Теплиці в космосі Відірвані від сили тяжіння

17 лютого 2020 · Теплиці в космосі - ось чого хочуть космічні подорожі. Але як рослини мають справу з гравітацією і чи можуть вони процвітати без неї в довгостроковій перспективі - загадка. Для дослідження цього вчені експериментують на параболічних польотах. Ви працюєте в підвішеному режимі 22 секунди і 31 раз, але ви також відчуваєте майже подвійну силу тяжіння.

Z з самого початку мова йшла лише про обертання. Технічна проблема, нічого серйозного. Під нами Атлантичний океан, спереду праворуч Бретань, тепер рейс повернувся до Бордо. Всюди довгі обличчя, і Даріо Рік'ярді, стоячи на колінах перед коробкою розміром з валізу, втратив усі посмішки. Вже не було й сліду від його ентузіазму супроводжувати сам експеримент, який він допомагав готувати місяцями в «Лабораторії нульової гравітації» у Франкфуртському університеті Гете.

Двигуни науки: зліва зображений жіночий силует, з іншого - чоловічий. sks
Марджорі Гічард, Гейдельберг та Майк Бемер, Франкфурт, працюють над IMPACT-Box, в якому молоді рослини арабідопсису відчувають різні сили гравітації в параболі, а потім фіксуються. Лікарі (у ніжно-блакитному та оранжевому кольорах) завжди на борту. Novespace
Складна система для делікатних рослин: під час тесту метанол припиняє їх лише після однієї єдиної параболи. Фото: Франкфуртський університет Zero G.-Lab

Рано вранці студент вставив шістнадцять пластин потомства в корпус, закрутив вісімнадцять гвинтів кожна, запустив потік і закрив систему. Його раптом серйозне обличчя видало напругу. Із туманною надією, що третій і останній день польоту все-таки може бути успішним. Тільки згодом. Може вдень? Це було 12 вересня, четвер, трохи після пів на дев’яту ранку. Ми пробралися по білих оббитих поверхнях до спинки кількох рядів сидінь, які ми щойно звільнили. Минулі таємничі коробки з усілякими кнопками, стовпами, кабелями, клейкими стрічками, попереджувальними повідомленнями - високі технології з чуттям саморобного, більше "Теорія Великого Вибуху", ніж "Космічна Одісея".

Це були проекти чотирнадцяти дослідницьких груп, талісмани яких сумно звисали зі стін без вікон. Якби все йшло за планом, ми бачили б сов, кроликів, жаб, лінивців - цілий плюшевий зоопарк із паперовими літачками в повітрі; зв'язали, інакше їх розстріляли б. Для франкфуртської команди на початку Фредерік, кажан, був щасливим оберегом. Не вперше, і в перші два льотні дні 34-ї параболічної польової кампанії Німецького аерокосмічного центру (DLR) знову все пройшло гладко, також для франкфуртських біологів та їх заводських короб. Як і годиться на ювілей: DLR проводить власні кампанії параболічних польотів з 1999 року. Двадцять років досліджень у невагомості - або з меншим гравітаційним ефектом, таким, як на Місяці чи Марсі. З цією метою з 2015 року використовується Airbus A310, який здійснив перший рейс у 1989 році і тимчасово використовувався як канцлер Airbus "Конрад Аденауер", перш ніж перетворити його на "ZERO-G".

Парабола від початку до кінця займає близько трьох хвилин

Початок невагомості

Кінець невагомості

Джерело: DLR/F.A.Z.-обробка joth., She.

Парабола від початку до кінця займає близько трьох хвилин

Початок невагомості

Кінець невагомості

g = сила тяжіння (9,81 м/с²)/джерело: DLR/F.A.Z.-обробка joth., sie.

Протягом двадцяти двох секунд гравітаційне тяга практично скасовується, і виконується ідеально контрольована парабола. Така фаза триває три хвилини від початку до кінця, загалом 31 за послідовність, з короткими перервами, наприклад для налаштування випробувального обладнання. Для цього команда чотирьох осіб льотного капітана Еріка Делесалле повинна працювати висококонцентровано протягом декількох годин: їм трьом у кабіні пілотів потрібно не тільки компенсувати турбулентність, але й точно пролетіти кути, щоб досягти нуля G. Скополамін, речовина, яка повинна полегшити пасажирам перемикання між нулем та до 1,8 г, майже вдвічі більше сили тяжіння, та запобігти нудоті, але яка може порушити координацію, для них табу.

Для пілотів навряд чи є різниця, чи є на борту вчені чи приватні особи, сказав Делесалле вдень першого дня польоту, вони в першу чергу виконують ті самі маневри та безпеку. Окрім цього, досвідчений пілот пожартував, що дослідникам, можливо, доведеться відмовитись від певного комфорту, адже "продуктивність" для них важливіша, ніж розвага. Якщо ви хочете добре провести час, вам байдуже, чи зможете ви відчувати себе невагомою протягом 18 або 20 секунд. Дослідники завжди хочуть більшого, тому Делесаль звик до цього. Нудно? Ні, ніколи не буде.

Французька компанія Novespace забезпечує Airbus головним чином для підготовки наук або космонавтів в аеропорту Бордо-Мериньяк, але також організовує приватні екскурсії в невагомість. Квиток за 6000 євро - це майже вигідна пропозиція, гроші приносять користь науці, яка надзвичайно складна, в рази дорожча і спирається на цей спеціальний A310 як апаратне забезпечення, наприклад, основні дослідники в галузі робототехніки, аеродинаміки, механіки рідин, космічних подорожей або неврологія. Наприклад, фізики подорожували до цієї 34-ї кампанії DLR із важким обладнанням для вивчення запиленої або складної плазми; Космічні лікарі перетягли із собою клітини раку простати, а фізіологи рослин привезли власний інкубатор.

Контрольні списки прискіпливо ведуться: те, що забуто для тестових серій в Airbus, іноді можна запозичити у колег з Університету Бордо, але під час подорожі в космос альтернатив немає, запасні частини рідкісні. І чим стабільніша система - і чим простіша у використанні, тим краще. Це також обговорювалося на підготовчому тижні і допомагало одне одному, адже незалежно від того, в якій галузі спеціалізувалися учасники, всі вони шукають технічні рішення напрочуд подібних проблем.

Більших неприємностей не виникало до того вересневого ранку, коли лобове скло опустилося високо над морем, і один з його шарів утворив жахливо красивий малюнок тріщин. Потрібна була заміна, і, ймовірно, пройшли б дні, перш ніж літак міг знову злетіти. Було сказано в неділю, і всі плани були скасовані. Хто міг, відкладав поїздку додому та стажування, продовжував прокат автомобілів та проживання та шукав фінансової підтримки. Зробіть усе можливе, щоб отримати більше даних та зберегти часом неповторні спроби. У плазмі немає проблем, але середовище для ракових клітин закінчувалося, і це також означало кінець для Даріо Рік'ярді та IMPACT-Box: 10 000 рослин відповідного віку не можна було просто викликати свіжими; Arabidopsis thaliana швидко росте, але часу не вистачало. Цей експеримент вже був би закінчений після першої параболи, введення метанолу за лічені секунди призвело б до загибелі рослин та збереження процесів у їх корінні, колись повністю відірвавшись від сили тяжіння.

Зрештою, зразки з перших двох днів польоту надійно затримуються: "Вони деякий час залишаться в морозильній камері, а друга кампанія може дати нам необхідну кількість копій", - сказав Майк Бемер з Франкфуртського університету, описуючи наступні кроки. "Або ми аналізуємо спеціально порівняно зі змінами, які ми вимірювали на параболічних польотах у попередні роки на рослинах дикого типу". У цій галузі досліджень ви навчитеся пристосовуватися до обставин та узгоджувати аналіз з ними, не жертвуючи науковою якістю.

Наразі в Бордо надією були ФЛУМІАС. У своїй імпровізованій лабораторії в Novespace біологи, які подорожували з Німеччини, зосередились на своїх експериментах з флуоресцентним мікроскопом, оскільки відповідальні за це інженери Airbus змогли продовжити своє перебування до вихідних. Її об'єктами не були окремі клітини або тканинні шари: «Це було б безглуздо для рослин. Ми не хочемо проводити дослідження артефактів, а навпаки спостерігаємо, як реагує багатоклітинний організм », - пояснив мету Бемер. Оскільки кальцій відіграє ключову роль як внутрішній сигнал, його команда та команда Крістофа Форрейтера з Марбурга протестували спеціальних мутантів, щоб побачити, як змінюється гравітація впливає на них під час параболічного польоту. Якщо кальцій виділяється в корені, флуоресценція в цих областях збільшується, він світиться червоним, і лише в Марбурзі для цього потрібно оцінити 60000 зображень мікроскопа. В університеті Гейдельберга теж постдоктор Марджорі Гічард певний час буде зайнята своїми аналізами, як Сандра Тіле з лабораторії Zero Gravity у Франкфурті.

Один пагін росте вгору, корінь вниз. Давно відомо, що рослини орієнтуються не тільки на світло, але і на силу тяжіння. Це називається гравітропізмом, а зерна крохмалю служать статолітами і підкоряються силі тяжіння: «Вони реагують на гравітаційне тяжіння, падають вниз. І що тоді? Ми намагаємося відповісти на це нібито просте запитання », - говорить Бемер. Ви знаєте, що відбувається через тридцять хвилин або днів, але не знаєте, що відбувається в перші шістдесят секунд реакції: Як виглядає початок каскаду сигналів? Які рецептори, які ферменти беруть участь? Це питання, які хвилюють клітинних біологів, оскільки в ланцюгу реакцій є певні прогалини, які також слід закрити, також в інтересах селекціонерів: якщо шторми частіше пригнічують поля в майбутньому, корисно знати, що допомагає рослинам знову випрямлятися, і відповідні можуть бути використані відповідно Сорти шукають і відбирають.

Для рослин це означає стрес, порівнянний із посухою та спекою, і молекулярна реакція спочатку може бути однаковою у кожній із цих надзвичайних ситуацій. Підстава ще не знайдено, але: "Ми хочемо розшифрувати каскад сигналів і зрозуміти, як працює взаємодія окремих процесів", - говорить Бемер. Хоча помідори, наприклад, придатні для тестових випробувань, гравітація досліджується за допомогою моделі нині добре дослідженого арабідопсису. Чи було б розумно втручатися, якщо це необхідно, можна визначити лише за умови відомих механізмів. "Ми не селекціонери, але ми надаємо основні основи", - резюмує Бьомер. Якщо збоку з’являться придатні сорти рослин для вирощування при меншій гравітації на Місяці або Марсі, це, звичайно, чудово, але не завдання.

Поки Бьомер та його колеги присвячують себе основним питанням, які важливі не лише для космічних подорожей, деякі вчені закликають їх зосередитися на корисних рослинах. Замість арабідопсису спробуйте помідори або сочевицю в невагомості. Наприклад, космічний інженер Пол Забель. Він розробив парникові системи для космосу і тому став садівником в Антарктиці (див. "За допомогою пензля".). “Причина, по якій я не так сильно думаю про модельні рослини, полягає в тому, що час на дослідження - на МКС - дуже обмежений. У космонавтів є інші справи. Крім того, тут є місце лише для невеликих рослинних камер, і я волів би вирощувати в них сільськогосподарські культури для вирішення конкретних проблем ». В іншому випадку вам доведеться повторити експерименти пізніше і спочатку порівняти результати. Це не повинна бути пшениця чи картопля, салати теж.

Якщо в якийсь момент ціллю є Марс, для пілотованих космічних подорожей не виникає сумніву, що вирощування рослин було б більш ніж вітається. Була б потреба у свіжих продуктах, багатих на вітаміни, тоді як зберігаються продукти втрачають свою харчову цінність в довгостроковій перспективі. Рослини також будуть затребувані як виробники кисню, оскільки витрати були б величезними, якби екіпаж мав перевезти все необхідне для своєї подорожі, яка триває 500 або 1000 днів туди і назад, залежно від сценарію. На більш ніж сімдесяти квадратних метрах вам довелося б вирощувати зелені насадження, щоб забезпечити кисневу команду з трьох осіб; якби використовувалося лише природне світло, для підтримки місії на Марс із шести осіб було потрібно 24 теплиці, кожна дев'яносто квадратних метрів кожна.

До цього в космосі потрібно створити більш доступний дослідницький центр: "Ми в процесі проектування теплиці для Місяця", - пояснює Забель. Спочатку його слід створити в типовому космічному модулі, а пізніше відправити на Місяць. Американська програма "Артеміда" раптово внесла рух у космічні подорожі як в політичному, так і в технічному плані: "Захоплюючі часи для нас, інженерів". Можливо, місячна станція буде побудована через шість-сім років. А може, через двадцять. Астронавт Esa Матіас Маурер уявляє собі Марсову місію, в якій є достатньо місця для експериментів, досить повільних і правильно спланованих, ніж поспішно викладених. Він є вченим з матеріалів і хотів би стійких технологій для таких розвідок. Оскільки ви не можете випробувати їх там, Місяць є наступною мішенню для тестів. "І було б непогано мати з собою щось зелене", - каже корінний Саар, який раніше не мав нічого спільного з садівництвом. Він стане наступним німцем, який полетить у космос і навчиться місії на МКС, де, можливо, буде радий, що зможе доглядати за рослинами.

Запрошений до 34-ї кампанії DLR, Моурер сам пояснив на борту, що приховано за ізольованими випробувальними одиницями. Поки французький астронавт Esa Томас Песке був частиною пілотної команди, Моурер закінчив параболічну підготовку пасажира на другий день польоту. У нього немає зеленого великого пальця, але йому цікаво, і як учений він хоче зрозуміти, про що йдеться в експерименті, "а не просто натискати кнопку, коли я підлітаю". Фізіологи рослин також змогли проілюструвати йому свої проекти FLUMIAS за допомогою детальних зображень. Вам не потрібно захоплюватися ботанікою, концепція цього флуоресцентного мікроскопічного аналізу досить захоплююча. Де ще ви можете побачити коливання кальцію або ніжні кінчики коренів, що сидять у мікрорідких чіпсах?

І не тільки вчені з матеріалів оцінять геніальний процес виготовлення «RootChips», який був розроблений Гвідо Гроссманном з Гейдельберзького університету. За допомогою фотолітографії їх можна зробити з м’якого силікону, щоб рослини Arabidopsis, яким майже тиждень, знайшли достатньо місця. Їх коріння ростуть на кілька мікрометрів у польоті, а живильне середовище протікає по дрібних каналах. Спеціально виготовлені міні-насоси підтримують його течію, зупинка впливає на реакції. Пластик також був би непридатним як матеріал-носій: "Наші колеги в Гейдельберзі випробували його та відшліфували канали", - сказав Бемер. Але поверхня занадто шорстка, коріння вдариться і почне свою програму «травми». Гострий стан гірший, ніж зниження сили тяжіння, і реакція перевищує будь-що інше.

Рослини не знають стану суспензії, в процесі своєї еволюції земля ніколи не втрачала своєї привабливості. Він все ще може досягти успіху у відстеженні механізмів, що існували мільйони років протягом 22 секунд. Однак третій рейс було скасовано - ремонт виявився складнішим, ніж думали спочатку. Але аналіз триває, і навесні 2021 року франкфуртська компанія зможе відправити свої заводи в космос за допомогою дослідницької ракети. ІМПАКТ повинен зменшитися до розміру барабана пральної машини, біологи винагороджуються п’ятихвилинною невагомістю. Слава приходить пізніше. Може бути.