Як рослини ростуть у стані невагомості?

0
521

Гравітація є невідємними для всіх організмів на Землі. Вона впливає на кожен аспект нашої фізіології, поведінки і розвитку — незалежно від того, що ви таке, ви розвиваєтеся в середовищі, яка тісно йде гравітаційними корінням в землю. Але що станеться, якщо ви відмовитеся від звичного середовища і опинитеся в ситуації за межами еволюційного досвіду? Біологи, які вирощують рослини в лабораторії, часто задаються таким питанням. Експерименти починаються на землі, але поступово переходять в космос. Що може бути вище для рослини, ніж умови мікрогравітації в космосі?

Вивчаючи, як рослини реагують на життя в космосі, ми можемо дізнатися більше про те, як вони пристосовуються до змін навколишнього середовища. Рослини не тільки мають важливе значення для земного життя: вони також можуть бути важливими для нашого освоєння Всесвіту. Поки ми готуємося до майбутньої колонізації, нам важливо зрозуміти, як наші рослини можуть пристосуватися до життя на інших планетах, адже саме вони можуть стати незмінним джерелом їжі, води і повітря для майбутніх колоністів.

Таким чином, навіть поки ми перебуваємо на землі, на борту тієї ж Міжнародної космічної станції дослідження йдуть повним ходом. Вони вже зробили нам кілька сюрпризів на тему зростання в умовах мікрогравітації і змінили наше мислення про зростання рослин на Землі.

Вчитися безтурботності рослин

Рослини добре підходять для вивчення екологічної напруженості. Оскільки вони стирчать в одному місці — біологи називають такі організми сессильными, — рослинам доводиться з розумом підходити до всього, що навколишнє середовище їм підносить. Переїхати в більш вдале місце не вийде, змінити навколишнє середовище теж.

Однак рослини можуть змінити «внутрішнє середовище», і рослини — майстри маніпуляцій зі своїм метаболізмом, який допомагає їм впоратися з пертурбаціями оточення. З цієї причини ми і використовуємо рослини в своїх дослідженнях; ми можемо розраховувати на них як на чутливих репортерів екологічних змін, навіть у відносно нових умовах зразок космічного польоту.

Людям було цікаво, як рослини реагують на космічний політ, рівно з того моменту, як у нас з’явилася можливість туди відправитися.

Поки на Землі вивчають рослини, самі рослини знаходяться в космосі

Космічний політ вимагає спеціальних камер для зростання, спеціальних інструментів для спостереження і збору зразків і, звичайно, спеціальних людей, які подбають про проведення експерименту на орбіті.

Типовий експеримент починається на Землі в лабораторії з висадки сплячих насіння арабідопсису в чашках Петрі з живильним гелем. Цей гель (на відміну від ґрунту) тримається на місці в невагомості і надає рослині необхідну воду і поживні речовини. Ці рослини потім обертаються темною тканиною, доставляються в космічний центр Кеннеді і завантажуються в капсулу Dragon на вершині ракети Falcon 9, яка летить на МКС.

Після стикування астронавт завантажує чашки в обладнання для вирощування рослин. Світло стимулює насіння розкритися, камери постійно записують процес сходів паростків, та в кінці експерименту астронавт збирає 12-денні рослини і зберігає їх в консерваційних тубах.

Після повернення на Землю ми можемо скільки завгодно експериментувати з збереженими зразками, вивчати їх унікальні процеси метаболізму, які протікали на орбіті.

Збираючи плоди

Одне з перших, що ми виявили, так це те, що деякі стратегії росту коренів, які, як ми вважали, вимагають гравітацію, не вимагають її взагалі. Пошук води і поживних речовин рослини відрощують коріння, відправляючи їх в місця поблизу. На Землі гравітація є важливим «покажчиком» напряму зростання, але рослини також використовують дотики (уявіть кінчик кореня як чутливий палець) для навігації навколо перешкод.

У 1880 році Чарльз Дарвін показав, що коли ви вирощуєте рослини вздовж похилої поверхні, корені ростуть з насіння не прямо, а скоріше відхиляються в одну сторону. Ця стратегія зростання називається «перекосом». Дарвін припустив, що причина тому — поєднання гравітації і торкання коренів — та 130 років всі інші теж так вважали.

Але коріння зросли з перекосом і без гравітації. У 2010 році ми побачили, що коріння рослин, вирощених на МКС, подолали весь шлях по поверхні чашки Петрі з ідеальним перекосом коренів — без будь-якої тяжкості. Це було сюрпризом. Очевидно, не гравітація стоїть за паттерном росту коренів.

У рослин на МКС є другий потенційний джерело інформації, від якого вони могли відштовхуватися: світ. Ми припустили, відсутність сили тяжіння, яка могла б вказати корінню рости в напрямку «геть» від листя, світло грає велику роль в орієнтації коренів.

З’ясувалося, що так, світло дуже важливий, але не тільки світло — повинен бути градієнт інтенсивності світла, тоді він буде виступати в якості цінного керівництва. Уявіть його як гарний запах: ви можете з закритими очима знайти на кухні джерело запаху, якщо духовка з печивом тільки відкрилася, але якщо весь будинок буде в рівній мірі втоплений в ароматі шоколадного печива, ви навряд чи знайдете.

Налаштування метаболізму на льоту

Світяться рослини дозволяють нам дізнатися, які гени активні, тому ми можемо сказати, які виробляються білки.

Ми знайшли ряд генів, залучених у виробництво і реконструкцію клітинних стінок, які по-іншому експресуються у вирощених в космосі рослин. Інші гени, чутливі до світла, — які зазвичай експресуються в листі на Землі — экспрессировались в коренях на МКС. У листі виявилися репресовані багато гени сигналізації фітогормону, а гени, що відповідають за захист від комах, виявилися більш активними. Ці схеми генів і білків дещо про що повідомляють: в умовах мікрогравітації рослини послаблюють клітинні стінки і виробляють нові способи відчувати оточення.

Ми відстежуємо зміни експресії генів у режимі реального часу, зазначаючи конкретні білки флуоресцентною міткою. Рослини з додаванням світяться флуоресцентних білків можуть «розповідати» про те, як реагують на своє оточення. Такі інженерські рослини виступають як біологічний сенсор — «біосенсор», якщо коротко. Спеціальні камери і мікроскопи дозволяють нам спостерігати за тим, яке застосування рослина знаходить цим флуоресцентним білків.

Погляд з космосу

Такого роду дослідження дає нам нове розуміння того, як рослина сприймає і реагує на зовнішні подразники на фундаментальному, молекулярному рівні. Чим більше ми дізнаємося про те, як рослина реагує на нові та екстремальні умови, тим більше ми знаємо про те, як рослина буде реагувати на зміну умов і тут, на Землі.

Звичайно ж, наші дослідження в цій області вносять внесок у колективні зусилля по виведенню біології за межі планети. Той факт, що гравітація не так важлива для рослин, як ми колись вважали, це приємна новина для перспектив розведення культур на інших планетах з низькою гравітацією і навіть на кораблях взагалі без гравітації. Люди готові покинути планету, і коли ми покинемо орбіту Землі, будьте впевнені, що з нами будуть рослини.