Биологические системы жизнеобеспечения человека. Исследования звена высших растений в условиях космического полета

Исследования звена высших растений БСЖО в условиях космического полета
В 80-е годы в Институте были начаты космические исследования примени-тельно к созданию БСЖО космических экипажей. В ИМБП в кооперации с российскими и международными спе-циалистами было создано оборудова-ние, которое позволяло в условиях реального космического полета прово-дить биологические исследования рас-тительных и животных организмов, возможных компонентов БСЖО, а так-же вести работы по созданию техноло-гии их культивирования в невесомос-ти. В период с 1990 г. по 2009 г. Прове-дено 20 экспериментов по изучению роста и развития высших растений 11-ти сортов и видов в космических оран-жереях «СВЕТ» (ОК «МИР») и «ЛАДА» (РС МКС) общей длительностью 1400 суток.

Оранжерейные устройства, использовавшиеся для экспериментов с высшими растениями на борту орбитальных станций «САЛЮТ»
ФИТОН ОАЗИС-М ОАЗИС-1

Оранжерея «СВЕТ», предназначенная для экспериментов с высшими растениями
на борту ОК «МИР»
Разработана в рамках программы «Интеркосмос» специалистами ГНЦ РФ – ИМБП РАН совместно со специалистами ИКИ Болгарской АН
Штатное оборудование модуля «Кристалл» ОК «МИР»
Посевная площадь - 0.1 м2
Освещенность - 300 μmol/m2 ·s-1
Габариты и масса:
Блок управления (380х200х110 мм; 3.5 кг)
Листовая камера (366х460х778 мм, 12 кг)
Блок освещения (336х360х200 мм; 10 кг)
Корневой модуль (442х360х122 мм; 12 кг)
Начало эксплуатации – 1990 г.
Окончание эксплуатации – 2000 г.
Общее непрерывное время работы – 629 суток

Перечень экспериментов с высшими растениями, проведенных на борту ОК «МИР» с использованием оранжереи «СВЕТ»

a
Растения пекинской капусты, выращенные в оранжерее «СВЕТ» в условиях гравитации (а) и в невесомости (б) на борту ОК «МИР»
б
Первый эксперимент длительностью 54 дня, который был проведен с использо-ванием оранжереи «СВЕТ» на борту ОК
«МИР» в 1990 году, дал противоречивые результаты. С одной стороны было показано, что морфогенез растений салата и редиса в условиях невесомости проходит нормально, с другой стороны, растения в невесомости значительно отставали в скорости роста (в 1,5 раза) и уступали в размерах растениям из наземного контроля.

Эксперименты «МАССОПЕРЕНОС» на борту ОК «МИР» и РАСТЕНИЯ-1 на борту РС МКС ( МКС-2)
Оборудование «Экспериментальная кювета» для исследования процессов влагопереноса в капиллярно-пористых средах (субстратах)
Космонавты Ю.Усачев (слева) и Ю.Онуфриенко во время обучения в РГИИЦПК им. Ю.А.Гагарина

Воздушная магистраль
Водная магистраль
Датчики влажности
Тензиометры
Развитие корневой системы пшеницы суперкарлик при бессубстратном выращивании (аэропоника)
Оранжерейное устройство «ГИДРОСИСТЕМА»
Корневые модули (вегетационные сосуды) космических оранжерейных устройств
КМ оранжереи «СВЕТ»
КМ оранжереи «ЛАДА»

Количество вегетаций и продуктивность пекинской капусты (Brassica rapa var. pekinensis) при выращивании на бессменном субстрате
100
50
0
Общая биомасса растений после одной вегетации
(г сухого в-ва/на 1 вегетационный сосуд)

Технология культивирования высших растений на искусственных субстратах
Внешний вид пекинской капусты (Brassica rapa chinesis), выращенной в условиях моделирования гипоксии на блоках КС с различным количеством каналов аэрации
Растения листовой горчицы, выращенные в вегетационных сосудах, с различным объемом субстрата (100 и 250 мл субстрата на растение)

Диффузия кислорода в увлажненном субстрате Turface при 1g и в невесомости
Исследование диффузии О2 в увлажненных субстратах в условиях невесомости
Борт-инженер МКС-15 Ю.Котов
Эксперимент РАСТЕНИЯ-1/ЛАДА-МИС (МКС-15,17)

Состав: I- компьютер (1); датчики влажности субстрата (2 × 8); расходомеры Н2О (2); II - Блок контроля (1); III - газоанализатор (2); листовые камеры (2); система фильтрации и смешивания воздуха (2); IV - блок питания (1); кабели.
I
II
III
IV
Измерительная система оранжереи «СВЕТ», ее интеграция с оранжереей «СВЕТ» и расположение в модуле «КРИСТАЛЛ»

Процесс влагопереноса в капиллярно-пористых средах в условиях невесомости Эксперимент «ОРАНЖЕРЕЯ-1» (Программа Мир-NASA)
1
3
Влагосодержание (%)
В центре ВС (вблизи от места поступления воды)
На периферии ВС (вдали от места поступления воды)
2
1 - Сухой и влажный субстрат в вегетационном сосуде (ВС) оранжереи «СВЕТ»
2 - Показания штатного датчика влажности ВС оранжереи «СВЕТ» в невесомости и на Земле.
3 - Реальная картина изменения влажности субстрата в невесомости в ВС оранжереи «СВЕТ», полученная с помощью дополнительно установленных датчиков влажности субстрата

Эксперименты ОРАНЖЕРЕЯ-1, 2 с пшеницей суперкарлик на борту ОК «МИР»
(Программа Мир-NASA)
ОРАНЖЕРЕЯ-1 - общий вид посева
ОРАНЖЕРЕЯ-2 - пшеница суперкарлик на разных стадиях развития
ОРАНЖЕРЕЯ-2 – изменения влажности субстрата по показаниям датчиков влажности
1
2
3
Time (days)
Water content (%)

теоретические кривые;
начальная и конечная масса сухого вещества посева растений;
данные, полученные при непосредственном измерении;
данные, с учетом коррекции.
Уровень фотосинтеза и транспирации посева пшеницы суперкарлик, абсолютная (а) и относительная скорость (б) нарастания биомассы растений в эксперименте «ОРАНЖЕРЕЯ-2»

Основные характеристики пшеницы суперкарлик, выращенной в эксперименте «ОРАНЖЕРЕЯ-2»
(программа Мир-NASA)
Концентрация этилена в атмосфере ОК «Мир» (мг/м3)

Содержание пигментов, нмоль/мл
Содержание углеводов, лигниноподобных в-в
и пигментов в замороженных на борту ОК «МИР» растениях пшеницы суперкалик

Наземный контрольный эксперимент ОРАНЖЕРЕЯ-3 (Программа Мир-NASA)
[C2H4] - 1.1±0.3 мг/м3
Суперкарлик
USU-Apogee
Посевы пшениц:
Слева:
Сорт Суперкарлик
0 семян на растение
В центре:
Сорт Short
3 семени на растение
Справа:
Сорт USU-Apogee
13 семян на растение

Эксперименты по исследованию полного цикла развития пшеницы в условиях невесомости
Борт-инженер ЭО-27 Сергей Авдеев демонстрирует колосья пшеницы Апогей первого (слева) и второго (справа) «космических» поколений, выросших в оранжерее «СВЕТ» на борту ОК «МИР».
Эксперимент «ОРАНЖЕРЕЯ-5», май 1999 г.
Российская научная программа
Командир ЭО-26 Геннадий Падалка снимает урожай первого космического поколения пшеницы Апогей, выросшей в оранжерее «СВЕТ» на борту ОК «МИР».
Эксперимент «ОРАНЖЕРЕЯ-4»
Российская научная программа

Пшеница USU-Apogee, выращенная из семян, полученных в экспериментах ОРАНЖЕРЕЯ-4 и 5 на борту ОК «МИР» (Российская научная программа)
ОРАНЖЕРЕЯ-5
2-е поколение
Контроль
Послеполетное культивирование пшеницы USU-Apogee производилось в Университете штата Юта в лаборатории проф. Брюса Багби
(ноябрь 1999 - февраль 2000)
ОРАНЖЕРЕЯ-5
1-е поколение
ОРАНЖЕРЕЯ-4
1-е поколение

Оранжерея «ЛАДА», предназначенная для экспериментов РАСТЕНИЯ-2 с высшими растениями, на борту РС МКС
Полная конфигурация оборудования
Сегодняшняя конфигурация оборудования на борту РС МКС (Служебный модуль)

Перечень экспериментов с высшими растениями, проведенных на борту РС МКС с использованием оранжереи «ЛАДА»

Л-131
Л-102
Эксперимент «РАСТЕНИЯ-2/ЛАДА-2» на борту РС МКС (Российская научная программа)
Всхожесть семян в условиях космического полета составила 100%. Длительность цикла онтогенеза и продуктивность растений не отличались от таковых в наземных экспериментах.
Борт-инженер 6-й основной экспедиции на МКС Николай Бударин

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Результаты генетического анализа растений, выращенных из семян гороха линии 131 первого «космического» поколения
RAPD – спектры растений линии 131, полу-ченные при амплификации с праймером QR2.
1 - маркер молекулярного веса
100bp+1,5 kB DNA Ladder,
2 – 8 - контрольные растения,
9 – 15 - опытные растения.
Частота хромосомных перестроек в клетках корешков гороха линии Л-131

Результаты генетического анализа растений, выращенных из семян гороха линии 131 1 - 4-го «космических» поколений
RAPD – спектры растений линии 131, полученные при амплификации с праймером AD04 . М -маркер молекулярного веса 100bp+1,5 kB DNA Ladder,
1-4 - 2-е космическое поколение
5-7 - 3-е космическое поколение
8-11 - 4-е космическое поколение
12-16 - опытные растения.
Количество клеток с хромосомными перестройками в клетках корешков гороха Л-131

Члены экипажей МКС-7, 8, 9, 10,11,12,13,14,16 у оранжереи «ЛАДА» на борту РС МКС

Бортинженер МКС-12 Валерий Токарев выполнял эксперимент по выращиванию гороха линии 131 в течение полного онтогенеза из «земных» семян.
Эксперимент РАСТЕНИЯ-2/ЛАДА-8 на этапе 12-й основной экспедиции на борту РС МКС
Внешний вид растений.
На снимке видно, что прилистники растений гороха начинает закручиваться, появилась пигментация, некоторые прилистники начинают засыхать. Это может быть связано с воздействием на растения газообразных примесей в атмосфере МКС.

Динамика суммарной загрязненности воздушной среды МКС
Σ – показатель суммарной загрязненности среды
ФВП – периодическая работа фильтра вредных примесей
СБМП, TCCS – работа системы очистки российского и американского сегментов.

РНК-спектры растений ячменя, выращенных П.Виноградовым на борту РС МКС
Впервые в эксперименте Растения-2/Лада-9 с растениями ячменя на этапе 13 основной экспедиции изучена инте-нсивность экспрессии 20 различных генов, нейтрализующих воздействие стресса (температура, изменение соле-вого состава, водный дефицит, био-тические стрессы). Установлено, что в условиях космического полета наблю-дался повышенный уровень экспрессии 3-х генов, ответственных за нейтрали-зацию последствий формирования супероксидов в клетках растений.

Бортинженер МКС-14 Михаил Тюрин выполнял эксперимент по выращиванию гороха линии 131 в течение полного онтогенеза из «земных» семян
Эксперимент РАСТЕНИЯ-2/ЛАДА-10 с растениями гороха на борту РС МКС
Внешний вид растений.
На снимке видно, что, как и на этапе МКС-12, прилистники растений гороха начинает закручиваться, появилась пигментация, некоторые прилистники начинают засыхать.

Оранжерея Микро-ЛАДА для проведения в школах эксперимента с высшими растениями параллельно с экспериментом на борту РС МКС
Научная программа 12,13, 14 и 16-й основных экспедиций на борту МКС
Эксперименты РАСТЕНИЯ-2/ЛАДА-8, 9, 10, 11

Schoolchildren of 10 - 15 years old from Moscow and St Petersburg (Russia), State Utah (USA), Okayama (Japan) have took part in this education program.
Оранжерея «Микро-Лада» (МКС-12-17)
http://moseco.narod.ru/microlada.htmlhttp://moseco.narod.ru/microlada.html, http://microlada.narod.ru/http://moseco.narod.ru/microlada.html, http://microlada.narod.ru/, http://moseco.narod.ru/microlada.html, http://microlada.narod.ru/, http://www.kosm-exp.narod.ru/http://moseco.narod.ru/microlada.html, http://microlada.narod.ru/, http://www.kosm-exp.narod.ru/, http://moseco.narod.ru/microlada.html, http://microlada.narod.ru/, http://www.kosm-exp.narod.ru/, http://www.spacedynamicslaboratory.net/microlada/http://moseco.narod.ru/microlada.html, http://microlada.narod.ru/, http://www.kosm-exp.narod.ru/, http://www.spacedynamicslaboratory.net/microlada/;
http://www.davis.k12.ut.us/staff/lludwig/microlada2.html, http://www.davis.k12.ut.us/staff/lludwig/microlada2.html, http://www.rib.okayama-u.ac.jp/cytomol/MicroLADA/http://www.davis.k12.ut.us/staff/lludwig/microlada2.html, http://www.rib.okayama-u.ac.jp/cytomol/MicroLADA/; http://www.davis.k12.ut.us/staff/lludwig/microlada2.html, http://www.rib.okayama-u.ac.jp/cytomol/MicroLADA/; http://www.kuramina.okayama-c.ed.jp/kyouka/seibutu/Project%20of%20MicroLADA%20HP/index.htm

Сравнительные показатели различных листовых овощных культур

Тах-цой
Пак-чой
Рапина
Красная гигантская горчица
Мизуна
Мибуна
Салатные листовые овощные растения, перспективные для выращивания в производственных космических оранжереях

STAGES OF DEVELOPMENT IN IBMP
1967-1968 - 3 Russian men (engineers and medical doctor) spent one year in the chamber, simulating interplanetary Mission
1999-2000 - 12 people (11 men and 1 woman) from Russia, Japan, Germany, Austria and Canada spent from 110 to 270 days in the chamber, simulating the orbital flight of the international crew
1995 - Experiment ECO-PSY-95

Investigation of methodological approaches for estimation of the influence of plants on the crew members in ECO-PSY-95 and SFINCSS-99 experiments
Experiment ECO-PSY-95
Experiment SFINCSS-99

Наземный экспериментальный комплекс (НЭК)
Greenhouses