Семена для космического оборота! К 60-летию Человека в космосе

12 апреля 1961 года Юрий Алексеевич Гагарин совершил свой самый необычный оборот – оборот вокруг Земли на космическом корабле «Восток-1». Это был самый важный виток в развитии человечества. Эти 108 минут изменили мир.

Люди думали и были уверены, что не за горами полёты к другим планетам, что по турпутёвке скоро мы отправимся не только в Сочи, или на Байкал, но и куда-то в созвездие Персея. Однако, всё оказалось несколько иначе и виновата в этом – природа. Это она устроила так, что человек не может без… овощей. Но вне Земли с ними не всё так просто. Космос подтверждает это уже 60 лет.

Короткий поводок

Первый полёт в космос казался началом беспрерывного марафона. Однако, довольно быстро выяснилось, что это был колоссальный скачок, но скачок на орбиту. Орбита Земли на долгие десятилетия оказалась для человека только стартовой чертой и остаётся таковой по сей день. Мы просто физически пока что не можем покинуть Землю надолго.

Как бы ни был высок энтузиазм, каким бы ни был смелым конкретный космонавт, но даже самый смелый должен дышать и хочет кушать. Космонавтам нужно продовольствие даже для самых коротких полётов его нужно доставлять с Земли.

Кстати, Юрий Гагарин был не только первым космонавтом, но и первым человеком, отобедавшим в космосе. Так что гастрономическому освоению космоса тоже в этом году 60 лет.

Питание в космосе – одна из важнейших составляющих жизни. В невесомости, в тесном пространстве космического корабля, изменяются чувства человека. Ему хочется и просто необходимы элементы комфорта, которые напоминали бы ему о Земле. Именно потому качественной и полноценной еде уделяется такое внимание.

Но не будем забывать, что кроме комфорта пища - это вообще возможность выживания, и прервать процесс доставки пищи означало бы обречь экипаж орбитальной станции на голодание. Голод – это мощнейший стресс, который может заставить эвакуироваться экипаж с орбиты.
Вот и получается, что пока что человек «привязан» к Земле пусть невидимым, но довольно коротким «поводком», состоящим из курсирующих к обитаемой орбитальной станции космических грузовиков.

В крайнем случае, теоретическая эвакуация, пусть даже экстренная, возможна. Но она же невозможна для тех, кто полетит дальше орбиты. Проблемы могут возникнуть даже на отрезке от Земли до Луны.
Космическим «дальнобойщикам» нужны воспроизводящие себя источники пищи и кислорода. Вдобавок нужна и утилизация углекислоты.  На это способны только растения. Всеми перечисленными свойствами обладают, между прочим, овощи. Роль овощей в космосе трудно переоценить, её понимали задолго до отправки первого человека в космос. И понимали фундаментально.

Первые растения в космосе

Константин Циолковский считается прародителем отечественной космонавтики. Трудно переоценить вклад этого великого учёного и мыслителя в понимание нами космоса. Ещё более удивительно то, что многие работы учёного оказались пророческими. Начиная от теории ступенчатых ракет, до точнейшего описания перемещения человека в невесомости. Советский фильм 1935 года «Космический рейс» прекрасно иллюстрирует точность предсказаний Циолковского относительно безвоздушного пространства.

Но Константин Эдуардович пошёл дальше, чем описание пространства и возможность полёта в космос. Он подробно описал и обосновал как возможность, так и условия, необходимые для жизни человека в космосе. В частности, на космическом корабле. И именно Циолковский определил роль растений в возможности создания условий для этой жизни.

«План построения большой ракеты с травянистыми и плодовыми растениями, очищающими воздух и поглощающими человеческие выделения. Подбор растений и почвы. Опыты в замкнутой камере внизу и на горах. Один квадратный метр листьев некоторых растений даёт кислорода сколько нужно для одного человека. Влажность и чистота воздуха регулируются насосами и растениями. Строится и пускается за атмосферу множество ракет известной формы: с почвой, растениями, материалами, орудиями и частями для сборки вне атмосферы космических жилищ.

К.Э. Циолковский.»

В своих работах учёный упоминал и о том какие это будут растения – те, которыми можно питаться. То есть это не только травы, но и овощи. Также он описал и процесс питания в космосе, который мало чем отличается от того, как едят космонавты на орбите.

Космическая диета, или Зачем нужны овощи в космосе

Несмотря на громкое название, в интервью космонавты не раз рассказывали, что особой «космической диеты» у них нет. Да, есть овощи – кабачковая и баклажанная икра, борщ со свёклой, рагу, но ограничения нет. То, что овощи в сублимированном, или консервированном виде, составляют весомую часть рациона, объясняется вовсе не ограничениями по питанию, а тем, что овощи - это витамины, клетчатка и одна из основ нашего питания на Земле. Наш организм может без них, но без овощей и фруктов вряд ли будет здоровым. А в космосе (да и на Земле) именно здоровье – самый главный наш капитал. Об этом думают при составлении меню для космических экспедиций и на это направлена в прямом смысле – вся кухня космического меню.

Однако, несмотря на 16-ти дневные циклы рационов питания космонавтов на Международной космической станции (мы на Земле кушаем порой с меньшим разнообразием), учёные понимают, что «короткий поводок» из курсирующих грузовиков к орбите станции не позволяет развить успех космонавтики, достигнутый за 60 лет. Для этого нужно воспроизведение всех систем жизнеобеспечения. И этой проблемой занимаются столько, сколько существует космонавтика. Даже дольше.

Опять же Циолковский писал о том, что человеку необходимы растения в космосе. Как для дыхания, так и для питания. Он осмысливал способы и методики выращивания пригодных в пищу растений в оранжереях, которые были бы неотъемлемой частью конструкции космолёта. В своей работе «Исследования мировых пространств реактивными приборами» Константин Циолковский писал:

Для получения кислорода, пищи и очищения ракетного воздуха придумывают особые помещения для растений. Всё это в сложенном виде уносится ракетами в эфир и там раскладывается и соединяется. Человек достигает большей независимости от Земли, так как добывает средства жизни самостоятельно.

Также, в своей работе «Растение будущего» он сформулировал набор свойств, которые считает недостатками при выращивании любых сельскохозяйственных растений. Работа не понравится тем, кто горит идеей достижения нулевых выбросов углекислого газа к 2030 году. Циолковский рассчитал, что для достижения наилучшей урожайности растений углекислоты в воздухе крайне не хватало и в его время.

Он видел два пути – сжигание колоссальных запасов дерева или углеводородов и создание теплиц с регулируемыми климатическими условиями. Согласно в том числе этой работе учёного, одними из лучших условий для выращивания овощей могли бы быть условия космического корабля, где растения поглощали бы повышенное количество углекислоты.

В Советском Союзе к Циолковскому прислушивались, а потому уже, начиная с первых полётов в космос, в программы начали включать растения.
Ранние эксперименты по воздействию космического полета на растения относятся к 1960 году. Уже на втором космическом корабле-спутнике отправились в космос и успешно вернулись Землю традесканция, хлорелла, семена различных сортов лука, гороха, пшеницы, кукурузы.
Хлорелла затем изучалась как возможный источник кислорода, а заодно довольно быстро выяснилось, что в пищу она не годится. Сельскохозяйственные: лук, горох и прочие помогали понять, какие из них в будущем могут служить семенным материалом для космических теплиц. Лук вообще - отдельный герой этой истории, но обо всём по порядку.

Фитотроны Тимирязевской академии (Реальность, а не название фильма)

В 1962 году Сергей Павлович Королёв наметил программу ботанических и агротехнических исследований в космосе.

Он писал:

«Надо бы начать разработку «Оранжереи (ОР) по Циолковскому», 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 или в ОР из декоративных растений, требующих минимума 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 и т. д.?»

(Среди других записей Королева этот фрагмент был опубликован в «ТМ», № 4 за 1981 год, с. 30—31.)

Предпосылкой для идей Главного конструктора стал опыт Тимирязевской сельскохозяйственной академии. В СССР последовательно всё более возрастала роль науки в производстве. Сельское хозяйство не оставалось в стороне. В 1950 году в академии было решено создать самостоятельную кафедру физиологии растений.

Её заведующим стал лауреат Государственной премии И.И. Гунар. В этом же году было завершено строительство первой в стране лаборатории искусственного климата – прототипа современных фитотронов. Физиологи получили возможность работать в контролируемых условиях.

Так, опираясь на полученные тимирязевцами опыт и наработки, по инициативе Сергея Королёва в Красноярске появился экспериментальный замкнутый биотехнический комплекс «Биос».  Герметичный прямоугольный параллелепипед 15 метров длиной и 2,5 высотой имел 4  герметических отсека: один для экипажа, два для фитотронов, и один - для культиватора с водорослями хлореллы.

Весь комплекс имел объем 315 м3. В каждом фитотроне располагались: поддоны из металла общей площадью 17 м2 для выращивания пшеницы и овощная плантация площадью 3,5 м2. На этой овощной мини ферме на керамзитном грунте выращивались: свёкла, морковь, укроп, репа, листовая капуста, белый редис, лук-батун, огурцы и щавель. Хлорельные культиваторы занимали целых 30 м2.

В теории было понятно, что человек может нормально жить в такой искусственной среде. Но это предстояло проверить на практика, на Земле, чтобы потом мочь приступит к подобным опытам в космосе.

Уникальный на тот момент комплекс «Биос» стал успешной площадкой нескольких успешных опытов с участием людей. Самый длительный из этих опытов протекал 180 суток

Учёным и «экипажу» Биоса удалось добиться замыкания биотехнической системы по атмосфере, и воде на 82—95%. Исследования имели продолжение в виде проекта Биос 2 и 3

В США также проводились подобные исследования в рамках проекта «Биосфера»

В 1971 году на корабле «Союз-10» за пределы Земли отправилась установка «Вазон» с двумя тюльпанами. Стыковки со станцией «Салют» не произошло и распустившиеся цветы могли наблюдать уже на Земле лишь специалисты группы поиска.

На орбитальной станции «Салют-4» стоял довольно совершенный  комплекс «Оазис», снабженный телеметрической и кинорегистрирующей системами. Исследования велись с горохом.

Как потом рассказывал космонавт Георгий Гречко —

«вода не поступала туда, куда было нужно, затем стали срываться огромные капли, и за ними пришлось гоняться с салфетками. Но в целом эксперимент удался. Были получены взрослые, двадцатитрёхдневные растения. Правда, цветов не было. Но космонавтам удалось снять фильм с замедленной съемкой. На плёнку попал процесс – динамика роста растений гороха.»

Именно Гречко одним из первых свидетельствовал и о психологической поддержке, которую космонавты получали у растений. Сам он, особенно к концу полета, старался при каждом удобном поводе подплыть к оранжерее, чтобы лишний раз бросить взгляд на зелёных друзей.

Как наши в космосе лук выращивали

Эксперименты с получением цветения и урожая были продолжены. Стало ясно, что перед агрономами, селекционерами и космонавтами гораздо больший объём работ, чем представлялся даже теоретически. Проблем для решения было предостаточно:  при отсутствии гравитации водо- и газообмен у растений происходит иначе, возникает проблема отвода метаболитов и обеспечения нужного теплового режима для растений, поскольку естественная конвекция тоже отсутствует.

Вновь попытались вернуться к культивации растений, в луковицах которых сосредоточен почти полный запас необходимых для развития веществ. Так на орбите Земли оказался репчатый лук.

Летом и осенью 1978 года во время полета космонавты Владимир Коваленок и Александр Иванченков выращивали лук двумя способами: научным и, «как в деревне Белой», откуда был родом командир корабля.Когда космонавты возвратились на станцию после выхода в открытый космос, то осторожно намекнули: «Вот хорошо поработали. Может быть, теперь нам в награду и луковицу разрешат съесть». Но собирать урожай тогда еще было рано.

— Лук растет в двух сосудах, один по вашей методике, а другой по моей, крестьянской, — докладывал В. Коваленок. — Если его сверху не обрезать, то он начинает гнить, а если подрезать, растет хорошо, не гниет.
— Ну что ж, хорошо. Если есть желание, несколько стрелок теперь можете съесть.
— Это мы уже сделали, из четырнадцати съели шесть.

Так репчатый лук, а точнее урожай репчатого лука в виде его стрелок, превратился в первый свежий овощ не только выращенный, но и съеденный космонавтами на космической станции.

Так что, когда в 2016 в Национальном аэрокосмическом агентстве США (NASA) с большой помпой отрапортовали о том, что американские астронавты вырастили первый овощ в космосе и им стал картофель, коллеги по космосу немного слукавили. А может и просто не были в курсе про наш советский космический лук в 1978 году.

Но, чтобы получать стабильные урожаи, нужно было разобраться в том, почему же растения так и не цветут? Ведь после лука на станции Салют побывали и орхидеи в рамках эксперимента «Орхидея» и тюльпаны. Но даже с распустившихся на Земле цветов лепестки опадали почти сразу.

Чтобы ответить на этот вопрос, во время последних экспедиций на «Салюте-6» и на новой станции «Салют-7» было проведено много экспериментов с целым набором оригинальных устройств для культивирования растений.

В итоге благодаря совместным усилиям целых цепочек учёных и инженеров удалось создать приборы, создававшие небольшой интенсивности гравитационное поле и другие физические явления, имевшие целью помочь растениям справиться с отсутствием земного притяжения.

В итоге на борту станции «Салют-6» зацвела Резуховидка Таля (Arabidopsis Thaliana), и она же, но уже на борту станции «Салют-7» совершила прорыв в космическом растениеводстве.

В экспедицию снарядили новый прибор – «Фитон-3». По конструкции это герметичная камера с пятью кюветами и собственным источником света. В кюветах — субстрат из агара, содержащий до 98% воды. По мере роста растения могли отодвигаться от источника света. Семена с помощью специально разработанной пневмосеялки посеяли сами космонавты. Вначале растения росли медленно.

Но вот 2 августа 1982 года космонавт Валентин Лебедев сообщил:

— Появилось много, много бутонов и первые цветы.
А спустя 17 дней с орбиты поинтересовались :
— Могут быть у арабидопсиса стручки?
— Конечно.
— А какого они цвета?
— Сперва зеленые, а потом темнеют до светло-коричневого.
— Значит, вас и нас можно поздравить с успехом. Семь зрелых стручков и много созревающих. Настоящая удача!

Прибывшей на станцию Светлане Савицкой космонавты вручили небольшой букетик из цветов арабидопсиса. Она тщательно зарисовала его.

На рисунке семь цветущих растений высотой до 10 см, на них 27 стручков. При подсчете на Земле в стручках обнаружили 200 семян.
Этот опыт опроверг мнение о невозможности прохождения растениями в невесомости всех стадий развития — от семени до семени.

Успех, взлёт, падение…

Можно было на научно доказанной базе начинать, а точнее продолжать, разговор о космических оранжереях, об орбитальных теплицах для овощей, которые были бы способны обеспечить космических путешественников достаточным количеством пищи и кислорода, утилизируя при этом, выделяемую при дыхании углекислоту. Успех советских космонавтов спровоцировал бурный рост интереса к исследованиям свойств растений и живых существ в условиях космоса. 

Исследования продолжались на станции «МИР», а затем модуль «Кристалл» принёс с собой «Агрегат растениеводства Свет». Эксперимент «Свет» включал небольшую теплицу для экспериментов по выращиванию растений.  Установка была оборудована источником света и системой питания растений.

Примечательно, что «Кристалл» был снабжён портами для стыковки с советским, а затем и российским многоразовым космическим кораблём «Буран». Если бы программа «Буран» не была остановлена, то вероятно мы бы были свидетелями расцвета различного рода исследований в отечественном сегменте космоса, в том числе и на ниве растениеводства.

Советский челнок имел преимущество перед американским «Спейс шаттл» не только в полезном грузе доставляемым на орбиту с Земли, но и в полезном грузе доставляемом обратно, а также в возможности перемещения в космосе.

Разница полезного груза составляла до нескольких тонн в пользу советского корабля, а если бы мы запустили не одну, а несколько станций, то «Буран», имея автономный запас топлива, смог бы за один полёт собирать и доставлять на землю результаты нескольких параллельно проводимы исследований. «Спейс шаттл» этого делать не мог. Это тоже был космического масштаба скачок, но развить успех помешал распад Советского Союза.

… и снова – взлёт!

Но и после развала Союза и закрытия программы «Буран» исследования с выращиванием овощей в космосе продолжились. Уже в новой странице истории отечественной космонавтики – в Российской, – были разработаны эксперименты «Биориск» – для исследования роста и жизни грибков и других микроорганизмов и их влияние на конструкции и материалы, которые используются и могут быть использованы в конструкции орбитальной станции

рассчитанный на несколько этапов эксперимент «Растения», а вслед за ним и «Растения-2», целью которых было
проведение исследований для решения вопросов фундаментальной биологии и вопросов оптимизации режимов культивирования растений для оранжерей в составе перспективных космических систем жизнеобеспечения.

Среди задач - изучение влияния факторов космического полета на рост и развитие растений, перспективных для использования в космических витаминных оранжереях, исследование всхожести и жизнеспособности растений, изучение фенологии развития растений. Изучение репродуктивной функции растений и получение второго поколения космических семян, экспериментальные исследования водно-воздушного обеспечения различных корнеобитаемых сред оранжерейных устройств в условиях космического полета.

Ну и, конечно, эксперименты с самими овощами.
На орбиту отправились семена суперкарликового томата и семена салата мизуна (японская капуста).

После получения всходов, уже на Земле производилось изучение химического состава растений и семян, выросших в условиях невесомости, с целью определения уровня содержания азотистых соединений в растительной биомассе. Всё это было и остаётся необходимым для оценки продукционных характеристик листовых овощных растений в невесомости. На основе полученных данных может быть произведена отработка агротехнических приемов для продвижения технологий замкнутой экологической системы жизнеобеспечения на борт космических летательных аппаратов.

Конечно, не только российских учёных интересует вопрос питания космонавтов. Этим энергично занимаются как в США, так и в Европейском космическом агентстве (ЕКА). Насколько важен вопрос питания космонавтов можно увидеть на примере тех народов, где еда считается гораздо более важным элементом культуры, чем просто набором средств для утоления голода.

Так в 2005 году, в рамках контракта между РКК «Энергия» и ЕКА, в космос отправился итальянский астронавт Роберто Виттори, член отряда европейских астронавтов, в качестве бортинженера транспортного пилотируемого корабля «Союз ТМА-6».  Как минимум два его эксперимента ярко подтвердили широко распространённое мнение о том, что для Италии пища –  это не просто еда.
Итальянский астронавт провёл на борту эксперименты с саженцами винограда (эксперимент VINO),

а также дегустацию традиционных продуктов из региона Лацио (Италия). Набор космической итальянской еды нельзя было назвать маленьким.
Конечно, не забыли и о бобовых. Это традиционно и для Италии и для космоса в целом. Так уж сложилось с бобовыми исторически.
 

Ну, где же урожаи?

На дворе третье десятилетия 20 века. Успехи выращивания в космосе растений то и дело врываются в инфопространство. В 2015-м российский космонавт вырастил пшеницу с зерном колосе, годом позже американский астронавт объявил,что вырастил первый зацветший в космосе цветок циннии

Предположим, что и он мог и не знать про успех советского Салют-7 и зацветшую там Резуховидку, как в истории с картошкой и НАСА. Опять же американские астронавты в начале 2021 года получили урожай редиса.

Предвосхитим вопрос, который напрашивается сам собой: раз столько сделано советской, российской и мировой наукой в деле космического овощеводства, раз столько известно – например ясно, что получать урожай в космосе можно, – то где же тогда урожай из космических теплиц, который даст возможность покорять глубины космоса?

Ответ есть – теплицы есть, но пока ещё на Земле. Российские специалисты совсем недавно, первыми в мире, создали теплицы, в которых можно выращивать томаты и огурцы в полностью замкнутом цикле, без солнечного света. До этого считалось, что подобные вертикальные теплицы с искусственными условиями и освещением годятся для выращивания микрозелени или салатов. Но оказалось, что при должном подходе можно получать полностью натуральным способом прекрасный урожай крупноплодных овощей. Это огромный шаг в сторону космических теплиц.

Производство семян новых сортов и гибридов овощей и растений
Однако, как ясно из результатов 60 лет экспериментов с растениями и живыми организмами в космическом пространстве, получение урожая зависит не только от света и не только от температурного режима и идеального питательного раствора.

Перед «звёздными» агрономами встанут те же проблемы, которые повсеместно преследуют производителей овощей на матушке Земле: болезни растений, гнили, вирусы. Об этом тоже писал Циолковский в своих трудах:

«Вредители: микробы, грибки, насекомые, птицы – это жестокие враги, с которыми бороться при обыкновенных условиях крайне трудно»

И если несанкционированных насекомых и птиц на космических кораблях на ближних к Земле орбитах нет, то всё это непременно появится при устройстве дальних экспедиций. Так же, как грибки и вирусы.
И тут на арену выходит то, без чего современное овощеводство не может существовать ни на Земле, ни, тем более, в космосе – качественная селекция.

Для того чтобы разработать лучшие сорта и гибриды овощей, пригодных для выращивания в условиях межпланетных путешествий, селекционерам предстоит проделать гигантскую работу. 

Вызов принят!

Овощи для космоса должны соответствовать целым наборам совокупностей свойств. Давать большой и питательный урожай, растение должно иметь малый рост, стебли и непригодные в пищу части овощей должно быть можно использовать в переработке в биомассу, которую также нужно будет применять с максимальной пользой – на удобрение, или в пищу.

Последнее было бы идеальным решением –  вывести сорта и гибриды с уникальными качествами, пригодными в пищу целиком, при сохранении должных высоких вкусовых качеств, вместе с тем – устойчивых к недостатку солнца, вирусам, болезням, увяданиям и гнилям. При этом нужно «подружить» их с условиями невесомости.

Этот вызов селекционеры приняли. И у нас есть все основания заявлять это. Являясь носителем наследия советской научной школы,  являясь продолжателем традиций селекции с глубоким научным подходом, в компании «Гавриш» создаются, внедряются и используются методы, позволяющие кратно сократить время на разработку новых гибридов овощных, бахчевых и зеленных культур. 2020 год показал, что современная наука может шагать семимильными шагами.

Кто знает сколько у нас времени до того момента, когда мы сможем сорваться с орбитального «короткого поводка» и начать движение вглубь космоса. Одно точно, этот момент наступит тем скорее, когда к нему будет готова вся «почва»: и кадры, и техника, и семена овощей и других растений, которые будут давать урожаи для питания космонавтов.

Овощи для космического питания пока что производятся на Земле, но мы просто не можем позволить себе ждать прогресса. Мы должны создавать прогресс в селекции, чтобы в ближайшем будущем человечество могло праздновать не только День космонавтики и 60 лет полёта первого человека в космос, но и 60 лет первой обитаемой экспедиции на Марс, или дальше – за пределы Млечного пути.

В этой связи вспоминаются слова гениального селекционера – Лютера Бёрбанка:

«Природа имеет в своем распоряжении множество разнообразнейших способов решать любой сложности задачу создания новой формы растения, не боясь неудач и не ограничиваясь сроками. Человек при своей интеллигентности, применяя систему, по которой действует природа, может и должен найти свои приёмы быстрого создания новых растений. Он не может мириться с миллионами неудач и ждать успеха создания новой формы тысячелетия».

Команда профессиональных семян «Гавриш» поздравляет всех с Днём космонавтики – с юбилеем первого полёта человека в космос! Юрий Алексеевич Гагарин открыл для человечества новую страницу истории. Сегодня, спустя 60 лет, мы можем видеть, что его полёт  - это не один виток, а спираль – целый млечный путь, по которому мы – человечество – делаем уверенные шаги в будущее.

Текст: Илья Болгов, Фото: Илья Епанчин (Terina Studio)

В материале использованы материалы фотобанков, предоставленные РКК Энергия, Музеем Космонавтики.

Авторы благодарят коллектив РКК Энергия за предоставленное право использовать в подготовке данного материала фотоматериалы с официального сайта «Энергия», а также Музей Космонавтики за помощь в подготовке фотосессии уникальных оригинальных экспонатов