Kosminės programos » Lietuva » Kosminės augalų biologijos tyrimai Lietuvoje

Kosminės augalų biologijos tyrimai Lietuvoje

Lietuvos botanikų kosminio skrydžio sąlygomis atlikti gravitacinės augalų fiziologijos eksperimentai jau tampa mokslo istorijos objektu, todėl geriau yra suprantami visos šios mokslo srities ištakų ir idėjų vystymosi kontekste. Kam prireikė botanikos specialistams imtis techniniu ir logistiniu požiūriu sudėtingos ir net rizikingos veiklos, kai buvo galima darbuotis įprastomis laboratorinėmis sąlygomis, kaip tai ir darė dauguma panašaus profilio mokslininkų? Atsakymas paprastas: jeigu atsiranda bent mažiausia galimybė atlikti tobulesnį eksperimentą, negu prieš tai buvęs, mokslininko prievolė – tokią galimybę išnaudoti. Svarbiausias bandymas, kurio idėją jau seniai buvo suformulavę gravitacinės biologijos tyrėjai, bet kuris vis dar nebuvo atliktas, turėjo du variantus: 1) organizmo (augalo) struktūra ir funkcijos veikiant įprasto dydžio sunkio jėgai (1 x G) ir 2) organizmo struktūra ir funkcijos nesant sunkio jėgos (0 x G). Realizuoti šią idėją tapo įmanoma tik kosminio skrydžio sąlygomis. Buvo tikimasi, kad atlikus eksperimentus kosmose, atsiras galimybė naujai pažvelgti į visą teorinių prielaidų ir eksperimentinių duomenų visumą, kuri kaupėsi jau nuo XVII šimtmečio.

Samprata, kad gravitacija (sunkio jėga) gali turėti įtakos gyviems organizmams, formavosi Galilėjui pradėjus svarstyti apie kūnų mechaninio panašumo principus, o Niutonui paskelbus visuotinės traukos dėsnius. Vėliau šios idėjos įgavo labiau apibrėžtą kiekybinę išraišką, kuriant biologinio panašumo teoriją (Thompson, 1917, Huxley, 1932, Hill, 1950, Stahl, 1961). Ši teorija, be viso kito, siejo šiuolaikinių organizmų fizines (linijiniai parametrai, kūno paviršiaus plotas, tūris, masė) bei fiziologines (metabolizmo intensyvumas) savybes su gravitacijos poveikiu (Dyuldin, 1976, Schmidt-Nielsen K., 1984). Visa tai sudarė pagrindą prielaidai, kad sunkio jėga – pastoviausias aplinkos veiksnys – turi reikšmės ne tik individualiam organizmo vystymuisi, bet ir evoliucinei gyvojo pasaulio raidai.
Pastarosios idėjos naudai liudijo ir A. Merkio atliktos augalų filogenetinio vystymosi analizės rezultatai (Merkys, 1976). Manoma, kad dėl gravitacijos poveikio formavosi poliškos struktūros, kurios vėliau virto gravisensorine sistema, turinčia didelę įtaką augalų aktyvios erdvinės orientacijos galimybėms. Ši sistema formavosi pačiuose ankstyviausiuose eukariotų filogenezės etapuose, nes ne tik žaliųjų, bet ir raudonųjų bei rudųjų dumblių, o taip pat grybų atstovams jau būdingas gravitropinis jautrumas. Augalams įsitvirtinant sausumoje, gravitacija turėjo įtakos anatominiams ir morfologiniams persitvarkymams ląstelių, atskirų audinių ir viso organizmo lygmenyje.
Apibendrindamas iki praėjusio šimtmečio 60-ųjų metų atliktų tyrimų duomenis apie gravitacijos reikšmę augalams, žymus morfologas Sinotas (Sinnott, 1960) neatmetė galimybės, kad ši jėga lemia bendrą augalų augimo pobūdį ir turi įtakos jų formai. Jo nuomone, sunkio jėgą galima laikyti ne tik kaip organizmų, tarp jų – ir augalų, filogenezę lėmusiu veiksniu, bet ir kaip jėgą, aktyviai veikiančią šiuolaikinių organizmų kai kurias morfologines ir fiziologines  savybes.
Jeigu organizmas filogenetinio vystymosi eigoje adaptavo savo struktūrą ir funkcijas pastovaus dydžio (1 x G) ir krypties (nukreiptos į Žemės centrą) sąlygoms, tuomet biologinių pokyčių gali atsirasti tiek organizmui pakeitus savo įprastą padėtį gravitacinės jėgos krypties atžvilgiu, tiek ir padidinus ar sumažinus šios jėgos amplitudę, lyginant su įprasta 1 x G.
Kokiomis metodinėmis priemonėmis naudojamasi, siekiant ištirti augalų sąveiką su gravitacija, parodo žemiau pateikta schema. Akivaizdu, kad įprastomis laboratorinėmis sąlygomis nėra kliūčių įvertinti sunkio jėgos poveikį keičiant augalo padėtį šios jėgos veikimo krypties atžvilgiu ir taip sukeliant gravitropinį dirginimą arba net bandant augalą auginti apvertus 180o (inversija).

1A

Kai kuriems gravitacinės fiziologijos uždaviniams spręsti taip pat naudojamas prietaisas horizontalus klinostatas (Sachs, 1882). Šiuo atveju augalas paguldomas horizontaliai ir pradedamas tam tikru greičiu sukti apie išilginę ašį, kad nesureaguotų gravisensorinė sistema ir neįsijungtų gravitropinė reakcija.

2A

Sėjamosios pupelės daigų erdvinė orientacija sėkloms dygstant stacionarioje padėtyje vertikaliai (A) ir horizontaliai klinostatuojant (B)

Galimybės ištirti normalaus dydžio gravitacijos (1 x G) pakeitimo fiziologines pasekmes Žemės sąlygomis yra ribotos. Galimi tik didesnių už 1 x G jėgų tyrimai centrifugoje pripažinus, kad yra teisinga prielaida (Knight, 1806), jog Žemės traukos sukeliamas biologinis poveikis tapatus išcentrinės jėgos veikimui. Sujungus klinostatą ir centrifugą į vieną prietaisą, pašalinamas vienakryptis sunkio jėgos veikimas (klinostato pagalba), o centrifugos pagalba sukuriama norimo dydžio išcentrinė jėga. Tokiu būdu atsiranda galimybė tirti imituotų, mažesnių negu 1 x G jėgų biologinį poveikį augalams.
Tokie prietaisai buvo sukonstruoti ir Botanikos instituto fiziologų, talkinant tuometinės Skaičiavimo mašinų gamyklos inžinieriui – konstruktoriui E. Katkevičiui. Šių prietaisų pagalba atlikti augalų auginimo bandymai esant išcentrinės jėgos reikšmėms, mažesnėms už 1 x G, pavyzdžiui, 0,166 x G (tokio dydžio sunkio jėga veikia Mėnulyje). Ši patirtis buvo naudinga planuojant ir vykdant kosminius eksperimentus mikrogravitacijos (MG) sąlygomis.

3A1

Dviejų ir

3A2

trijų ašių centrifuga-klinostatas augalų auginimui imituoto nesvarumo (0 x G) sąlygomis ir veikiant mažesnėmis už 1 x G išcentrinėmis jėgomis

Ar galima pasitikėti klinostate ar centrifugoje-klinostate atliktų eksperimentų rezultatais? Prasidėjus kosminiams skrydžiams, pagaliau atsirado galimybė ne tik atsakyti į šį klausimą, bet ir patikrinti, kiek teisingos buvo taip ilgai kurtos teorijos ir prielaidos, vertinančios gyvų būtybių ir sunkio jėgos sąveiką.

1957 m. Sovietų Sąjunga paleido pirmąjį dirbtinį Žemės palydovą (DŽP) ir pradėjo kosmoso erdvės tyrimo programą, o netrukus – ir JAV. Planuojant žmogaus skrydį į kosmosą, ypatingas dėmesys buvo skiriamas organizmų išgyvenimo galimybėms mikrogravitacijos (MG) sąlygomis. Per pirmąjį biologinių tyrimų kosmose etapą daugiausia eksperimentų buvo atlikta su bakterijomis, pirmuonimis, žemesniaisiais grybais ir dumbliais. Vėliau buvo tiriama sudėtingesnės biologinės sandaros organizmų, o galiausiai ir žinduolių išgyvenimo galimybės. Tarp tiriamų organizmų buvo ir aukštesnieji augalai, nes planuota ateityje kosminių skrydžių metu augalus panaudoti kosmonautų maistui ir net erdvėlaivio atmosferos regeneravimui.
Atsižvelgiant į kosminių eksperimentų unikalumą ir mokslinę vertę bei labai aukštą jų kainą, konkurencija tarp norinčių juos vykdyti pretendentų buvo ir išlieka didelė. Atrankos metu vertinama ne tik mokslininkų kvalifikacija ir patirtis, pateikiamų eksperimentų mokslinis pagrįstumas, bet ir techninės galimybės sukurti aparatūrą, atitinkančią specifinius kosminės įrangos reikalavimus.
Šią atranką pavyko įveikti mokslininkams iš Lietuvos MA Botanikos instituto Augalų fiziologijos laboratorijos, vadovaujamiems profesoriaus, habilituoto gamtos mokslų daktaro Alfonso Merkio, kuris jau buvo įgijęs patirties tyrinėjant augalų reakciją į sunkio jėgą.
A. Merkys 1949–1953 m. studijavo Vilniaus universiteto Gamtos mokslų fakultete, o nuo 1953 m. doktorantūroje Maskvos Lomonosovo universiteto Biologijos-dirvožemio fakulteto Augalų fiziologijos katedroje. Vadovaujamas dr. N. Turkovos, jis tyrė javų išgulimo fiziologines priežastis. Tyrimų medžiagą apibendrino disertacijoje “Cheminių priemonių panaudojimas prieš javų išgulimą”, kurią apgynė 1957 m. Tais pačiais metais jis grįžo į Lietuvą ir pradėjo dirbti Lietuvos MA Biologijos instituto Augalų fiziologijos laboratorijoje. 1961 m. tapo jos vadovu, subūrė jauną kolektyvą ir plačiai išvystė augalo reakcijos į sunkio jėgą tyrimus. 1966 m. apgynė daktaro disertaciją (šiuo metu habil. dr.) “Augalų geotropizmas ir jo reikšmė augalo ašinių organų erdvinei orientacijai”, o 1973 m. publikavo monografiją “Augalų geotropinė reakcija”.
1971 m. A. Merkys kreipėsi į Kosmoso tyrimo ir panaudojimo komisiją prie Sovietų Sąjungos Mokslų akademijos dėl galimybės dalyvauti kosminėje programoje. Tais pačiais metais buvo pasirašyta sutartis dėl aparatūros konstravimo ir eksperimentų su aukštesniaisiais augalais kosminiuose erdvėlaiviuose vykdymo 1971–1975 metais.
Lietuvių programa numatė eksperimentus su dygstančiomis sėklomis bei daigų cheminiu fiksavimu kosminio skrydžio sąlygomis, kad, grąžinus pavyzdžius į Žemę, būtų galima atlikti biometrinę ir citologinę analizę. Tokių bandymų iki to laiko dar nebuvo atlikta. Kadangi citologiniai konservantai yra agresyvios cheminės medžiagos, eksperimento pateikėjas privalėjo prisiimti juridinę atsakomybę, kad bandymas nesukels grėsmės kosmonautams bei erdvėlaivio techninei įrangai.
Šioms problemoms spręsti Augalų fiziologijos laboratorijoje 1971 m. buvo suburta darbo grupė, o 1984 m. įkurtas Gravitacinės fiziologijos sektorius. Abiems padaliniams iki 2001 m. vadovavo dr. Romualdas Laurinavičius, 1965 m. apgynęs gamtos mokslų daktaro disertaciją ir įsitraukęs į laboratorijoje vykdomus augalų gravitropinės reakcijos mechanizmo tyrimus.

4A

Gravitacinės fiziologijos sektoriaus mokslininkai 1989 metais: sėdi gamtos mokslų daktarai Algirdas Jarošius, Danguolė Raklevičienė (vadovavusi sektoriui 2001–2013 m.), Ona Rupainienė, Danguolė Švegždienė (vadovavusi sektoriui 2013-2015, Romualdas Laurinavičius, stovi Alvidas Stočkus, Palmira Kenstavičienė (trečia iš kairės). Techniniai darbuotojai: Margarita Vyšniauskaitė, Birutė Urbonaitė ir Regina Senekovaitė

1971–1996 m. laikotarpiu Gravitacinės fiziologijos sektoriuje dirbę mokslininkai ir inžinierius Gytis Radzevičius, o taip pat jiems talkinę tuometinės Metalų pjovimo staklių instituto eksperimentinės gamyklos „Precizika“ inžinieriai-konstruktoriai Romas Kavaliauskas, Vilius Ragaišis ir Vaclovas Veinšreideris sukonstravo ir pagamino originalią aparatūrą kosminiams bandymams su aukštesniaisiais augalais, atliko apie 20 bandymų dirbtiniuose Žemės palydovuose (DŽP), pilotuojamuose erdvėlaiviuose ir orbitinėse stotyse. Kai kurie iš šių eksperimentų įėjo į mokslo istoriją, kaip pirmieji.

Alfonsas Merkys ir Romualdas Laurinavičius

Alfonsas Merkys (kairėje) ir Romualdas Laurinavičius svarsto galimybes panaudoti centrifugą kosminiams eksperimentams

Kosminių eksperimentų organizavimas ir vykdymas, ypač 1970–1980 m., nebuvo paprastas dėl tuo metu juos gaubusios slaptumo skraistės. Tikslios erdvėlaivio starto, skrydžio trukmės ir nusileidimo datos buvo pranešamos tik paskutiniu momentu, dažnai koreguojamos, jau nekalbant apie galimybę Vilniaus botanikams patiems pristatyti į Baikonūro ar Plesecko kosmodromus paruošto eksperimento įrangą ir supažindinti kosmonautus su bandymų vykdymo metodika. Vilniečių pilnai paruoštą prietaisą ir eksperimento vykdymo kosmose kontrolę Maskvoje perimdavo vietiniai specialistai (biologijos mokslų kandidatai Aleksandr Mašinskij, Galina Nečitailo, biologijos mokslų daktaras Murad Tairbekov ir kiti), nuo kurių daug priklausydavo bandymų sėkmė. Vėliau tiesioginių kontaktų su kosmonautais galimybės gerėjo, tačiau tarpininkų ir jų vaidmens atsisakyti nebuvo galima iki pat paskutinio vilniečių vykdyto eksperimento 1996 metais.

Aleksandr Mašinskij

Aleksandr Mašinskij išima biologinių bandymų medžiagą iš Kazachstano stepėse nusileidusio erdvėlaivio

Kosminio skrydžio sąlygomis Lietuvos augalų fiziologų vykdytų eksperimentų tikslai buvo tokie:
• Citologiniais metodais įvertinti MG poveikį sėklų dygimui ir daigų erdvinei orientacijai. Nustatyti daigų gravitropinio jautrumo slenksčius, veikiant 0.01 x G, 0.1 x G ir 1 x G jėgoms.
• Atsakyti į klausimą, ar augalai MG sąlygomis gali praeiti pilną individualaus vystymosi ciklą.
• Nustatyti MG poveikį ląstelių dediferenciacijos bei organogenezės procesams.
• Ištirti šaknies gravisensorių ultrastruktūrą sėkloms dygstant MG ir 1 x G sąlygomis.

Svarbiausi Lietuvos botanikų bandymai su augalais kosminio skrydžio sąlygomis

* OS – orbitinė stotis, DŽP – dirbtinis Žemės palydovas

1973 m. Lietuvos mokslininkai atliko pirmąjį eksperimentą su žirniais erdvėlaivyje “Sojuz-12”, o 1974 m. – erdvėlaivyje “Sojuz-13” su žirnių ir salotų sėklomis. Sėklos dygo originaliame laikiklyje, leidžiančiame šaknims laisvai augti drėgmės prisotintoje erdvėje. Laikiklis buvo įdedamas į mažą termostatą “Bioterm”, o erdvėlaiviui nusileidus, daigai apdorojami cheminiu fiksatoriumi tolimesniems citologiniams tyrimams.

Gytis Radzevičius ir Algirdas Jarošius

Gytis Radzevičius (kairėje) ir Algirdas Jarošius studijuoja kosminiam eksperimentui ruošiamo prietaiso techninę dokumentaciją

Pasibaigus bandymui nustatyta, kad skrydžio metu daigai augo įvairiomis kryptimis, priklausomai nuo sėklos padėties laikiklyje ir gemalo padėties sėkloje. Jų erdvinė orientacija buvo panaši, kaip ir kontrolinių daigų, augusių klinostate. Kadangi šių bandymų trukmė buvo dvi paros, todėl pavyko įvertinti pirminės šaknelės augimą tik pradinės sėklų dygimo fazės metu. Statistiškai patikimų morfologinių ir citologinių skirtumų tarp kosmose ir Žemėje augusių daigų nebuvo rasta. Todėl prieita prie išvados, kad procesai, vykstantys sėklose pačių pirmųjų dygimo fazių metu, nėra priklausomi nuo sunkio jėgos.
Tiriant sėklų dygimą kosmose, ženkliai tobulesni metodiniu požiūriu bandymai atlikti 1979 – 1980 m. orbitinėje stotyje “Saliut-6”. Čia buvo įmontuotas vilniečių sukonstruotas prietaisas “Biogravistatas-1”, turintis stacionarų segmentą (MG sąlygos) ir centrifugą, generuojančią 1 x G dydžio išcentrinę jėgą.
Laboratorijoje paruošti paketai su ten įtvirtintomis sausomis sėklomis buvo nugabenami į kosminę stotį, kosmonautai juos sudrėkindavo vandeniu ir įdėdavo į prietaisą, o pasibaigus bandymui paketus su daigais sudėdavo į specialius biofiksatorius (BKM), kuriuos vėliau parveždavo į Žemę.

8ALaikiklio sėklų dygimui ir daigų erdvinei orientacijai kosmose tirti skersinis pjūvis. Laikiklio vidus užpildytas higroskopine medžiaga, kuri sudrėkinama vandeniu prieš pat erdvėlaivio startą

Panaudojus centrifugą, sėklos dygo ne tik MG sąlygomis, bet ir 1 x G centrifugoje, todėl jau buvo galima nustatyti tik nesvarumo poveikį augalams, o ne sumarinį viso komplekso kosminio skrydžio sąlygų – nesvarumo, kosminės spinduliuotės, erdvėlaivio vidaus atmosferos sudėties, temperatūros pokyčių bei kitų veiksnių įtaką. Rezultatai buvo lyginami su tokiame pat prietaise vykdomu eksperimentu Žemėje bei klinostate.
Šiame etape buvo atlikti trys eksperimenai su sėjamųjų salotų bei po vieną bandymą su sėjamosios pipirnės, miežių bei baltažiedžio vairenio (Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.) dygstančiomis sėklomis. Gauti rezultatai patvirtino prielaidą, kad augalų ašinių organų erdvinės orientacijos kontroliavimui išcentrinė jėga yra lygiavertė Žemės sunkio jėgai.
Nustatyta, kad mikrogravitacijos sąlygomis daigai auga kaip ir Žemėje bei centrifugoje, tačiau jų erdvinė orientacija, ilgis ir citologiniai rodikliai skiriasi ne tik atskiruose to paties bandymo variantuose, bet ir skirtinguose bandymuose. Gali būti, kad kažkokie kiti kosminio skrydžio veiksniai, kartu su nesvarumu, turi reikšmės sėklų dygimo ir augimo procesams.

9A

Prietaisai BKM (1) ir BKM-2 (2) augalų auginimui ir cheminei fiksacijai kosmose bei grąžinimui į Žemę

Vienas iš tokių veiksnių gali būti kosminės spinduliuotės komponentas – didelės energijos sunkieji jonai, kurių neigiamas poveikis sausoms Arabidopsio sėkloms, eksponuojamoms tarp detektorinių plokštelių, buvo nustatytas 1977 m. 90 parų trukmės eksperimente, atliktame DŽP „Kosmos-613“. Sėklos, į kurias pataikė sunkioji dalelė, blogiau dygo arba iš viso tapo nedaigios, jeigu buvo pataikyta į sėklos gemalą, o ne į sėklaskiltę.

10A

Salotų daigai, užaugę 1 x G centrifugoje (1) ir MG sąlygomis (2) prietaise „Biogravistatas-1“. 1979 m. eksperimentas OS „Saliut-6“, žymė -10 mm

Orbitinėje stotyje „Saliut-7” buvo sumontuotas Lietuvos botanikų sukurtas patobulintas prietaisas „Biogravistat-1M”, kuriame be stacionaraus segmento (MG sąlygos) buvo centrifuga, išvystanti 0.01 x G, 0.1 x G ir 1 x G išcentrines jėgas.

Viktor Savinych ir akademikas Alfonsas Merkys

Augalų fiziologijos laboratorijos darbuotojai 1986 m. su kosmonautu Viktor Savinych, vykdžiusiu ir vilniečių bandymus kosmose (pirmoje eilėje ketvirtas iš kairės), šalia jo – akademikas Alfonsas Merkys

1982 m. šiame prietaise buvo atliktos dvi serijos eksperimentų, kuriuose paeiliui salotų sėklos dygo nuolat veikiamos 0.01, 0.1 arba 1 x G dydžio išcentrinės jėgos ir MG sąlygų. Daigų erdvinės orientacijos biometrinis įvertinimas leido spręsti, kokia mažiausia išcentrinė jėga reikalinga, kad įvyktų gravitropinis sudirginimas ir pasireikštų atsakomoji reakcija – išlinkimas.

kosminė centrifuga „Biogravistat-1M”

Prietaiso – kosminės centrifugos „Biogravistat-1M” bendras vaizdas

Nustatyta, kad norint užtikrinti normalią šaknų ir hipokotilių erdvinę orientaciją kosmose, užtenka atitinkamai 0,01 x G ir 0,1 x G išcentrinės jėgos. Taigi, galima prognozuoti, kad prireikus sėklas daiginti Mėnulyje (jaunieji Lietuvos mokslininkai tokią galimybę puoselėja), daigų erdvinė orientacija neturėtų sukelti problemų, nes ten veikianti sunkio jėga (0.166 x G) yra pakankama, kad augalų gravitropinė reakcija vyktų normaliai.
Skaičiavimams naudojant ekstrapoliavimo metodą, buvo apskaičiuota, kad gravitropinio jautrumo slenkstis sėjamosios salotos daigų hipokotiliams yra 2.9 x 10-3G, o šaknims – net 1.5 x 10-4 G.
Kodėl MG variante taip pat nustatytas nedidelis šaknų nukrypimas, liko neaišku. Neatmetama galimybė, kad erdvėlaiviuose gali susidaryti nedideli vienos krypties pagreičiai, atsirandantys orbitos korekcijos metu arba įgulai atliekant fizinius pratimus, kurių dydis yra vienos eilės su šaknų gravitropinio jautrumo slenksčiu. Šį klausimą bandyta spręsti bandyme, atliktame 1985 m. DŽP „Kosmos-1667“, kur sėjamosios salotos ir baltažiedžio vairenio sėklos 7 paras dygo specialiame prietaise, numatant galimybę kiekybiškai įvertinti daigų erdvinę orientaciją. Pasirodė, kad rezultatai gali priklausyti nuo to, kokiu režimu – orientuotu ar neorientuotu, skrido dirbtinis Žemės palydovas

Sėjamosios salotos daigų erdvinė orientacija

Sėjamosios salotos daigų erdvinė orientacija, veikiant skirtingo dydžio išcentrinėms jėgoms ir MG sąlygomis. Dešinėje – šaknų nukrypimo kampas (laipsniais) nuo pradinės padėties bandymo pabaigoje. Eksperimentas OS „Saliut-7“

Nustačius sėklų dygimo kosmose ypatumus, reikėjo atsakyti į patį svarbiausią klausimą – ar gali augalai kosminio skrydžio sąlygomis praeiti visą savo vystymosi ciklą – nuo sėklos iki sėklos.
JAV mokslininkai planavo atsakyti į šį klausimą, ruošdami bandymus “Biosatellite-3” skrydžiui, kuris taip ir neįvyko. Maskvos Medicininių – biologinių problemų instituto mokslininkai atliko eksperimentą, kuriame jau žydintys Arabidopsis augalai buvo patalpinti į DŽP „Kosmos-1129“ ir praėjus 18 parų sugrąžinti į Žemę. Nors jiems pavyko gauti fertilių sėklų, tačiau liko neaišku, kur – dar Žemėje ar kosmose – vyko apvaisinimas ir embriogenezė, o fertilių sėklų susidarė tik 58.6%, lyginant su kontrole (Parfenov, Abramova, 1981). Kitų mokslininkų bandyme, vykdytame OS „Saliut-6“, Arabidopsis buvo pasėtas Žemės sąlygomis ir kosmose augo iki žydėjimo ir derėjimo fazės. Šiame bandyme sėklos iš viso nesusiformavo (Kordyum, et al., 1982).
Lietuvos fiziologai tuo laikotarpiu konstravo ir vis tobulino savo miniatiūrinę oranžeriją „Fiton“, skirtą Arabidopsis augalams auginti, kurią išbandė OS „Saliut -6“ 1978 m. ir 1980 m.

Danguolė Švegždienė

Danguolė Švegždienė su augalų pavyzdžiais, išaugintais kosmose (A. Palionio nuotrauka, “Jaunimo gretos 1983 m. balandžio mėn.)

Galutinio varianto mikrooranžerija „Fiton-3“ buvo sėkmingai panaudota Arabidopsis augalų auginimui nuo sėklos iki sėklos 1982 m. OS „Saliut-7“ talkinant kosmonautams Anatolij Berezovoj ir Valentin Lebedev. Oranžerija susideda iš stačiakampės talpos skaidriomis sienelėmis ir šviestuvo. Talpoje įrengta vėdinimo sistema, nepažeidžianti sterilumo sąlygų talpos viduje, penkių vegetacinių indelių su mitybine terpe komplektas ir sėklų pasėjimo nesvarumo sąlygomis įrenginys.
Bandymui paruoštas prietaisas į OS „Saliut-6“ buvo nuskraidintas krovininiu erdvėlaiviu „Progres-13“ gegužės 25 d. Birželio 19 d. kosmonautai pasėjo sėklas, įjungė šviestuvą, kartu su į stotį atvykusia Svetlana Savickaja vykdė augalų augimo stebėjimą ir savo užrašuose juos nupiešė.

Kosmonautai Vladimir Kovolionok ir Aleksandr Ivančenkov

Kosmonautai Vladimir Kovolionok ir Aleksandr Ivančenkov atlieka mikrooranžerijos „Fiton“ bandymus orbitinėje stotyje „Saliut-6“

Kosmonautas V. Lebedev savo dienoraštyje rašė: “rugpjūčio 4 dieną, kalbėdamas su biologu, papasakojau, kad įrenginyje „Fiton-3“ Arabidopsis subrandino sėklas. Tai jį labai sujaudino. Atrodo, kad augalas pirmą kartą kosmose subrandino sėklas. O mes apie tai net nežinojome”. Pranešimas buvo nedelsiant perduotas „Mayak“ radijo programai, kaip ypatingai svarbi naujiena. Po 69 dienų įrenginys “Fiton- 3” erdvėlaiviu “Sojuz T-5” buvo parskraidintas į Žemę (1982 m. rugpjūčio 27 d.). Jame buvo apie 200 subrendusių sėklų. Taigi, 1982 m. orbitinėje stotyje “Saliut- 7” buvo sėkmingai užbaigtas pilnas augalo gyvybinio ciklo eksperimentas.
Nors kosmose augalai vystėsi lėčiau negu Žemėje, subrandino mažiau gyvybingų sėklų, tačiau didžioji jų dauguma, pasėta laboratorijos sąlygomis, augo ir vystėsi normaliai. Kosminių augalų pirmos ir antros kartos palikuonys jokiais morfologiniais rodikliais nuo kontrolinių nesiskyrė.

„Fiton-3“ and Arabidopsis

Mikrooranžerija „Fiton-3“, kurioje kosminio skrydžio sąlygomis Arabidopsis augalai augo ir subrandino biologiškai pilnavertes sėklas

Svetlana Savickaja, „Saliut-7“, Arabidopsis, „Fiton-3“

Kosmonautės Svetlanos Savickajos orbitinėje stotyje „Saliut-7“ nupiešti Arabidopsis augalai, užaugę ir subrandinę sėklas mikrooranžerijoje „Fiton-3“

Arabidopsis in space

Arabidopsis sėklų, užaugusių Žemėje (Control) ir OS „Saliut-7“ (Microgravity) matmenys ir bendras vaizdas

* Skirtumai statistiškai patikimi esant P=0.01

Šiuo eksperimentu įrodyta, kad bent jau augalų Arabidopsis atveju, visas individualus augalo vystymasis nesvarumo sąlygomis yra galimas. Tokią pačią išvadą padarė ir JAV mokslininkai, sėkmingai atlikę Arabidopsis auginimo nuo sėklos iki sėklos bandymą tarptautinėje kosminėje stotyje 2001 metais.
Atlikus kosminio skrydžio sąlygomis gautų sėklų biologinį įvertinimą, iškilo klausimas, ar kosmose galima augalo kelių generacijų kaita. Norint pagrįsti prielaidą, kad kosminiuose laivuose augalus bus galima panaudoti kaip maisto ir deguonies producentus uždarose gyvybės aprūpinimo sistemose, būtina buvo pakartoti Fiton-3 eksperimentą su pirmame bandyme gautomis sėklomis. Tuo tikslu paruoštas prietaisas 1983 m. balandžio mėnesį buvo atvežtas į Baikonūro kosmodromą. Balandžio 20 d. erdvėlaivis „Sojuz T-8“ su kosmonautais Vladimir Titov ir Genadij Strekalov turėjo pristatyti mikrooranžeriją į orbitinę stotį „Saliut-7“. Tačiau po dviejų nesėkmingų bandymų sujungti erdvėlaivį su stotimi, įgula buvo priversta grįžti į Žemę. Taigi, eksperimentas neįvyko.
Dėl techninių kliūčių, nepriklausančių nuo Vilniaus botanikų, mikrooranžerija su kosminėmis sėklomis nebuvo paimta ir į erdvėlaivį „Sojuz-T-9“, todėl teko laukti „Sojuz-T-10“ skrydžio. 1983 m. rugsėjo 26 d. į šį erdvėlaivį jau buvo pakrautas ir Fiton-3. Kaip žinia, šis skrydis baigėsi vos prasidėjęs. Visa įranga, kartu ir vilniečių mikrooranžerija su unikaliomis kosmose išaugintomis sėklomis, buvo sunaikinta.
Eksperimentą (tik jau su paprastomis Arabidopsis sėklomis) buvo bandoma pakartoti 1987 m. OS “Mir”, kur dirbo kosmonautai Jurij Romanenko ir Aleksandr Laveikin. Mikrooranžerija „Fiton-3“ į orbitinę stotį buvo nugabenta krovininiu erdvėlaiviu „Progres-30“ gegužės 19 d. Birželio 2 d. kosmonautai pasėjo sėklas ir įjungė šviestuvą, o liepos 30 d prietaisas su augalais buvo parvežtas į Žemę erdvėlaiviu „TM-2“. Mikrooranžerijoje užaugo penki normalios išvaizdos augalai, tačiau jie buvo tik pradėję žydėti arba formuoti ankštarėles, nes nuo sėjos iki šviestuvo išjungimo buvo praėjusios tik 56 paros. Sėklų susidarymui bei brandai dar pritrūko bent dešimties dienų. Suprantama, erdvėlaivių starto ir leidimosi grafikas negalėjo būti keičiamas, atsižvelgiant į atskiro eksperimento metodiką.

Miežiai kosmoseKosminio skrydžio sąlygomis OS „Mir“ ir Žemėje sudygusių miežių gemalai. 1990 m. eksperimentas

Sukūrę prietaisą „BKM-2“, kuriame sėklas galima daiginti kosmose ir ten pat jas užfiksuoti elektroninei mikroskopijai skirtu skysčiu, vilniečiai 1990 m. ir 1991 m. OS „Mir“ atliko du bandymus su miežių gemalais, siekdami ištirti MG sąlygų poveikį augimui ir gravisensorinių ląstelių ultrastruktūrai.

Nustatyta, kad kosminio skrydžio sąlygomis ir Žemėje sudygusių miežių gemalų šaknų erdvinė orientacija ženkliai skiriasi, tačiau jų augimas vyksta normaliai. Šiame, kaip ir visuose kituose kosminiuose eksperimentuose pasireiškiantis augalų erdvinės orientacijos sutrikimas iškėlė klausimą, kaip formuojasi už šį fiziologinį procesą atsakingos gravisensorinės ląstelės neveikiant gravitacijai.
Siekdami nustatyti, kaip kosminio skrydžio sąlygomis vyksta diferencijuotų ląstelių virsmas nediferencijuotomis kaliaus ląstelėmis, Lietuvos fiziologai atliko tris 18-60 parų trukmės eksperimentus su Arabidopsis audinių kultūromis orbitinėse stotyse „Saliut-7“ (1982 m.) ir „Mir“ (1989-1990 m.). Sėklos buvo sėjamos ant terpės, provokuojančios kaliaus susidarymą, o pasibaigus bandymui susiformavęs kalius buvo chemiškai fiksuojamas citologinei analizei.

20A

Kaliaus audinių, susiformavusių iš Arabidopsis sėklų ląstelių dediferenciacijos procese Žemėje ir OS “Mir”, bendras vaizdas ir augimo rodikliai (1990 m.)

1990 m. atlikto 57 parų trukmės eksperimento duomenys atskleidė, kad MG sąlygomis kaliaus audinio susidarymas vyksta kaip ir Žemėje, nes biomasės kiekis yra vienodas, tačiau audinio kompaktiškumas, ląstelių ir branduolių plotas skiriasi iš esmės. Taigi, tiek dygstančiose sėklose, tiek nediferencijuotose ląstelėse gravitacijos nebuvimas sukelia pakitimus, kurių nebūna įprastinės gravitacijos sąlygomis. Be to, šie rezultatai įrodė, kad nesvarumo poveikio augalams tyrimai ląstelės lygmenyje yra aktualūs ir kosminius eksperimentus finansuoti galinčios laboratorijos imsis tokios veiklos. Gravitacinės fiziologijos sektoriaus mokslininkai pradėjo ruoštis spręsti šią problemą.

D. Švegždienė, P. Kenstavičienė, A. Jarošius prie kosminės centrifugos “Biogravistat”

D. Švegždienė, P. Kenstavičienė, A. Jarošius prie kosminės centrifugos “Biogravistat”. (“Kalba Vilnius”, 1983 m. Nr. 48)

Lietuvai atgavus nepriklausomybę keletą metų kosminiai eksperimentai vyko sena tvarka, kaip buvo iš anksto suplanuoti, juo labiau, kad tarptautinio bendradarbiavimo idėja Rusijai buvo aktuali ruošiantis kurti tarptautinę kosminę stotį (TKS). Kol vyko šalių derybos dėl šio grandiozinio projekto, Rusijos ir JAV mokslininkai sutarė įgyvendinti bendrą trijų biologinių palydovų „Bion-10, -11 ir -12“ paleidimų programą. Dalyvauti šiame projekte buvo pasiūlyta ir Lietuvos augalų fiziologams, jei bus pateikti moksliniu požiūriu konkurencingi eksperimentai.
Iškilo kelios problemos. Pirma, naujų idėjų įgyvendinimui reikėjo ir naujos automatizuotos įrangos, nes ta, kuri buvo naudojama pilotuojamuose erdvėlaiviuose padedant kosmonautams, netiko. Antra, naujos aparatūros kūrimo finansavimas jau buvo eksperimentą ruošiančios šalies, t. y. Botanikos instituto, o netrukus paaiškėjo, kad tai – Gravitacinės fiziologijos sektoriaus reikalas. Trečia, laiko iki palydovo „Bion-10“ starto buvo likę vos metai. Ir ketvirta, iškilo klausimas, ar kosminė tematika dera su Lietuvos valstybės finansuojama Botanikos instituto moksline tematika.
Pastaroji problema buvo išspręsta supratus, kad kosminė gravitacinė fiziologija yra glaudžiai susijusi su klasikinės augalų fiziologijos klausimu – gravitropinės reakcijos mechanizmo tyrimu, todėl keisti mokslinių tyrimų tematiką ir prarasti šioje srityje didelę patirtį turinčių specialistų galimybes nėra racionalu. Sektorius pradėjo tirti pradines gravitropinės reakcijos fazes matematinio modeliavimo ir eksperimentiniais metodais. Suradus finansinį rėmėją šiems klausimams spręsti galėjo būti pasitelkti ir kosminiai eksperimentai.

Alvido Stočkaus modifikuota gravitropinės reakcijos schema (Rawitsher, 1932), kaip matematinio modeliavimo pagrindas

Alvido Stočkaus modifikuota gravitropinės reakcijos schema (Rawitsher, 1932), kaip matematinio modeliavimo pagrindas

Eksperimentiniam šios temos vykdymui jau buvo kuriamas didelio tikslumo ir galimybių prietaisas centrifuga-klinostatas, įgalinantis manipuliuoti gravisensorinių ląstelių statolitais gravitropinės reakcijos sudirginimo ir pajutimo fazių metu bei fiksuoti šiuos pakitimus citologiniais fiksatoriais, nenutraukiant nei centrifugos, nei klinostato sukimosi.

Centrfuga-klinostatas gravitropinės reakcijos pradinių fazių tyrimams

Centrfuga-klinostatas gravitropinės reakcijos pradinių fazių tyrimams

Šią vilniečių tyrimų programa dr. R. Laurinavičius pristatė vienai iš autoritetingiausių Vakarų Europos gravitacinės fiziologijos laboratorijų, susitelkusių Bonos universiteto Botanikos institute, vadovaujamame prof., dr. Andreas Sievers. Kadangi jie vykdė eksperimentus su augalais raketose, kur nesvarumo sąlygos sukuriamos tik trumpam laikui, o taip pat JAV Shutlle erdvėlaiviuose, Bion eksperimentų galimybės juos sudomino ir šio projekto įgyvendinimui buvo skirtas finansavimas.
Bandymui pagal palydove“Bion-10” programą vilniečiai sukūrė mažų matmenų, tačiau kelias operacijas automatiškai atliekantį prietaisą – centrifugą „Neris-5”. Paleidus eksperimento programą, sausos salotų ir sėjamosios pipirnės sėklos kosminio skrydžio sąlygomis buvo sudrėkinamos vandeniu, dygo atitinkamai 62 ir 26 val., o užaugę daigai fiksuojami gliutaro aldehido tirpalu. Prietaise yra stacionari platforma ir 1 x G centrifuga, o į kiekvieną jų dedama po aštuonis vegetacinius indelius, kuriuose ir dygsta sėklos bei fiksuojami daigai.

Atidengtas prietaisas “Neris-5”, kuriame vykdytas eksperimentas DŽP „Bion-10”

Atidengtas prietaisas “Neris-5”, kuriame vykdytas eksperimentas DŽP „Bion-10”

Palydovas buvo paleistas 1992 m. gruodžio 29 d. iš Plesecko kosmodromo, o nusileido 1993 m. sausio 12 d. Karagandos rajone Kazachstane. Borto centrifuga „Neris-5” veikė normaliai, sėklos sudygo ir buvo kokybiškai užfiksuotos. Paruošus preparatus šviesinės ir elektroninės mikroskopijos tyrimams, buvo gautas kiekybinis šaknų šalmelio gravisensorinių ląstelių morfologijos ir viduląstelinio organoidų išsidėstymo vaizdas sėkloms dygstant 1 x G centrifugoje ir nesvarumo sąlygomis bei analogiško bandymo metu Žemėje.

Statolitų - amiloplastų ir mitochondrijų išsidėstymas sėjamosios pipirnės šaknų gravisensorinėse ląstelėse. GC - kontrolė Žemėje, RC - 1 x G centrifuga kosmose, MG - mikrogravitacijos sąlygos

Statolitų – amiloplastų ir mitochondrijų išsidėstymas sėjamosios pipirnės šaknų gravisensorinėse ląstelėse. GC – kontrolė Žemėje, RC – 1 x G centrifuga kosmose, MG – mikrogravitacijos sąlygos

Palydove „Bion- 11“, skridusiame nuo 1996 m. gruodžio 24 d. iki 1997 m. sausio 7 d., buvo panaudotas patobulintas borto centrifugos „Neris-5“ variantas ¬ „Neris-8“. Šiame prietaise numatytos didesnės galimybės valdyti tiek centrifugos sukimosi greitį, tiek jos darbo trukmę. Tai sudarė galimybę ištirti ne tik statolitų statiką 1 x G ir MG sąlygomis, bet ir jų viduląstelinę dinamiką, kai gravitacinė aplinka pakeičiama iš 1 x G į microgravitaciją ir atvirkščiai. Dėl prietaiso programinės įrangos sutrikimo, įvykusio bandymų pabaigoje, ne visa numatyta tyrimų programa buvo įvykdyta. Tačiau pavykę bandymo variantai davė kokybiškai naujos informacijos apie procesus, vykstančius gravitacijai jautriose ląstelėse gravitropinės indukcijos fazės metu.
Buvo tikimasi, kad 1998 m. vyks dar vienas biopalydovo „Bion -12“ skrydis, kaip tai numatė pradinė Rusijos ir JAV sutartis, tačiau, pastarajai atsisakius dalyvauti, palydovo paleidimo buvo atsisakyta.
Nuo to laiko keitėsi gravitacinės biologijos tyrimus vykdančių institucijų struktūra, mokslinių programų prioritetai, keitėsi ir mokslininkų kartos bei jaunųjų tyrėjų interesai. Dėl visų šių pokyčių nuo 2015 m. Botanikos institute ne tik kosminės, bet ir gravitacinės augalų fiziologijos tematikos nebėra. Dauguma lietuvių sukurtos įrangos, skirtos augalų augimo ir vystymosi tyrimams kosminių skrydžių sąlygomis, turi išradimo statusą. Šiuo metu šie įrenginiai priklauso Gamtos tyrimų centro muziejui.

Automatinė centrifuga Neris-8 biologinių bandymų vykdymui DŽP “Bion-11”

Automatinė centrifuga Neris-8 biologinių bandymų vykdymui DŽP “Bion-11”

Kosminų tyrimų rezultatai paprastai pristatomi Tarptautinio kosminės erdvės tyrimo komiteto (COSPAR) ir Europos kosminės agentūros (ESA) organizuojamuose simpoziumuose ir publikuojami leidinyje „Advances in Space Research“. Lietuvos augalų fiziologai, vykdę kosminius bandymus, skaitė pranešimus dvylikoje tokių simpoziumų. 1990 m. A. Merkys publikavo monografiją „Sunkio jėga augalo augimo procesuose“ (rusų k.), kurioje aprašyti dauguma jo ir bendradarbių atlikti eksperimentai kosminiuose laivuose ir orbitinėse stotyse. Svarbiausi Lietuvos augalų fiziologų kosminių tyrimų rezultatai taip pat publikuoti šiose apžvalgose:

Merkys A.J. and R.S. Laurinavičius. Plant Growth in Space. Fundamentals of Space Biology, eds. Asashima, M. and Malacinski, G.M., pp. 69 – 83 (1990). Japan Sci. Soc Press, Tokyo/ Springer – Verlag, Berlin.
Laurinavičius R. Augalai ir gravitacija. 1990. Mokslas ir Lietuva, 1: 32–42.
Merkys A. and R. Laurinavičius. Development of higher plants under altered gravitational conditions. 1991. In: Advances in Space Biology and Medicine, 1: 155–181. JAI Press Inc.
Laurinavičius R., A. Stočkus, B. Buchen and A. Sievers. Structure of Cress root statocytes in microgravity (Bion-10 mission). 1996. Advances in Space Research. 17 (6/7): 91–94.
Laurinavičius R., D. Švegždienė and V. Gaina. 2001. Force sensitivity of plant gravisensing. Advances in Space Research. 27(5): 899–906.

Literatūros sąrašas

Dyuldin A. A. Gravitacija i organizm, M. Nauka, p.47, 1976 (rusų kalba)
Hill A. V.  Sci. Progr. 38, p.209, 1950.
Huxley J. S. On Problem of relative growth. London, 1932.
Knight T. A.  Philos. Transact. Roy. Soc., 1, 96, p.99, 1806.
Kordyum E. L., Sytnik K. M. In : XXIV Plenary Meeting COSPAR, Abstracts, Ottawa, 1982, p.534
Merkys A. J. Gravitacija i organizm, M. Nauka, p. 146, 1976 (rusų kalba)..
Parfenov G. P., Abramova V. M., Doklady Akademii Nauk SSSR, 256, p. 254, 1981 (rusų kalba)
Rawitsher F. Der Geotropismus der Pflansen, Jena, 1932.
Sachs J. Vorlesungen uber Pflanzenphysiologie, Leipzig, 1882.
Schmidt-Nielsen K. Scaling. Why is animal size so important? Cambridge Univers. Press. 1984.
Sinnott E. W. Plant Morphogenesis, London, 1960.
Stahl W. R. Bull. Math. Biophys., 23, p.355, 1961.
Thompson D. W. On Growth and Form, Cambridge univers.; Press, 1961.

Aurika Ričkienė
Augalų fiziologijos laboratorija, Botanikos institutas, Gamtos tyrimų centras
2017 gegužės mėn. straipsnį papildė Romualdas Laurinavičius