Первая космическая посевная завершилась в 1960 году, когда был выведен на орбиту советский спутник №2. Семена лука, кукурузы, пшеницы и других растений не выбросили еще первого листа, а Сергей Павлович Королев − вселенский аграрий, намечал обширную программу ботанических и агротехнических исследований.
Ботаническая программа Королёва
«Надо бы начать разработку «Оранжереи (ОР) по Циолковскому», − писал Генеральный конструктор, − с наращиваемыми постепенно звеньями или блоками, и надо начинать работать над «космическими урожаями». Каков состав этих посевов, какие культуры? Их эффективность, полезность? Обратимость (повторяемость посевов из своих же семян из расчета длительного существования ОР? Что можно иметь на борту станции из декоративных растений, требующих минимум затрат и ухода? Какие организации будут вести эти работы: по линии растениеводства (и вопросов почвы, влаги и т.д.), по линии механизации и «светотеплосолнечной» техники и систем ее регулирования для ОР?».
Эти тезисы легли в основу обширной исследовательской программы, которая должна была дать ответы на многие вопросы, связанные с длительными межзвездными экспедициями и обживанием ближнего космоса.
В Институте медико-биологических проблем создали лунный комплекс (НЛК), в котором провели серию медико-биологических экспериментов. Испытатели Г. Мановцев, Б. Улыбышев, А. Божко под руководством А. Машинского, к примеру, целый год возделывали экспериментальную плантацию. Комплекс состоял из оранжереи высших растений и соответствующий парк культиваторов, стимуляторов роста и контролирующей аппаратуры. Помимо научного и утилитарного назначения − выращивания «хлеба насущного» для космонавтов, опытная делянка была своеобразной зоной психологической разгрузки «небожителей».
Помню, как в одном из сеансов связи космонавт Г.Добровольский сообщал с борта станции: «Мы постоянно наблюдаем за этими растениями, нам доставляет удовольствие следить за тем, как они прорастают. И мы ежедневно по несколько раз в день заглядываем в наш зеленый уголок. Растениям здесь созданы нормальные условия. Они дважды в сутки подпитываются специальным раствором и освещаются тремя лампами».
«Ботаническую программу» С.П. Королева продолжил В. П. Мишин. Преемственность была конструктивной. В НПО «Энергия» по инициативе Василия Павловича создали лабораторию медико-биологического обеспечения космических полетов. Руководителем биологической группы и идеологом большинства экспериментов стал Александр Львович Машинский. Он сумел подключить к проблематике лаборатории прекрасные исследовательские кадры, вовлек в орбиту наших интересов десятки научных центров из всех союзных республик и, что немаловажно, обеспечил стабильное финансирование. Самое деятельное участие в этих исследованиях принимали мой учитель − известный генетик академик Н. Дубинин, директор Института ботаники Литвы академик А. Меркис, президент Академии наук Узбекистана академик А.Садыков, директор Института медико-биологических проблем академик О. Газенко, директор Института биофизики из Красноярска академик И. Гительзон. К полету первой орбитальной станции «Салют» наши «аграрии» создали аппаратуру, которая безотказно функционировала на всех модификациях станций. Технологии выращивания растений в невесомости работали дольше расчетных сроков.
Небесные лаборатории и экспериментальная база совершенствовались и в бытность Генерального конструктора В.П. Глушко. По рекомендации Валентина Петровича создали новое поколение оранжерей (разработчики НПО «Энергия», ВНИИбиотехника, ВИСХОМ, ИМБП, Белорусский институт физической химии ).Орбитальные делянки обладали искусственной силой тяжести, они были способны трансформировать солнечный свет, в них культивировали грибы и растительные «полуфабрикаты», которые пополняли меню космонавтов. Валентин Петрович полагал, что оранжереи пилотируемых околоземных объектов послужат моделью для инопланетных агрокомплексов. «Именно поэтому, − говорил он, − надо знать о растениях и их свойствах как можно больше, чтобы не ошибиться при отборе претендентов для космических оранжерей»…
Кстати, проблема роста растений без влияния силы тяжести имела свою предысторию. Родоначальник теории эволюции Чарльз Дарвин связывал изгибы у растений, возникающие под действием силы тяжести, с веществами, перемещающимися в зоны роста растения. Наш соотечественник − Холодный выдвинул гипотезу электрической поляризации клеток, вызываемой различием физико-химических свойств протоплазмы корня и стебля. В свою очередь Вент предположил, что за ростовые движения клеток отвечают полярные перемещения особых веществ-ауксинов. Истинность теоретических посылок мог подтвердить или опровергнуть только космос.
Первые растения были получены экипажем «Салюта» на установке «Оазис –1» в 1971году. Общий вид растений, судя по телесъемкам и фотографиям, свидетельствовал о том, что форма и размеры надпочвенных побегов (капуста хибинская, лен, крепис), не отличаются от контрольных саженцев. Поросль сориентирована на источник света, стебли прямые, листья вышли под естественным углом. Правда, отмечалась пониженная всхожесть семян, которую объясняли избыточным увлажнением. Космонавт Г. Гречко говорил, что вода не поступала туда, куда было нужно, огромные капли срывались с «лейки» и их приходилось собирать салфетками. Однако эксперимент удался: получили 23-дневные жизнеспособные растения. Вселяли оптимизм и другие агропрограммы.
Так, семена пшеницы дружно прорастали в различных модификациях модуля «Светоблок-М». Хорошие результаты в условиях длительного культивирование в невесомости показал редис сорта «Красный с белым кончиком» и капуста листового сорта «Хибинская» на «Мире», в оранжерее «Свет».
Проводились исследования и с культурами тканей лекарственных растений. Известно, что семена многих сельскохозяйственных культур заражены вирусами. Поэтому для получения чистого посевного материала используют культуру ткани растений. Это одно из важнейших прикладных направлений космической биологии. Например, во время советско-британского полета были впервые получены клубеньки картофеля из культуры ткани. Из лекарственных растений успешно исследовались культуры ткани женьшеня, шафрана, стевии (низкокалорийного заменителя сахара). Во многих экспериментах было отмечено повышение биологической активности культур лекарственных растений.
Орбитальные растения отличались от земных собратьев структурой клеток, биохимическим составом и динамикой роста. Но последующая серия опытов культивирования высших растений в длительных космических экспедициях не приносила утешительных результатов. На стадии образования цветов растения погибали. Хотя другие агропрограммы вселяли определенный оптимизм.
Цветок бумажный
Попробовали получить семена у луковичных, снова неудача... Невесомость влияла на газожидкостный обмен растений разрушительно. Возник ряд взаимообусловленных биотехнологических проблем, как то отвод метаболитов и выравнивание теплового баланса, поскольку естественная тепловая конвекция на орбите отсутствовала. Пришлось включить в эксперимент тропические орхидеи, чей эпифитный, то есть не наземный образ жизни должен ослабить геотропическую реакцию: поскольку корни орхидей в природе разрастались в разных направлениях, в поисках питательного субстрата тянулись вверх. Мы отобрали 8 видов орхидей, которые адаптировали к полетным условиям . На орбите у них образовывались новые листья и воздушные корни, но цветения не было.
− Я как физик никогда не могу согласиться, − упорствовал, не принимая наших доводов В.П.Глушко, − что невесомость может оказывать влияние на клетку…
В одном из телесеансов связи Владимир Ляхов резко сорвал перья лука, что весь телеэкран покрылся зелеными брызгами. Тогда и поверил Валентин Петрович, что с растительной клеткой что-то происходит.
Космонавты настолько близко к сердцу приняли оранжерейные неудачи, что однажды Валерий Рюмин передал в Центр управления полетом:
− У нас есть система с орхидеями. Так вот к прилету нашего вьетнамского друга Фан Туана в ней даже цветок вырос.
Мы определили вид цветущей орхидеи и с нетерпением ждали посылки из космоса. И получили... В одном из пеналов, среди листьев растений лежал красивый бледно-розовый цветок, искусно сделанный из бумаги…
Для стимуляции роста растений в невесомости конструкторы постоянно совершенствовали биотехнологии, сопрягая их с системами жизнеобеспечения космонавтов. В «Оазисе», к примеру, применили стимуляцию растений электрическим полем. Под воздействием искусственного поля растения росли в невесомости лучше, нормализовался их минеральный и биохимический состав, но цветов и семян по-прежнему не было. Использовали искусственную силу тяжести в бортовой центрифуге. Подтвердив тем самым, что в физиологическом смысле центробежные силы адекватны силе тяжести: проростки отчетливо ориентировались вдоль вектора центробежной силы. В другом устройстве − Магнитогравистате − изучалось ориентирующее действие неоднородного магнитного поля, влияние которого на прорости льна компенсировало отсутствие силы тяжести.
Виват, арабидопсис!
Шаг за шагом шли мы к первому большому успеху, который выпал на долю резушки или, как его называют по-латыни, арабидопсиса. Небольшое невзрачное растение арабидопсис обычно растет вдоль дорог, на отвалах, его семена созревают за 30 дней. В лабораториях всего мира оно используется как модель для генетических исследований. Установка «Фитон» была специально предназначена для культивирования арабидопсиса. Исследования проводились совместно с учеными института ботаники Литвы. Во время 211-ти суточного полета космонавтов А. Березового и В. Лебедева арабидопсис зацвел. Во время переговоров в Центре управления полетов Лебедев спросил меня:
− Могут быть у арабидопсиса стручки?
− Конечно.
− А какого они цвета?
− Сперва зеленые, потом темнеют до светло-коричневого.
− Значит, Галя, тебя и нас можно поздравить с успехом. Семь зрелых стручков и много созревающих!
Прибывшей на станцию Светлане Савицкой, космонавты галантно поднесли «Фитон» с цветами и плодами. Она тщательно зарисовала подарок. На ее рисунке было 7 цветущих растений высотой до 10 см с 27-ю стручками. На Земле в них обнаружили 200 семян.
Прохождение полного цикла онтогенеза, включая его генеративную фазу, в условиях космического полета имеет значение как в углублении понимании роли влияния невесомости на организм, так и в реализации проектов длительных космических полетов с замкнутыми ноосферными биолого-техническими системами жизнеобеспечения.
Накопленные нашими учеными знания и созданные биокосмические технологии приобретали общепланетарное значение. Первое длительное культивирование растений, первые корнеплоды, первые семена и даже двухлетнее выращивание карликового дерева на станции «Мир» - дали возможность утверждать, что в открытых установках в космосе нет вероятности получения цветения и плодоношения. Очевидно, что это связано с воздействием на растения техногенной атмосферы гермообъема в присутствии человека и условиями влажности в зоне роста растений.
Нами было высказано предположение, что рост и развитие потомства «космических» семян будет отличаться от потомства «земных» семян.
Для подтверждения этого в вегетационном модуле «Светоблок», изолированном от атмосферы кабины станции, был проведен эксперимент с растениями карликовой пшеницы короткостебельной. Длительность эксперимента 157 суток. Два растения пшеницы в стадии колошения были возвращены и доращивались на Земле. Было получено два колоса с 28-ю семенами.
Семена были подвергнуты рентгенографическому анализу, который показал изменение структуры семени в процессе его формирования. Было выявлено изменение формы внутренней оболочки семени и образование специальных слоев, которые не имеют аналогов в контроле. У потомства«космических» семян наблюдалась скрученность листьев винтообразной формы. В следующем поколении явление дезориентации повторилось, семена также сохраняли изменения. Хотя ДНК в клеточных структурах опытных растений не меняется, степень закрученности ее может быть иной, и это проявляется на начальных этапах роста растений, т.е. растения «запоминают» условия при которых они формировались в невесомости.
Обнаружение «памяти» у семян имеет практическое значение для технологий культивирования растений в длительных космических полетах и на других планетах. Речь идет о возможности воспроизводства семян в космосе, о чем писал С.П. Королев.
Принципиальный результат исследования вегетирующих растений в условиях космического полета заключается в экспериментальном подтверждении возможности вегетативного роста растений, в прохождении тех стадий развития, когда они могут быть употреблены в пищу. Практически это означает возможность использования витаминной оранжереи в системе жизнеобеспечения человека во время космического полета.
Вместе с тем, системы жизнеобеспечения современных космических летательных аппаратов в настоящее время основываются на запасах тех или иных компонентов и их частичной физико-химической регенерации. Это обеспечивает длительное пребывание человека в условиях космического полета, которое в настоящее время составляет 1 год 4 месяц (космонавт Валерий Поляков). В тоже время в США, Япония, ФРГ и других странах ведутся работы по созданию замкнутых экологических систем жизнеобеспечения, где наряду с человеком принимают участие биологические объекты и в первую очередь растения. Установленные закономерности воздействия невесомости на растения являются отправной точкой для выяснения роли силы тяжести в эволюционном развитии различных организмов на Земле и обеспечивают задел по созданию биорегенеративных систем для длительных космических перспектив.
Это предположение подтверждается исследованиями парамагнитных спектров у семян. В послеполетных семенах пшеницы количество ЭПР- спектров значительно выше, чем у контрольных, что свидетельствует о появлении свободных радикалов и активных молекул, которые ведут себя агрессивно по отношению к окружающим молекулам. Увеличение концентрации радикалов говорит также о том, что в клетке происходят деструктивные изменения, или химические, биохимические процессы цепного, необратимого характера. Исследования количественных характеристик свободно-радикального состояния было проведено на нескольких десятках семян различных растений. Эти изменения значительно отличались от контрольных вариантов и возрастали с увеличением сроков нахождения семян в условиях космического полёта. Почему мы настаиваем, что это именно память растений об условиях их культивирования? Потому что, по крайней мере, в двух следующих поколениях семян пшеницы, эти изменения сохраняются.
Результаты исследований с арабидопсисом, проведенные в Институте Ботаники Академии наук Таджикистана, полностью подтвердили наши исследования. ЭПР-спектры в космических семенах сохранялись повышенными у нескольких следующих поколений семян, после их длительного пребывания на станции «МИР». На каком уровне идёт запоминание информации ,мы не знаем. Может быть, на уровне мембран, цитоплазмы. Или носителем информации является вода? Это предмет дальнейших исследований. Однако обнаружение «памяти» у семян имеет практическое значение для технологий культивирования растений и в длительных космических полетах и на других планетах.