Терраформирование Марса: мох

Идея колонизации Марса, какой бы дикой она не была, все же не покидает умы многих людей. Но такой переезд разительным образом отличается от смены города или даже страны. Чтобы будущие колонисты смогли выжить на Марсе с его неблагоприятными условиями, необходимо учесть множество факторов, от противодействия окружающей среде до устойчивых источников энергии, воздуха, воды и пищи. Говоря о пище, то многие исследования нацелены на изучение растений, способных расти в контролируемых условиях. Однако полагаться только на них было бы неразумно, потому стоит задуматься и о возможности высаживания растений в почву того же Марса. Условия на Земле и Марсе сильно отличаются, но, как установили ученые из Китайской академии наук (Пекин, Китай), среди представителей земной флоры есть экземпляры, которые смогли бы выжить даже на Марсе. Что это за растение, как ученые определили его стойкость к марсианским условиям, и насколько полезно оно будет для потенциальных колонистов. Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Несмотря на невероятный технологический прогресс, наши технологии все же остаются ограниченными, если рассматривать их как инструменты для реализации весьма амбициозных задумок. Одной из таких является колонизация других планет. Судя по данным многочисленных исследований, есть планеты, которые потенциально похожи на нашу, но они расположены столь далеко от Земли, что добраться до них, не говоря уже о колонизации, мы можем пока что только на страницах научно-фантастических произведений. Куда более реальным кандидатом для колонизации является Марс. Минимальное расстояние между Землей и Марсом составляет 55.76 миллионов километров, которое можно преодолеть (при лучших условиях) примерно за 9 месяцев. Естественно, долгий полет является далеко не единственной проблемой колонизации Марса. Дабы описать все остальные потребуется уйма времени, не говоря уже о человеческих усилиях, необходимых для их преодоления.

Одной из проблем колонизации Марса является пища. Конечно, можно взять с собой, но этого явно будет недостаточно, а постоянные поставки провизии будут стоить уйму денег. Следовательно, необходимо думать о собственном производстве на месте. Большинство исследований нацелены на изучение сельхозкультур в рамках выращивания их в контролируемых условиях. Однако рано или поздно придется задуматься о выращивании чего-либо в почве самого Марса.

На сегодняшний день лишь несколько исследований были сосредоточены на проверке способности организмов противостоять экстремальным условиям космического пространства или Марса. Эти исследования в первую очередь были сосредоточены на микроорганизмах, водорослях и лишайниках. Однако такие растения, как мхи, обладают ключевыми преимуществами для терраформирования, включая стрессоустойчивость, высокую способность к фотоавтотрофному росту и способность производить значительные количества биомассы в сложных условиях.

Исследования сложных условий на Земле могут помочь в выборе растений для выращивания во внеземных средах. Биологическая почвенная корка (BSC от biological soil crust) — широко распространенный тип напочвенного покрова, часто встречающийся в засушливых землях. BSC состоит из органических комплексов криптогамных растений, таких как лишайники и мхи, микробов, таких как цианобактерии, и выделений этих организмов, которые смешиваются с частицами почвы. BSC служит первым субстратом в вегетативной сукцессии благодаря своей замечательной устойчивости к интенсивной радиации и способности противостоять засухе и другим экстремальным факторам окружающей среды. Это привело к широкому распространению BSC в пустынных регионах по всему миру, причем до 70% покрытия на некоторых участках. BSC значительно повышает водоудерживающую способность и структурную стабильность подстилающего песка. Более того, BSC является основным источником углерода и азота в засушливых регионах, составляя на одну четверть всей биологической фиксации азота в наземных экосистемах во всем мире. Поэтому BSC называют «живой кожей» Земли, поскольку он играет решающую роль в регулировании гидрологии, круговороте питательных веществ и других важных процессах.

Среди наземных растений мхи часто являются видами-пионерами, которые естественным образом отбираются для роста в экстремальных условиях. Моховые корки представляют собой продвинутую стадию развития BSC. По сравнению с корками водорослей и лишайников, корки мха обладают большей биомассой и способностью связывать углерод, поэтому играют важную роль в биогеохимических циклах и стабилизируют поверхность пустыни.

Syntrichia caninervis

Syntrichia caninervis, распространенный доминирующий вид во мховой корке, обладает замечательной устойчивостью к множеству стрессовых факторов окружающей среды (засуха, холод и радиация), что дает ему большое экологическое преимущество в суровых природных средах обитания. S. caninervis имеет широкое глобальное распространение, о чем свидетельствуют географические данные полевых исследований и база данных Глобального информационного фонда по биоразнообразию (1A).

Изображение №1

Корки S. caninervis преобладают в засушливых регионах, включая пустыни Гурбантунггут и Тенгер в Китае и пустыню Мохаве в США. Корки S. caninervis также присутствуют в горных районах Памира, Тибета, Ближнего Востока, Антарктиды и циркумполярных регионов. В пустыне Гурбантунггут на северо-западе Китая наблюдается одно из наиболее концентрированных мест распространения S. caninervis в мире (1B). По данным метеорологического мониторинга с 2005 по 2023 год, самая низкая и самая высокая температура в этой пустыне составляла около 40°С и 65°С соответственно, а относительная влажность — всего 1.4%.

Этот экстремальный климат сформировал удивительную устойчивость S. caninervis к различным факторам окружающей среды. Растения S. caninervis проявляют чрезвычайную устойчивость к высыханию, обычно выглядят черными в полностью сухом состоянии в дикой природе после потери более 98% воды (1C). Примечательно, что высушенные растения становятся зелеными и быстро восстанавливают свою фотосинтетическую способность в течение нескольких секунд после регидратации (1D). S. caninervis развил несколько морфологических механизмов для адаптации к экстремальным условиям окружающей среды, включая перекрывающиеся листья, которые сохраняют воду и защищают растение от интенсивного солнечного света и белые ости на верхушках листьев, которые отражают сильную солнечную радиацию и повышают эффективность использования воды (1D и 2B). Более того, эти растения остаются фотосинтетически активными под снежным покровом (1E) и могут поддерживать энергичный рост, внося до 49% их годовой общей фиксации углерода во время частых циклов замораживания-оттаивания весной. S. caninervis также демонстрирует высокую толерантность к экстремально низким температурам.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые изучили исключительную устойчивость S. caninervis в условиях экстремального высыхания, сверхнизких температур и интенсивной радиации, а также в моделируемой марсианской среде, сочетающей несколько из этих стрессовых факторов.

Результаты исследования

Изображение №2

Чтобы изучить толерантность S. caninervis к сильному высыханию, ученые подвергли этот мох режиму воздушной сушки в лаборатории и зарегистрировали фенотипы растений, относительное содержание воды (RWC от relative water content), оптимальную фотохимическую эффективность фотосистемы II (F_v/F_m) и изменение угла листьев. Растения S. caninervis обладали чрезвычайной устойчивостью к засухе, что проявлялось в их способности подвергаться полному обезвоживанию и очень быстро восстанавливаться (изображение выше). Растения казались зелеными при насыщении водой, становились темно-зелеными, а затем черными по мере постепенной потери воды и снова становились зелеными только через 2 секунды после регидратации (2A и 2B). RWC постепенно и неуклонно снижался по мере прогрессирования обезвоживания: более 40% воды терялось за 10 минут и более 99% — за 40 минут. RWC обезвоженных растений S. caninervis увеличивался более чем до 80% через 20 секунд регидратации и восстанавливался до 100% через 2 минуты (2C).

Значения F_v/F_m, которые отражают фотосинтетическую способность, значительно снижались по мере прогрессирования обезвоживания, снижаясь на 54% через 20 минут до почти нуля после 40 минут обезвоживания. В течение 20 секунд после регидратации F_v/F_m быстро восстанавливался до 65% от исходного уровня у гидратированных растений и увеличивался до исходного уровня в течение 2 минут (2D). При обезвоживании листья заметно скручивались и сморщивались, углы листьев уменьшались. Во время регидратации листья растягивались и возвращались в исходное положение в течение 20 секунд (2E). Таким образом, растения S. caninervis могут противостоять экстремальному стрессу, связанному с обезвоживанием, и обладают способностью быстро восстанавливать свою физиологическую активность в течение нескольких секунд.

Изображение №3

Чтобы изучить толерантность растений S. caninervis к длительному воздействию экстремально низких температур, ученые подвергли полностью сухие (0–2% RWC) и полностью гидратированные (100% RWC) растения воздействию температуры –80 °C в сверхнизкотемпературной морозильной камере в течение 3 или 5 лет и –196 °C (в резервуаре для хранения жидкого азота) в течение 15 или 30 дней. Растения переносили в песок для восстановления и культивировали в нормальных условиях роста, чтобы наблюдать за их способностью к регенерации. Схема эксперимента показана на 3A. Сухие растения S. caninervis выжили и восстановили новые ветви после низкотемпературной обработки (3B). Без обработки замораживанием количество регенерировавших новых ветвей у растений S. caninervis через 5 дней после регидратации составляло примерно 1–2 на растение и достигало максимума (3) через 30 дней после регидратации.

При воздействии –80 °C в течение 3 лет количество новых регенерировавших ветвей через 5 дней восстановления (в песке в нормальных условиях роста) составило 0.22 ± 0.15. Максимальное количество ветвей было немного ниже через 30 дней восстановления (2.22 ± 0.40) (3C). После воздействия –80 °C в течение 5 лет количество регенерировавших новых ветвей составило 0.10 ± 0.10 на 5-й день восстановления, а максимальное количество ветвей — 1.90 ± 0.18. В период восстановления количество регенерировавших новых ветвей после 5 лет воздействия –80 °C было немного, но незначительно, ниже, чем после 3 лет (3C). Для необработанных растений скорость регенерации после обезвоживания достигала 75% на 5-е сутки и 100% на 15-е сутки после регидратации. Для растений S. caninervis, обработанных при –80 °C в течение 3 или 5 лет, темпы регенерации были значительно ниже, чем у контроля, после 5 дней восстановления (10% и 5% соответственно), но возрастали примерно до 90% после 30 дней восстановления (3D).

Аналогичные результаты были получены для растений, подвергнутых обработке –196 °C (3E–3G). После 15 и 30 дней хранения в жидком азоте растения в конечном итоге регенерировали примерно две новые ветви (3F). Скорость регенерации составила примерно 95% от контрольных растений (3G). Ученые также применили такую же низкотемпературную обработку к гидратированным растениям S. caninervis (RWC = 100%) и установили, что гидратированный S. caninervis также может выживать и сохранять свою регенеративную способность после сильного замораживания, хотя количество новых ветвей и скорость регенерации были ниже, чем у растений, замороженных в сухом состоянии.

Изображение №4

Для экспериментов по гамма-облучению полностью сухие (0–2% RWC) и полностью гидратированные (100% RWC) образцы S. caninervis подвергались суммарным дозам от 500 до 16 000 Гр, регидратировались и переносились в песок для восстановления и культивирования в нормальных условиях роста (4A). Было обнаружено дозозависимое влияние на выживаемость и регенерацию (4B). Для необработанных контрольных образцов (0 Гр) после регидратации и периода восстановления среднее количество регенерированных ветвей со временем увеличивалось, достигая 100% через 60 дней восстановления, с максимальным количеством регенерированных ветвей 3.24 ± 0.23 на растение (4B–4D). При дозах облучения 500 и 1000 Гр количество новых регенерированных ветвей через 7 дней восстановления составило 2.96 ± 0.14 и 2.86 ± 0.16 соответственно (4C). К 60-му дню восстановления регенерированные ветви выросли, а их количество было больше, чем в контрольной группе для каждой дозы: 4.08 ± 0.21 и 3.57 ± 0.18 при обработке 500 и 1000 Гр соответственно. Скорость регенерации после обеих обработок составила 100%. Таким образом, радиация 500 Гр сильно способствовала регенерации новых ветвей (4D). Когда доза радиации была увеличена до 2000 Гр, регенерация задерживалась, и новые ветви появлялись только через 14 дней после восстановления (4B). В это время было обнаружено меньшее среднее количество регенерированных ветвей (0.52 ± 0.12) (по сравнению с другими вариантами обработки), хотя количество регенерированных ветвей увеличилось до 2.03 ± 0.16 при скорости регенерации 90% через 60 дней восстановления (4C и 4D).

При дозе радиации 4000 Гр образцы мха проявили признаки стресса: листья постепенно желтели после 3 дней восстановления (4B). Через 14 дней восстановления начали регенерировать новые ветви (в среднем 0.22 ± 0.12). Через 60 дней восстановления среднее количество ветвей достигло 1.20 ± 0.15 при скорости регенерации 70% (4C и 4D). Дозы радиации 8 000 и 16 000 Гр нанесли серьезные повреждения образцам мха: листья пожелтели и погибли, не образуя новых ветвей (4B–4D), а фотосинтетическая активность не обнаруживалась. На основании этих результатов ученые подсчитали, что LD50 (летальная доза, при которой выжило 50% организмов) возникла после 1 часа воздействия (LD50/1 час) при дозе 5000 Гр. Более того, когда полностью гидратированные растения S. caninervis были подвергнуты той же обработке гамма-излучением, они выжили и регенерировали, хотя и при LD50/16 мин 2000 Гр. Темпы регенерации и количество вновь образующихся ветвей были ниже, чем у растений в сухом состоянии.

Изображение №5

Чтобы получить более глубокое понимание возможности выживания S. caninervis в более реалистичных комбинированных стрессовых условиях, ученые смоделировали суровые условия окружающей среды Марса с помощью Центра моделирования планетарных атмосфер (PASF от Planetary Atmospheres Simulation Facility) (5A–5C). Растения S. caninervis выжили в смоделированных марсианских условиях (5D–5F). У необработанных растений через 3 дня культивирования было 0.86 ± 0.18 регенерированных ветвей, а у обработанных растений после 3 дней восстановления новых ветвей не обнаружено. Число регенерировавших новых ветвей у необработанных растений достигало максимума (3.13 ± 0.25) через 30 дней культивирования, тогда как максимальное количество новых ветвей у растений, обработанных в течение 1, 2, 3 и 7 дней и позволивших восстановиться в течение 30 дней, составляло 2.00 ± 0.25, 2.07 ± 0.23, 1.82 ± 0.12 и 1.42 ± 0.10 соответственно (5E). Скорость регенерации необработанных растений достигала 50% после 3 дней культивирования и 100% через 15 дней, тогда как сухим растениям, обработанным в течение 1, 2, 3 и 7 дней, требовалось 30 дней восстановления, чтобы достичь 100% скорости регенерации (5F). Когда полностью гидратированные растения S. caninervis подвергли условиям Марса в течение 1 дня, растения также выжили и регенерировали ветви, хотя количество ветвей и скорость регенерации резко снизились по сравнению с таковыми у сухих растений.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые изучили мох вида Syntrichia caninervis, обладающий удивительной стойкостью к экстремальным условиям окружающей среды. Ученые уверяют, что подобного рода растения могут быть использованы в процессе терраформирования Марса.

Ранее научное сообщество уже проводило подобного рода исследования, но на водорослях, микроорганизмах, лишайниках и спорах растений. Изучение полноценных растений (т. е. целых, а не их составляющих), тем более мхов, ранее не проводилось.

В ходе опытов Syntrichia caninervis подвергали воздействию низких температур: –80 °C (в ультрахолодной морозильной камере) в течение 3 и 5 лет и при –196 °C (в резервуаре с жидким азотом) в течение 15 и 30 дней. После разморозки все растения демонстрировали регенерацию ветвей. При этом высушенные, а потом замороженные образцы восстанавливались гораздо быстрее, чем гидратированные.

Еще более удивительной оказалась способность данного мха выдерживать высокие уровни гамма-излучений. К слову, для человека фатальной может быть доза в 50 Гр, тогда как Syntrichia caninervis не только выдерживал дозу в 500 Гр, но и лучше рос.

Самым показательным опытом была имитация условий Марса: воздух с 95% CO², температура от –60 °C до 20 °C, высокий уровень УФ-излучения и низкое атмосферное давление. Высушенные растения мха достигли 100% скорости регенерации в течение 30 дней после воздействия марсианских условий в течение 1, 2, 3 и 7 дней. Гидратированные растения, которые подвергались воздействию симулятора всего один день, также выжили, хотя регенерировали медленнее, чем высушенные.

Ученые не отрицают, что для создания полноценной и самодостаточной среды обитания на Марсе потребуется гораздо больше усилий и времени. Но их труд является одним из первых шагов на пути к достижению этой цели. В будущем ученые хотели бы провести полевые испытания, доставив данный мох на Луну и Марс, дабы понять его свойства в реальных условиях.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?