Оранжерии в космоса Откъснати от гравитацията

17 февруари 2020 г. · Оранжерии в космоса - това иска космическото пътуване. Но как растенията се справят с гравитацията и дали процъфтяват без нея в дългосрочен план е загадка. За да изследват това, учените експериментират с параболични полети. Работите в окачено състояние за 22 секунди и 31 пъти, но също така изпитвате почти двойно гравитационно привличане.

Z. от самото начало ставаше въпрос само за обръщане. Технически проблем, нищо сериозно. Под нас Атлантическия океан, отпред вдясно Бретан, сега полетът се върна обратно в Бордо. Дълги лица навсякъде и Дарио Рикиарди, коленичил пред кутия с размер на куфар, загуби всички усмивки. Вече нямаше и следа от ентусиазма му да придружава самия експеримент, който той бе помагал да подготвя месеци наред в „Лабораторията с нулева гравитация“ в Университета на Гьоте във Франкфурт.

Двигателите на науката: вляво е изобразен силуетът на жената, а от другата страна на мъжа. sks
Marjorie Guichard, Heidelberg и Maik Böhmer, Франкфурт, работят върху IMPACT-Box, в който младите растения Arabidopsis изпитват различни гравитационни сили в парабола и след това се фиксират. Лекарите (в светло синьо и оранжево) са винаги на борда. Novespace
Изискана система за деликатни растения: В теста метанолът ги слага на крак след само една парабола. Снимка: Zero G.-Lab University of Frankfurt

Рано сутринта ученикът беше вкарал шестнадесет плочи с потомство в корпуса, затегна осемнадесет винта, стартира потока и затвори системата. Изведнъж сериозното му лице издаваше напрежението. С неясната надежда, че третият и последен ден на летенето все още може да бъде успешен. Едва по-късно. Може би следобед? Беше 12 септември, четвъртък, малко след девет и половина сутринта. Пропълзихме по бели тапицирани повърхности към задната част на няколкото редици седалки, които току-що бяхме освободили. Минали мистериозни кутии с всякакви бутони, стълбове, кабели, самозалепващи ленти, предупредителни съобщения - високи технологии с усета за домашно приготвено, повече „Теория за Големия взрив“ от „Космическа одисея“.

Те бяха проекти на четиринадесет изследователски групи, чиито талисмани тъжно висяха от стените без прозорци. Ако всичко беше по план, скоро щяхме да видим бухали, зайци, жаби, ленивци - цял плюшен зоопарк с хартиени самолети във въздуха; вързани, иначе щяха да бъдат разстреляни. За отбора във Франкфурт, Frédéric, бухалка, беше в началото като чар за късмет. Не за първи път и през първите два дни от полета на 34-ата параболична полетна кампания на Германския аерокосмически център (DLR) отново всичко върви гладко, също и за франкфуртските биолози и тяхната растителна кутия. Както подобава на годишнина: DLR провежда свои собствени параболични полетни кампании от 1999 г. насам. Двадесет години изследвания в безтегловност - или с по-малък гравитационен ефект, като този, открит на Луната или Марс. За тази цел от 2015 г. се използва Airbus A310, който е извършил първия си полет през 1989 г. и е бил временно използван като канцлер Airbus "Konrad Adenauer", преди да бъде преобразуван в "ZERO-G".

Парабола от началото до края отнема около три минути

Начало на безтегловност

Край на безтегловността

Източник: DLR/F.A.Z.-обработка joth., She.

Парабола от началото до края отнема около три минути

Начало на безтегловност

Край на безтегловността

g = гравитация (9,81 m/s²)/източник: DLR/F.A.Z.-обработване joth., sie.

За двадесет и две секунди гравитацията на практика се отменя и се управлява перфектно контролирана парабола. Такава фаза продължава три минути от началото до края, с общо 31 на поредица, с кратки почивки, например за настройка на тестовото оборудване. За това екипът от четирима души на полетния капитан Ерик Делесале трябва да работи силно концентриран в продължение на няколко часа: Тримата в пилотската кабина не само трябва да компенсират турбуленцията, но и да прелитат ъглите точно, за да постигнат нула G. Скополаминът, вещество, което би трябвало да улесни за нас пътниците да превключваме между нула и до 1,8 g, почти два пъти по-голяма от силата на гравитацията, и предотвратява гаденето, но което може да наруши координацията, е табу за тях.

За пилотите едва ли има значение дали учените са на борда или частни лица, каза Делесале следобед на първия ден на полета, те първо летят със същите маневри и безопасност. Освен това опитният пилот се пошегува, че може да се наложи изследователите да се откажат от малко удобство, защото „представянето“ им е по-важно от забавлението. Ако искате да си прекарате добре, не ви интересува дали можете да се чувствате в безтегловност за 18 или 20 секунди. Изследователите винаги искат повече, Делесале е свикнал с това. Скучно е? Не, никога няма.

Френската компания Novespace осигурява Airbus предимно за обучение по астронавти и наука на летището в Бордо Мериняк, но също така организира екскурзии в безтегловност, които могат да бъдат резервирани на частни резервации. Билет за 6000 евро е почти изгодна сделка, парите са от полза за науката, която е изключително сложна, в пъти по-скъпа и разчита на този специален A310 като хардуер, например основни изследователи в областта на роботиката, аеродинамиката, механиката на флуидите, космическите пътувания или неврология. Например, физиците пътуваха до тази 34-а DLR кампания с тежко оборудване за изследване на прашна или сложна плазма; Космическите лекари влачеха със себе си ракови клетки на простатата, а физиолозите на растенията донесоха свой собствен инкубатор.

Контролните списъци се поддържат щателно: Забравеното за тестовите серии в Airbus понякога може да се заеме от колеги от университета в Бордо, но при пътуване в космоса няма алтернативи, резервните части са рядкост. И колкото по-стабилна е системата - и по-лесна за използване, толкова по-добре. Това също беше обсъдено в подготвителната седмица и си помогнаха, защото независимо в каква област се специализираха участниците, всички те търсят технически решения на изненадващо подобни проблеми.

По-големи неприятности никога не се появиха, докато през септември сутринта предното стъкло потъна високо над морето и един от слоевете му образува ужасно красив модел на пукнатини. Необходима е подмяна и вероятно ще минат дни преди самолетът да излети отново. Беше казано в неделя и всички планове бяха отменени. Който може, отлага пътуването до дома и стажа, удължава коли под наем и настаняване и търси финансова подкрепа. Направете всичко възможно, за да спечелите повече данни и да запазите понякога неповторимите опити. Няма проблем в случая с плазмата, но средата беше на изчерпване за раковите клетки, а това също означаваше край за Дарио Ричиарди и IMPACT-Box: 10 000 растения на подходяща възраст не можеха просто да се извикат пресни; Arabidopsis thaliana расте бързо, но нямаше достатъчно време. Този експеримент вече би приключил след първата парабола, инжектирането на метанол за секунди щеше да убие растенията и да запази процесите в корените им, след като напълно се отдели от гравитацията.

В крайна сметка пробите от първите два дни на полета са безопасно задържани: „Те ще останат във фризера известно време, а втора кампания може да ни даде необходимия брой копия“, каза Майк Бьомер от Университета във Франкфурт, описвайки следващите стъпки. „Или анализираме конкретно в сравнение с промените, които сме измерили при параболични полети през предходни години в растения от див тип.“ В тази изследователска област се научавате да се адаптирате към обстоятелствата и да привеждате анализите в съответствие с тях, без да жертвате научното качество.

В Бордо надеждата в момента беше FLUMIAS. В импровизираната им лаборатория в Novespace биолозите, пътували от Германия, се концентрираха върху своите експерименти с флуоресцентен микроскоп, тъй като инженерите на Airbus, отговорни за това, успяха да удължат престоя си до уикенда. Нейните обекти не са отделни клетки или тъканни слоеве: „Това би било безсмислено за растенията. Не искаме да правим изследвания на артефакти, искаме да наблюдаваме как реагира многоклетъчният организъм “, каза Бьомер, обяснявайки целта. Тъй като калцият играе ключова роля като вътрешен сигнал, неговият екип и този на Кристоф Форейтер от Марбург тестваха специални мутанти, за да видят как променящата се гравитация им влияе по време на параболичен полет. Ако калцийът се освободи в корена, флуоресценцията в тези области се увеличава, той свети в червено и само в Марбург вече трябва да бъдат оценени 60 000 микроскопски изображения. В университета в Хайделберг също постдокът Марджори Гичард вероятно ще бъде зает с анализи за известно време, като Сандра Тиеле в лабораторията за нулева гравитация във Франкфурт.

Едно издънка расте нагоре, коренът надолу. Отдавна е известно, че растенията не само се ориентират към светлината, но и към гравитацията. Това се нарича гравитропизъм, а нишестените зърна служат като статолити и се подчиняват на гравитацията: „Те реагират на гравитацията на земята, падат. И тогава какво? Опитваме се да отговорим на този уж прост въпрос ”, казва Бьомер. Знаете какво се случва след тридесет минути или дни, но не знаете какво се случва през първите шестдесет секунди от реакцията: Как изглежда началото на каскадата на сигнала? Кои рецептори, кои ензими участват? Това са въпроси, които засягат клетъчните биолози, тъй като има някои пропуски в реакционната верига, които трябва да бъдат затворени, също в интерес на животновъдите: Ако бурите по-често потискат полетата в бъдеще, полезно е да се знае какво помага на растенията да се изправят отново и съответните могат да се използват съответно Търсят се и се избират сортове.

За растенията това означава стрес, сравним със суша и топлина, а молекулярната реакция може първоначално да бъде еднаква при всяка от тези извънредни ситуации. Все още не е намерена основата, но: „Искаме да дешифрираме каскадата на сигнала и да разберем как работи взаимодействието на отделните процеси“, казва Бьомер. Докато доматите са подходящи за топлинни тестове, например, гравитацията се изследва, използвайки модела на добре проучената сега Arabidopsis. Дали би било разумно да се намесим, ако е необходимо, може да бъде изяснено само ако са известни механизмите. „Ние не сме животновъди, но предоставяме основните основи“, обобщава Бьомер. Ако отстрани се появят подходящи сортове растения за отглеждане при по-ниска гравитация на Луната или Марс, това разбира се е чудесно, но не задачата.

Докато Бьомер и колегите му се посвещават на основни въпроси, които са важни не само за космическите пътувания, някои учени ги призовават да се концентрират върху културите. Вместо арабидопсис, опитайте домати или леща в безтегловност. Например космическият инженер Пол Забел. Той разработва парникови системи за космоса и следователно става градинар в Антарктика (виж „С четката.“). „Причината да не мисля много за моделните растения е, че времето за изследвания - на МКС - е много ограничено. Астронавтите трябва да свършат и други неща. Освен това има място само за малки растителни камери и бих предпочел да отглеждам култури в тях, за да се справя със специфични проблеми. “В противен случай ще трябва да повторите експериментите по-късно и първо да сравните резултатите. Не е задължително да е пшеница или картофи, салатите също.

Ако в даден момент целта е Марс, няма съмнение за космическото пътуване с пилоти, че отглеждането на растения би било повече от добре дошло. Ще има нужда от пресни, богати на витамини храни, докато съхраняваните храни губят хранителната си стойност в дългосрочен план. Растенията също ще бъдат търсени като производители на кислород, тъй като разходите биха били огромни, ако екипажът трябваше да носи всичко необходимо за пътуването си, което отнема 500 или 1000 дни там и обратно, в зависимост от сценария. На повече от седемдесет квадратни метра ще трябва да отглеждате зеленина, за да снабдите екип от трима с кислород; ако се използваше само естествена светлина, ще са необходими 24 оранжерии с площ от 90 квадратни метра, за да се поддържа шестместната мисия на Марс.

Преди това в космоса трябва да бъде създадено по-лесно достъпно изследователско съоръжение: „В процес сме на проектиране на оранжерия за Луната“, обяснява Забел. Това първо трябва да бъде създадено в типичен космически модул и по-късно изпратено на Луната. Американската програма Artemis внезапно внесе движение в космическите пътувания, както в политически, така и в технически план: „Вълнуващи времена за нас, инженерите.“ Може би лунна станция ще бъде построена след шест или седем години. Или може би след двайсет. Астронавтът от Esa Матиас Маурер си представя мисия на Марс с достатъчно място за експерименти, доста по-бавна и правилно планирана, отколкото набързо изложена. Той е учен по материали и би искал устойчиви технологии за подобно изследване. Тъй като не можете да го изпробвате там, Луната е следващата цел за тестовете. „И би било хубаво да имаш нещо зелено със себе си“, казва роденият в Саарланд, който преди нямаше нищо общо с градинарството. Той ще бъде следващият германец, който ще полети в космоса и ще се обучи за мисия на МКС, където може да се радва, че може да се грижи за растенията.

Когато беше поканен на 34-ата DLR кампания, самият Маурер беше обяснил на борда какво се крие зад изолираните тестови единици. Докато френският астронавт Esa Томас Песке беше част от пилотния екип, Моурер завърши параболично обучение като пътник на втория ден от полета. Той няма зелен палец, но е любопитен и като учен иска да разбере какво е експериментът, „не просто да натиска бутон, когато полетя нагоре“. Растителните физиолози също успяха да илюстрират своите проекти на FLUMIAS, използвайки подробни изображения. Не е нужно да сте ентусиазирани от ботаниката, концепцията на този флуоресцентен микроскопски анализ е достатъчно вълнуваща. Къде другаде можете да видите калциеви осцилиращи или деликатни върхове на корените, седнали в микрофлуидни чипове?

И не само специалистите по материали ще оценят гениалния производствен процес на „RootChips“, разработен от Guido Grossmann от университета в Хайделберг. Използвайки фотолитография, те могат да бъдат направени от мек силикон, така че растенията Arabidopsis, които са на почти седмица, да намерят достатъчно място. Корените им растат с няколко микрометра по време на полет и хранителна среда тече през фините канали. Специално изработени мини помпи поддържат течането му, бездействието би повлияло на реакциите. Пластмасата също би била неподходяща като носител: „Нашите колеги от Хайделберг са я изпробвали и смелили каналите“, каза Бьомер. Но повърхността е твърде грапава, корените биха ударили и стартираха своята програма за „нараняване“. Острата е по-лоша от намалената гравитация и реакцията би надхвърлила всичко останало.

Растенията не познават състояние на суспензия, в хода на своята еволюция земята никога не е губила своята привлекателност. Той все още може да успее да проследи механизмите, които са съществували милиони години в рамките на 22 секунди. Третият полет обаче беше отменен - ремонтът се оказа по-сложен, отколкото се смяташе първоначално. Но анализите продължават и през пролетта на 2021 г. базираната във Франкфурт компания ще може да изпрати своите заводи в космоса с изследователска ракета. IMPACT трябва да се свие до размера на барабан на пералня, биолозите са възнаградени с пет минути безтегловност. Славата идва по-късно. Може би.