Изучение возможности выращивания растений на борту международной космической станции.

Больше-Ломовисский филиал МБОУ «Пичаевская СОШ»

Пичаевского района Тамбовской области

Изучение возможности выращивания растений на борту международной космической станции

Киселёв Антон Олегович,

ученик 11 класса

Перова Елена Тимофеевна,

учитель биологии и географии

Большой Ломовис - 2  0  1 9

СОДЕРЖАНИЕ

1.Введение……………………………………………………………………..с.3-4

2. Результаты исследований………………………………………………….с.5-9

2.1. Изменения в обществе, вызывающие необходимость проведения эколого-биологических экспериментов по выращиванию растений на борту МКС…с.5

2.2. Специальные устройства для оптимального роста и развития растений

 в условиях невесомости………………………………………………………с.5-6

2.3. Эксперимент «Оранжерея»………………………………………………с.6-7

2.4. Выведение специальных сортов растений (суперкарликовых с высокой урожайностью)………………………………………………………………….с.8

2.5. Создание специальной установки для переработки отходов на МКС..с.8-9

3.Выводы…………………………………………………………………………с.9

4. Заключение…………………………………………………………………с.9-10

5. Список использованных источников………………………………………с.10

6. Приложения………………………………………………………………с.11-13

 «Я не вижу будущего космических экипажей, которые покидают Землю

 на длительный период времени, и не имеют возможности

 выращивать свою собственную пищу»

ТОФЭМ

1.Введение.

Актуальность. При длительных космических полетах доставка на борт продуктов питания в больших количествах затруднена, продуктовые запасы с течением времени могут портиться, существует также проблема регенерации кислорода и удаления продуктов жизнедеятельности человека. Поэтому, если эксперименты по выращиванию и содержанию растений в условиях космоса увенчаются успехом, многие вопросы по обеспечению длительных космических полетов будут отчасти разрешены. Когда человечество перейдет от околоземных к межпланетным полетам, на борту пилотируемых космических аппаратов наличие растений будет обязательным, и не только как одного из источников питания, но и в качестве одного из средств психологической поддержки космонавтов, на длительное время оторванных от привычной земной среды обитания. В нашей стране созданию искусственных экологических систем в условиях космического полета придавалось большое значение, и в 60-е и 70-е годы эта отрасль космической биологии успешно развивалась, американские же специалисты этой проблемой начали заниматься относительно недавно. Ученые пытаются культивировать различные высшие растения в условиях космоса.

Цель: изучить возможности выращивания растений на борту международной космической станции.

Задачи:

• научиться выявлять наиболее актуальные для современного человека проблемы;
• исследовать изменения в обществе, вызывающие необходимость проведения эколого-биологических экспериментов по выращиванию растений на борту МКС;
• познакомиться с устройствами, позволяющими выращивать растения в условиях невесомости;
• изучить сортовой состав растений выращиваемых на борту МКС;
• изучить замкнутый биолого-технический комплекс для выращивания растений на борту МКС;
• научиться использовать полученные знания для прогнозирования дальнейших изменений  среды обитания человека и проектирования решения экологических проблем.

Объект исследования: биологические эксперименты на МКС.

Предмет исследования: выращивание растений в условиях невесомости.

Методы исследования: сбор и анализ информации по теме с использованием различных источников, сбор и анализ статистических данных.

Исследовательская   работа   рассчитана  на  повышение  и расширение уровня знаний по биологии и космонавтике.  

Гипотеза: Растения  на борту  космической  станции  обеспечат  экипаж   пищей,   водой и воздухом.

Ход исследования:

1. Изучение информации по данному вопросу.
2. Изменения в обществе, вызывающие необходимость проведения эколого-биологических экспериментов по выращиванию растений на борту МКС.
3. Проектирование эксперимента:

а) создание специальных устройств оптимального роста и развития растений в условиях невесомости;

б) выведение специальных сортов растений (суперкарликовых с высокой урожайностью) для выращивания на борту МКС;

в) создание специальных установок для переработки отходов на МКС.

3. Выводы.

4. Заключение.

2.Результаты исследований:

2.1.Изменения в обществе, вызывающие необходимость проведения эколого-биологических экспериментов по выращиванию растений на борту МКС

             Долгие годы люди искренне считали, что к началу 21 века космические путешествия станут обыденным делом, и земляне начнут преспокойно летать на другие планеты. К сожалению, это будущее еще не настало, а люди начали сомневаться, нужны ли нам вообще эти космические путешествия. Тем не менее, исследования космоса продолжают давать нам бесценную информацию в сфере медицины, добычи полезных ископаемых и безопасности [2]. Ну и, конечно же, прогресс в изучении космического пространства действует на человечество вдохновляюще. Каковы причины нашего интереса к космосу, и проведения в нём экспериментов? Их несколько:

- защита от возможного столкновения с астероидом;

- возможность проведения новых великих открытий;

- вклад в медицину и сферу здравоохранения;

- освоение космоса вдохновляет человечество на новые достижения;

- нам необходимо сырьё из космоса;

- освоение космоса поможет нам ответить на вопрос «существует ли жизнь в космосе»;

- людям свойственно стремление к исследованиям;

- для своей выживаемости человечеству, вероятно, придётся колонизировать космическое пространство.

            Всем исследователям и экспериментаторам в космосе необходимы продукты питания, кислород, привычная обстановка для психологического комфорта и здоровья. Выращивание растений в космосе во многом может решить эту проблему (Приложение 1.).

2.2.Специальные устройства для оптимального роста и развития растений

 в условиях невесомости

                Еще К. Э. Циолковский показал необходимость использования высших растений в качестве средства, призванного обеспечить дыхание и питание людей в длительных внеземных полетах. В трудах гениального ученого мы находим первые «технические условия» на создание космических оранжерей и жилых орбитальных сооружений с замкнутым экологическим циклом.

        То, о чем мечтали теоретики космонавтики, стало претворяться в жизнь под руководством С. П. Королева. Эксперименты по воздействию факторов космического полета на растительные объекты начались в 1960 году на втором космическом корабле-спутнике [2]. Тогда совершили свой полет и впервые успешно возвратились на Землю традесканция, хлорелла, семена различных сортов лука, гороха, пшеницы, кукурузы.

              Для того чтобы выращивать растения в космосе, прежде всего необходимо создать специальные устройства для их оптимального роста и развития [1]. На Международной космической станции (МКС) испытали прототип оранжереи для будущего пилотируемого корабля. В различных биологических установках («Оазис-1М», «Светоблок», «Фитон», «Малахит» и др.) изучалось развитие высших растений в условиях космического полета. Впервые культивируемые в приборе «Фитон» растения арабидопсиса прошли полный цикл развития и дали семена на 45-е сутки после посева. Таким образом, при соответствующем подборе условий растения способны проходить в космосе все стадии развития.

2.3 Эксперимент «Оранжерея»

             В процессе полета орбитальной космической станции «Мир» были проведены эксперименты по выращиванию и содержанию растений в условиях космического полета, что важно для обеспечения длительных межпланетных полетов [9]. Так, в 1988 г. в установке «Светоблок» (Приложение4.) проведены исследования роста и развития пшеницы «Эритроспермум» в течение 19 суток. Растения в ходе этого эксперимента находились в угнетенном состоянии, т.к. в установке отсутствовала вентиляция, что привело к значительному изменению баланса газовой среды, излишней влажности воздуха и значительному содержанию вредных примесей. В 1991 г. на этой же установке осуществлено культивирование пшеницы сорта «Суперкарлик» в течение 157 суток. Было получено растение высотой 13 см, которое имело один побег. Освещенность в установке была низкой, поэтому в ходе эксперимента семена получены не были. Опытное растение доращивали уже на Земле в условиях более высокой освещенности. Однако колос, сформированный в условиях космоса, оказался стерильным. В 1995 г. проведение эксперимента «Оранжерея-1» дополнилось установкой «Свет» и работы, начатые ЭО-19, продолжил экипаж ЭО-20. Продолжительность эксперимента - 90 суток. Под влиянием факторов внешней среды и при недостаточной освещенности посева цикл нормального развития растений был нарушен. Растения имели меньшие размеры, формировали 12-16 листьев и не образовали колосьев. В 1996-1997 гг. в оранжерее «Свет» проводился в два этапа эксперимент «Оранжерея-2» - культивирование растений в течение полного цикла онтогенеза с отбором проб для получения биохимических, эмбриологических и прочих характеристик растений и выращивание растений в течение 41 суток с последующей заморозкой в жидком азоте для проведения биохимических исследований. Эксперимент «Оранжерея-3» проводился в установке «Астрокультура», оснащенной фильтрами очистки атмосферы, которая, к сожалению, вышла из строя после суток работы. Эксперимент «Оранжерея-4» проводился с пшеницей сорта «Апогей», которая отличается повышенной устойчивостью к влиянию высоких концентраций этилена, что выражается в сохранении способности к воспроизводству. Результаты, полученные на ОК «Мир» в этих экспериментах уникальны, т.к. растения с длительным циклом развития прошли полный цикл от семени до семени в условиях космического полета. Было доказано, что высокоорганизованные растения могут расти и размножаться в космосе, а микрогравитация не ограничивает их развитие. Главное отрицательное влияние на их развитие оказывает фактор замкнутого объема и содержание в среде различных загрязнений, которые не вредны для человека, но вредны для растений, а это требует проведение контроля среды.

2.4.Выведение специальных сортов растений

(суперкарликовых с высокой урожайностью)

            Условия невесомости и недостаток места на МКС предъявляют к сортам растений определённые требования - они должны быть низкорослыми, высокоурожайными и нетребовательными к свету [3]. У космонавтов уже есть опыт выращивания растений в условиях невесомости. Так, в октябре 2009 года российские космонавты вырастили на МКС зеленый салат. Однако, по рассказам астронавтов, «зелень» в невесомости получилась безвкусной. Более того, экипажу космической станции удалось вырастить и карликовую пшеницу. Космонавты планируют вырастить на МКС новый сорт клубники. Он будет отличаться от земных собратьев неприхотливостью в уходе и быстрым созреванием. Астронавты уже провели испытания нескольких видов клубники и пришли к выводу, что сорт Seascape [4] отвечает всем требованиям, предъявляемым к космическим растениям. Ягоды этого сорта большие по размеру, хотя на кустах их вырастает меньше, чем у других видов. И еще один немаловажный нюанс — клубнике для цветения необходимо совсем немного света. Сорт пшеницы «Апогей» [5] разработан учеными из университета штата Юта под руководством профессора Багби специально для выращивания в оранжерейных установках. Этот сорт отличается повышенной устойчивостью к влиянию высоких концентраций этилена, что выражается в сохранении способности к семенному воспроизводству. Сорт «Апогей» отличается также небольшой высотой, что существенно для условий космического полета, у него не отмечено усиленного кущения растений. Впервые в истории космонавтики экипаж МКС вырастил на орбите третье поколение зеленых растений - гороха сорта «усатый». «Усатый» оказался лидером среди космических растений (Приложение 3.).

      Космонавтам очень нравится заниматься растениями, поскольку это дает большую эмоциональную зарядку и напоминает о родной планете.

2.5.Создание специальной установки для переработки отходов на МКС

         Немало внимания уделяется проблеме переработки отходов на борту МКС. Уже проводятся проверки технологий, с помощью которых эти отходы, с помощью различных биохимических методов, перерабатываются в жидкое и газообразное топливо. Утилизация продуктов жизнедеятельности экипажей космических кораблей и станций в космосе [6] является достаточно сложной операцией, отходы обезвоживаются, замораживаются и сбрасываются на Землю, где они сгорают подобно метеоритам при входе в плотные слои земной атмосферы. Почему бы не получить из этих отходов лишнюю энергию или топливо для двигателей космических аппаратов? Исследования в этом направлении проводятся группой исследователей из Флоридского технологического института. Ученые взяли за основу бактерии вида Shewanella MR-1[7], которые способны вырабатывать водород, перерабатывая любой материал биологического происхождения. Бактерии приобрели устойчивость к неблагоприятным факторам, с которыми им придется столкнуться в космосе. Водород потом будет перерабатываться в водородных топливных элементах в электроэнергию. Создан модуль «Транквилити» [8], который имеет системы циркуляции воздуха, регенерации кислорода, утилизации отходов, переработки воды (Приложение 2.).

3.Выводы:

         Для дальнейшего успешного освоения космоса необходимо, чтобы космические станции и межпланетные корабли имели собственные системы жизнеобеспечения. Запасы всего необходимого на борт с Земли доставлять невозможно. Значит, необходимо организовать их воспроизводство на борту. Для этого необходим замкнутый биолого-технический комплекс на основе выращивания растений и животных и переработки отходов в энергию и удобрения. Растения  на борту  космической  станции  обеспечат  экипаж   пищей,   водой и воздухом. Гипотеза подтвердилась.

4.Заключение:       

             Зеленое растение - необходимое звено замкнутой системы жизнеобеспечения в космосе. Именно оно должно снабжать космонавтов свежей, богатой витаминами пищей, генерировать кислород, поглощать углекислый газ и т. д. Научиться выращивать растения в невесомости очень важно уже сейчас, без этого совершенно не обойтись на длительно действующих станциях или при межпланетных полетах. Проблема волнует многих, и надо надеяться, она будет решена.

             В ходе эксперимента ученые исследуют и воздействие растений на психическое состояние человека в условиях изоляции. Много лет собирают высказывания космонавтов о благотворном влиянии растений на психику. Такие эксперименты могут способствовать поддержанию хорошего морального состояния членов экипажа в течение длительного периода времени пребывания в космосе.

              Результаты исследований также помогут усовершенствовать работу оранжерей на Земле и контролировать окружающую среду сельскохозяйственной системы, и поспособствуют работе фермеров, чтобы производить больше полезных зерновых культур, используя оптимальное количество воды и питательных веществ.

             Понимание важности и пользы выращивания растений в космосе позволит  расширить эксперимент и в дальнейшем еще больше увеличить «колонизацию» космоса в благих целях.

5.Список использованных источников:

1. https://www.perepelka.com/papers/bread_meat_and_space.php
2. https://testpilot.ru/espace/bibl/tm/1983/4-kos-ras.html
3. https://biomolecula.ru/articles/rasteniia-v-kosmose-instruktsiia-po-primeneniiu
4. http://www.facepla.net/content-info/art-menu/795-klubnika.html
5. http://poisksorta.com/catalog/item24.html
6. https://www.dailytechinfo.org/space/1858-otxody-zhiznedeyatelnosti-yekipazha-eshhe-odin-istochnik-topliva-kosmicheskix-korablej.html
7. https://ru.wikipedia.org/wiki/Shewanella_oneidensis
8. http://acmepoug.ru/mks/sostav-mks-chast-2.html
9. https://www.perepelka.com/papers/bread_meat_and_space.php

6.Приложения:

Приложение 1.

Так может выглядеть космическая оранжерея

Приложение 2.

Схема замкнутого биолого-технического комплекса

для жизнеобеспечения МКС

Приложение 3.

Растения, выращиваемые на космических станциях

Приложение4.

Специальные устройства для оптимального роста и развития растений

в условиях невесомости