Можно ли выращивать растения на марсе

Обновлено: 26.08.2024

Исследователи посадили салат и сорняк Arabidopsis thaliana в три вида подобия марсианской почвы. Два вида почв сделаны из материалов, добытых в Гавайях и пустыне Мохаве и похожи на сухую марсианскую почву. Третья почва максимально похожа на марсианскую, но составлена искусственно и включала вулканические породы, глину, землю и соли. Салат и сорняк вырасли в первых двух почвах, а вот в той, которая составлена искусственно и больше напоминала марсианскую, вырастить ничего не удалось.

Земля полна микробами и прочей органикой, которая помогает растениям расти, но Марс покрыт измельчённым камнем. Так что, если хотите вырастить еду на Марсе, для начала придётся потрудиться над почвой и сделать её хоть немного пригодной для растений.

Биохимики из Технологического института Флориды посадили салат и сорняк в имитацию марсианской почвы и контролировали свет и температуру так, как астронавтам придётся делать это на Марсе. Температура составляла 22 градуса Цельсия, а влажность – 70%.

Семена двух видов растений росли в почве из Гавайев и пустыни Мохаве, пока их удобряли коктейлями с азотом, калием, кальцием и др. Ни одно растение не проросло в искусственной земле, максимально похожей на марсианскую. Даже если выращивать растения в обычных условиях, а потом пересаживать в марсианскую землю и удобрять, саженцы погибают в течение недели после пересадки.

Учёные предположили, что в искусственной марсианской земле слишком высокий pH: 9,5. Уровень pH в двух натуральных землях составлял 7. Когда исследователи уменьшили pH искусственной земли до 7,2, растения после пересадки в неё держались уже две недели, но всё равно в итоге погибали.

Исследователи столкнулись с ещё одной проблемой. Искусственно созданная земля не содержала перхлората кальция – токсичной соли, 2% которой содержится на поверхности Марса. Учёные добавили соль в искусственную землю, но снова ни салат, ни сорняк не прижились.

Токсичная соль на поверхности Марса – серьёзная проблема, но не препятствие. На Земле живут бактерии, которые питаются этой солью. Питаясь солью, они вырабатывают кислород. Если захватить с собой на Марс эти бактерии, они могли бы питаться токсической солью и выделять кислород, пригодный для дыхания.

Чтобы понять, как выращивать растения на Марсе, нужно понять, где конкретно приземлится корабль с покорителями Марса

Чтобы понять, как почвы влияют на методы ведения сельского хозяйства на Марсе, учёные из Университета Джорджии в Афинах создали пять новых типов марсианской почвы. Рецепты этих почв основаны на данных марсоходов Curiosity, Spirit and Opportunity и нескольких космических кораблей.

Каждая из новых почв Марса представляет микс материалов, которые представлены на красной планете. Один имитирует средний состав поверхности Марса. Остальные четыре слегка отличаются друг от друга, например, содержанием карбонатов или сульфатов.

Возможно Марс когда-нибудь удастся озеленить. Но пока что выращивать культуры на Марсе не так просто, как это может показаться из фильма "Марсианин"

Человечество уже достаточно давно грезит колонизацией других планет. Но давайте представим, что гипотетическая миссия на Марс состоялась. Первые поселенцы успешно высадились на поверхность Красной Планеты и построили базу. А вот что им делать, когда закончатся запасы, привезенные с Земли? Самый простой выход — начать возделывать сельскохозяйственные культуры. Но пригоден ли грунт других космических тел для этого? Подобный вопросом задались и ученые из Нидерландов.

Выращивать растения на Марсе — реально

Как вырастить растения на Марсе?

Мы были в восторге, когда увидели, что первые помидоры, выращенные на марсианской почве, стали красными. Это означало, что был сделан уверенный шаг к разработке технологии по созданию устойчивой закрытой сельскохозяйственной экосистемы. — сказал доктор Вигер Вамелинк.

Но и это еще не все. Некоторые растения даже дали семена. В частности, редис, рожь и кресс-салат. Эти семена были протестированы на всхожесть, и они оказались пригодными для дальнейшего засеивания и разведения культур. Ученые полагают, что их исследование — это важный шаг к созданию устойчивых автономных колоний за пределами Земли, которые будут обеспечивать себя пищей самостоятельно. Конечно, изыскание ученых не учитывает факт наличия космической радиации и отсутствия атмосферы. Но ведь никто не запрещает, грубо говоря, прилететь на Марс с семенами и построить теплицы с поддержанием подходящих условий внутренней среды. А грунт можно будет взять прямо на месте.

Сколько часов в день придется работать марсианским огородникам и какие культуры посадят в первую очередь?

В 2017 году Илон Маск изложил свои грандиозные планы относительно будущего компании SpaceX, которая доставит человечество на Марс. За десятилетия во время десятков тысяч полетов миллионы людей доставят космические корабли на поверхность Красной планеты. Это минимум, как говорит Маск, чтобы создать самоподдерживающуюся цивилизацию.

Возникает множество вопросов, среди которых один из главных – а что все эти люди будут есть?

Из всех технологий, которые человечеству необходимо освоить для колонизации Марса, еда может стать одной из самых больших проблем.

Марс практически ничего не предоставляет для производства продуктов питания. Там нет местных растений или животных, а Земля не может постоянно кормить Марс. Это обнуляет саму идею самодостаточности.

Итак, марсиане должны будут производить свою еду на местном уровне. А это означает, что без новейших технологий не обойтись.

Очевидно, что нельзя выращивать земные растения прямо на поверхности Марса: мороз и низкое атмосферное давление убьют растения еще до того, как они прорастут из семян.

В марсианском реголите нет никакого органического материала, а верхний слой содержит токсичные перхлораты.

Традиционная идея заключается в том, что марсианские садоводы будут выращивать свои культуры в гигантских теплицах, добавляя в реголит органический компонент. Правда, сначала из реголита предстоит удалить перхлораты.

Но самым первым этапом станет гидропоника. Растения разместят в гидропонических теплицах, где они будут получать богатые питательными веществами растворы с использованием ингредиентов, привезенных с Земли.

Вот конкретные примеры того, как это может выглядеть.

Одним из наиболее враждебных мест на Земле для человеческой жизни является Антарктида, но в 2018 году ученые на немецкой станции Neumayer II в Антарктиде собрали впечатляющий урожай овощей, выращенных полностью гидропонически в теплице EDEN ISS. Эта теплица является полностью автономной растущей средой со светодиодными растениями, гидропонными питательными веществами и контролем атмосферы.

В течение 9,5 месяцев удалось 268 килограммов пищи, используя всего 12,5 квадратных метра пространства. Ученые вырастили огурцы, салат и помидоры, которые на вкус так же хороши, как с собственного земного огорода.

В среднем, одному человеку пришлось затратить в день 3-4 часа для выращивания урожая.

Нет оснований полагать, что эта технология не сработает техника на Марсе, хотя управление атмосферой будет более сложным, поскольку вы не можете просто открыть окно, когда в теплице становится слишком влажно.

Беспокоитесь о низкой гравитации? Мы уже знаем, что можно выращивать растения в космосе. На Международной космической станции под названием Veggie Plant Growth System подобный эксперимент идет успешно.

В небольшой оранжерее астронавты собирают урожая трех видов салатов и употребляют их в пищу с приправами, взятыми с Земли.

Земной прототип оранжереи называется Advanced Plant Habitat и представляет собой камеру размером с мини-холодильник.

Аппарат предназначен для проверки того, как разные растения реагируют на микрогравитацию, и он почти полностью автономный с функциями регулирования температуры, полива и подкормки питательными веществами.

Недавно система тестировалась для выращивания карликовой пшеницы в условиях микрогравитации, и растения благополучно вегетировали.

Также ученые проверили, насколько хорошо будут расти различные растения в смоделированном марсианском реголите, и, самое главное, как они на вкус? Оказывается, ячмень, базилик, капуста, хмель, лук, чеснок, салат, сладкий картофель и мята преуспели. Вкус оказался аналогичен земным культурам.

В своей статье ученые-футурологи Кэннон и Бритт предполагают, что марсиане будут получать белок из растений, а также из сверчков. Насекомые богаты белком, их просто выращивать, а на Земле уже сейчас есть множество компаний, которые рады продавать сверчков практически в любой съедобной форме.

В плюс марсианам играют невероятные достижения в выращивании мяса: лаборатории производят говяжьи гамбургеры и куриное мясо без наличия скота и птицы.

Кэннон и Бритт построили модель для имитации потребностей в пище населения на Марсе, которое гипотетически выросло до миллиона человек в течение 100 земных лет.

Они предположили, что колонисты прибудут с Земли по 150 человек за один раз, учли естественные показатели рождаемости и смертности, натуральные роды и обычный прирост местного населения.

Итак, потребовалось бы почти 200 000 космических судов с продовольствием, если бы на Марсе не выращивалась пища. Но если бы марсиане взялись развивать местное АПК, это число сократилось бы до чуть более 50 000 судов снабжения за 100 лет.

Марсиане смогли бы достичь самообеспеченности в течение примерно 20 лет, если бы все сосредоточились на ведении сельского хозяйства.

Теплицы и производство еды являются важными составляющими будущего марсианского поселения. Авторы и права: NASA.

Полёт на Марс уже почти гарантирован в течении следующего десятилетия или около того. Так как все: от NASA до враждующих между собой в сфере высоких технологий миллиардеров, устремили свой взор на “Красную Планету”. И время долгосрочного пребывания людей там, возможно, ненадолго будет отставать от времени их первого появления на Марсе.

Но прежде, чем мы всё это сделаем, нам нужно преодолеть множество препятствий, некоторые из которых носят чисто технический характер. Однако, с одной из этих проблем люди сталкиваются практически с тех пор, как наши предки спустились с деревьев – это выращивание сельскохозяйственных культур на новых территориях. И хотя мы никогда не путешествовали столь далеко от дома, есть определённый оптимизм в отношении наших навыков выращивания растений за пределами Земли.

Марс не так сильно отличается от Земли – с космической точки зрения они почти близнецы. Обе планеты имеют скальные поверхности и схожи по размерам, составу и силе притяжения. Наши миры настолько схожи, насколько мы можем достичь этого в пределах Солнечной системы. Возможно, Титан будет ещё более похож на Землю, но он значительно дальше от нас, что создаёт определённые трудности. На Марсе даже имеются запасы воды.

Поселение на Марсе. Авторы и пава: NASA.

Но Марс холоден – планета в среднем намного холоднее, чем даже самые полярные области Земли. И ему недостаёт атмосферы. Поэтому людям потребуется укрытие и воздух, так что мы должны также обеспечить этим и наших лиственных друзей. Что им нужно, чего нет у нас?

Ответ в почве

Почва, которой, разумеется, на Марсе нет. Почва – это больше, чем просто мелко измельчённые камни. Почва содержит множество необходимых для растений минералов. Правильная почва также содержит органические вещества – отмершие ткани и живые микробы. Без всего этого вы имеете только набор камней. И это то, что сейчас есть на Марсе – мы называем это “реголитом”.

Но люди учились земледелию во враждебной среде с тех пор, как мы сами стали выращивать себе еду. Мы можем сделать негостеприимную почву гостеприимной для сельскохозяйственных культур. Мы добавляем в почву отходы от растений или свои собственные. Мы делаем домашние сады плодоносными, добавляя прошлогодние листья. Мы используем комплексные химические удобрения, созданные в лабораториях. Ваш коллега может сбрасывать кофейную гужу и яблочные огрызки в горшок в офисе. Мы знаем, как сделать так, чтобы растениям понравилась почва, в которую мы их сажаем.

Возможный вид будущей марсианской колонии. Авторы и права: Bryan Versteeg / MarsOne.

Конечно и базовые минералы имеют в этом своё значение. На Марсе кроме этого есть некоторые довольно неприятные химикаты в реголите (такие как перхлораты), которые земные фермеры стараются держать вдали от своей почвы. Хорошей новостью тут является то, что избавиться от них можно просто промыв почву в воде. Итак, если вы промоете марсианскую почву и добавите компост – что вы сможете вырастить? Существует несколько команд учёных, которые работают именно над этим вопросом.

Мы ни разу ещё не доставляли образцов грунта с Марса, но мы имеем прекрасное представление, что он из себя представляет: благодаря крошечному отряду научных роботов, которые изучает Красную Планету и анализируют её реголит, зачерпывая образцы и загружая их в анализаторы, а также стреляя в него из лазеров. Основываясь на этой информации несколько независимых лабораторий сделали всё возможное, чтобы воссоздать марсианский реголит на Земле. Вы сами можете купить аналог реголита примерно по $20 за 1 кг.

Эксперименты

В технологическом институте Флориды группа учёных и студентов попробовали свои навыки марсианского фермерства: они сажали сельскохозяйственные культуры в земную почву (в качестве контрольной группы) и в аналог марсианского реголита с добавкой удобрений. Они начали с салата и вскоре добавили к нему помидоры, горох и перец.

В университете Виллановы студенты пробовали большинство из тех же культур, а также травы, подобные чесноку, мяте и базилику, потому что колониальная еда не должна быть безвкусной. Они также пробовали выращивать хмель (здесь вы можете вставить свою собственную шутку по поводу приоритетов студентов). Они выращивали свои растения в тёмных уголках теплицы, для симуляции более ограниченных в плане солнечного света условий на Марсе. Другие группы экспериментировали с искусственным светом. Кроме того будущим колонистам не обойтись без электрического компрессора .

Терраформированный Марс в представлении художника. Авторы и права: Daein Ballard.

Но в этом эксперименте появилась загвоздка: ураган Мэтью прервал эксперимент команды из Флориды, в связи с чем студенты забыли полить свои посевы. Но Марс также имеет свои отвлекающие факторы, так что это стало новым испытанием растений – уже на живучесть. И большинство из посевов оказались в порядке, несмотря ни на что. Салат в экспериментах смог расти даже в необработанном реголите. Другим растениям потребовались удобрения, но в остальном они превосходно справлялись с ростом в подобных условиях.

Консистенция почвы

Дело заключается не только в питательных веществах. Группа из Виллановы обнаружила, что консистенция реголита, подобная глине, оказалась слишком плотной для многих растений (включая картофель – извини Марк Уотни) чтобы прорасти сквозь него. Но добавив в реголит материал из кофейной гущи и измельчённого картона, исследователи смогли взбить эту почву и облегчить задачу растениям по прорастанию сквозь неё.

Конечно удобрения и измельчённый картон не встречаются в естественных условиях на Марсе. И если вы будете просто импортировать их с Земли, то с таким же успехом можно будет просто привозить и еду. Поэтому учёные работают над тем, чтобы использовать в качестве разрыхлителей почвы червей и мелкие колонии бактерий, а отходы от марсианских колонистов могут оказаться полезны для получения высококачественных удобрений.

Существует ещё множество проблем, которые придётся преодолеть – низкая гравитация Марса является тут только одним ярким примером. Но эти исследования уже определённо дают надежду на то, что марсианские поселенцы смогут очищать горох и картофель, а возможно и варить пиво из культур, выращенных на их собственных марсианских фермах.

Обзор

Художественное изображение марсианской колонии

Автор

Редакторы

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

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

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

Что нам известно о Марсе (кратко)

Рисунок 2. Члены исследовательской группы Мэтт Ван Кирк и Шэрон Лаубах тестируют марсоход Spirit, который в будущем зафиксирует самую высокую температуру на поверхности Марса.

Таблица 1. Состав воздуха Марса и Земли. Источник: [2].

Земля (концентрация в %)	Марс (концентрация в %)
Углекислый газ (CO₂)	0,03	95,32
Азот (N₂)	78,08	2,7
Аргон (Ar)	0,93	1,6
Кислород (O₂)	20,95%	Таблица 2. Элементный состав почв Марса. Источник: [3].
Элемент	Содержание (в %)	Комментарий
SiO₂	46,52 ± 0,57	В норме для ведения сельского хозяйства
TiO₂	0,87 ± 0,15
Al₂O₃	10,46 ± 0,71
FeO	12,18 ± 0,57
Fe₂O₃	4,20 ± 0,54
MnO	0,33 ± 0,02
MgO	8,93 ± 0,45
CaO	6,27 ± 0,23
K₂O	0,41 ± 0,03
P₂O₅	0,83 ± 0,23
Cr₂O₃	0,36 ± 0,08
SO₃	4,90 ± 0,74	Слегка повышено
Na₂O	3,02 ± 0,37	Повышено
Cl	0,61 ± 0,08	Повышено

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].

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.

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].

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.

Читайте также: