Як рослини ростуть в стані невагомості?

Гравітація невід`ємна 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, частенько задаються таким питанням. Експерименти починаються на землі, але поступово переходять в космос. Що може бути новіше 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 земної 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 постійним 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 піднесли 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 сессільнимі, - 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 по маніпуляціям зі своїм метаболізмом, який допомагає їм впоратися з пертурбаціями оточення. З цієї причини ми і використовуємо рослини в своїх ісследованіях- ми можемо розраховувати на них як на чутливих репортерів екологічних змін, навіть у відносно нових умовах на кшталт космічного польоту.

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

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 арабидопсиса в чашках Петрі з живильним гелем. Цей гель (на відміну від грунту) 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 всхода паростків, і в кінці експерименту астронавт збирає 12-денні рослини і зберігає їх в консерваційних тубах.

Після повернення на Землю ми можемо скільки завгодно експериментувати зі 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. У пошуку води і поживних речовин рослини відрощують коріння, відправляючи їх в місця поблизу. На Землі гравітація є важливим «покажчиком» напрямку росту, 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 похилій поверхні, коріння 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 - і 130 років всі інші теж так вважали.

Але коріння виросли 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 гравітації. Це було сюрпризом. Очевидно, що не гравітація стоїть за патерном росту коренів.

У рослин на МКС є другий потенційний джерело інформації, від якого вони могли відштовхуватися: світло. Ми припустили, за відсутності сили тяжіння, яка могла б вказати коріння 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 хороший 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 його знайдете.

Налаштування метаболізму на льоту

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

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 в основному експресуються в листі на Землі - експресуватися в коренях на МКС. У листі виявилися репресовані багато генів 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 в режимі реального часу, відзначаючи конкретні білки флуоресцентною міткою. Рослини з додаванням світяться флуоресцентних білків можуть «розповідати» про те, як реагують на своє оточення. Такі інженерні рослини виступають як біологічний сенсор - «біосенсори», якщо коротко. Спеціальні камери, 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 і 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 вклад в 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, з нами будуть рослини.