Kosminės programos » Lietuva » Augalai – astronautų bendrakeleiviai

Augalai – astronautų bendrakeleiviai

Danguolė Raklevičienė, Danguolė Švegždienė

Vienas iš mažiausiai kintančių Žemės ekosistemos veiksnių yra visuotinė trauka – gravitacija. Jos poveikis gyviesiems organizmams labai ryškus ir svarbus. O kosminiams skrydžiams tampant kasdienybe mokslininkams kyla vis naujų gyvybės pažinimo klausimų. Šiandien jau daug žinome apie nesvarumo poveikį žmogui, perkrovas ir skraidymo malonumą, o ar daug žinome, kaip augs augalai kosminėse oranžerijose? Juk ilgalaikių skrydžių metu astronautams jie būtini ne tik mitybai ir kvėpavimui, bet labai svarbūs „žemiškam“ psichologiniam klimatui sudaryti – prisiliesti prie žaliuojančio ar žydinčio augalo bus itin malonu esant labai toli nuo gimtosios planetos. Žaliosios zonos erdvėlaiviuose jau nebeatrodo neįgyvendinama fantazija.

Šiandien drąsiai galima teigti, kad vykstant evoliucijai dėl pastovaus dydžio Žemės traukos jėgos poveikio (ši jėga lemia kūno laisvojo kritimo pagreitį g = 9,8 m/s2) augalai išsivystė specializuotas gravitacijai jautrias sistemas, kurios reguliuoja augalų padėtį erdvėje.

O kas atsitinka augalams kosmose, kai jų nebeveikia Žemės trauka? Pirmiausia sutrinka augalo erdvinė orientacija, ypač svarbi normaliam augimui, mitybai, biomasės (Organizmo (čia augalo) masė, tenkanti ploto arba tūrio vienetui) kaupimui ir produktyvumui. Kosmose sudygusių miežių šaknys praranda įprastą orientaciją ir pradeda „šokti“. Tokių vaizdų užfiksuota atliekant eksperimentus kosmose ar dirbtinai sumažinto svarumo sąlygomis. Kosminiai skrydžiai dažnėja – ne už kalnų ir skrydžiai į Marsą, todėl kuriamos ir plėtojamos kosminio žemės ūkio technologijos. Tuo tikslu pasaulyje plačiai tiriama gravitacijos reikšmė augalų augimo bei jų erdvinės orientacijos procesams. Šiais tyrimais siekiama nustatyti, kaip mikrogravitacijos (Labai silpna gravitacija, lemianti itin mažus (0,000001 g didumo) pagreičius) sąlygomis galima užtikrinti optimalų augalų produktyvumą sunaudojant kuo mažiau energijos.

Botanikos instituto  (Gamtos tyrimų centro Botanikos institutas) Gravitacinės fiziologijos sektoriaus mokslininkai jau kelis dešimtmečius tiria gravitacijos poveikį augalams. Jie nori išsiaiškinti, kaip iš sėklos dirvoje besikalantis daigas žino, kur nukreipti augančią šaknį, o kur – stiebą, t.y. kaip augalai priima signalus apie gravitacijos vektoriaus kryptį ir transformuoja signalą į atsakomąją augimo reakciją; kaip augalai naudojasi šviesa ir gravitacija, kad galėtų išlaikyti gyvybinėms funkcijoms palankiausią erdvinę orientaciją.

Lietuvos augalų fiziologai, vadovaujami akademiko, prof. A. Merkio ir dr. R. Laurinavičiaus, yra ir vieni iš kosminės botanikos pionierių. Jie pradėjo dalyvauti kosminiuose eksperimentuose, kai dar nebuvo žinoma ar gali augalai sudygti, augti ir brandinti sėklas kosmose.  Kokio dydžio gravitacijos jėgos pakanka, kad augalas galėtų tinkamai orientuoti augančias šaknis, stiebus ir lapus? Per pastaruosius tris dešimtmečius buvo sukurti ir išbandyti unikalių prietaisų kompleksai eksperimentams kosmose ir Žemės laboratorijose. Vienas svarbiausių pasiekimų – 1982 metais atliktas bandymas kosminėje mikrooranžerijoje „Fiton‑3“, kuri buvo įrengta orbitinėje stotyje „Saliut‑7“. Joje užaugo, žydėjo, užmezgė ir subrandino sėklas baltažiedis vairenis (Arabidopsis thaliana). Panašų eksperimentą tik po 20 metų pakartojo JAV mokslininkai. Tačiau iki šiol neišsiaiškinta, kokie būtų tokių „kosmonautų“ palikuonys.

Augalų jautrumas gravitacijai kosmose buvo tiriamas naudojant Gravitacinės fiziologijos sektoriuje sukurtas pirmąsias pasaulyje „kosmines“ centrifugas „Biogravistatas“ ir „Neris“. Kam jos reikalingos? Jomis sukuriama išcentrinė jėga, kurios poveikis nesvarumo sąlygomis atstoja Žemės gravitacijos jėgos poveikį. Kosmose augalus, be nesvarumo, veikia ir kiti konkrečiam kosminiam skrydžiui būdingi veiksniai, pavyzdžiui, pakitusi vandens ir dujų apykaita, spinduliuotė, kabinos oro sudėtis ir kita, todėl vienintelė galimybė atskirti nesvarumo ir kitų veiksnių sukeltas reakcijas – tyrimuose naudoti centrifugas, sukuriančias reikiamą išcentrinę jėgą. Centrifugos su tiriamaisiais augalais skriejo ne tik orbitinėje stotyje „Saliut‑7“, bet ir biologiniuose palydovuose „Bion‑10, ‑11“. „Biogravistatu“ nustatėme, kad fiziologiniu požiūriu 1 g dydžio išcentrinės jėgos poveikis nesvarumo sąlygomis ir Žemės gravitacijos poveikis salotų daigų orientacijai yra vienodas. Paaiškėjo, kad šių augalų hipokotiliai (Augalo daigo apatinė dalis nuo šaknies kaklelio iki skilčialapių; poskiltis) gali pajusti maždaug 0,0024 g gravitacijos jėgą, o šaknys yra net dešimt kartų jautresnės.

Kodėl augalų šaknys auga žemyn – gravitacijos jėgos veikimo, o stiebai – priešinga kryptimi? Kas yra augalų gravitacijos jutikliai ir kaip jie veikia? Atsakymų į šiuos klausimus jau buvo ieškoma ir tuomet, kai augalai į kosmosą dar neskraidė, tebeieškoma ir dabar. Žinome, kad žmonės ar gyvūnai pusiausvyrą jaučia dėl vidinės ausies receptorinėse ląstelėse esančių kalcio karbonato ar kitų druskų kristalų – otolitų, o augalams pusiausvyros ir gravitacijos jėgos pokyčius pajusti padeda gravitacijai jautrūs audiniai, kurių ląstelėse esantys amiloplastai (Augalų ląstelių plastidės (ląstelės organoidai), kuriose kaupiasi krakmolas) atlieka jutiklių (statolitų) funkciją.

Mūsų sektoriaus mokslininkai nagrinėja sėjamosios pipirnės (Lepidium sativum L.) daigų gravitacijai jautrių ląstelių funkcionavimą, pagal amiloplastų‑statolitų atsakomuosius judesius į silpnus gravitacinius signalus (silpniausias – 0,003 g). Jie modeliuojami unikaliu įrenginiu – centrifuga‑klinostatu, kuriame panaikinamas vienkryptis Žemės gravitacijos jėgos poveikis tiriamų augalų statolitams, t. y. modeliuojama nesvarumo būsena. Šiuo įrenginiu galima sukurti nuo 0,003 g iki 5 g dydžio išcentrinę jėgą (tai priklauso nuo centrifugos sukimosi greičio). Pastaraisiais metais plėtojame tyrimus, kuriais norime išsiaiškinti, ar tam tikro spektro šviesa galima kompensuoti gravitacijos nebuvimą kosmose ir tikslingai valdyti augalų augimą ir vystymąsi uždarose gyvybės palaikymo sistemose. Gal gravitacija slopina augalų fototropizmą (Augalo reakcija – jo dalių judėjimas – į šviesos šaltinį ar nuo jo; pavyzdžiui, saulėgrąžų sukimasis pagal Saulę)?

Eksperimentų galimybėms praplėsti tyrimo įranga buvo modernizuota – klinostatuose ir centrifugoje‑klinostate įrengta miniatiūrinė apšvietimo sistema iš šviesos diodų, skleidžiančių monochromatinę šviesą (bangų ilgių sritis – nuo ultravioletinių spindulių A spektro ruožo (UVA – bangos ilgis nuo 315 nm iki 400 nm) iki 735 nm). Augalai turi įvairius fotoreceptorius (fototropinus, fitochromus, kriptochromus ir kt.), reaguojančius į skirtingo bangos ilgio ir intensyvumo šviesą. Atlikus pirmuosius eksperimentus su naująja apšvietimo sistema paaiškėjo, kad sumažintos gravitacijos sąlygomis augalo fototropizmas sustiprėja. Augimo kryptį ypač svarbu valdyti daiginant sėklas be gravitacijos. Nustatėme, jog imituoto nesvarumo sąlygomis nuo mėlynos (450 nm) šviesos poveikio sustiprėja augalo augimo ir morfogenetinės reakcijos (Organizmo genetines programas realizuojančios reakcijos, kurių metu kinta organizmo ir jo struktūrų forma). Ankstyvaisiais augalo vystymosi tarpsniais mėlyna šviesa, priklausomai nuo veikimo krypties ir intensyvumo, orientuoja hipokotilį ir keičia daigo formą. Tiriant šviesos ir gravitacijos poveikį lapų išsiskleidimui bei jų erdvinei orientacijai pirmą kartą aptikti sėjamosios pipirnės lapų gravitacijos jutikliai, esantys lapkočių apatinėje dalyje.

Kaip augalai reaguoja į šviesos spektro dedamąsias pakeisto svarumo sąlygomis, kur yra šviesos ir gravitacijos jutikliai (sensoriai), kaip jie sąveikauja – į šiuos ir kitus klausimus siekiame atsakyti drauge su kitų šalių kosminės biologijos tyrėjais. Manome, šie tyrimai padės nustatyti optimalias augalų augimo bei produktyvumo sąlygas ilgalaikėse kosminėse odisėjose.

Šios srities tyrimų rezultatai skelbiami moksliniuose žurnaluose, pavyzdžiui, Advances in Space Research; Journal of Gravitational Physiology; Microgravity Science and Technology; aptariami pasauliniuose ir Europos kosminės biologijos kongresuose bei simpoziumuose, kuriuos organizuoja Kosminių tyrimų komitetas (Committee on Space Research, COSPAR), Europos kosmoso agentūra (The European Space Agency, ESA), Europos hipogravitacijos tyrimų asociacija (The European Low Gravity Research Association, ELGRA).

Deja, nuo 2013 metų Gamtos tyrimų centre kosminės botanikos tematikos nebeliko.

miežiai kosmoseKosminėje stotyje „Mir“ (kairėje) ir Žemėje (dešinėje) sudygę miežių daigai (D. Raklevičienės nuotrauka)

Doktorantės Dalia Koryznienė ir Regina LosinskaDoktorantės Dalia Koryznienė ir Regina Losinska ruošia eksperimentą sėjamosios pipirnės daigų fototropizmo tyrimui centrifugoje-klinostate su miniatiūrine apšvietimo sistema iš šviesos diodų, skleidžiančių monochromatinę šviesą

sėjamoji pipirnėGravitacijai jautrių sėjamosios pipirnės daigo stiebo – hipokotilio ir šaknies audinių fragmentai. A – ­ vertikaliai augančio daigo hipokotilio ir šaknies statocitai su gravitacijos jutikliais-statolitais, B ­ – tie patys statocitai pavertus daigą 90° kampu po 1 minutės. Sunkesni už citoplazmą ir judrūs amilolastai-statolitai, reaguodami į daigo orientacijos pokyčius, juda gravitacinės jėgos kryptimi ir sąveikauja su kitomis viduląstelinėmis struktūromis. Šie statolitų mechaniniai signalai transformuojami į viduląstelinius biocheminius signalus, kurie per sekančių virsmų grandinę aplinkinių audinių lygmenyje sukelia stiebo ar šaknies augimo judesius

sejamoji pipirineGravitacijai jautrių sėjamosios pipirnės lapkočio audinių išilginiai mikropjūviai: a, b – vertikaliai auginto kontrolinio augalo, c – horizontaliai orientuoto apie savo ašį sukamo augalo, auginto horizontaliame klinostate; En – endodermio ląstelės, Am – amiloplastai‑statolitai (Gravitacinės fiziologijos sektoriaus archyvas)

augalaiAugalai auginami lėtu (3 apsisukimai/min) klinostatu pakeisto svarumo sąlygomis, šviečiant ultravioletinės (370 nm) ir mėlynos (450 nm) šviesos diodams

kontrolinis prietaisasKontrolinis prietaisas su šviesos diodais augalams auginti įprastinės gravitacijos sąlygomis

centrifuga klinostatasCentrifuga- klinostatas ir kontrolės prietaisai (a) ir augalų auginimo šiuose prietaisuose konteineriai su šviesos diodais (b)