Исследователи вырастили крошечные растения в лунном грунте

Анна-Лиза Пол много лет пыталась заполучить настоящие образцы лунного грунта, собранные астронавтами эпохи Аполлона. После того, как она несколько раз уточняла своё исследовательское предложение, НАСА наконец удовлетворило её просьбу в 2021 году, позволив её команде попробовать выращивать крошечные растения в лунной почве, которая была безжизненной в течение миллиардов лет.

Команда Пол опубликовала свои выводы в новом исследовании в журнале Communications Biology во вторник 10 мая. Учёные утверждают, что их эксперимент даёт возможность лунным астронавтам заниматься собственным тепличным хозяйством через пару десятилетий, что позволит им обеспечивать себя пропитанием. «Через два дня мы были поражены тем, что каждое семя проросло. Это было необычно и немного захватывало дух», — говорит Пол, космический биолог и генетик из Университета Флориды. «Мы наблюдали, как самые первые семена в истории человечества — в истории Солнечной системы — росли в лунном материале». (Исследователи не связаны с НАСА, но агентство помогло финансировать их работу)

Лунный грунт, называемый реголитом, который астронавты собирали в 1960-х и 70-х годах, чрезвычайно сложен для работы. Песчинки сухие, острые, абразивные и чрезвычайно мелкие, в них есть минералы и ионы, с которыми земные растения никогда раньше не сталкивались, и в них нет вообще никакой органики, потому что ни одно растение никогда не росло, а затем не умирало и не разлагалось на Луне. Чтобы сделать его похожим на земную почву, экспериментаторам нужно было добавить немного питательных веществ и воды. Воду также трудно найти на Луне, хотя она и существует.

Пол и её команда максимально использовали свой ограниченный запас подлинного реголита. Для каждого образца у них было около грамма или маленькой ложки материала, собранного с «Аполлона-11» — первой высадки человека на Луну в Море Спокойствия — и с миссий «Аполлон-12» и «17», которые приземлились к западу и северу от Луны.

Ранее они провели многочисленные эксперименты с таким смоделированным материалом, названным АО-1А (в честь Космического центра Джонсона НАСА), что позволило им точно настроить разбавленный питательный раствор — своего рода жидкое удобрение. Для экспериментального аппарата они посадили семена в планшет с 48 лунками, похожий на небольшой лоток для кубиков льда. Но они заполнили лишь несколько лунок: три лунной грязью плюс питательный раствор и четыре АО-1А плюс питательный раствор. Они повторили ту же настройку на трёх других планшетах, чтобы получить более точные статистические данные. Затем они переместили чашки из отдельных лотков для полива в вентилируемые террариумные ящики под лампами для выращивания. Коробки ограничивали поток воздуха, но не были полностью стерильными; вместо этого они смоделировали то, на что может быть похожа открытая лаборатория в лунной среде обитания с экипажем.

Маленькие растения, известные как кресс-салат (Arabidopsis thaliana), относятся к тому же семейству, что и брокколи, что делает их хорошей моделью для овощных культур. И, по мнению исследователей, они имеют преимущество в быстром росте. Когда проростки впервые появились как в лунной почве, так и в контрольных образцах, они всё ещё получали питательные вещества из запасов, хранящихся в самих семенах. Но через неделю или около того появились различия. «Сеянцы в лунных образцах стали расти медленнее, и некоторые из них начали демонстрировать серьёзные реакции на стресс. Их корни были более изогнутыми и не такими здоровыми. Им было трудно», — говорит Пол.

Некоторые растения, казалось, адаптировались, в то время как другие выглядели всё более болезненными, их листья становились узловатыми и пигментированными. По сравнению с их аналогами, выросшими в вулканическом пепле, всем растениям лунной почвы потребовалось больше времени для развития широких листьев, они были меньше, а некоторые сильно отставали в росте.

Затем Пол и её команда провели генетические тесты на всех растениях, чтобы выяснить, какие метаболические инструменты растения использовали для адаптации к окружающей среде. Они обнаружили, что даже у более здоровых сеянцев была генная активность — гены, которые были выключены или включены, — указывающие на стресс. По словам Пола, эта активность сравнима с активностью растений, окружённых почвой со слишком большим количеством металлов или солей.

Тем не менее, у исследователей есть оптимистичный взгляд на будущее лунного садоводства, тем более что любые растения, выращенные в реальном реголите, улучшат почву для следующих поколений. «Я на позитивной стороне вещей. Тот факт, что у некоторых растений был стресс, а некоторые не росли, меня совершенно не беспокоит. Мы здесь, на Земле, получаем большой опыт выращивания растений во всё более солёной и сухой среде. Я не сомневаюсь, что мы научимся выращивать растения в лунном грунте», — говорит Роберт Ферл, коллега Пола и соавтор исследования.

НАСА провело несколько экспериментов после миссий по высадке на Луну в 1960-х и 70-х годах, которые вернули лунный материал, но это было совсем не похоже на то, что пытались сделать Пол и Ферл. «Небольшое количество материала реголита было в контакте с растениями, и данные показали, что серьёзных негативных последствий не было», — говорит Шармила Бхаттачарья, главный научный сотрудник НАСА по астробионике. Но новое исследование Пола и Ферла более амбициозно. «Это уникальный эксперимент по выращиванию растений в реголите, конечно, с дополнительным материалом. Это впервые, и поэтому мы очень взволнованы», — говорит Бхаттачарья.

Сегодня у НАСА не так много реголита, чтобы поделиться с учёными, но они постепенно передают его для высокоприоритетных исследований. Агентство недавно открыло один из последних образцов, собранных в 1972 году, для изучения реголита в районе посадки Аполлона-17. Новая программа «Артемида», преемница «Аполлона», сейчас набирает обороты, и, поскольку через несколько лет астронавты вернутся на Луну, агентство ожидает появления ещё многих образцов.

Изучение того, как выращивать пищу за пределами планеты, вероятно, будет важно, поскольку каждый грамм, доставленный в космос, занимает место на корабле и увеличивает его стоимость и потребность в топливе. Кроме того, в отдалённой, изолированной среде, такой как космическая станция или лунная среда обитания, немного зелени может иметь большое значение для психического здоровья экипажа, даже если оно не обеспечивает тонну еды. По этим причинам астронавты и исследователи уже начали тестировать различные способы выращивания пищи на Международной космической станции.

Исследование Пола и Ферла может стать важным шагом на пути к космическому сельскому хозяйству. «Это впечатляющее исследование по двум причинам. Они используют настоящие образцы «Аполлона» и применяют современные инструменты биологии», — говорит Кевин Кэннон, геолог и исследователь космических ресурсов из Колорадской горной школы, не участвовавший в работе. Но вполне возможно, что другие варианты выращивания растений и овощей без использования грунта, такие как гидропоника, аэропоника или выращивание клеток в реакторе, могут быть более эффективными для МКС или лунных миссий, говорит Кэннон.

С другой стороны, путешествие на Марс потребует длительных поездок и продолжительных посещений. А поскольку планета так далеко, будет ещё труднее доставлять продовольствие, что может сделать её лучшим местом для выращивания сельскохозяйственных культур в больших масштабах. Исследователи уже начали выращивать растения, в том числе кресс-салат, в смоделированной марсианской почве, и они могут попробовать поэкспериментировать с реальным растением, когда НАСА вернёт образцы из миссии марсохода Perseverance. Если это сработает, астронавт-ботаник вроде Марка Уотни однажды сможет выращивать картофель на Красной планете, но только после того, как кто-то изобретёт способы помочь земным растениям процветать, а не просто выживать в космическом реголите.

Тем не менее, для Пола и её коллег космическое сельское хозяйство или, по крайней мере, космическое садоводство — это будущее. «Здесь мы вводим часть Луны в биологию, и это работает. Для меня это так символично. Когда мы покинем Землю, мы возьмём с собой растения», — говорит она.