Будем ли мы когда-нибудь колонизировать Космос?
Будут ли наши дети посещать другие планеты? Чтобы ответит на эти вопросы нам нужно понимать одну важную вещь: сможем ли мы прокормить себя в длительных путешествиях вдали от Земли?
Полет на Марс займет несколько месяцев. Но исследовать глубины Галактики придется несоизмеримо дольше. И обеспечение питанием путешественников будет серьезной проблемой. Брать запасы еды с собой и хранить их на борту космического корабля очень неэффективно. Как с точки зрения ограничений по весу и пространству, так и с точки зрения их сроков хранения. Важное значение для решения этой проблемы будет иметь пища, растущая непосредственно на борту космического корабля.
Однако все не просто так. Условия, существующие в вакууме, довольно суровы по сравнению с земными. Семена в космосе должны выдерживать большие дозы ультрафиолетового и космического излучения. А так же низкого давления и невесомости.
Интересно, что первыми космическими путешественниками были семена. В 1946 году американцы запустили ракету V-2 с семенами кукурузы, чтобы изучить, что произойдет при воздействии на них радиации. С тех пор научному сообществу стало известно многое о влиянии космической среды на всхожесть, обмен веществ, генетику, биохимию и даже производство семян.
Астробиологи Дэвид Тепфер и Сидней Лич провели работу на очень интересную тему. Они изучали то, как изменились семена после возвращаться на Землю после продолжительных периодов пребывания на МКС. Эксперименты, которые они проводили в рамках миссии EXPOSE, были намного длиннее, чем многие другие эксперименты с семенами, проводившимися в космосе. И, к тому же, семена находились снаружи станции, а не внутри ее. Цель эксперимента заключалась в том, чтобы понять не только последствия длительного радиационного облучения. Но и природу молекулярных механизмов этих эффектов.
Семена имеют некоторую защиту
Семена обладают несколькими удивительными особенностями. Именно они, как предположили Тепфер и Лич, дают этим «космическим путешественникам» шанс на выживание. Семена как правило, защищают свои важные внутренние области мощным внешним слоем. К тому же они содержат несколько копий важных генов – то, что ученые называют избыточностью. Генетическая избыточность достаточно широко распространена у цветущих растений. Особенно у тех, которые мы используем в пищу. Таких, например, как арбуз и клубника. И если одна генетическая копия повреждена, есть еще одна возможность выполнить нужную работу.
Все семена содержат химические вещества, называемые флавоноидами. Они действуют как солнцезащитные средства, защищая ДНК семян от повреждения ультрафиолетом. К тому же атмосфера нашей планеты отфильтровывает часть вредного ультрафиолетового излучения, прежде чем оно достигнет нас. Но в космосе нет защитной атмосферы.
Будет ли этого достаточно, чтобы позволить семенам выжить? Чтобы узнать это, Тепфер и Лич провели серию экспериментов – как за пределами Международной космической станции, так и на Земле.
Бомбардировка энергией
Эксперимент EXPOSE-E начался на Международной космической станции (МКС) в 2008 году. Он продолжался 558 дней. То есть в целом чуть менее двух лет.
Семена находились снаружи МКС за специальным стеклом. Оно пропускает ультрафиолетовое излучение только на длинах волн от 110 до 400 нанометров. ДНК легко поглощает УФ-излучение в этом диапазоне. Второй, идентичный набор семян был внутри МКС. И он был полностью защищен от УФ-излучения. Цель этого эксперимента состояла в том, чтобы наблюдать эффекты от УФ-излучения отдельно от воздействия других видов излучения. Таких, например, как космические лучи, которые находятся в космосе повсеместно.
Тепфер и Лич выбрали семена табака и растения Arabidopsis для эксперимента EXPOSE-E. Потому что у них есть избыточный геном. И, следовательно, хорошие шансы на выживание. Также они добавляли в генетически модифицированный табак с избыточным геном устойчивости антибиотики. Замысел заключался в том, чтобы позже проверить этот ген у и определить, был ли нанесен какой-либо ущерб. В дополнение к нормальному Arapidopsis ученые отправили на МКС два генетически модифицированных штамма растения. Они содержали низкие и отсутствующие УФ-защитные химикаты в их семенах. Также в космос были отправлены очищенная ДНК и очищенные флавоноиды. Это дало исследователям широкий спектр сценариев, позволяющих понять влияние космоса на семена.
Второй эксперимент на МКС под названием EXPOSE-R включал изучение только трех типов семян Arabidopsis. Они получили более двойной дозы ультрафиолетового излучения из-за более длительной продолжительности эксперимента – 682 дня. Также исследователи провели наземный эксперимент в лаборатории на Земле. В ходе него Arabidopsis, табак и семена Ипомеи облучались очень высокими дозами ультрафиолетового света в течение месяца.
Проведение экспериментов в различных условиях воздействия позволило ученым выяснить, насколько хорошо семена сохранили свои свойства.
Что будут делать ученые?
Когда семена вернулись на Землю, исследователи измерили скорость их прорастания. То есть того, как быстро всходы появятся из засеянной ими почвы.
Семена, которые находились в лаборатории и не подвергались воздействию, выжили практически все. И более 90 процентов из них проросли. Из семян, которые были подвергнуты воздействию УФ-излучения в течение одного месяца в лаборатории, проросли более чем 80 процентов.
Для защищенных «космических» семян, успешно взошедших, составила 60 процентов. И лишь 3 процента семян, находившихся в открытом космосе, оказались живыми.
11 растений Arabidopsis, выращенные как из неизменных, так и из генетически модифицированных семян, не дали всходов после высадки в почву. Остальные табачные растения показали снижение роста. Однако темпы роста восстановились в последующих поколениях.Табак имеет гораздо более плотное семя и более избыточный геном. Именно это может объяснить его очевидное преимущество в выживании.
Когда исследователи «подключили» бактериям ген устойчивости к антибиотикам, они обнаружили, что он все еще функционирует после полета в космос. Это открытие говорит о том, что это генетическое «нарушение», не делает эти семена менее жизнеспособными. Тепфер и Лич объясняли снижение скорости прорастания семян повреждением не ДНК, а других молекул в семенах. Таких, например, как белки. Резервный геном или встроенные механизмы восстановления ДНК не предназначены для преодоления полученного ущерб. Это объясняет тот факт, что растения не выживали при высевании.
В наземных экспериментах исследователи обнаружили, что радиационный ущерб зависит от дозы. Чем больше радиации получают семена, тем хуже их скорость прорастания.
Для будущего человечества
Эти открытия могут дать полезную информацию для будущих исследований в области космической агрономии. Ученые и дальше будут исследовать генетически модифицированные семена, чтобы обеспечить дополнительную защиту клеточного механизма, необходимого для синтеза белков, таких как рибосомы. Дальнейшие исследования также будут направлены на то, как семена, хранящиеся в космосе, прорастают в условиях невесомости, а не в условиях Земли.
Исследователи постоянно расширяют знания того, как пространство влияет на растения и их семена. И мы будем продолжать делать шаги, необходимые для организации производства пищи в космосе. Это будет решающим шагом к появлению устойчивых колоний на других планетах. Которые смогут выжить за пределами комфортных границ биосферы нашей родной планеты.