Конкурс «Био/Мол/Текст»-2021/2022

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2021/2022.

Партнер номинации — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

---

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

Генеральный партнер конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Через четыре года здесь будет город-сад!
В.В. Маяковский

Научная фантастика уже давно говорит о колонизации космоса. Об этом писал еще Жюль Верн в романе 1865 года «С Земли на Луну прямым путем за 97 часов 20 минут» (рис. 1). В этом произведении предлагалось поместить людей в снаряд и выстрелить этим снарядом в Луну в надежде, что он долетит. Современная наука в корне не согласна с возможностью использования такого механизма для полета в космос. К счастью для нас, уже разработаны другие пути транспортировки. Раз уж Жюль Верн мог фантазировать насчет жизни на других космических телах, так давайте и мы так сделаем: представьте, что вы разочаровались в городской жизни в офисе, решили купить участок и стать фермером, но вам был доступен только участок на Марсе. Вы совершенно не понимаете, что вас ждет: неужели вам уготована судьба Марка Уотни из фильма «Марсианин» 2015 года? Давайте же разберемся.

Что нам известно о Марсе (кратко)

Марс — это четвертая планета Солнечной системы. Ее площадь составляет 144 млн км², что чуть больше четверти площади Земли. Сила тяжести тут в 2,5 раза слабее, чем на Земле. Продолжительность суток вас обрадует, ведь она не сильно отличается от земных: 24,5 часа, а вот продолжительность года (время, за которое Марс завершает полный «круг» вокруг Солнца) гораздо длиннее: целых 687 дней.

Наклон оси вращения Марса схож с земным, что дает нам четыре времени года, что было бы хорошо и привычно, если бы не их продолжительность. Как было сказано выше, число дней в году на Марсе больше: северная весна и лето продолжаются около 370 дней, при этом северные участки Марса отдалены в это время от Солнца, из-за чего северное лето долгое и холодное, а южное — короткое и теплое. Напоминаю, что слова «теплое» и «холодное» нужно воспринимать относительно Марса, а не нашей привычной погоды [1].

Кстати о погоде и климате: средняя температура на Марсе −63 °C. В то же время на планете могут быть и плюсовые температуры: на экваторе «жара» достигает +20 °C, а однажды марсоход «Спирит» (рис. 2) зафиксировал неслыханные +35 °C. Вы, наверное, уже готовите чемоданы, ведь в целом +20..+35 °C это очень даже комфортные показатели, но спешу вас огорчить: суточные колебания тут могут достигать сотни градусов, и если днем вы поймаете +20 °C, то ночью температура спокойно упадет до −80 °C [1].

Что касается атмосферы, то в ее составе «откровенно» ядовитых газов не встречается, однако дышать этим воздухом не получится из-за его сильной разреженности, низкой концентрации кислорода и слишком большого количества углекислого газа [2].

Атмосферное давление на Марсе гораздо ниже земного (более чем в 100 раз) и при этом сильно меняется в зависимости от времени года. Связывают это с сезонным таянием шапок замерзшего углекислого газа на полюсах, и такие периодические колебания время от времени приводят к сильным пылевым бурям.

Что еще отличает Марс от Земли, так это отсутствие планетарного магнитного поля. Если быть точнее, то такое поле на красной планете есть, но оно очень слабое и крайне неустойчивое. Сила этого поля на разных участках планеты может различаться в 1,5–2 раза. Геологи считают, что, скорее всего, это связано с относительной неподвижностью ядра планеты [3]. Все это в будущем может привнести свои трудности, помимо того, что компас в таких условиях будет бесполезным. По одной из версий, у Марса когда-то было свое полноценное магнитное поле. Что с ним стало — загадка. По другой версии, давным-давно вокруг Марса кружил крупный астероид и вызывал волнения в ядре планеты. Правда, эта версия тоже не идеальна, и в ней полно белых пятен. Но оставим этот вопрос астрофизикам, геологам и пожелаем им удачи.

Это была краткая информация о Марсе, которая обязательно нам пригодится.

На чем будем выращивать урожай?

К несчастью, курьерские службы еще не скоро смогут доставить качественный питательный грунт прямо к вашей марсианской ферме, а потому давайте рассмотрим марсианскую «почву» (рис. 3) для этих целей.

Почему я поставил слово «почва» в кавычки? В зарубежных статьях часто используется слово soil (в переводе с английского — «почва») для обозначения любого рыхлого грунта Марса, при этом неважно, происходило ли когда-либо влияние биоты на это тело. В российской же школе почвоведения принято считать, что для формирования настоящих почв необходимо влияние «живого» фактора. Но в будущем этот вопрос может быть пересмотрен. Для соблюдения традиции будем называть марсианский грунт «почвоподобными телами» [4].

Если мы посмотрим на химический состав питательных элементов (табл. 2), то увидим, что этот грунт очень даже неплох для использования в сельском хозяйстве, хотя некоторые микроэлементы придется привносить извне, а некоторые вещества даже могут быть токсичными. Негативно может сказываться увеличенное содержания натрия, который для растений вреден. Однако, скорее всего, этот натрий входит в состав минералов, а потому слабо подвижен и не особо усваивается растениями [5].

Гораздо хуже присутствие перхлоратов в марсианском грунте. Именно с этой проблемой столкнулся главный герой фильма «Марсианин» (рис. 4). Разные источники указывают на содержание в марсианской «почве» этого иона в диапазоне от 0,5 до 2% [6]. Основным доказательством наличия перхлоратов в марсианской почве являются два эксперимента: данные гамма-спектроскопии Mars Odyssey, показывающие, что хлор присутствует почти везде на планете в почве, и результаты работы посадочного модуля «Феникс» [7], подтверждающие, что бóльшая часть этого хлора действительно хранится в перхлоратах [6].

Высокое содержание перхлората вызывает у растений искривление побегов, задержку роста и, соответственно, снижение урожайности. Небольшое его содержание (до 0,2%) может даже благотворно сказываться на развитии семян и растений [7], но в нашем случае мы имеем дело с куда бóльшими концентрациями, фактически отравляющими «почву». Что же делать?

Некоторые микроорганизмы способны редуцировать эти соединения без вредного влияния на сам грунт. И вот вы уже нашли тех, кто будет бесплатно очищать марсианскую «почву», а вишенка тут — в результате такой очистки мы получим кислород, которого так не хватает на Марсе. Если посчитать, то из 60 кг грунта можно получить примерно 550 литров кислорода. Этот кислород также можно будет использовать в собственных нуждах [8]. Микроорганизмы можно рассматривать не только как «генератор» кислорода, но и как ценных сотрудников во многих сферах. Ценных потому что: а) они работают бесплатно, 24/7 и фактически за еду; б) они могут делать то, чего не могут делать люди. Вы могли убедиться в этом на примере случая с перхлоратами.

Изучение большого разнообразия микроорганизмов дает нам почву для размышлений. Можем ли мы не ограничиваться отдельными группами микробов, которые будут помогать нам с различными вопросами на базе, а использовать их суммарный потенциал для терраформирования целой планеты? Вопрос сложный и очень интересный. В утопическом будущем мы сможем такое осуществить, но для этого придется решить множество проблем, таких как сильно разреженная атмосфера, низкое давление, отсутствие доступной воды. Если говорить о воде, то тут нам снова могут прийти на помощь микроорганизмы. А именно эндолиты — микроорганизмы, способные выживать в трещинах горных пород и извлекать питательные элементы, а также химически связанную воду из минералов [9]. Из-за этого свойства они представляют большой интерес для астробиологии.

Также в марсианском грунте, по-видимому, отсутствуют какие-либо бактерии. Если мы планируем их использовать, а это крайне рекомендуемо, придется брать их с собой с Земли и в дальнейшем размножать уже на базе.

Особенно выгодна в этом плане бактерия Pseudomonas putida — почвенный организм, обладающий разнообразным метаболизмом: он может разлагать различные органические вещества, а также выживать в присутствии тяжелых металлов [10]. Это поможет вам изготавливать компосты из отходов, позволяя тем самым получать дополнительные удобрения и экономить место. Ценообразование на рынке марсианской земли, конечно же, еще не урегулировано, но, согласитесь, везти дополнительные стройматериалы для помещения под мусорку — не самая лучшая идея.

Также интерес представляет Pseudomonas stutzeri: некоторые ее штаммы участвуют в разложении загрязняющих веществ или переводят токсичные металлы в «неопасную» форму [11]. Другие штаммы участвуют в азотфиксации [12]. Но в условиях атмосферы Марса это не очень актуально: в ней ведь всего 2% азота в сравнении с земными 78%. Однако на данный момент вопрос с биогеохимическим циклом азота на Марсе окончательно не решен. Есть гипотезы о возможности этого процесса в далеком прошлом планеты, но как сугубо фотохимического процесса [13], а также под действием грозовых разрядов и сейчас [14].

Что выращиваем?

На этот вопрос сейчас нет однозначного ответа, однако модельные эксперименты на Земле уже ставятся (рис. 5) [15]. В модельном эксперименте в качестве культурных растений использовали: томат, рожь, морковь и салат. Результаты получились обнадеживающие: все эти культуры достигли максимальной биомассы именно в имитации марсианского грунта; этот показатель был даже выше, чем в контрольной почве с берегов Рейна. Некоторые растения в марсианском грунте дали цветки и семена [16].

Существуют ли еще проблемы с тем, чтобы выращивать растения на Марсе?

На питательном грунте проблемы не заканчиваются. Условия Марса очень суровы для жизни. Атмосфера с низким давлением и высоким содержание углекислого газа, большой уровень радиации, нехватка воды, отсутствие магнитного поля. Все это создает чувство, что выращивать растения на Марсе нельзя. Но ученые не были бы учеными, если бы не решали, казалось бы, неразрешимые задачи.

Вода — ценный ресурс. Вопрос о наличия воды на Марсе постоянно пересматривается. Однако если вода там и есть, то, скорее всего, она представлена рассолами (раствором воды с высоким содержанием минеральных солей). Такую воду в перспективе можно использовать для выращивания растений в условиях гидропоники.

В полевых условиях Земли света для выращивания растений достаточно. Но на других планетах использование прямого солнечного света для роста растений может оказаться сложной задачей. Марс получает примерно 43% света от Земной освещенности, но в низких широтах планеты она достигает вполне достаточного уровня. Однако гораздо более перспективно в этом вопросе выглядит использование систем искусственного освещения при помощи специальных ламп [16], тем более что для выращивания растений все равно придется строить герметичный корпус, выдерживающий и экстремальные температуры красной планеты, и высокую радиацию. Вопрос влияния магнитного поля на рост растений до сих пор изучен недостаточно, однако влияние этого фактора все равно нельзя исключать [17].

Где же лучше брать участок на Марсе? На любом участке планеты условия для выращивания культур в открытом грунте неподходящие. Но даже учитывая этот факт, природные показатели в разных областях планеты варьируют от «совершенно непригодных для сельского хозяйства» до просто «непригодных». На разных участках вы можете столкнуться с различными температурными условиями, атмосферным давлением, освещенностью.

Как уже было сказано, вероятнее всего для выращивания придется строить специальные помещения (рис. 6), где будут поддерживаться оптимальные температура воздуха, давление и освещение. Давление тут играет одну из ключевых ролей, так как у растений нет эволюционных механизмов адаптации к стрессу, связанному с многократным уменьшением атмосферного давления, потому что такого на нашей планете просто нет [18].

В модельных экспериментах (рис. 7) растения, помещенные в условия низкого давления, вели себя как при засухе: закрывали устьица (отверстия, из которых выходят излишки воды), а в некоторых случая сбрасывали листья целиком, при этом неважно, насколько они были обеспечены влагой. Поэтому, вероятнее всего, вам придется использовать теплицы, в которых будет накачан воздух для создания более высокого давления. Это будет необходимо до тех пор, пока не будет создана полноценная, похожая на земную, атмосфера. Или надеяться, что в будущем ученые создадут сорта растений, устойчивые к низкому давлению.

Однако исследователи не останавливаются в попытках найти способ выращивать культуры в условиях гипобарии.

И что в итоге?

В настоящий момент построить дачу на Марсе будет крайне дорогим удовольствием. Однако ученые с каждым годом все ближе и ближе к решению этой проблемы, и кто знает — возможно, вашим детям, или даже вам самим удастся съездить на выходные на свою дачу в красной пустыне.

Литература

1. Mars Exploration Program. NASA;
2. Paul R. Mahaffy, Christopher R. Webster, Sushil K. Atreya, Heather Franz, Michael Wong, et. al.. (2013). Abundance and Isotopic Composition of Gases in the Martian Atmosphere from the Curiosity Rover. Science. 341, 263-266;
3. Magnetic fields and Mars. NASA;
4. Ming D.W. and Morris R.V. (2017). Chemical, mineralogical, and physical properties of martian dust and soil. Dust in the Atmosphere of Mars and Its Impact on Human Exploration Workshop;
5. Агрохимические методы исследования почв (под ред. А.В. Соколова). М.: «Наука», 1975. — 656 с.;
6. Bethany L. Ehlmann, John F. Mustard, Scott L. Murchie, Jean-Pierre Bibring, Alain Meunier, et. al.. (2011). Subsurface water and clay mineral formation during the early history of Mars. Nature. 479, 53-60;
7. M. H. Hecht, S. P. Kounaves, R. C. Quinn, S. J. West, S. M. M. Young, et. al.. (2009). Detection of Perchlorate and the Soluble Chemistry of Martian Soil at the Phoenix Lander Site. Science. 325, 64-67;
8. Phoenix Mars lander does not phone home, new image shows damage. (2010). NASA;
9. Бактерии из камней Атакамы готовы покорять Марс;
10. Шумахер И. Перхлораты: свойства, производство и применение. М.: ГНТИХЛ, 1963. — 276 с.;
11. Jorge Lalucat, Antoni Bennasar, Rafael Bosch, Elena García-Valdés, Norberto J. Palleroni. (2006). Biology of Pseudomonas stutzeri. MMBR. 70, 510-547;
12. Одиссея азота;
13. Curtis V. Manning, Kevin J. Zahnle, Christopher P. McKay. (2009). Impact processing of nitrogen on early Mars. Icarus. 199, 273-285;
14. Jennifer C. Stern, Brad Sutter, W. Andrew Jackson, Rafael Navarro-González, Christopher P. McKay, et. al.. (2017). The nitrate/(per)chlorate relationship on Mars. Geophys. Res. Lett.. 44, 2643-2651;
15. John D. Coates, Laurie A. Achenbach. (2004). Microbial perchlorate reduction: rocket-fuelled metabolism. Nat Rev Microbiol. 2, 569-580;
16. G. W. Wieger Wamelink, Joep Y. Frissel, Wilfred H. J. Krijnen, M. Rinie Verwoert, Paul W. Goedhart. (2014). Can Plants Grow on Mars and the Moon: A Growth Experiment on Mars and Moon Soil Simulants. PLoS ONE. 9, e103138;
17. Herridge L. (2016). NASA plant researchers explore question of deep-space food crops. NASA;
18. David Cánovas, Ildefonso Cases, Víctor De Lorenzo. (2003). Heavy metal tolerance and metal homeostasis inPseudomonas putidaas revealed by complete genome analysis. Environmental Microbiology. 5, 1242-1256;
19. В. О. Таргульян, Н.С. Мергелов, С. В. Горячкин. (2017). ПОЧВОПОДОБНЫЕ ТЕЛА НА МАРСЕ, "Почвоведение". Почвоведение. 205-218;
20. Edward Fu. (2012). The effects of magnetic fields on plant growth and health. Young Scientists J. 5, 38.