Господин Свещаров
Разкази за съвременната биология (20)

Оранжерии в Космоса

Създаването на космически летателни апарати, способни да осъществяват орбитални полети около Земята и извън пределите на нейното притегляне, даде възможност на биолозите да изучават природата и поведението на живите организми с нови, недостъпни по-рано методи и при по-различни измерения на пространството и времето.

В провежданите по-рано космически полети космонавтите пребиваваха в чисто „техническо“ обкръжение. При тях рядко се намираха други живи организми и те бяха предназначени изключително за научни цели. Тези биологични обекти не се използуваха като елементи от системата за осигуряване живота на космонавтите. Същевременно колкото повече се развива космическата наука, толкова по-ясно става, че бъдещите поколения на нашата цивилизация ще овладеят околоземното пространство, ще го населят и ще пътуват из него. При това положение трудно можем да си представим, че бъдещите продължителни полети на групи от космонавти ще протичат в чисто техническо обкръжение.

Естествено човекът е бил и ще остане основното звено на биологичната верига, състояща се от многобройни микроорганизмови, растителни и животински видове, без които той не би могъл да просъществува продължително време в Космоса. Затова именно на съветските орбитални научни станции се провеждат толкова сериозни генетични, ембриологични, физиологични и морфологични изследвания върху микроорганизми, тъканни култури, висши растения и животни. Резултатите от тези изследвания ще помогнат за установяване на практически важните за човека биологични видове, които при бъдещите космически полети ще се използуват с пълна сигурност за създаването на бордова „екологична“ система, необходима за нормалния живот на космонавти, на които предстои продължителен полет в Космоса.

Тук искаме да направим малко, но твърде интересно отклонение от темата, което се отнася до един птичи вид, предлаган за включване в системата за осигуряване живота на космонавтите. Става дума за малкия японски пъдпъдък. При този вид птици поколенията се сменят много бързо и те притежават висока носливост. Възрастният пъдпъдък (на 90 дни) тежи 100 г, а женската — 150 г. За една година тя снася 300 яйца с обща маса 3 кг. Това превишава 20 пъти масата на самия женски пъдпъдък, докато една кокошка за една година снася яйца, чиято обща маса е само 8 пъти по-голяма от нейната. За да се установи доколко дадено животно е „рентабилно“, в състава на екологичната система на космическия кораб е въведен индекс на трансформация. Той показва каква част от изразходваната енергия за храна на животното се използува след това от човека. Оказало се, че месото на зайците възвръща само 6% от изразходваната енергия, месото ма пилетата-бройлери от тази гледна точка е почти 2 пъти по-изгодно, а яйцата на кокошката произвеждат повече от 20% от изразходваната енергия. Най-висок индекс на трансформация е получен при японския пъдпъдък. В клетка от 1 м³ може да се получат годишно 130 000 пъдпъдъчени яйца, или 1,5 т яйчена маса. Яйцата и месото на пъдпъдъците не отстъпват по вкусовите си качества на кокошите.

Твърде важна съставка на изкуствената екологична система на борда на орбиталната станция или на междупланетния кораб на бъдещето са растенията. Отглеждани в специално построени за целта космически оранжерии, те могат да осигуря кислород за дишането на хората и, разбира се, пресни хранителни продукти, които така осезателно липсват в менюто на космонавтите днес. Сега в космическите кораби се употребяват предимно консервирани, лиофилизирани и сравнително малко прясно замразени храни. Държането им обаче продължително време в космическите кораби не се препоръчва, тъй като качеството им след определен период започва да се влошава — в тях настъпват необратими промени, витамините се разрушават и хранителните им свойства стават непълноценни. Освен това тези храни бързо омръзват на космонавтите и те започват да губят апетита си. Тази е впрочем и една от основните причини, която накара специалистите по космическа биология и медицина да обърнат поглед към космическите оранжерии.

Първоначално бяха заложени опити със сладководното микроводорасло хлорела. Нейната непретенциозност към условията за развитие и бързото натрупване на биомаса накара някои учени да бъдат прекалени оптимисти по отношение на отглеждането й в Космоса и те дори я нарекоха космическо жито. На борда на станцията „Салют–6“ космонавтите Романенко и Гречко отглеждаха хлорела в прибора „ИФК–2“, в който се изследваше динамиката на растежа й. Заедно с пристигналия по-късно на борда на станцията чехословашки космонавт Ремек те установиха, че в Космоса хлорелата расте от 3 до 5 пъти по-бързо, отколкото на Земята. Освен това те установиха известни морфологични промени в клетките на хлорелата, както и в ултраструктурната й организация. Тези данни са в разрез с хипотезата на френския учен Полард, според която безтегловността действува крайно неблагоприятно на клетки, по-малки от 10 микрона. Резултатите от опитите с хлорелата са твърде обнадеждващи, но само по отношение на фотосинтетичната й способност да отделя значителни количества кислород, защото, както вече казахме в разказа за микроводораслите, специалистите все още не са намерили рационален начин за разграждане на здравата целулозна обвивка, която плътно обвива микроскопичната клетка на водораслото и прави недостъпни за човешкия организъм затворените в нея ценни хранителни вещества и витамини.

За извършване на опити с висши растения на орбиталната станция „Салют–4“ имаше монтирана инсталация, наречена „Оазис“. Това в същност бе малка зеленчукова градина. Първите опити в нея заложиха Губарев и Гречко, които засадиха грахови семена. Резултатите от този опит не бяха добри — от засадените 36 зърна поникнаха само 3. И те загинаха след 3–4 седмици. Когато на станцията дойдоха Климук и Севастиянов, те промениха постановката на опита. За разлика от първия опит, при който граховите зърна, респективно пониците, били ориентирани безпорядъчно спрямо светлинния източник, в случая граховите поници били обърнати към лампите. Скоро зеленчуковата градина се раззеленила и в „лехите“ заедно с граховите поници се показали и острите зелени листа на лука, който двамата космонавти взели със себе си от Земята.

Специалистите извлякоха от опитите с граха и лука важното заключение, че докато на Земята корените проявяват силно изразен геотропизъм, който ги кара да се насочват винаги надолу, по посока на земното притегляне, то в Космоса корените растат по ос, противоположна на стъблото. Първите космически маратонци Ковальонок и Иванченко, които летяха през 1978 г., също засадиха в космическата оранжерия лук и арабидопсис. Растенията се развили добре, „оранжерията“ се зеленеела по време на целия им полет и двамата космонавти често си похапвали, и то с голямо удоволствие, от свежите зелени стръкчета на лука. Тези опити бяха първото сериозно доказателство в подкрепа на предположението, че липсата на тегло не би се отразила фатално върху развитието на растенията при положение, че останалите необходими условия са налице.

Основавайки се на изследванията, проведени на космическия комплекс „Салют–6“ — „Союз“, съветските учени стигнаха до заключението, че в условията на космическия полет стимулирането на растенията с електрически ток може да намали действието на неблагоприятните фактори, свързани с безтегловността. Първите опити за електростимулация бяха проведени с орхидеи. От 30-те хиляди вида, виреещи днес на Земята, били подбрани 8 в зависимост от декоративните им качества и продължителността на цъфтене. Взети били пред вид и алергичното въздействие на орхидеите върху космонавтите и непретенциозността им по отношение на влагата и хранителния състав на почвата.

Съветските ботаници създали красива художествена композиция от цъфнали орхидеи, която била доставена на борда на „Салют–6“. За най-голямо съжаление и на учени, и на космонавти цветовете почти веднага повехнали, макар самите растения да продължавали да се развиват. След 110 дни, прекарани в Космоса, два контейнера с орхидеи били върнати на Земята. С един от следващите товарни кораби „Прогрес“ били доставени нови контейнери с цъфтящи орхидеи, но съдбата им била същата!

Към края на 1980 г. беше съобщено, че в Ботаническата градина на Украинската академия на науките цъфнали орхидеи, върнати от космическото пространство. Директорът на Ботаническата градина акад. Гродзински заявил, че продължителното пътешествие в космическото пространство не е попречило на растенията да възобновят нормалното си развитие на Земята, което свидетелствува за способността на орхидеите задоволително да понасят условията на безтегловност. В първите 2–3 месеца на полета орхидеите почти прекратили растежа си, но след периода на адаптация към условията на безтегловност отново започнали да растат. Към края на космическата експедиция прирастът на стъблата, листата и корените почти съответствувал на нормата.

Този опит потвърдил предположението на съветските ботаници, че епифитните растения успешно може да се приспособят към живот в Космоса. За тях силата на тежестта не е от решаващо значение, тъй като те растат по дърветата, в хралупите, залавят се в цепнатините на кората и пр. Засега ботаниците не са уверени дали при полет не се нарушава образуването на важните за растежа на растенията фитохормони, които се образуват под въздействието и на гравитацията. Според акад. Гродзински проведените опити с орхидеи са навели специалистите на мисълта, че за нормалното им развитие в космическото пространство на растенията са нужни собствени „тренажори“. Това в същност са устройства, с чиято помощ може да се имитират земната гравитация, електромагнитно поле и пр. Сега ботаниците изследват причините, поради които орхидеите „отказали“ да цъфтят в орбиталния комплекс.

Космонавтите Кизим, Макаров и Стрекалов, които летяха на „Салют–6“ в края на 1980 г., също продължиха опитите върху растителни обекти. В частност те изучаваха възможността да компенсират отсъствието на гравитационния фактор в развитието на растенията чрез въздействие с насочена светлина и електрически ток. При симулирани опити на Земята с помощта на електростимулация биолози от Смоленския филиал на Селскостопанската академия на СССР „Д. А. Тимирязев“ и Института по електрификация на селското стопанство получили твърде насърчителни резултати при отглеждане на лук, грах и пшеница.

До този момент от всички опити с растения най-голям успех е получен с растението арабидопсис, което има много къс цикъл на развитие и затова е удобно за провеждане на генетични опити. На шега дори го наричат ботаническа дрозофила. Арабидопсисът единствен досега е цъфнал в Космоса и макар че също не е образувал семена, този факт е твърде обнадеждващ за специалистите по космическа биология. Не бива да се пренебрегва също така и фактът, че по време на полета на космонавтите Ляхов и Рюмин на „Салют–6“ се е раззеленила ябълковата фиданка, изпратена на борда на космическия кораб от Млиевската опитна станция в Украйна.

Използуваните днес космически „оранжерии“ представляват конструирани по специален начин вегетационни съдове, в които циркулират вода и разтворени в нея минерални соли. Като среда за растене се използуват влакнести йонити, които заменят земната почва. Предполага се, че за да се задоволят нуждите на един космонавт от кислород и прясна зелена храна, е необходима оранжерийна площ от около 16 м². При сега съществуващата космическа агротехника тази оранжерия може да задоволи 60–70% от необходимите на космонавта хранителни продукти. За съжаление едно такова съоръжение ще изразходва 4 киловата електроенергия на час за осветяване на растенията и за отвеждане на неизползуваната топлина, което е прекалено много за възможностите на съвременните орбитални станции. Поради това сега се разработват съоръжения, които включват сложни системи за осветяване на оранжерията със слънчеви лъчи.

Около космическите оранжерии има все още доста нерешени проблеми. Така например все още не е намерен най-рационалният метод за отглеждане на растенията в тях. Досега на орбиталните станции функционираха т.нар. хидропонни системи, при които се използуват изкуствени почви от торф, перлит или някои видове полимери. Размерите на тези системи, а и масата им са все още доста големи. Затова в последно време погледите на специалистите са насочени към аеропонния метод за отглеждане на растения. При него растенията се закрепват в индивидуални гнезда в плоскостта на капака, а корените им висят свободно във вана. В нея са монтирани дюзи, които оросяват корените на растенията с хранителен разтвор. Преимуществото на този метод е повече от ясно — при него растенията не са прикрепени към някакъв субстрат и винаги може лесно да се преместват. Доскоро на аеропонния метод пречеше едно неприятно за космическите растениевъди явление — вследствие на безтегловността аерираният воден разтвор показваше тенденции към образуване на мехурчета и на по-едри водни капки. Сега вече има разработени специални приспособления, които незабавно изсмукват неизползуваната част от хранителния разтвор. Едновременно с усъвършенствуванията, които се правят по аеропонния метод, учените се стремят да разработят и по-рационални методи за култивиране на растенията. Усилено се търсят и изпробват среди за развитието им, т.е. на изкуствена плодородна почва, която да почива на базата на йонообменните смоли. Смята се, че най-добрата почва за космическите оранжерии би била тази, която ще почива на принципа на капилярните сили. В нея течността ще се придвижва като по фитил, което ще направи ненужна допълнителната система за изсмукване на неизползувания воден разтвор.

Независимо от това, че първите опити в областта на космическото растениевъдство не са особено успешни, учените смятат, че няма основания за песимистични изводи. Сега те са се заели много сериозно с въпроса да повишат продуктивността на растенията, които ще се отглеждат в космическите оранжерии. Вниманието им е насочено към 4 групи растения. Към първата група спадат фасулът, грахът, соята, пшеницата и оризът, които натрупват белтъци. Към втората група принадлежат фъстъците, соята, сусамът и др., които натрупват мазнини. Третата група са картофите, бататите, пшеницата, захарното и кръвното цвекло, морковите, зелето и алабашът, които натрупват въглехидрати. Към четвъртата група спадат чушките, магданозът, копърът, лападът, спанакът, лукът, репичките и др., които натрупват витамини. Разбира се, наред с изброените и добре познати на всички ни растения може да се отглеждат и някои тропически или субтропически видове, но засега все още няма достатъчно добре разработена технология за тях. Както виждате, отглеждането на такова разнообразие от растителни видове в космическите оранжерии ще позволи на космонавтите да разполагат с прясна, богата на витамини и на основните хранителни съставки растителна храна, която заедно с останалата част от рациона им ще съдействува за балансирано и пълноценно хранене в космически условия.

Тук му е мястото да отбележим, че усилията на космическите ботаници и растениевъди не спират дотук. Техните амбиции са по-големи и поради това те вече разработват проекти за оранжерии, които ще бъдат построени на бъдещите лунни бази. Установено е, че при симулирани условия пшеницата, морковите, цвеклото, репичките и някои други растения могат да дават напълно задоволителни добиви в условията на лунното денонощие, което се равнява на 29,5 земни денонощия. В продължение на 15 дни съветски специалисти отглеждали растителни кълнове по хидропонен начин върху кермазит при непрекъснато осветление. В хранителния разтвор били включени добавки от желязо и някои микроелементи. Температурата на въздуха била 23–25°C. След това „започнала“ лунната нощ — растенията били поставяни за същия период в тъмна камера при температура на въздуха 2–3°C. Вместо хранителен разтвор се използувала вода от водопроводната мрежа, като поливали растенията през 3 денонощия. Оказало се, че получената по този метод „лунна“ пшеница по количество била приблизително равна на контролния опит, но зърната били по-леки. Това било свързано с известни нарушения в наливането на зърното през третата „лунна“ нощ.

Научните програми за създаване на космически оранжерии, които вече са разработени и се изпълняват, освен задачата да осигурят изкуствена екологична система в космическите кораби и станции имат и друга голяма задача — получаването на теоретични данни в областта на биологията на растежа и развитието на растенията, на физиологията, генетиката им и пр. Основната задача на тези програми е да се изследва влиянието на радиацията и безтегловността върху процесите, които протичат в растителните организми. Освен това научните изследвания, които се извършват в космическите оранжерии, със сигурност ще доведат до разработването на нови методики и технологии за по-рационално и по-ефективно отглеждане на растенията в земните оранжерии и за значително повишаване на добивите от тях. И за да не бъдем голословни, в заключение нека да отбележим, че практическата полза от космическата информация, получена само от орбиталната станция „Салют–4“, бе оценена на сума между 50 и 70 милиона рубли!