odisseya-21032017
