Зачем выращивать растения в космосе? Они могут улучшить производство пищи и лекарств на Земле

К 2040-м годам люди могут достичь новой границы — Марса. Для этого потребуются устойчивые источники пищи, лекарств и материалов.

Как исследователи, занимающиеся инженерией растений для производства таких ресурсов в космосе, мы иногда слышим вопрос: «Зачем?» С такими проблемами, как изменение климата, неравенство, пандемии и деградация окружающей среды, не лучше ли сосредоточиться на Земле, а не на Марсе?

Но наука может делать и то, и другое. Космические исследования имеют долгую историю не только удовлетворения инстинкта исследования, но и создания революционных изобретений на пути к открытиям.

Растения не только для космоса

Когда результаты научных исследований находят практическое применение в реальном мире, это называется «переводом исследований».

Эти «переводы» часто бывают неожиданными. Например, потребность NASA в компактной, легкой технологии визуализации в космосе привела к изобретению датчиков изображения, которые сейчас используются в смартфонах, веб-камерах, медицинских устройствах и т.д.

Блестящий отражающий материал, используемый для отвода тепла от зданий, приборов или лобового стекла автомобиля? Это технология изоляции, усовершенствованная NASA для защиты космических кораблей и астронавтов от перепадов температур в космосе.

В течение следующего десятилетия «космические растения» могут напрямую и косвенно улучшить жизнь на Земле.

Вкус и питательность

Растения питают нас и поддерживают психическое благополучие, но этого недостаточно для длительных космических путешествий.

Современное космическое меню в основном состоит из обработанных продуктов длительного хранения, доставляемых на Международную космическую станцию. Все свежее нужно производить на месте, а разведение животных невозможно.

Чтобы создать сбалансированную космическую диету без пищевых добавок, исследователи разрабатывают полноценные растительные продукты с большим количеством высококачественного белка. Это будут растения, которые можно выращивать и обрабатывать в космосе, и которые обеспечат оптимальный баланс незаменимых аминокислот. Они также включают несущественные аминокислоты, обычно содержащиеся в животных, такие как таурин и креатин.

Улучшение растений таким образом может помочь преобразовать сельское хозяйство на Земле, поскольку растительные диеты более устойчивы для планеты, столкнувшейся с климатическим кризисом, и уменьшают глобальное неравенство в питании.

Ученые также исследуют вкусы и текстуры растительной пищи, чтобы решить распространенную жалобу астронавтов на «усталость от меню». Десятилетиями астронавты сообщали, что их вкус в космосе притупляется, что делает острую пищу фаворитом на станции.

Устойчивость к окружающей среде

Космические растения также должны процветать в незнакомой среде. На Земле растения полагаются на гравитацию, чтобы знать, в каком направлении расти корням и побегам. Этот процесс называется гравитропизмом.

В космосе гравитропизм нарушен, что заставляет корни расти в случайных направлениях из-за влияния микрогравитации на гормональную сигнализацию. Исследования влияния микрогравитации на рост растений продолжаются.

Например, вода «липкая» — она слипается, потому что молекулы воды притягиваются друг к другу, а не стекают вниз. В отсутствие гравитации это приводит к липким каплям воды, которые цепляются за поверхности, такие как корни растений, и никуда не текут из-за поверхностного натяжения.

Кроме того, отсутствие гравитации также нарушает конвекцию — предотвращает естественное смешивание газов в воде. Это ограничивает доступность кислорода для корней растений и приводит к гипоксии (низкому содержанию кислорода).

Гипоксия растений также происходит из-за наводнений во время сильных дождей и переувлажнения почвы. Инженерия растений для устойчивости к гипоксии, вызванной микрогравитацией, даст данные для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к затоплению на Земле, сократив сельскохозяйственные потери.

Больше, чем еда

На лунной или марсианской базе колонисты не смогут ждать месяцы или годы для пополнения таких важных ресурсов, как лекарства или строительные материалы. Поэтому «космические растения» проектируются для обеспечения не только пищей.

Растения были сконструированы для производства белков, вызывающих иммунный ответ и действующих как съедобные вакцины.

На Земле многие фармацевтические препараты производятся и извлекаются из микробов. Растения можно сконструировать для производства лекарственных соединений или предшественников строительных материалов аналогичным образом, но эти соединения, вероятно, негативно повлияют на рост растений.

Возможность сконструировать растения для производства различных химических веществ в ответ на сигналы окружающей среды позволит астронавтам переключать растения с производства пищи на производство лекарств — возможно, буквально щелчком выключателя.

Также разрабатываются генетические «схемы», реагирующие на световые и химические сигналы. Они могут сделать сельскохозяйственные культуры более способными адаптироваться к стрессам меняющегося климата.

Когда инновации должны преодолевать экстремальные ограничения — например, космическую среду — они могут ускориться и привести к решениям, которые мы иначе не придумали бы.

Гонка за высадку на Луну привела к разработке многих повседневных предметов. Теперь мы находимся на пороге новой биотехнологической революции, готовясь смело выращивать там, где раньше не росло ни одно растение.