Можно ли вырастить растения на Марсе и Луне: как грибы-экстремофилы очищают космический грунт

Создание автономных баз на Луне и Марсе невозможно без решения проблемы продовольствия. Доставлять продукты или готовую почву с Земли слишком дорого. По текущим оценкам, транспортировка всего одного килограмма груза на орбиту стоит около 20 тысяч долларов, а доставка на другие небесные тела увеличит эти расходы во много раз. Единственный разумный путь — использовать местные ресурсы, включая поверхностный грунт, который называют реголитом.

Однако реголит непригоден для обычного земледелия. Это бесплодная, сухая и токсичная каменная крошка. Чтобы превратить её в пригодную для растений почву, необходимы посредники. Наиболее перспективными кандидатами на эту роль стали микроскопические грибы. Они способны перестроить химическую структуру мертвой породы и сделать её безопасной для растений.

Физико-химические свойства реголита: почему в нем гибнут растения

Реголит принципиально отличается от земной почвы. На Земле грунт формировался миллионы лет при участии воды, воздуха и живых организмов. Внеземной субстрат никогда не контактировал с органикой. В нем полностью отсутствуют полезные бактерии и питательные органические вещества.

Эксперименты показывают, что при попытке вырастить растения в чистом реголите они сталкиваются со следующими критическими проблемами:

1. Недоступность питательных веществ. В реголите много калия, фосфора, железа и магния. Однако все эти элементы прочно связаны внутри твердых минералов и не растворяются в воде. Корни растений просто не могут их впитать.
2. Высокая щелочность. Лунный и марсианский грунты имеют щелочную реакцию. В такой среде многие полезные химические соединения выпадают в осадок и становятся недоступными для растений.
3. Избыток и токсичность металлов. Реголит содержит слишком много железа и алюминия. Например, нормальная потребность растений в железе составляет сотые доли процента. В лунном грунте его концентрация превышает 12-15%. В чистом виде такое количество металла отравляет корневую систему, вызывая гибель клеток.
4. Отсутствие структуры. Реголит состоит из мелких, острых частиц разного размера. Он плохо удерживает воду: влага либо мгновенно испаряется, либо уходит в глубокие слои, не задерживаясь у корней. Кроме того, в марсианском грунте содержатся токсичные соли — перхлораты, которые дополнительно угнетают любые живые организмы.

В ходе исследований, когда ученые пытались вырастить классическое лабораторное растение резуховидку Таля (Arabidopsis thaliana) в настоящем лунном грунте, доставленном космическими аппаратами, растения выживали, но развивались крайне медленно и демонстрировали признаки сильнейшего химического стресса.

Механизмы работы микроскопических грибов

Грибы — одни из главных разрушителей горных пород на Земле. Они получают питательные вещества, растворяя твердые минералы с помощью выделяемых ими ферментов и кислот. Этот естественный процесс называют биовыветриванием. Ученые предлагают использовать его для подготовки внеземного грунта. Действие грибов складывается из трех основных процессов.

1. Растворение минералов кислотами

Микроскопические грибы, особенно из родов Пеницилл (Penicillium) и Аспергилл (Aspergillus), выделяют простые органические кислоты, такие как лимонная или щавелевая.

Эти кислоты снижают щелочность окружающей среды и постепенно разрушают кристаллическую структуру минералов реголита. Связанные ранее элементы — фосфор, калий, магний и кальций — переходят в растворимую форму. Растения получают возможность впитывать их вместе с водой.

В лабораторных тестах штамм Penicillium simplicissimum за две недели извлек из симулятора лунного грунта значительное количество алюминия, железа и кальция. Другой вид, Aspergillus tubingensis, за первые пять дней совместного существования с марсианским грунтом выделил столько щавелевой кислоты, что она нейтрализовала щелочную среду и перевела труднорастворимые соединения в доступную для корней форму.

2. Нейтрализация токсичных металлов

Чтобы избыток железа и алюминия не отравлял растения, грибы используют специальные защитные механизмы. Они выделяют сидерофоры — органические соединения, которые избирательно связывают ионы металлов.

Сидерофоры соединяются с избыточным железом и превращают его в стабильную форму. В таком виде железо перестает быть токсичным, но остается доступным для питания растений в строго необходимых объемах.

Аналогичным образом грибы нейтрализуют алюминий, доля которого в лунном грунте превышает 26%. Штаммы гриба Aspergillus niger переводят алюминий в стабильные алюминиево-оксалатные соединения. Они химически инертны, не вредят корням растений и остаются в грунте в безопасном состоянии.

3. Формирование структуры почвы

Особое значение имеют арбускулярные микоризные грибы. Они не могут жить самостоятельно и развиваются только в тесном союзе с корнями растений. Грибные нити (гифы) проникают внутрь корня и распространяются далеко вокруг него, помогая впитывать воду и минеральные вещества.

Микоризные грибы выделяют особый белок — гломалин. Это вещество работает как естественное связующее средство. Гломалин склеивает мелкие пылевидные частицы реголита в комки разного размера. В результате грунт приобретает комковатую структуру, которая хорошо удерживает воду и пропускает воздух, необходимый для дыхания корней. Это делает реголит физически похожим на обычную земную почву.

Кандидаты для космических теплиц

Ученые ищут подходящие виды грибов в экстремальных регионах Земли и на космических объектах. Выделяют две основные группы кандидатов:

• Антарктические экстремофилы. В сухих долинах Антарктиды обитает черный гриб Cryomyces antarcticus. Он содержит большое количество темного пигмента меланина. Этот пигмент защищает клетки гриба от ультрафиолетового излучения, сильных доз радиации и резких перепадов температур. Такие свойства критически важны для работы на поверхности Луны или Марса.
• Изоляты с Международной космической станции. На МКС в процессе жизнедеятельности экипажа постоянно размножаются различные микроорганизмы. Ученые выделили со станционных поверхностей штаммы грибов Penicillium rubens и Aspergillus niger. Они уже адаптировались к условиям невесомости и повышенного радиационного фона, что делает их перспективными для использования в космических оранжереях.

Проблема биологической безопасности

Внедрение микроскопических грибов в замкнутые системы космических станций сопряжено с серьезными рисками. Ученым необходимо соблюдать строгий баланс безопасности:

• Риск заболеваний. Некоторые виды грибов, например Aspergillus fumigatus, могут вызывать тяжелые инфекции дыхательных путей у людей с ослабленным иммунитетом. В замкнутом пространстве космической базы это представляет смертельную опасность для экипажа.
• Выделение токсинов. Отдельные штаммы грибов в процессе жизнедеятельности вырабатывают микотоксины. Например, Penicillium expansum выделяет патулин — опасное вещество, которое может накапливаться в плодах выращиваемых растений и отравлять их.
• Вред для растений. Ряд грибов из родов Trichoderma и Fusarium, эффективных при разрушении минералов, при определенных условиях могут превращаться в патогены и вызывать гниение корней культурных растений.

По этой причине ученым предстоит провести тщательный отбор и генетический анализ каждого штамма. Использовать можно только те разновидности, безопасность которых полностью доказана.

Значение для космической и земной науки

Исследования в области взаимодействия грибов и реголита открывают путь к созданию замкнутых систем жизнеобеспечения. Понимание того, как простые организмы преобразуют мертвую материю, позволяет разработать стандартизированные методы подготовки грунта для будущих марсианских и лунных теплиц.

Эти работы имеют большое значение и для Земли. Методы биорекультивации — восстановления почв с помощью микроорганизмов — могут быть использованы для оживления бесплодных земель, карьеров, пустынь и территорий, пострадавших от промышленного загрязнения тяжелыми металлами. Технологии, созданные для космоса, помогут вернуть плодородие истощенным землям нашей планеты.

Источник:Frontiers in Astronomy and Space Sciences